第二章图形设备

1、第二章第二章 图形设备图形设备主要内容主要内容:1:1、图形输入设备、图形输入设备: :概念及其特概念及其特点点 2 2、图形显示设备、图形显示设备: :概念、结构概念、结构原理、工作方式和特点原理、工作方式和特点 3 3、图形绘制设备：概念及其、图形绘制设备：概念及其特点特点2.12.1图形输入设备图形输入设备一、键盘一、键盘(keyboard)二、鼠标器二、鼠标器 分类分类:按照鼠标的工作原理来分按照鼠标的工作原理来分:机械式鼠标、机械式鼠标、光电式鼠标光电式鼠标 按照鼠标的接口来分按照鼠标的接口来分:鼠标可以分为串口鼠标可以分为串口鼠标、鼠标、ps/2端口鼠标和端口鼠标和USB鼠标鼠标

2、按线来分按线来分:有线鼠标有线鼠标,无线鼠标无线鼠标(1)机械式鼠标机械式鼠标 机械式鼠标的工作原理：在机械式鼠标底部机械式鼠标的工作原理：在机械式鼠标底部有一个可以自由滚动的球，在球的前方及右方装有一个可以自由滚动的球，在球的前方及右方装置两个支成置两个支成9090度角的内部编码器滚轴，移动鼠标度角的内部编码器滚轴，移动鼠标时小球随之滚动，便会带动旁边的编码器滚轴，时小球随之滚动，便会带动旁边的编码器滚轴，前方的滚轴代表前后滑动，右方的滚轴代表左右前方的滚轴代表前后滑动，右方的滚轴代表左右滑动，滑动，两轴一起移动则代表非垂直及水平方向的两轴一起移动则代表非垂直及水平方向的滑动。编码器由此识别

3、鼠标移动的距离和方位，滑动。编码器由此识别鼠标移动的距离和方位，产生相应的电信号传给电脑，以确定光标在屏幕产生相应的电信号传给电脑，以确定光标在屏幕上的正确位置。若按下鼠标按键，则会将按下的上的正确位置。若按下鼠标按键，则会将按下的次数及按下时光标的位置传给电脑。次数及按下时光标的位置传给电脑。 机械鼠标编码器机械鼠标编码器的形式又有的形式又有机电式和光电式机电式和光电式两种。机电式编码器采用机械接触式触点，精度两种。机电式编码器采用机械接触式触点，精度低，易磨损。目前大量使用的是光电式编码器，低，易磨损。目前大量使用的是光电式编码器，这样的鼠标也就是我们常说的这样的鼠标也就是我们常说的光机鼠

4、标光机鼠标。(2)光电式鼠标光电式鼠标 光电式鼠标的工作原理：光电式鼠标的工作原理：它是利用一块特它是利用一块特制的制的光栅板作为位移检测元件光栅板作为位移检测元件，光栅板上方格，光栅板上方格之间的距离为之间的距离为0.5mm。鼠标器内部有一个发光。鼠标器内部有一个发光元件和两个聚焦透镜，发射光经过透镜聚焦后元件和两个聚焦透镜，发射光经过透镜聚焦后从底部的小孔向下射出，照在鼠标器下面的光从底部的小孔向下射出，照在鼠标器下面的光栅板上，再反射回鼠标器内。当在光栅板上移栅板上，再反射回鼠标器内。当在光栅板上移动鼠标器时，由于光栅板上明暗相间的条纹反动鼠标器时，由于光栅板上明暗相间的条纹反射光有强弱

5、变化，鼠标器内部将强弱变化的反射光有强弱变化，鼠标器内部将强弱变化的反射光变成电脉冲，对电脉冲进行计数即可测出射光变成电脉冲，对电脉冲进行计数即可测出鼠标器移动的距离。鼠标器移动的距离。优点：优点：光电式鼠标定位精度较高，防尘性光电式鼠标定位精度较高，防尘性能好，可用于工程绘图等专业领域使用。能好，可用于工程绘图等专业领域使用。三、触摸屏，触摸板（三、触摸屏，触摸板（touch screen) 这种装置以手指触摸的方式选择屏幕位置。这种装置以手指触摸的方式选择屏幕位置。红外线式触摸屏红外线式触摸屏电阻式触摸屏电阻式触摸屏电容式触摸屏电容式触摸屏声波触摸屏声波触摸屏四、操纵杆（四、操纵杆（joy

