Chapter 2. Overview of Graphics System

2009-1 학기 Chapter 2. Overview of Graphics Systems 1

Chapter 2. Overview of Graphics System


Video Display DevicesVideo Display Devices

primary output device : video monitor (based on cathode-ray tube, CRT 음극선관 혹은 브라운관 )

Refresh Cathode-Ray Tubes basic operation of a CRT ( 그림 2-2)

electron gun 에 의해 방출되는 전자파 (a beam of electrons, 즉 cathode rays) 가 focusing systems 와 deflection systems 를 통과하여 형광체로 입혀진 스크린을 향한다 .

형광체는 전자파가 접촉하는 지점에 작은 빛을 방사한다 . 형광체에 의해 방사되는 빛은 즉시 흐려져가기 때문에 스크린 픽춰를 유지하기위한 방법이 필요하다 .

한 방법으로 같은 지점에 전자파가 향하도록 반복적으로 그림을 그리는 것으로 이러한 타입의 디스플레이를 refresh CRT 라고 함


Figure 2.2 Basic design of a magnetic deflection CRTFigure 2.2 Basic design of a magnetic deflection CRT


CRT 구성 요소 ( 그림 2-3)CRT 구성 요소 ( 그림 2-3)

heated metal cathode, a control grid, heating filament, focusing anode, accelerating anode 필라멘트에 전류가 흐르면서 열이 음극 (cathode) 에 가해짐으로써 전자가

뜨거운 음극 표면으로부터 떨어져 나오게 된다 . CRT 내부의 진공관에서 마이너스로 충전된 전자들이 high positive voltage

로 덮힌 형광체를 향하여 가속화된다 . 가속화시키는 전압은 스크린 가까이의 CRT 내부에 플러스로 충전된 금속에 의해 생성되거나 아니면 가속화시키는 양극 (accelerating anode)에 의해 생성되기도 한다 .

전자파의 강도는 control grid 의 voltage level 를 세트하여 조절된다 . focusing systems 의 역할 : 전자파가 형광체에 부딪히는 한 점에 모아지도록

하는데 쓰임 . focusing 은 전장 (electric field) 이나 자장 (magnetic field) 에 의해 이루어짐

electrostatic ( 정전기 ) focusing : TV 나 그래픽스 모니터에 잘 이용됨 : 전자파가 스크린의 중앙에 모아지도록 하는 것


Deflection of electron beam: electric field or magnetic field 에 의해 조절 two pairs of magnetic deflection coils 이용

각각 horizontal deflection, vertical deflection 에 이용됨 deflection 의 양은 코일을 흐르는 전류에 의해 조정됨

스크린 위에 빛 생성은 CRT 전파 에너지가 형광체에 전달됨으로써 이루어짐 .

CRT 에 이용되는 형광체는 color 외에 persistence ( 지속성 , CRT beam이 제거되고 나서 얼마동안 빛을 발하느냐 ) 에 따라 여러 종류가 쓰여지고 있다 .


Figure 2-3 Operation of an electron gun with an accelerating anodeFigure 2-3 Operation of an electron gun with an accelerating anode


resolution : CRT 내에 중복없이 가장 많이 디스플레이 될 수 있는 점의 수 CRT 의 resolution 은 형광체의 타입 , 디스플레이되는 빛의 강도 , focusing

and deflecting systems 에 따라 다르다 . high-quality system 의 전형적인 resolution 은 1280 by 1024

그래픽스 모니터의 physical size 는 스크린의 대각선의 길이로 12 인치에서 27 인치 혹은 그이상

비디오 모니터의 또 하나의 성질로 aspect ratio 가 있음 vertical points 와 horizontal points 의 비율을 말함 (vertical points / horizontal

points) : 스크린에 양방향으로 같은 길이의 라인을 생성해 내는데 필요한 수직점과 수평점의 비율로 aspect ratio 가 3 / 4 는 3 개의 점으로 구분된 수직선과 점 4 개로 구분된 수평선이 같은 길이를 갖는 것을 말함


Raster Scan DisplaysRaster Scan Displays

CRT 를 이용한 가장 일반적인 형태의 그래픽스 모니터 , 텔레비젼 기술을 근거로 함

전자광선 (electron beam) 이 위에서부터 아래로 한줄씩 스크린을 지나가면서 광선의 강도가 켜졌다 꺼졌다하면서 빛나는 점의 형태를 생성

그림의 정의는 refresh buffer 혹은 frame buffer 라고 불리우는 메모리에 저장됨 . 이 메모리는 스크린의 모든 점들에 대한 빛의 강도 (intensity values) 를 가지고 있다 . 이 저장된 값들이 frame buffer 로부터 꺼내져 한번에 스크린에 한줄씩 (scan line) 그려지게 된다 .

