02图形设备与系统

1、Graphics Lab.PKU 计算机图形学 第二章 图形设备与系统 2.1 图形显示设备图形显示设备 2.2 图形系统及其标准图形系统及其标准 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 图形输出设备图形输出设备 图形输出图形输出 图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图图 形显示形显示指的是在屏幕上输出图形指的是在屏幕上输出图形 图形绘制图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷通常指把图形画在纸上，也称硬拷 贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝 设备设备 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 2.1 图

2、形显示器 2.1.1 阴极射线管阴极射线管 2.1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管 射线穿透法射线穿透法 影孔板法影孔板法 2.1.3 随机扫描显示系统随机扫描显示系统 2.1.4 光栅扫描系统光栅扫描系统 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 l 阴极射线管阴极射线管(CRT- Cathode Ray Tube) 组成：包括电子枪、加速结构、聚焦组成：包括电子枪、加速结构、聚焦 系统、偏转系统、荧光屏系统、偏转系统、荧光屏 阴极射线管（CRT) 阴极射线管剖面图 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 阴极射线管(CRT) 工作原理工作原理 电子枪电子枪发出高速的电子束，

3、经过发出高速的电子束，经过聚焦系统、聚焦系统、 加速系统加速系统和和偏转系统偏转系统到达荧光屏的特定位置。到达荧光屏的特定位置。 荧光物质在高速电子的轰击下发生电子跃迁，荧光物质在高速电子的轰击下发生电子跃迁， 即电子吸收到能量从低能态变为高能态。即电子吸收到能量从低能态变为高能态。 高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质 的电子会从高能态重新回到低能态，这时将的电子会从高能态重新回到低能态，这时将 发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地要保持显

4、示一幅稳定的画面，必须不断地 发射电子束。发射电子束。 刷新频率刷新频率 刷新刷新一次是指电子束从上到下扫描一次一次是指电子束从上到下扫描一次 的过程。的过程。 刷新频率高到一定值后，图象才能稳定刷新频率高到一定值后，图象才能稳定 显示。显示。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 电子枪 灯丝，阴极灯丝，阴极和和控制栅控制栅组成。组成。 阴极阴极：由灯丝加热发出电子束，：由灯丝加热发出电子束， 控制栅控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小：加上负电压后，能够控制通过其中小 孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压 高低来控制电子数量，即控制

5、荧光屏上相应点高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点 的亮度。的亮度。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 聚焦系统 保证电子束在轰击屏幕保证电子束在轰击屏幕 时，汇聚成很细的点。时，汇聚成很细的点。 加速电极加速电极 加正的高压电（几万伏），使电子束高加正的高压电（几万伏），使电子束高 速运动。速运动。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 偏转系统 控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度 就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度 被称为

6、被称为最大偏转角最大偏转角 最大偏转角最大偏转角是衡量系统性能的最重要的是衡量系统性能的最重要的 指标，显示器长短与此有关指标，显示器长短与此有关 CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长显示器屏幕越大整个显象管就越长 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 荧光屏 荧光物质：荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光当它被电子轰击时发出亮光 l持续发光时间：持续发光时间：电子束离开某点后，该点的电子束离开某点后，该点的 亮度值衰减到初始值亮度值衰减到初始值1/10所需的时间所需的时间 l刷新频率：刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数每秒钟重绘屏幕的次数 Graphics Lab.PKU 计算机图形学

7、荧光屏 l像素像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像）构成屏幕（图像） 的最小元素的最小元素 l分辨率分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方在水平或竖直方 向单位长度上能识别的最大像素个数，单向单位长度上能识别的最大像素个数，单 位通常为位通常为dpi（dots per inch)。在假定屏幕在假定屏幕 尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能 容纳的像素个数描述，如容纳的像素个数描述，如640*480， 800*600，1024*768，1280*1024等等。等等。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 产生彩色

8、的常用方法：产生彩色的常用方法： 射线穿透法射线穿透法 影孔板法影孔板法 2.1.2 彩色阴极射线管 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 2.1.2 彩色阴极射线管-射线穿透法 原理：原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两两层荧光涂层，红色光和绿色光两 种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深 浅，决定所产生的颜色浅，决定所产生的颜色 电子束电子束 荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色 低速电子束低速电子束 较低速电子束较低速电子束 较高速电子束较高速电子束 高速电子束高速电子束 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 彩色阴极射线管-射线穿透法