6、stick)五、数据手套（五、数据手套（ data glove) 数据手套是一种戴在手上的传感器，它能给出数据手套是一种戴在手上的传感器，它能给出用户的所有手指关节的角度变化，来自手套的输入，用户的所有手指关节的角度变化，来自手套的输入，可用来给虚拟场景中的对象定位或操纵该场景。可用来给虚拟场景中的对象定位或操纵该场景。六、光笔（六、光笔（light pen) 光笔是一种检测装置，它靠检测荧光屏上的光笔是一种检测装置，它靠检测荧光屏上的发光点来选择屏幕的位置坐标。发光点来选择屏幕的位置坐标。 光笔的工作原理：光笔的工作原理：光笔的形状和大小象一支圆珠笔，笔尖处光笔的形状和大小象一支圆珠笔，笔尖

7、处开有一个圆孔，让荧光屏的光通过这个孔进开有一个圆孔，让荧光屏的光通过这个孔进入光笔。光笔的头部有一组透镜，把所收集入光笔。光笔的头部有一组透镜，把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上，光导纤的光聚集至光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，从维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，从而将光信号转换成电信号，经过整形后输出而将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个有合适信噪比的逻辑电平，并作为中断一个有合适信噪比的逻辑电平，并作为中断信号送给计算机。信号送给计算机。七、数字化仪（七、数字化仪（digitizer) 数字化仪数字化仪 用来在所作的画用来在所作的画 或对象上扫描

8、，或对象上扫描，并输入一组坐标位置，相互以直线段连接，以逼并输入一组坐标位置，相互以直线段连接，以逼近曲线或表面形状。近曲线或表面形状。 数字化仪的基本工作原理：数字化仪的基本工作原理： 采用电磁感应技术。采用电磁感应技术。 由一块数据板和一个定标器组成。由一块数据板和一个定标器组成。数据板中布满了金属栅格，当定标数据板中布满了金属栅格，当定标器在数据板上移动时，其正下方的器在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电金属栅格上就会产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出定标器当前的位置，就可以判断出定标器当前的几何位置。几何

9、位置。八、图象扫描仪（八、图象扫描仪（scanner) 图象扫描仪可直接把图纸、图表、照片、图象扫描仪可直接把图纸、图表、照片、广告画等输入到计算机中，在将它们传过一个光广告画等输入到计算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度和彩色等级被记录下来，并学扫描机构时，灰度和彩色等级被记录下来，并按图象方式进行存储。绝大多数是采用的固态器按图象方式进行存储。绝大多数是采用的固态器件是电荷耦合器件（件是电荷耦合器件（CCD Charge Coupled Device） 工作原理：工作原理： 用光源照射原稿，投射光线经过一用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到组光学镜头射到CCD器件上，得到元

10、件器件上，得到元件的颜色信息，再经过模的颜色信息，再经过模/数转换器，图数转换器，图象数据暂存器等，最终输入到计算机。象数据暂存器等，最终输入到计算机。九、声频输入系统九、声频输入系统 在某些图形工作站中，采用话音识别器作在某些图形工作站中，采用话音识别器作为输入设备，以接收操作者的命令。为输入设备，以接收操作者的命令。工作原理：工作原理：建立声音词典频率模式匹配建立声音词典频率模式匹配十、视频输入系统十、视频输入系统 视频信号采集板（卡）、视频信号输入卡、视频信号采集板（卡）、视频信号输入卡、视频信号处理装置视频信号处理装置*真实物体的三维信息的输入真实物体的三维信息的输入 在实际的产生过程