스크린의 각 포인트를 pixel 혹은 pel (picture element) 이라고 불림 black and white system 에선 각 스크린 포인터가 on/off 이면 되므로 픽셀당 1

비트가 필요하게 되며 , 칼라나 빛의 강도에 변화를 주기위해선 픽셀당 비트수가 추가적으로 필요하다 . 픽셀당 24 비트로 스크린 해상도 (resolution)이 1024 by 1024 의 경우인 시스템은 frame buffer 의 크기가 3 megabytes 를 필요로 한다 .


some raster-scan systems 에서는 각 프레임이 interlaced refresh procedure 를 이용한 two passes 로 디스플레이된다 . first pass 에서는 광선이 위에서부터 아래로 한 줄 건너서 지나가고 난

뒤에 vertical retrace ( 한 프레임의 끝에서 다음 프레임을 시작하기 위해 스크린의 top left corner 로 가는 것 , horizontal retrace 는 전자광선이 다음 스캔라인을 디스플레이하기 위해 스크린의 left side 로 가는 것을 말함 ) 후에 광선은 남아있는 스캔라인을 지나간다 .

위에서부터 아래까지 모든 라인을 지나가는데 걸리는 시간의 반으로 전체 스크린이 디스플레이된다 .

초당 30 프레임의 noninterlaced display 의 경우 flicker 현상이 발생하나 interlacing 으로 초당 60 프레임에 가까운 refresh rate 를 가져오므로 flicker를 피할 수 있는 효과가 있다 .


Random Scan DisplaysRandom Scan Displays

random-scan display unit 의 경우엔 CRT 가 스크린에서 그림이 그려질 부분으로만 전자광선이 향하도록 되어 있다 .

random-scan monitor 는 한번에 한 라인씩 그림을 그리기 때문에 vector displays, stroke-writing displays, calligraphic displays 라고 불리운다 .

한 물체의 구성인 선분들을 지정된 어떤 순서대로라도 그릴 수 있다 . pen plotter 도 이와 비슷하게 작동하며 random-scan, hard-copy device 의 일종 picture definition 은 refresh display file(display list, display program, refresh buffer

라고도 함 ) 에 line-drawing commands 로서 저장됨 line-drawing applications 를 위해 설계되었으며 realistic shaded scenes 의 경우는

디스플레이 할 수 없슴 picture definition 이 모든 스크린 포인트에 대한 intensity values 가 아니라 line-

drawing instructions 로 저장되어 있기 때문에 raster systems 보다는 high resolution 을 갖는다 .

raster systems 이 jagged lines 으로 표시되는 반면 , vector displays 는 smooth line drawing 를 디스플레이한다 .


Color CRT MonitorsColor CRT Monitors

CRT monitor 는 여러 다른 색의 빛을 방출하는 형광체의 조합으로 color pictures 를 디스플레이한다 .

two basic techniques beam-penetration method

random-scan monitor 에 이용됨 red, green 의 두 층의 형광체가 스크린 안쪽에 덮여져 있음 색은 electron beam 이 형광체의 층으로 얼마만큼 멀리 들어가느냐로 나타내진다 .

slow electron beam 은 out red layer 만 자극시키고 fast electron beam 은 inner green layer 를 자극시킨다 . 중간속도의 electron beam 은 orange 와 yellow 를 보여준다 .

electron 의 속도는 beam-acceleration voltage 로 조절된다 .


shadow-mask method color TV 를 포함하는 raster-scan systems 에 이용 beam penetration method 보다는 광범위의 color 를 생성 shadow-mask CRT 는 각 픽셀 위치에 형광체가 3 가지 색의 점을 가짐 각각이 R, G, B 의 빛을 발함 CRT 가 three electron guns ( 각 color dot 에 대해 하나씩 존재 ) 와 형광체로

덮힌 스크린 바로 뒤에 shadow-mask grid 가 있다 . delta-delta shadow-mask method: color CRT systems 에 많이 쓰이는 방법

( 그림 2-10) three electron beams 가 shadow mask 의 구멍을 통해 스크린상의

small dot triangle 로 나타냄 in-line arrangement 방법

삼각형의 패턴이 아니라 하나의 스캔라인으로 정렬되어 high-resolution color CRT 에 이용됨


Figure 2-10 Operation of a delta-delta, shadow-mask CRTFigure 2-10 Operation of a delta-delta, shadow-mask CRT


three electron beams 의 intensity levels 를 변화시켜 color variation 형성 white or gray : all three dots 에 같은 강도를 주었을 때 yellow : green and red dots 만으로 생성 magenta : blue and red dots 로 생성 cyan: blue and green 으로 생성

