计算机图形学计算机图形系统及硬件ppt课件

1、2.1 2.1 概述概述 2.1.1 2.1.1 计算机系统中的图形设备计算机系统中的图形设备计算机图形系统用来生成、处置和显示图形，通常计算机图形系统用来生成、处置和显示图形，通常由以下三部分构成：由以下三部分构成：中央处置器：图形计算及有效的存储；中央处置器：图形计算及有效的存储；图形输入设备：键盘和鼠标、跟踪球、空间球、光图形输入设备：键盘和鼠标、跟踪球、空间球、光笔、数字化仪、触摸板、扫描仪、手写输入板、笔、数字化仪、触摸板、扫描仪、手写输入板、语音输入、数据手套等；语音输入、数据手套等；图形输出设备：包括图形显示设备显示器和图图形输出设备：包括图形显示设备显示器和图形绘制设备打印机、

2、绘图仪。形绘制设备打印机、绘图仪。2.1.2 2.1.2 图形系统的根本功能图形系统的根本功能一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出、交互等根本功能。输入、输出、交互等根本功能。计算功能：计算功能：1 1 图形的描画、分析和设计；图形的描画、分析和设计；2 2 点、线、面的表示及其求交、分类；点、线、面的表示及其求交、分类；3 3 图形的平移、旋转、投影、透视等几何图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；变换；4 4 曲线、曲面的生成；曲线、曲面的生成；5 5 图形的交点、交线和交面的计算；图形的交点、交线和交面的计算；6 6 光、色模型的建

3、立和计算；光、色模型的建立和计算；7 7 图形之间相互关系的检测等。图形之间相互关系的检测等。存储功能：存储功能：图形数据库可以存放各种图形的几何数据图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系以及各种属性信息，及图形之间的相互关系以及各种属性信息，并能快速方便地实现对图形的删除、添加、并能快速方便地实现对图形的删除、添加、修正等操作。修正等操作。输入功能：输入功能：经过图形输入设备将根本的图形数据如经过图形输入设备将根本的图形数据如点、线等，必要的参数和各种绘图命令点、线等，必要的参数和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形。图形

4、。输出功能：输出功能：图形数据经过计算后可在显示器上显示当图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的形状以及经过图形编辑后的结果，同前的形状以及经过图形编辑后的结果，同时还能经过绘图仪、打印机等设备实现硬时还能经过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保管。拷贝输出，以便长期保管。交互功能：交互功能：设计人员可经过显示器或其他人机交互设设计人员可经过显示器或其他人机交互设备直接进展人机通讯，对计算结果和图形备直接进展人机通讯，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进展修正，同时对利用定位、拾取等手段进展修正，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和协

5、助。示和协助。图形的根本处置流程图形的根本处置流程 图形输入设备 输入输入 计算计算 输出输出 图形输出设备 存储存储 交互交互 显示器 数据库数据库2.2 2.2 图形显示设备图形显示设备图形显示设备主要有以下三种：图形显示设备主要有以下三种：阴极射线管显示器阴极射线管显示器Cathode Ray Tube CRT液晶显示器液晶显示器Liquid Crystal Display LCD等离子体平板显示器等离子体平板显示器Palsma Display Panel PDP2.2.1 CRT2.2.1 CRT显示器显示器1.CRT1.CRT显示器显示原理显示器显示原理CRTCRT显示器主要由阴显示

6、器主要由阴极、电平控制器即极、电平控制器即控制极、聚焦系统、控制极、聚焦系统、加速系统、偏转系统加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真成，这六部分都在真空管内。空管内。CRTCRT显示器原理图显示器原理图程度偏转板垂直偏转板灯丝阴极聚焦系统加速系统电平控制器石墨层吸收轰击磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,构成电流回路。 荧光粉磷粉涂层 电子枪 偏转系统 荧光屏第一阳极第一阳极 第二阳极第二阳极 偏转线圈偏转线圈 高压入口经石墨层接第二阳极高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统用于磁偏转系统 用于静电偏转系统荧光屏偏转的电子束刷新刷新 刷新：刷