9、应用：应用：主要用于画线显示器主要用于画线显示器 优点：优点：成本低成本低 缺点：缺点：只能产生有限几种颜色只能产生有限几种颜色 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法 影孔板法影孔板法 原理：原理：影孔板法通常用于光栅扫描显示器，影孔板法通常用于光栅扫描显示器， 颜色范围广，每个象素有三个荧光点（红、颜色范围广，每个象素有三个荧光点（红、 绿、蓝三基色）。影孔板被安装在荧光屏绿、蓝三基色）。影孔板被安装在荧光屏 的内表面，用于精确定位像素的位置的内表面，用于精确定位像素的位置 影孔板影孔板外层玻璃外层玻璃 荧光涂层荧光涂层 Graphics La

10、b.PKU 计算机图形学 影孔板的类型影孔板的类型 点状影孔板点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管 栅格式影孔板栅格式影孔板 代表：代表：Sony的的Trinitron与与Mitsubishi 的的Diamondtron显像管显像管 沟槽式影孔板沟槽式影孔板 代表：代表：LG的的Flatron显像管显像管 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法 点状影孔板工作原理点状影孔板工作原理 红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素） 三支电子枪三支电子枪 电子枪、影孔

11、板中的一电子枪、影孔板中的一 个小孔和个小孔和荧光点荧光点呈一直呈一直 线；线； 每个小孔与一个像素每个小孔与一个像素 （即三个（即三个荧光点荧光点）对应）对应 象素象素象素象素 绿绿 蓝蓝 红红 红红 绿绿 蓝蓝 （a）（b） 电子枪电子枪 影孔板影孔板 蓝蓝 绿绿 红红 红红 绿绿 蓝蓝 屏幕屏幕 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 显示器能同时显示的颜色个数显示器能同时显示的颜色个数 如果每支电子枪发出的电子束的强如果每支电子枪发出的电子束的强 度有度有256个等级，则显示器能同时显个等级，则显示器能同时显 示示256*256*256=16M种颜色，称为种颜色，称为 真彩系统

12、真彩系统 l调节各电子枪调节各电子枪 发射的电子束中发射的电子束中 所含电子的数目，所含电子的数目， 即可控制各色光即可控制各色光 点亮度。点亮度。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 球面显示器与柱面显示器 普通的显象管采用的都是普通的显象管采用的都是点状影孔板点状影孔板显象管，显象管， 显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为 “球面管球面管”。而柱面显象管采用。而柱面显象管采用荫栅式荫栅式结构，结构， 它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂 直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为直方向上却是笔直

13、的，呈圆柱状，故称之为 “柱面管柱面管” 常用的常用的点状影孔板点状影孔板显象管有日本索尼公司的特显象管有日本索尼公司的特 丽珑管（丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管和三菱公司的钻石珑管 （Diamondtron） 返回 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 2.1.3 随机扫描的显示系统随机扫描的显示系统 特点特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的 部分。部分。 逻辑部件：刷新存储器逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处显示处 理器（理器（DPU:Display Processing Uuit）

14、和和CRT Graphics Lab.PKU 计算机图形学 应用程序发出绘图命令，应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可解析成显示处理器可 接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所 有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解 释执行释执行(刷新刷新)， 驱动电子枪在屏幕上绘图。驱动电子枪在屏幕上绘图。 修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。 工作原理工作原理 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 2.1.4 光栅扫描的显

15、示系统 光栅扫描显示系统光栅扫描显示系统 特点：光栅扫描特点：光栅扫描 扫描线扫描线 帧帧 水平回扫期水平回扫期 垂直回扫期垂直回扫期 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 绘图过程绘图过程 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 逻辑部件：逻辑部件：帧缓冲存储器帧缓冲存储器（Frame Buffer)， 视频控制器视频控制器（Video Controller)，显示处理显示处理 器器（Display Processor），），CRT 帧缓冲存储器帧缓冲存储器 作用作用：存储屏幕上像素的颜色值：存储屏幕上像素的颜色值 简称简称帧缓冲器，俗称帧缓冲器，俗称显存显存 Graphi