11、中许多零件和样板在实际的产生过程中许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，有时这个模型要通过已成三维实体模型，有时这个模型要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息。备来采集实物表面各个点的位置信息。 一般的方法是通过激光扫描来实现，一般的方法是通过激光扫描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器。现在国外已经有许多这样的商业仪器。 这项技术的一个应用就是扫描保存古这项技术的一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息。代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信

12、息。*真实图形输入实例：真实图形输入实例：美国斯坦福大学计算机系的著名图形美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家学专家Marc Levoy曾经带领他的曾经带领他的30人的工作人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于学的教师和学生）于19981999学年专门在学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。当然工作难度是相当大的，他们为片信息。当然工作难度是相当大的，他们为此专门设计了一套硬件和软件系统。数据量此专

13、门设计了一套硬件和软件系统。数据量也是惊人的，光也是惊人的，光大卫像（大卫像（the David）就有）就有20亿个多边形和亿个多边形和7000张彩色图象张彩色图象，总共需要，总共需要72G的磁盘容量。这次工作可以说是实体图的磁盘容量。这次工作可以说是实体图形输入的一个颠峰之作。形输入的一个颠峰之作。图形显示设备图形显示设备一、阴极射线管一、阴极射线管CRTCRT是一种真空器件，它利用电磁场产生高速是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。阴

14、极射线管阴极射线管(CRT- Cathode Ray Tube)组成：组成：包括电子枪、包括电子枪、偏转系统、偏转系统、荧光屏。荧光屏。图图CRT组成组成（）电子枪：（）电子枪：主要功能主要功能：产生一个沿：产生一个沿z轴方向前进的细电子束轰轴方向前进的细电子束轰击荧光屏击荧光屏组成：组成：由电灯丝、阴极和控制栅组成由电灯丝、阴极和控制栅组成应满足下列要求：应满足下列要求：a.具有足够的电流强度具有足够的电流强度 b.电流的大小和有无必须是可电流的大小和有无必须是可控的控的c.具有很高的速度具有很高的速度d.在荧光屏上应能聚焦很小的光在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分辨率。亮

15、，以保证显示器有足够的分辨率。（）偏转系统（）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被称就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角。为最大偏转角。最大偏转角是衡量系统性能的最重要的最大偏转角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。a.对荧光粉的性能要求对荧光粉的性能要求：标准白色（发光颜：标准白色（发光颜色），发光效率高，余辉时间以及寿命长

16、短。色），发光效率高，余辉时间以及寿命长短。b.余辉时间：余辉时间：当电子束轰击荧光层某点所产当电子束轰击荧光层某点所产生的荧光，当电子束离开该点后，其亮度值随时生的荧光，当电子束离开该点后，其亮度值随时间按指数规律衰减。在这一过程中，电子束离开间按指数规律衰减。在这一过程中，电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的所需的时间就是余辉时间。时间就是余辉时间。余辉时间短：显示动画余辉时间短：显示动画余辉时间长：显示复杂的静态余辉时间长：显示复杂的静态的画面的画面c.刷新刷新(Refresh)：为了让荧光物质保为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值。持一

17、个稳定的亮度值。刷新频率：刷新频率：每秒钟每秒钟重绘屏幕的次数重绘屏幕的次数（）荧光屏（）荧光屏 原理：原理：荧光屏上涂有荧光粉，电荧光屏上涂有荧光粉，电子束打在荧光屏上，荧光粉就会发光而形成光子束打在荧光屏上，荧光粉就会发光而形成光点。点。二、彩色二、彩色CRT(）荫罩式彩色显象管）荫罩式彩色显象管结构：结构：三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板图荫罩式彩色显象管图荫罩式彩色显象管结构结构原理：原理：RGB顺序分行交替排列成三角形形状顺序分行交替排列成三角形形状且相距很近。且相距很近。荧光屏与荫罩板相距荧光屏与荫罩板相距cm。 一个共同偏转系统。一个共同偏转系统。荫罩