그래픽스 시스템의 color CRT 는 RGB monitor 로서 설계됨 shadow mask 를 이용하고 컴퓨터로부터 직접 각 electron gun 의 intensity

level 을 얻음 high-quality raster-graphics systems 는 frame buffer 에 픽셀당 24 비트를 가지고

픽셀당 17 million color choices 를 허용 - full-color system or true-color system이라고 함 - 224 = 210 * 210 * 24 = 약 1700 만 칼라


Direct View Storage Tubes (DVST)Direct View Storage Tubes (DVST)

스크린 이미지를 유지는 다른 방법으로 CRT 내부에 picture information 을 저장

형광체로 덮힌 스크린 바로 뒤에 picture information 저장 two electron guns 이용 : primary gun 은 picture pattern 을 저장하는데 이용되고 ,

secondary gun 은 picture display 를 유지시키는데 이용됨 장점 : refreshing 이 필요없으므로 복잡한 그림을 flicker 없는 high-resolution

으로 디스플레이 단점 : 색을 디스플레이 하지 않으며 그림의 일부분을 제거할 수 없으므로 ,

전체 스크린을 제거하고 그림을 새로 그려야 함 - 복잡한 그림일 경우에 시간이 많이 걸림


Flat Panel DisplaysFlat Panel Displays

CRT 에 비해 reduced volume, weight, and power requirements 를 갖는 비디오 디바이스를 말함

현재 , TV monitors, calculators, pocket video games, laptop computers 등에 이용되고 있음

two categories emissive displays (emitters) - electrical energy 를 빛으로 변환

plasma panel (gas-discharge displays) thin-film electroluminescent displays light-emitting diodes (LED) 등 세가지 타입이 있슴

nonemissive displays - 빛을 그래픽 패턴으로 바꿈 liquid-crystal device 가 대표적 예 : calculator, portable laptop computer

현재는 " 작은” 시스템은 아님


Three Dimensional Viewing DevicesThree Dimensional Viewing Devices

3 차원 scene 의 디스플레이를 위한 그래픽스 모니터는 CRT 이미지를 진동하며 굴절성인 거울로 반사하는 기술로 고안됨 다양한 촛점을 갖는 거울이 진동하면 초점거리가 변하며 이러한 진동에

의해 CRT 위에 물체가 표현됨


Stereo and Virtual SystemsStereo and Virtual Systems

true three dimensional images 를 생성하는 것이 아니고 관측자의 눈에 물체의 depth 를 보이게 하는 three-dimensional effect 를 제공하는 방법

stereoscopic projection 을 위해선 한 scene 에 대해 two views 를 구해야 됨 (left and right eye 의 viewing direction 으로부터 )

stereoscopic effect 생성의 한 방법으로 two views 를 alternate refresh cycles 로 표현함

stereoscopic viewing 은 가상현실 시스템 ( 유저가 scene 으로 들어가 그 환경과 서로 상호작용 함 ) 의 구성요소가 됨

headset: stereoscopic views 를 생성함


Raster Scan SystemsRaster Scan Systems

raster : 브라운관에 비치는 가는 가로줄 무늬 organization of raster systems ( 그림 2-24)

CPU, video controller (display controller), frame buffer (system memory) video controller

frame buffer memory 를 direct access frame buffer locations 와 이것에 대응하는 스크린 위치는 Cartisian 좌표를 취한다 . 대부분 , 원점이 스크린의 lower left corner 로 정의됨

스크린이 2 차원 시스템의 1/4 을 나타내며 오른쪽으로는 x 값이 positive 로 변하고 y 값은 밑에서 부터 위로 가면서 positive 하게 바뀐다 . ( 시스템에 따라 upper left corner 가 원점인 경우도 있음 )

basic refresh operations of video controller ( 그림 2-27) two registers: 스크린 픽셀의 좌표치를 저장

x-register 는 0, y-register 는 ymax에서 시작한다 .

frame buffer 에서 이 픽셀 위치의 값을 꺼내어 CRT beam 의 intensity 로 함

CRT beam intensity 를 직접 조정하지 않고 lookup table 을 이용하는 경우도 있음


Figure 2-24 Architecture of a simple raster-graphics systemFigure 2-24 Architecture of a simple raster-graphics system