16、cs Lab.PKU 计算机图形学 象素所呈现的颜色或灰度由数值表示，视频控象素所呈现的颜色或灰度由数值表示，视频控 制器刷新时，需反复读这些数值。制器刷新时，需反复读这些数值。 用来存储象素颜色（灰度）值的存储器就称为用来存储象素颜色（灰度）值的存储器就称为 帧缓冲存储器。简称帧缓冲器（显存）。帧缓冲存储器。简称帧缓冲器（显存）。 帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同， 单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其 对应像素的颜色。对应像素的颜色。 显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有显示颜色的种类与帧缓存

17、中每个单元的位数有 关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 黑白光栅扫描显示器 黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓 存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单 灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一 个个1024102410241024象素组成的黑白单灰度显示器象素组成的黑白单灰度显示器 所需要的最小缓存为所需要的最小缓存为2 220 20，并在一个位面上。 ，并在一个位面上。 一个位面的缓存只能

18、存储黑白图形，帧缓存一个位面的缓存只能存储黑白图形，帧缓存 是数字设备，光栅显示器是模拟设备，因而是数字设备，光栅显示器是模拟设备，因而 还需要数模转换器还需要数模转换器( (DAC)DAC)。 帧缓冲存储器帧缓冲存储器 数模转换器数模转换器 寄存器寄存器 1电子枪电子枪 CRTCRT 光栅光栅 具有具有1位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 黑白光栅扫描显示器 在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结 合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图合起来才能反映图形的颜色和

19、灰度等级。如下图 是一个具有是一个具有N N位面灰度等级的帧缓存。显示器上位面灰度等级的帧缓存。显示器上 每个象素的亮度是由每个象素的亮度是由N N位面中对应的每个象素位位面中对应的每个象素位 置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被 翻译成灰度等级，范围是翻译成灰度等级，范围是0 0到到2 2N-1 N-1之间。 之间。 具有具有N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图 电子枪电子枪 2N 数模数模 转换器转换器 2 N=3 010 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 彩色光栅扫描显示器 下图是彩色光栅显示

20、器的逻辑图，对于下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于 红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存 和三个电子枪。和三个电子枪。 寄存器寄存器 数模转换器数模转换器101 一个简单的彩色帧缓冲存储器一个简单的彩色帧缓冲存储器 彩色彩色 电子枪电子枪 CRTCRT光栅光栅 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 彩色光栅扫描显示器 每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来 提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色 电子枪有电子枪有8 8个位位面的帧缓存和个位位面的帧缓存和8 8位的数模转

21、换位的数模转换 器，每种原色可有器，每种原色可有256256中灰度，三种原色的组中灰度，三种原色的组 合将是合将是(2(28 8) )3 3=2=224 24。 。 寄存器寄存器 一个具有一个具有24位面的彩色帧缓冲存储器位面的彩色帧缓冲存储器 N 8位位 DACDAC 8位位 DACDAC 8位位 DACDAC 1 11 10 01 10 00 01 10 0 0 00 01 11 10 01 10 01 1 0 01 10 01 10 00 00 00 0 红红 1010 绿绿 172172 蓝蓝 7575 寄存器寄存器 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 彩色光栅扫描显示器

22、若每个单元有若每个单元有24位（每种基色占位（每种基色占8位）位） 即显示系统可同时产生即显示系统可同时产生224种颜色（种颜色（24位位 真彩色）。真彩色）。 分辨率分辨率M*N、颜色个数颜色个数K与显存大与显存大 小小V的关系的关系 KNMV 2 log Graphics Lab.PKU 计算机图形学 彩色光栅扫描显示器 3个位面分辩率是个位面分辩率是10241024的显示器，需要的显示器，需要 310241024（3145728）位的存储器。）位的存储器。 若若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用 的颜色种数成反比关系。的颜色种数成反比关系。 1兆

