CrashCourseComputerScience23屏幕与 2D 图形显示

Sisyphus235
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屏幕与 2D 图形显示

1.Early Computer Graphics

PDP-1 计算机，text-based 和 graphical tasks 分离，显示的分辨率很低，图像显示通常用来跟踪计算机运行情况，例如显示寄存器值

image.png

2.Display Technologies

  • 阴极射线管 Cathode Ray Tube (CRT)
    电子发生到有磷光体图层的屏幕上，用磁场控制电子的路径。屏幕内用线圈将电子引导到目标位置
    绘图方式：矢量扫描 Vector Scanning（发光只能持续一小会，如果刷新足够快就可以得到清晰的图像） 和 光栅扫描 Raster Scanning

image.png

  • 液晶显示器 Liquid Crystal Display (LCD)
    使用像素方式显示 Pixel，每秒更新多次红绿蓝 pixcels，使用光栅扫描方式

早期无法使用这种方式的原因是占用过多内存，200 * 200 image 有 40000 pixcels，每个 pixcel 即使是黑白的用 1 byte 存储，需要 40KB 内存，是 PDP-1 计算机内存的一半以上

3.Render Graphics

由于内存的稀缺性，计算机科学家和工程师发明了很多渲染图形的技巧来节省内存

  • 字符生成器 Character Generator
    不存储大量像素值，而是存符号，80*25 个符号是最流行的，2000 个符号在 ASCII 映射下总共 16000 位。字符生成器用来在中间做转换，基本算作第一代显卡 graphic cards。内部有一小块只读存储器，ROM Read-only Memory，存着的每个字符的图形叫点阵图案 dot matrix pattern，为了显示字符生成器会访问内存中一块特殊区域，叫屏幕缓冲区 screen buffer。这种方式只能通过字符来显示图案，今天也非常常见，例如命令行界面。为了扩展显示功能，ASCII 码被扩充，例如用于 DOS 的 IBM CP437 字符集，某些系统可以用额外的 bit 定义字体颜色和背景颜色。字符生成器显著节省了内存，但没有办法绘制任意形状。
  • 矢量命令绘图 Vector Command Plotting
    所有的字符本质都是线，但字符无法表示复杂的图形，因此可以用矢量绘图来显示。例如早期矢量显示系统 Vectrex，更新对应的内存值时就可以制作动画。
# 画一个三角形
RESET 
MOVE_TO 50 50
INSENSITY 100
MOVE_TO 100 50
MOVE_TO 60 75
MOVE_TO 50 50
INSENSITY 0

这种方式衍生出最早的游戏之一，1962 在 PDP-1 上的 Spacewar。
第一个商业街机游戏 Computer Space，1971，Nolan Bushnell，Atari 创始人，后来创造了 Pong。

  • 交互式图形界面，Sketchpad
    1962 发明，用来计算机辅助设计 CAD，使用了光笔 Light Pen，一个有线连着电脑的触控笔。CAD 能够便捷的帮助设计师绘制平行线和其他常用图形，并能快捷的调整方向长度等参数，并能与其他人分享，甚至能构建库来存放常用电子元件、家具等不同行业的基本图形。
    跨时代的变革，展现了计算机可以如何帮助人类，而不仅仅是做数学计算。
  • 像素显示器 Bitmap Displays 1960s 末期
    内存中的 bit 直接对应屏幕上的像素，可以显示任意图形，通过直接更新内存值来控制显示，图形是一个巨大的像素值矩阵，被存储在内存的特殊区域帧缓冲区 frame buffer，后期被转存到告诉视频内存 VRAM Video Randeom Access Memory 中。
    此时可以通过编程来做图形显示，同样会构建库，例如常用的绘制直线、曲线、图形、文字的函数。
# 画一个矩形
FUNCTION drawRectangle(x,y,width,height,color)
    FOR i=x TO x+width
        FOR j=y TO y+height
            frameBuffer[i][j] = color
        NEXT
    NEXT
RETURN
drawRectangle(54,4,4,8,0)  # 画一个黑色的矩形
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