18、的作用是使得三条电子束分离开荫罩的作用是使得三条电子束分离开来。来。调节各电子枪的电流强度就可改变相调节各电子枪的电流强度就可改变相应颜色荧光点的亮度，即合成色所占的比例。应颜色荧光点的亮度，即合成色所占的比例。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，则显示器能同时个等级，则显示器能同时显示显示256*256*256=16M种颜色，称种颜色，称为为真彩系统真彩系统图三电子束图三电子束（）穿透式彩色（）穿透式彩色CRT原理：原理：采用了多层不同的荧光粉，在绿色荧采用了多层不同的荧光粉，在绿色荧光粉层上再沉积一层红色荧光粉。当电子束速度光粉层上再沉积一层红

19、色荧光粉。当电子束速度较低时，轰击荧光屏的能量只能使表层红粉受撞较低时，轰击荧光屏的能量只能使表层红粉受撞击，产生红色亮点；加速电压后，轰击的电子束击，产生红色亮点；加速电压后，轰击的电子束能穿透绿色荧光层，增加显示亮点中绿色成分。能穿透绿色荧光层，增加显示亮点中绿色成分。通过电子束轰击穿透荧光层的深浅，通过电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色。决定所产生的颜色。电子束电子束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图四穿透式彩色图四穿透式彩色CRT示意图示意图应用：应用：主要用于画线显主要用于画线显示器示器优点：优点：成本低成本低缺点：缺

20、点：只能产生有限几只能产生有限几种颜色种颜色三、随机扫描式显示器（三、随机扫描式显示器（CRT)特点特点：电子束可随意移动，只扫描荧：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的屏上要显示的 部分。部分。 逻辑部件：逻辑部件：刷新存储器刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（显示处理器（DPU:Display Processing Uuit）和）和CRT图五随机扫描式显示器示意图图五随机扫描式显示器示意图工作过程：工作过程：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接受命令格式，存放在解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所有的绘图

21、命刷新存储器中。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。 在此过程中，修改图形，实际是修改显在此过程中，修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。示文件中的某些绘图命令。图六光栅扫描显示器示意图图六光栅扫描显示器示意图行扫描：行扫描：从左向右扫描频率，也称行帧。从左向右扫描频率，也称行帧。水平回扫：水平回扫：每条扫描线末，电子束返回到屏幕最每条扫描线末，电子束返回到屏幕最左边。左边。垂直回扫：垂直回扫：每帧最末返回到屏幕的左上角，开始每帧最末返回到屏幕的左

22、上角，开始下一帧。下一帧。逐行扫描逐行扫描: 0,1,2,3行依次扫描行依次扫描隔行扫描隔行扫描: 先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。 先先0,2,4后后1,3,5。 由于由于CRT内侧的荧光粉在接受电子内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以每秒每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描每一帧图像。

23、图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒目前刷新频率标准为每秒50120帧。帧。五、平板显示器（五、平板显示器（flat-panel display)分类：非发射显示器分类：非发射显示器（光学效应）；例如：（光学效应）；例如：液晶显示器液晶显示器 发射显示器发射显示器（电能（电能-光能）；例如：光能）；例如：等离子，薄片光电，发光二极管显示器等离子，薄片光电，发光二极管显示器1 1、液晶显示器（、液晶显示器（Liquid Crystal Display)Liquid Crystal Display)原理：原理：液

24、晶是一种介于液体和固体之间的特殊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物质，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，就会学性质。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，此时通过改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，而产生它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩。色彩。液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先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，而穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来

25、的光线，还得必泽改变，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。须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板。图七图七 液晶显示器结构图液晶显示器结构图2、等离子体显示板（、等离子体显示板（Plasma Panel)原理：原理：将混合气体充入两块玻璃之间，使用将混合气体充入两块玻璃之间，使用交变电流的方法施以点火电压，得到显示。交变电流的方法施以点火电压，得到显示。优点：稳定，可用于图形的分析比较优点：稳定，可用于图形的分析比较3、薄片光点显示器、薄片光点显示器原理：原理：将荧光粉充入两块玻璃之间，使用交将荧光粉充入两块玻璃之间，使用交变电流的方法施以点火电压，得到显示。变电流