23、字节的帧缓存，若设分辩率为兆字节的帧缓存，若设分辩率为640480， 则帧缓存每个单元可有则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示位，可能同时显示224 种颜色，若设分辩率为种颜色，若设分辩率为1024768，则每个单，则每个单 元分得的位数仅略多于元分得的位数仅略多于8，只能工作于，只能工作于256色显色显 示模式下。示模式下。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 彩色光栅扫描显示器 显存问题显存问题 高分辨率和真彩要求有大的显存；高分辨率和真彩要求有大的显存； 曾经是个问题！曾经是个问题！ 解决方法：采用解决方法：采用查色表查色表(Lookup Table） 或称或称彩色表彩色

24、表(Color Table) 查色表工作原理查色表工作原理 1024*768真彩模式需要真彩模式需要3M字节显存字节显存 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 查色表（look up Table） 是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜 色，色，它的长度由帧缓存单元的位数决定它的长度由帧缓存单元的位数决定，例，例 如：每单元有如：每单元有8位，则查色表的长度为位，则查色表的长度为28 256 目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下， 具有具有大范围内挑选颜色的能力大范围内挑选颜色的能力： Graphics

25、Lab.PKU 计算机图形学 查色表 图形系统为更灵活控制图形和颜色的变化，图形系统为更灵活控制图形和颜色的变化， 往往不直接将帧缓冲器中的数值作为显示的往往不直接将帧缓冲器中的数值作为显示的 亮度值，而是先经过颜色查找表（又称调色亮度值，而是先经过颜色查找表（又称调色 板）结构产生变换值来控制光点的亮度。板）结构产生变换值来控制光点的亮度。 工作方式：工作方式： 显存中某位值显存中某位值 颜色表地址颜色表地址 屏幕上的亮度屏幕上的亮度 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 带宽带宽T与分辨率、帧频与分辨率、帧频F的关系的关系 带宽问题带宽问题 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽高分

26、辨率和高的刷新频率要求有高带宽 -依然是个问题！依然是个问题！ 解决方法：解决方法：隔行扫描（隔行扫描（现在已经基本不用，现在已经基本不用， 主流显示器都采用主流显示器都采用逐行扫描逐行扫描方式）方式） 隔行扫描：把一帧分两隔行扫描：把一帧分两场场，即奇数场与，即奇数场与 偶数场偶数场 场频：场频：=2*帧频帧频 彩色光栅扫描显示器 FNMT Graphics Lab.PKU 计算机图形学 帧缓冲器：分页 帧缓冲器的容量往往设计得比屏幕画面的位图帧缓冲器的容量往往设计得比屏幕画面的位图 大得多，大得多，也就是说，帧缓冲器可以同时存放多也就是说，帧缓冲器可以同时存放多 幅画面的位图。幅画面的位图

27、。 帧缓冲器区域可分成若干页面，每个页面存放帧缓冲器区域可分成若干页面，每个页面存放 一幅位图，并通过控制器实现不同画面的切换。一幅位图，并通过控制器实现不同画面的切换。 页面的大小可以划分得比屏幕位图大得多，甚页面的大小可以划分得比屏幕位图大得多，甚 至是整个帧缓冲器，此时物理屏幕仅是一个至是整个帧缓冲器，此时物理屏幕仅是一个 窗口，显示的是全部画面的一部分，通过上下窗口，显示的是全部画面的一部分，通过上下 滚动（滚动（Scroll）和左右移屏（）和左右移屏（Pan）功能，用户）功能，用户 可以看到帧缓冲器中的整个画面。可以看到帧缓冲器中的整个画面。 Graphics Lab.PKU 计算机

28、图形学 隔行扫描工作原理 一帧完整的画面分成两场。一帧完整的画面分成两场。 一场一场160秒，（场频秒，（场频60HZ），（），（帧频帧频 30HZ）画面更新频率仍为画面更新频率仍为60HZ，降低降低 了闪烁效应，每一场了闪烁效应，每一场160秒内，帧缓存秒内，帧缓存 中数据量比逐行扫描少一半。降低了视中数据量比逐行扫描少一半。降低了视 频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽 的要求。的要求。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 简单的光栅扫描图形显示系统的结构简单的光栅扫描图形显示系统的结构 其中，帧缓存为系统其中，帧缓存为系统 内存任一块区域，视内

