图形显示设备简述-Read

第二章 图形显示设备简述1 图形显示设备一般的计算机都配备了高分辨率的显示器、图形卡或集成的视频系统，还配备了支持图形用户界面的操作系统。图形已经成为了标准。在计算机应用程序中，最常用的CRT（阴极射线管）显示技术有向量刷新和光栅扫描。1、 矢量刷新显示器 刷新式CRT使用短余辉的荧光粉，涂层必须靠每秒30至50次的电子速轰击，来保持屏幕图形不闪烁(重画画面)。除阴极射线管外，它需要一个显示文件，一个显示控制器。显示文件：一个内存区，容纳绘制要显示的对象的指令；显示控制器：从显示文件中读取这些信息并把它转化为数 字命令，并将其发送到CRT。 矢量刷新显示器 :(P19) 有时有控制栅极和加速阳极（P19）。 控制栅极：通过改变控制栅的电压来控制显示的光强。荧光涂层发射光的强度依赖轰击屏幕的电子数量， 聚焦系统用来控制电子束，在轰击荧光屏时会聚 到一个小点，否则由于电子互相排拆，电子束 在靠近屏幕时会散开； 加速阳极：带负电荷的自由电子，在高正电压作用下加速冲向荧光屏。在高精度系统中，还使用附加的聚焦硬件，以保持电子束 能聚焦到所有屏幕位置，否则电子束只能在屏幕中心较好地聚焦，在屏幕边框时，所显示的图像变得模糊。使用图形软件命令设定各个屏幕位置的亮度级。 二对偏转线圈 （X轴水平偏转和Y轴垂直偏转）： 偏转线圈的产生电磁场作用于电子束，使轰击屏幕的电子束发生偏转。 CRT的分辨率（resolution）resolution是可以无重叠显示的最多点数。电子束轰击荧光屏，形成一个亮点，亮点中心位置的亮度最大，并按正态分布向亮点的边缘衰减。这个分布依赖于CRT电子束横截面电子密度分布。 resolution常常简述为每个方向的总点数，但更精确的定义是在水平和垂直方向上每厘米可绘制的点数640*480、1024*768.1280*1024高分辨率 。高清晰度系统（High-definition system）纵横比（aspect ratio） 在屏幕的二各方向上画相同长度的线段，二个方向点数的比值。（example chap2 pickCurve.prj）2、 光栅扫描显示器一般使用的CRT图形监视器是基于电视技术的光栅扫描显示器。在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子的强度不断变化，以建立亮点的图案。1） 图形信息存于刷新缓冲器（refresh buffer）或帧缓冲器（fram buffer）的存储器中该缓冲器保存一组对应屏幕所有点的强度值。每个屏幕点看作一个象素pixel(picture element)。光栅扫描系统对屏幕每一点都有存储强度信息的能力，使之较好地适用于包含细微阴影和彩色模式的场景的逼真显示。（家用电视即为一例）亮度（ 颜色）：象素位置的亮度范围依赖于光栅系统的能力。 在简单的黑白系统中，每个屏幕点亮1、暗0，一位就可表示。 在彩色系统中，每个象素可多达24位，32位。R、G、B各8位，颜色数224 = 17M种（真彩色系统） resolution: 1024*1024,24位(3 byte)的真彩色系统需要3M存储量作缓冲器。 水平(horizontal)回扫：每条扫线扫过后，返回到屏幕左端 垂直(vertical)回扫：在每帧的终了，电子束返回到屏幕左上角光栅扫描显示的刷新是60-80帧/S的速率. 刷新速度 每秒刷新的次数，称刷新速度。 如刷新速度60帧/秒，则称为刷新频率为60Hz。有的系统采用隔行（interlaced）刷新方式，主要用于较慢的刷新速率，30帧/S采用隔行扫描，近似于60帧/S不闪烁。 2) 光栅扫描系统的组成（P29）CPU(中央处理器)，存储器，video controller视频控制器（显示控制器display controller），监视器（显示器，屏幕）3) 加速像素处理的速度视频控制器每次从刷新缓冲器中取出多个像素放在像素寄存器中。高性能系统中，提供两个帧缓冲器，一个用来刷新，另一个用来填充强度值；然后互换。3、 随机扫描显示器( random scan)（ 向量vecter显示器）， 当CRT的电子束只在屏幕的图形部分移动，扫描监视器一条线一条线地画图。也称为笔划式（stroke writing），笔迹（calligraphic）显示器。随机扫描显示器设计成30至60次/S画出图形的所有线条。（存储一组画线命令）高性能的向量系统在这样的刷新速率中能处理约10万条短线，当显示的线条很少时，则延迟刷新周期，以免刷新速率超过60帧/S。（线条的刷新过快，可能烧坏荧光层）。向量显示器，能生成光滑线条，CRT电子束直接按线条路径画线（光栅系统通过点生成的锯点状线条）。但不能显示逼真的阴影场景。4、彩色CRT监视器用CRT产生彩色显示的二种基本技术是： 1）电子束穿透法（beam penetration）用于随机扫描视器; 2）阴罩法（TV）。 电子束穿透法 两层荧光层。红、绿二色，凃在CRT屏幕内层，颜色取决于电子束穿透进荧光层多深。 只有四色，图形质量差。 荫罩法 有三个荧光彩色点：红光、绿光、蓝光。 有三支电子枪，与每个彩色点一一对应，三支电子束被偏转，聚焦为一组，发射到荫罩上，通过荫罩上的孔，激活一个点三角形， 屏幕上显示一个小的彩色亮点。