Figure 2-25 Architecture of a raster system Figure 2-25 Architecture of a raster system


Figure 2-26 A Cartesian reference frame with origin Figure 2-26 A Cartesian reference frame with origin


Figure 2-27 Basic video-controller refresh operationsFigure 2-27 Basic video-controller refresh operations


Raster scan display processor ( 그림 2-28) 별도의 display processor (graphics controller) 를 갖는 raster system 구성 major task: 그림의 정의를 digitize 해서 frame buffer 에 저장할 pixel-

intensity value 를 구하는 작업 -> scan conversion 이라고 함 예를 들어 line segment 를 scan conversion 하는 것은 line path 에 근접한 픽셀의 위치를 정하고 그것의 intensity value 를 frame buffer 에 저장하는 것이다 .


Figure 2-28 Architecture of a raster-graphics system with a display processorFigure 2-28 Architecture of a raster-graphics system with a display processor


Graphics Monitors and WorkstationsGraphics Monitors and Workstations

그래픽스 시스템은 small general-purpose compute systems 로부터 복잡한 full-color 시스템에 이르기까지 광범위하다 . diagonal screen dimensions for general-purpose personal computers : 12 to 21

inches, 16 to 32000 color range 워크스테이션의 경우 스크린 해상도가 1280 x 1024 가 전형적이며 screen

diagonal 은 16 인치 이상 , 8-24 bits per pixel


Input DevicesInput Devices

Keyboards entering text strings, picture labels, screen coordinates, menu selections, graphics

function 입력시 사용 cursor-control keys, function keys 사용 button box, input dial, 스위치 등을 사용하기도 함 : data value or customized

graphics operation 을 선택할 때 Mouse trackball and spaceball

스크린 커서의 이동 trackball: two dimensional positioning device spaceball: six degrees of freedom 제공

Joysticks 스틱이 중앙에서 어떤 방향으로 움직인 거리가 스크린 커서의 이동을

의미


Figure 2-43 A movable joystickFigure 2-43 A movable joystick


Data glove 손과 손가락의 움직임을 탐지하기 위한 센서로 구성됨 two-dimensional projection 은 비디오 모니터로 보고 three-dimensional

projection 은 headset 로 볼 수 있다 . Digitizer

drawing, painting, interactively selecting coordinate positions graphics tablet: input two-dimensional coordinates

electromagnetic ( 전자기 ) resonance ( 공명 ) 이용 hand cursor 혹은 stylus 로 입력

three dimensional digitizer: sonic ( 음향 ) or electromagnetic ( 전자기 ) transmission 이용

Image scanner 그림을 이미지스캐너에 의해 내부 표현으로 바꾼 뒤에는 rotate, scale, crop 등 여러가지 변형을 줄 수 있다 -> 이미지 처리


Figure 2-44 A virtual reality scene, displayed on a two-dimensional video monitorFigure 2-44 A virtual reality scene, displayed on a two-dimensional video monitor


Figure 2-45 The SummerSketch III desktop tabletFigure 2-45 The SummerSketch III desktop tablet


Figure 2-46 The Microgrid III tablet with sixteen-button hand cursorFigure 2-46 The Microgrid III tablet with sixteen-button hand cursor


Figure 2-49 A three-dimensional digitizing system Figure 2-49 A three-dimensional digitizing system


Touch panel 오브젝트나 스크린 위치 선택이 손의 접촉에 의해 이루어짐 터치스크린으로도 이용 input 은 optical, electrical, acoustical ( 음향 ) 방법 이용

optical touch panel: 적외선의 LED (light-emitting diodes) 이용 electrical touch panel: 약간 떨어져 있는 두개의 투명판 ( 양극 ) 으로 구성 , 하나는 전도체로 덮혀있고 다른 하나는 저항체로 덮혀져 있슴

acoustical touch panel : 유리판에 수평 , 수직방향으로 고주파의 음파가 생성

Light pen 스크린에 펜의 구멍으로부터 나온 빛으로 스크린의 위치를 선택 단점 : light pen 으로 스크린을 가리키기 때문에 그림의 일부가 가리게

되고 어두운 지역은 탐지되지 않는다 . 픽셀값이 Nonzero intensity 를 가져야 한다 .