29、存任一块区域，视 频控制器能够直接存频控制器能够直接存 取该区域以刷取该区域以刷 新屏幕。新屏幕。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 较为典型的光栅扫描图形显示系统的结较为典型的光栅扫描图形显示系统的结 构构 其中，帧缓存可以其中，帧缓存可以 是专用的存储器，是专用的存储器， 也可以是系统内存也可以是系统内存 中的一块固定区域。中的一块固定区域。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 视频控制器视频控制器 作用：作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一建立帧缓存与屏幕像素之间的一一 对应，负责对应，负责刷新刷新 逻辑结构逻辑结构 普通显卡视频控制器显存普通显卡视频控制器显存

30、 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 显示处理器显示处理器 低档图形显示系统，扫描转换工作直接由低档图形显示系统，扫描转换工作直接由 CPU类完成。类完成。 任务：扫描转换待显示的图形。任务：扫描转换待显示的图形。 简单的：直线、圆弧、多边形等，简单的：直线、圆弧、多边形等， 复杂的：光栅操作（象素块的移动、拷复杂的：光栅操作（象素块的移动、拷 贝），几何变换、裁剪、消隐，贝），几何变换、裁剪、消隐，. Graphics Lab.PKU 计算机图形学 显示处理器显示处理器 具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构 图形加速卡图形加速卡=视频控制器

31、视频控制器+显存显存+ 显示处理器显示处理器 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 优点：优点： 成本低成本低 易于绘制填充图形易于绘制填充图形 色彩丰富色彩丰富 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 易于修改图形易于修改图形 缺点：缺点： 需要扫描转换需要扫描转换 会产生混淆会产生混淆 缺点正在被克服缺点正在被克服 优点使其占据了市场主流优点使其占据了市场主流 光栅显示系统的特点光栅显示系统的特点 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 几个概念 行频、帧频行频、帧频 行频又称水平扫描频率，是电子枪行频又称水平扫描频率，是电子枪 每秒在屏幕上

32、扫描过的水平线条数。帧每秒在屏幕上扫描过的水平线条数。帧 频又称垂直扫描频率，是每秒钟屏幕重频又称垂直扫描频率，是每秒钟屏幕重 复绘制显示画面的次数，即重绘率。复绘制显示画面的次数，即重绘率。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 带宽带宽 这是表示显示器显示能力的一个综合这是表示显示器显示能力的一个综合 指标。指标。带宽带宽指每秒钟扫描的象素个数；指每秒钟扫描的象素个数； 即单位时间内每条扫描线上显示的象素即单位时间内每条扫描线上显示的象素 数总和。带宽越大表明显示器显示控制数总和。带宽越大表明显示器显示控制 能力越强，显示效果越佳。现在的显示能力越强，显示效果越佳。现在的显示 器

33、带宽基本都能达到器带宽基本都能达到80MHz,若能达到若能达到 100MHz或或110MHz以上则更好。以上则更好。 几个概念 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 色彩与亮度等级色彩与亮度等级 亮度等级又称灰度，主要指单色显亮度等级又称灰度，主要指单色显 示器的亮度变化。色彩包括可选择显示示器的亮度变化。色彩包括可选择显示 器颜色的数目以及一帧画面可同时显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示 的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受 显示存储器显示存储器VRAM容量的影响。容量的影响。 几个概念 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 显示速度显

34、示速度 指显示字符、图形特别是动态图像指显示字符、图形特别是动态图像 的速度，与显示器的分辨率及扫描频率的速度，与显示器的分辨率及扫描频率 有关。可用最大带宽（水平象素数有关。可用最大带宽（水平象素数垂垂 直象素数直象素数最大帧频）来表示。最大帧频）来表示。 几个概念几个概念 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 矢量图形（随机显示系统）和矢量图形（随机显示系统）和 光栅图形（光栅扫描系统）的属性对照光栅图形（光栅扫描系统）的属性对照 显示效率显示效率 对形体的复杂度十分敏感对形体的复杂度十分敏感 对形体的复杂度不敏感对形体的复杂度不敏感 存储量需求存储量需求 变化的，依赖于景物的复