图形系统的彩色CRT设计成RGB监视器，采用荫罩法且不经任何中间处理，直接从计算机系统取得每支枪（R、G、B）的强度等级。每个象素具有24个存储位的RGB彩色系统通常称为全彩色系统或真彩色系统，有近17M种颜色，每支电子枪允许256（28）级电压设置。5直视存储管（DVST、direct view storage tube） 通过紧贴在屏幕荧光层后的电荷分布来存储图形信息。 DVST有二支电子枪： 1）基本枪 存储图形图案2） 泛流枪 保持图形显示优点：不是刷新式的，可以在高分辨率下无闪烁的显示；缺点：不显示彩色；要消除图形的一部分，必须摖除整个屏幕，然后重画修改后的图形（速度慢）。6 平板显示器（flat panel display）体积小，重量轻，节省功耗，薄可挂在墙上，或戴在手腕上。目前用于小型监视器，计算器，笔记本电脑，电视等。分二类：1） 发射显示器（emissive display） 电能变换为光:等离子体显示板 PDP(Plasma display panel)，薄片光电显示器，发光二极管 2）非发射显示器（nonemissive dislpay）（液晶显示器） 利用光学效应将光转换为图形图案。液晶显示器LCD（Liquid crystal display）通过能阻塞或传递光的液晶材料传递来自周围的或内部光源的偏振光。液晶: 化合物,具有结晶状结构的分子，并可象液体那样流动。7 三维观察设备 采用从振动的柔性镜面反射生成CRT图像的技术。（P28） 当变焦反射镜振动时，焦距长度改变。振动是同CRT上对象的显示同步的。 用于医学应用，分析超声波造影的数据；分析地形图的地震数据；分析分子系统和地形系统的三维仿真。 8 立体感和虚拟现实系统 （显示立体感的视图） 显示立体感的视图并不生成真实的三维图像，而是为观察者的每只眼睛给出不同的视图来提供三维效果，以使场景带有深度。产生立体感效果的途径之一是使用光栅系统在不同刷新周期交替显示二种视图。通过眼镜观察屏幕，每个透镜设计成高速交替的快门，它能同步阻止另一视图的显示。立体感视图是虚拟现实系统的一个组成部分。带有生成立体感视图的光学系统的头套，连接到交付互输入设备，可使用户定位并操纵场景中的对象。虚拟现实系统也可使用立体眼镜或视屏监视器观察（家一个超声波跟踪设备）。（一些图形工作站有两个监视器组成，一个显示图象，另一个显示菜单等，或一个显示场景，另一个显示局部对象）2、图形输入设备键盘、鼠标、跟踪球、操纵杆、数字化仪、光笔、数据手套、触摸板、图像扫描仪、声音系统voice-system（语音识别器可用于接受声音命令的输入命令）。3、图形输出设备打印机、绘图仪、幻灯片、投影胶片、图形图象拍摄（电影）。4 图形软件一 图形软件分二类型：1） 通用编程软件， 提供一个可用于高级语言的图形功能扩展集， 如 GL、GDI、DIRECTX2） 专用应用软件，为非程序员设计的终端应用程序，如 B超、CT、商用系统、CAD系统二图形软件的功能 生成图元（点、线、多边形等图）设置彩色、强度，选择观察和实施变换。三 坐标表示一般的通用图形软件包,用笛卡尔坐标系描述相关的坐标系。1） 局部坐标系（Local coordinate）又称为： 主坐标系（Master coordinate） 建模坐标系（Modeling coordinate） 用以构造一个场景（scene）中单个对象，如一件家具等 2)世界坐标系(word coordinate) 采用一个参照系，把物体（对象）放入场景的适当位置。 3)设备坐标系（device coordinate） 显示坐标系（display coordinate）屏幕坐标系（screen coordinate）（Xmax,Ymax）用以将场景显示在图形显示设备上，如屏幕。在屏幕上显示，适当考虑纵横比。坐标变换用几何变换实现。建模和世界坐标系定义容许设置任何方便的浮点或整数尺寸，而不受特定的输出设备的约束。（单位任意确定）有时，在最后变换为特定的设备坐标之前，图形系统首先将世界坐标位置变换为规范化的设备坐标（Normalized device coordinate）0,1。PmPwPnPd四、图形功能通用图形软件包为用户提供建立和管理图形的各种功能1、 输出图元（output primitive） 字符串、几何成分（点、线、区域填充）2、 输出图元的特点（属性）强度、色彩、线型、文本类型（字体）、区域填充模式3、 几何变换geometric transformation 对象(物体)大小的改变，位置、方向的改变； 建模变换（modeling transformation）：对象word coordinate 观察变换（viewing transformation）:Word coordinate device coordinate4、 图形可以划分成一些单元部分图形单元称为结构（structure），图段（segment）,对象（object）,定义图形的一个逻辑部件。(与所用的软件有关)5、 控制操作类（control operation）清除显示屏，初始化参数、事务性功能等。GKS（Graphica