Figure 2-55 A light pen with a buttonFigure 2-55 A light pen with a button


Voice systems 미리 정의된 단어 , 구 등과 매칭시켜 입력됨 , 사전을 미리 준비하여야 함 speech recognition system 에 의해 음성과 사전을 매칭시킴 오퍼레이터가 여러 디바이스에 신경쓰지 않아도 되는 장점이 있슴


Hard Copy DevicesHard Copy Devices

프린터 혹은 플로터로 그래픽스 이미지를 출력 그림의 질은 dot size, number of dots per inch, lines per inch 에 따라 다름 프린터 출력 방법으로

impact ( 충돌 ) printer: formed character 를 inked ribbon 을 통해 종이에 프린트 라인 프린터가 예

nonimpact printer: laser technique, ink-jet spray, xerographics (xero- 건 조 ) processes, electrostatic method, electrothermal ( 전열 ) methods 등 이용


Graphics SoftwareGraphics Software

그래픽스 소프트웨어의 두 가지 종류 general programming packages

C 나 FORTRAN 같은 high-level language 에서 이용되는 그래픽스 함수를 제공

예를 들어 Silicon Graphics 의 GL (Graphics Library) picture components (straight lines, polygons, circles 등 ) 생성 , color 나

intensity value 지정 , views 의 선택 및 변환 수행 special-purpose applications packages

nonprogrammer 들을 위한 것 예를 들어 painting programs, CAD systems 등


Coordinate Representations 일반적인 그래픽스 패키지는 Cartesian coordinate specifications 을 이용 물체를 화면에 나타내기 위한 일련의 과정 ( 그림 2-60)

modeling coordinates world coordinates normalized coordinates device coordinates


Figure 2-60 The transformation sequence from modeling coordinates to device coordinates for a three-dimensional sceneFigure 2-60 The transformation sequence from modeling coordinates to device coordinates for a three-dimensional scene


Graphics functions general-purpose graphics package 는 그림을 생성하거나 조작하기위한 여러

함수를 제공 input, output, attributes, transformations, viewing or general control basic building block : output primitives 라고 함

character strings and geometric entities (points, straight lines, curved lines, filled areas and shapes defined with arrays of color points) 포함

그래픽스 함수의 기능 attributes: output primitives 의 성질

intensity, color, line styles, text styles, area-filling patterns geometric transformations 혹은 modeling transformations 에 의해

물체의 크기 , 위치 , 방향을 변환 viewing transformations

디스플레이될 영역의 시야를 정의함


그림은 여러 structures (segments or objects) 로 나누어 구성되고 각 structure 에 대해 creation, modification, transformation 수행

Input functions mouse, tablet, joystick 과 같은 input device 를 컨트롤

control operations clearing a display screen, initializing parameters 와 같은 기능 수행


Software StandardsSoftware Standards

목적 : portability International and national standards planning organizations 에 의해 GKS (Graphical Kernel System) 가 개 발 되 고 ISO (International Standards

Organization), ANSI(American National Standards Institute) 등에 의해 첫번째 그래픽스 소프트웨어 표준으로 채택됨

PHIGS (Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics Standard) GKS 의 확장 프로그래밍언어에 독립적인 표준 그래픽스 함수 제공 예 ) PHIGS 나 GKS 에서 n-1 개의 선분 연결은 polyline(n, x, y) language binding 도 제공되고 있슴 standard for storing and transmitting pictures : CGI (Computer Graphics Interface) : device interface methods 를 위한 표준 CGM (Computer Graphics Metafile) : 그림 기록 혹은 이송과 관련된 표준


OpenGL 예제OpenGL 예제

# include <GL/glut.h> void init (void) { glClearColor (1.0, 1.0, 1.0, 0.0); // Set display-window color to white glMatrixMode (GL_PROJECTION); // Set projection parameters gluOrtho2D (0.0, 200.0, 0.0, 150.0); }

void linesegment(void) { glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT); // Clear display window glColor3f (1.0, 0.0, 0.0); // Set line segment color to red glBegin (GL_LINES); glVertex2i (180, 15); glVertex2i (10, 145); glEnd ( ); }


void main (int argc, char** argv)

{

glutInit (&argc, argv); // Initialize GLUT.

glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB);

// Set display mode

glutInitWindowPosition (50, 100);

// Set top-left display-window position

glutInitWindowSize (400, 300);

// Set display-window width and height

glutCreateWindow (“An Example OpenGL Program”);

init( ); // Execute initialization procedure

glutDisplayFunc (linesegment);

// Send graphics to display window

glutMainLoop ( ); // Display everything and wait

}


Figure 2-61 A 400 by 300 display windowFigure 2-61 A 400 by 300 display window


Figure 2-62 The display window and line segment produced by the example programFigure 2-62 The display window and line segment produced by the example program

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Chapter 2. Overview of Graphics System