35、杂度变化的，依赖于景物的复杂度 很大，但恒定不变很大，但恒定不变 屏幕显示的走样现象屏幕显示的走样现象 没有走样没有走样 会产生走样会产生走样 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 矢量图形（随机显示系统）和矢量图形（随机显示系统）和 光栅图形（光栅扫描系统）的属性对照光栅图形（光栅扫描系统）的属性对照 画线设备画线设备 画点设备画点设备 物体显示与屏幕刷新物体显示与屏幕刷新 物体显示嵌入屏幕刷新过程物体显示嵌入屏幕刷新过程 扫描变换独立于屏幕刷新过程扫描变换独立于屏幕刷新过程 几何变换几何变换 连续的，变换作用于几何定义的形体连续的，变换作用于几何定义的形体 离散的，变换作用于区域

36、内的所有象素离散的，变换作用于区域内的所有象素 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 矢量图形（随机显示系统）和矢量图形（随机显示系统）和 光栅图形（光栅扫描系统）的属性对照光栅图形（光栅扫描系统）的属性对照 集合运算和块操作集合运算和块操作 困难，需要解析计算困难，需要解析计算 容易容易 显示区域内部的能力显示区域内部的能力 没有，仅能显示边界没有，仅能显示边界 有，浓淡或纹理有，浓淡或纹理 与数字图象相容性与数字图象相容性 不相容不相容 完全相容完全相容 定量测量定量测量 精确，但是计算复杂精确，但是计算复杂 简单，但是近似值简单，但是近似值 Graphics Lab.PKU 计

37、算机图形学 LCD显示器 CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示固有的物理结构限制了它向更广的显示 领域发展领域发展 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示 器的体积必然要加大，在使用时候就会受器的体积必然要加大，在使用时候就会受 到空间的限制到空间的限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来显示器是利用电子枪发射电子束来 产生图像，容易受电磁波干扰产生图像，容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 LCD显示器的优点显示器的优点 外观小巧精致，厚度只有外观小巧

38、精致，厚度只有6.58cm左右。左右。 不会产生不会产生CRT那样的因为刷新频率低而那样的因为刷新频率低而 出现的闪烁现象出现的闪烁现象 工作电压低，功耗小，节约能源工作电压低，功耗小，节约能源 没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 索尼公司的两款索尼公司的两款LCD外形外形 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 液晶显示器的构成 液晶显示器液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)LCD(Liquid Crystal Display)是是 由六层薄板组成的平板式显示器由六层薄板

39、组成的平板式显示器 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 LCD显示器基本原理 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物 质，它具有液体的流态性质和固体的光学质，它具有液体的流态性质和固体的光学 性质。当液晶受到电压的影响时，就会改性质。当液晶受到电压的影响时，就会改 变它的物理性质而发生形变，此时通过它变它的物理性质而发生形变，此时通过它 的光的折射角度就会发生变化，而产生色的光的折射角度就会发生变化，而产生色 彩彩 液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿 过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当过第一层偏光板，再来到液

40、晶体上，而当 光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽 改变，从液晶体射出来的光线，还得必须改变，从液晶体射出来的光线，还得必须 经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 液晶显示有主动式和被动式两种 被动式液晶屏幕有被动式液晶屏幕有STN（Super TN超扭曲向超扭曲向 列列LCD）和和DSTN（Double layer Super TN双双 层超扭曲向列层超扭曲向列LCD）等等 最流行的主动式液晶屏幕是最流行的主动式液晶屏幕是TFT（Thin Film Transistor薄膜晶体

41、管）薄膜晶体管） 主动式液晶显示器使用了主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以场效晶体管以 及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的 电压改变前一直保持电位状态。这样主动式电压改变前一直保持电位状态。这样主动式 液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器 中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 LCD显示器的基本指标 可视角度可视角度 视线与屏幕中心法向成一定角度时，视线与屏幕中心法向成一定角度时， 人们就不能清晰地看到屏幕图象，而人们就不能清晰

42、地看到屏幕图象，而 那个能看到清晰图象的最大角度被我那个能看到清晰图象的最大角度被我 们称为可视角度。一般所说的可视角们称为可视角度。一般所说的可视角 度是指左右两边的最大角度相加。工度是指左右两边的最大角度相加。工 业上有业上有CR10（Contrast Ratio）、）、CR5 两种标准来判断液晶显示器的可视角两种标准来判断液晶显示器的可视角 度度 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 LCD显示器的基本指标 点距与分辨率点距与分辨率 液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒 （光点）之间的距离，一般（光点）之间的距离，一般 0.280.32mm就能得到较好的