26、的方法施以点火电压，得到显示。缺点：缺点：*更多功耗更多功耗 *难以达到好的色彩和灰度难以达到好的色彩和灰度4、发光二极管显示器、发光二极管显示器（Liquid-Emitting Diode)应用：应用：常用于大型的室内、外的显示屏常用于大型的室内、外的显示屏结构原理：结构原理： 二极管以矩阵排列形成显示器的象素位二极管以矩阵排列形成显示器的象素位置。置。 信息从刷新缓存读出，并转换为电压值，信息从刷新缓存读出，并转换为电压值，加于二极管，形成图案。加于二极管，形成图案。缺点：缺点：暖色效应（暖色效应（RGB中无中无B)5、激光显示器：、激光显示器：在非常短的时间内显示很复杂在非常短的时间内显

27、示很复杂的图象，不能擦除。的图象，不能擦除。6、场致发光器件显示器、场致发光器件显示器FED（field emission display）是一）是一种新型的自发光平面显示器件，它利用场致种新型的自发光平面显示器件，它利用场致电子发射尖锥阵列取代阴极射线管电子发射尖锥阵列取代阴极射线管(CRT)中的中的热电子枪，应是热电子枪，应是CRT实现平板化的最佳方案。实现平板化的最佳方案。 FED依靠百万个以依靠百万个以L微细构造的尖锥阵微细构造的尖锥阵列列 ，由阴极在真空状态下，向涂有荧光或磷，由阴极在真空状态下，向涂有荧光或磷光物质的阳极发射电子束。光物质的阳极发射电子束。 优点：优点：FED既具有

28、既具有CRT的显示性能，又具有的显示性能，又具有LCD低功耗的优点，工作电压可以很低，具低功耗的优点，工作电压可以很低，具有高亮度、宽视角、高速响应以及很宽的环有高亮度、宽视角、高速响应以及很宽的环境温度变化范围境温度变化范围 2.3图形显示子系统图形显示子系统一、图形显示子系统（图形显示卡）组成：一、图形显示子系统（图形显示卡）组成：帧缓冲存储器帧缓冲存储器显示控制器显示控制器ROM BIOS芯片芯片1、帧缓冲存储器：用来存储像素颜色和灰度值、帧缓冲存储器：用来存储像素颜色和灰度值的存储器。（显存）的存储器。（显存）2、显示控制器（、显示控制器（Display Controller):独立的

29、对独立的对图象进行处理的图象进行处理的cpu。3、ROM BIOS:用于支持显示环境用于支持显示环境二、概念二、概念1、分辨率、分辨率光点：光点：电子束打在显示器的荧光屏上，显示器能电子束打在显示器的荧光屏上，显示器能后显示的最小的发光点。后显示的最小的发光点。象素点：象素点：图形显示在屏幕时，按当前的图形分辨图形显示在屏幕时，按当前的图形分辨率所能提供的最小元素点。它是光点的集合，最率所能提供的最小元素点。它是光点的集合，最小尺寸等于光点。小尺寸等于光点。三种分辨率：三种分辨率：（1）屏幕分辨率：）屏幕分辨率：光栅分辨率，决定了显示系统光栅分辨率，决定了显示系统最大可能的分辨率。最大可能的分辨率。表示：水平方向的光点数表示：水平方向的光点数 * 垂直方向的光点数垂直方向的光点数（2）显示分辨率：）显示分辨率： 显示控制器提供的显示模式分辨率。显示控制器提供的显示模式分辨率。 文本方式下：文本方式下： 水平方向能显示的字符总数水平方向能显示的字符总数 *垂直方向能显示的字垂直方向能显示的字符总数符总数 图形方式下：图形方式下： 水平方向能显示的象素点总数水平方向能显示的象素点总数 *垂直方向能显示的垂直方向能显示的象素点总数象素点总数（3）存