43、显示效果就能得到较好的显示效果 通常所说的液晶显示器的分辨率是指通常所说的液晶显示器的分辨率是指 其真实分辨率，表示水平方向的像素其真实分辨率，表示水平方向的像素 点数与垂直方向的像素点数的乘积点数与垂直方向的像素点数的乘积 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 液晶显示器的缺点 寿命短、怕震动、温度敏感寿命短、怕震动、温度敏感 分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价 格偏高。格偏高。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 *纯平显示器* 走向平面的显像管走向平面的显像管 球面显象管：球面显象管： 表面：球面的一部分表面：球面的一部分 时间：时

44、间：9090年代初年代初 柱面显象管：柱面显象管： 表面：柱面的一部分，垂直方向上平表面：柱面的一部分，垂直方向上平 直，水平方向上有弯曲直，水平方向上有弯曲 时间：时间：9090年代中期年代中期 代表：代表：SonySony公司的公司的TrinitronTrinitron， MitsubishiMitsubishi公司的公司的DiamondtronDiamondtron Graphics Lab.PKU 计算机图形学 *纯平显示器* 走向平面的显像管走向平面的显像管 平面直角显象管平面直角显象管 表面：球面的一部分，类似于平面表面：球面的一部分，类似于平面 时间：时间：9090年代中后期年代

45、中后期 现在市场上的主流显象管现在市场上的主流显象管 纯平显象管纯平显象管 表面：纯平面表面：纯平面 时间：时间：9090年代后期年代后期 代表：代表：SonySony公司的公司的FD TrinitronFD Trinitron， MitsubishiMitsubishi公司的公司的DiamondtronDiamondtron，SamsungSamsung公公 司的司的DanyFlatDanyFlat，LGLG公司的公司的FlatronFlatron 今后的主流显象管今后的主流显象管 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 纯平显示器的技术指标纯平显示器的技术指标 点距：点距：0.26

46、mm,0.25mm,0.24mm 带宽：带宽：110M208M 最大分辨率：最大分辨率：16001200/85，12801024/85 对比度：对比度： 亮度不均匀性：亮度不均匀性： 闪烁：闪烁： 功耗：功耗：100W左右左右 主要产品主要产品 LG的未来窗，美格的平面龙（的未来窗，美格的平面龙（Sony显像管），显像管）， ADI的的MicroScan(Sony显像管显像管)，三星，三星700IFT等等等等 *纯平显示器* Graphics Lab.PKU 计算机图形学 *未来显示器* 采用空气等离子体技术，无须刷新缓冲采用空气等离子体技术，无须刷新缓冲 存储器存储器 空气等离子体可想象成一

47、个个微型霓虹空气等离子体可想象成一个个微型霓虹 灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。 显示屏薄，挂在墙上。显示屏薄，挂在墙上。 发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好， 可以卷起来；显示画面具有无与伦比的可以卷起来；显示画面具有无与伦比的 清晰度，无锯齿现象。真正的平面直角。清晰度，无锯齿现象。真正的平面直角。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 环形时代（二十世纪环形时代（二十世纪8080年代初至九十年代初）：球年代初至九十年代初）：球 形屏幕一统天下形屏幕一统天下, ,球面显示器的屏幕呈明显的弧度球面显示器的屏幕呈明显的弧

48、度 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 平面直角时代（二十世纪平面直角时代（二十世纪 九十年代中至九十年代九十年代中至九十年代 末）：平面直角异军突起末）：平面直角异军突起 按照屏幕表面曲度来划分，显按照屏幕表面曲度来划分，显 示器可以分为示器可以分为球面、平面直角、球面、平面直角、 柱面、完全平面柱面、完全平面四种。四种。 现在球面管的显示器已基本被现在球面管的显示器已基本被 淘汰了，平面直角显示器转而成淘汰了，平面直角显示器转而成 为了最普遍的显示器。为了最普遍的显示器。 在在19941994年以前，各式各样的显年以前，各式各样的显 示器，都基本属于球面显示器。示器，都基本属于

49、球面显示器。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 纯平时代（二十世纪九十年代末至二十 一世纪初）：纯平产品后来居上 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 等离子显示器 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 2.2 图形系统及其标准 分类分类 基本图形软件基本图形软件支撑软件支撑软件 应用图形软件应用图形软件专用软件专用软件 基本图形软件实现方法基本图形软件实现方法 图形软件包图形软件包 修改高级语言修改高级语言 专用高级图形语言专用高级图形语言 图形软件标准图形软件标

50、准 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 2.2 图形系统及其标准 硬件，图形硬件，图形 I/O 设备，系统软件，图形软件。设备，系统软件，图形软件。 图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。 通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形 功能扩展集功能扩展集(比如，比如，OpenGL). 基本功能：图元生成，属性设置（颜色，基本功能：图元生成，属性设置（颜色，.） 选择观察及实施变换等。选择观察及实施变换等。 专用类：不关心图形操作过程（比如，专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系系 统。统。 Gr

51、aphics Lab.PKU 计算机图形学 图形支撑软件 第一层次是面向系统的，主要解决图形设备与计算机第一层次是面向系统的，主要解决图形设备与计算机 的通讯接口等问题，称为设备驱动程序，包括一些最的通讯接口等问题，称为设备驱动程序，包括一些最 基本的输入、输出程序，事实上，设备驱动程序现在基本的输入、输出程序，事实上，设备驱动程序现在 已被作为操作系统的一部分，由操作系统或设备硬件已被作为操作系统的一部分，由操作系统或设备硬件 厂商开发；厂商开发； 第二层次是建立在驱动程序之上，完成第二层次是建立在驱动程序之上，完成图元的生成、图元的生成、 设备的管理设备的管理等功能，目前这个层次上的图形支

52、撑软件等功能，目前这个层次上的图形支撑软件 已经标准化，如已经标准化，如GKS、PHIGS、 CGI等；等； 第三层次是在中间层基础上编写的，其主要任务是建第三层次是在中间层基础上编写的，其主要任务是建 立图形数据结构，定义、修改和输出图形，它是立图形数据结构，定义、修改和输出图形，它是面向面向 用户的用户的，要求具有较强的交互功能，使用方便，风格要求具有较强的交互功能，使用方便，风格 好，概念明确，容易阅读，便于维护和移植，好，概念明确，容易阅读，便于维护和移植，OpenGL、 DirectX便属于这一层次的软件。便属于这一层次的软件。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 图形系

53、统标准 图形标准：图形系统及其相关应用系统图形标准：图形系统及其相关应用系统 中各界面之间进行数据传送和通信的接中各界面之间进行数据传送和通信的接 口标准，以及供图形应用程序调用的子口标准，以及供图形应用程序调用的子 程序功能及其格式标准，前者称为程序功能及其格式标准，前者称为数据数据 及文件格式标准及文件格式标准，后者称为，后者称为子程序界面子程序界面 标准标准。 Graphics Lab.PKU 计算机图形学 图形标准的作用位置 应用系统应用系统 图形系统图形系统 设备设备 驱动驱动 设备设备 驱动驱动 设备设备 驱动驱动 元文件元文件 输出程序输出程序 元文件元文件 输入程序输入程序 C

54、GMCGM CGICGI 数据库数据库 IGES STEPIGES STEP GKS,PHIGS,OPENGLGKS,PHIGS,OPENGL Graphics Lab.PKU 计算机图形学 可移植性的四个方面 应用程序在不同系统间的可移植性；应用程序在不同系统间的可移植性； 应用程序和图形设备的可移植性；应用程序和图形设备的可移植性； 图形数据的可移植性；图形数据的可移植性； 程序员的可移植性；程序员的可移植性； Graphics Lab.PKU 计算机图形学 图形系统标准分类 面向图形设备的接口标准：面向图形设备的接口标准： 计算机图形元文件计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,) 计算机图形接口计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。设备驱动程序。 面向应用软件的标准：面向应用软件的标准： 程序员层次交互式图形系统（程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL (图形图形 程序包程序包) （三维）图形核心系统（三维）图形核心系统（3D-)GKS 面向图