7、新一次指电子束从上到下将荧光刷新：刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次。屏扫描一次。 扫描转换：将图形的几何信息转换成存储扫描转换：将图形的几何信息转换成存储在帧缓存中的光栅点阵图像并以一定在帧缓存中的光栅点阵图像并以一定格式的视频图像显示的过程叫扫描转换。格式的视频图像显示的过程叫扫描转换。 只需刷新频率高到一定值后，图像才干稳只需刷新频率高到一定值后，图像才干稳定显示。大约到达每秒定显示。大约到达每秒6060帧，即帧，即60Hz60Hz时，时，人眼才干觉得到屏幕不闪烁，要使人眼觉人眼才干觉得到屏幕不闪烁，要使人眼觉得温馨，普通必需有得温馨，普通必需有85Hz85Hz以上的刷新频率。以上

8、的刷新频率。隔行扫描技术隔行扫描技术 每一帧分为两个场显示，每个场只包含一半画每一帧分为两个场显示，每个场只包含一半画面。两个场是交错的，一个场包含一切的奇数面。两个场是交错的，一个场包含一切的奇数扫描行，另一个场包含一切的偶数扫描行，两扫描行，另一个场包含一切的偶数扫描行，两个场以个场以1/601/60秒的时间间隔交替显示。秒的时间间隔交替显示。 扫描从奇数场左上角开场，每一行都是自左向扫描从奇数场左上角开场，每一行都是自左向右。电子束在横向扫描的同时以一个较低的速右。电子束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下挪动，当扫描线到达屏幕右端时，就将率向下挪动，当扫描线到达屏幕右端时，就将其隐去并

9、迅速前往屏幕左端。这个过程称为程其隐去并迅速前往屏幕左端。这个过程称为程度回扫。接着下一奇数行反复这一过程。度回扫。接着下一奇数行反复这一过程。当整场扫描终了时，扫描线正好停在底部的中央。接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直回扫。接着进展偶数场扫描，偶数场扫描终了于屏幕右下角，垂直回归后电子束前往屏幕左上角。奇数场从第一行开场，程度回扫用虚线表示奇数场从第一行开场，程度回扫用虚线表示1234567 有有7 7条扫描线的隔行扫描条扫描线的隔行扫描2.2.彩色彩色CRTCRT显示器的显示原理显示器的显示原理颜色模型：颜色模型： 所谓颜色模型就是指某个三维所谓颜色模型就是指某个三维颜色空

10、间中的一个可见光子集，它颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个颜色域的一切颜色。采用包含某个颜色域的一切颜色。采用颜色模型的目的是在某个颜色域中颜色模型的目的是在某个颜色域中方便地制定颜色。方便地制定颜色。RGBRGB模型模型R绿(0,1,0)黄(1,1,0)白(1,1,1)品红(1,0,1)青(0,1,1)黑(0,0,0)蓝(0,0,1)红(1,0,0)GBRGBRGB颜色立方体颜色立方体 由红、绿、蓝三种颜由红、绿、蓝三种颜色组成的原色系统称为色组成的原色系统称为RGBRGB模型。它是定义于某模型。它是定义于某个红绿蓝颜色坐标系统个红绿蓝颜色坐标系统中的单位立方体。坐标中的单位立方体。坐标

11、原点代表黑色，坐标点原点代表黑色，坐标点(1,1,1)(1,1,1)代表达色。坐标代表达色。坐标轴上的顶点代表三个基轴上的顶点代表三个基色，余下的顶点那么代色，余下的顶点那么代表每一个基色的补色。表每一个基色的补色。 RGB颜色模型所覆盖的颜色域取颜色模型所覆盖的颜色域取决于显示设备荧光点的颜色特性，决于显示设备荧光点的颜色特性，是与硬件相关的是与硬件相关的 电子枪和对应的荧光点必需在一条直线上。为保证每个电子枪都能击中对应颜色的荧光点，在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属网格即荫罩。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束都会聚于荫罩上。这样，某颜色的电子束经过荫罩后，就可防止和另外两种颜色

12、的荧光点相交，而只能与本人对应颜色的荧光点相交。彩色彩色CRTCRT电子枪和荫罩的排布电子枪和荫罩的排布绿枪电子束绿枪电子束蓝枪电子束蓝枪电子束红枪电子束红枪电子束荫罩荫罩屏幕屏幕红绿蓝荧光点荧光点假设每一个电子枪都有假设每一个电子枪都有256256级级8 8位的强度控制，那么这个位的强度控制，那么这个显象管所能产生的颜色就是我显象管所能产生的颜色就是我们平常所说的们平常所说的2424位真彩色了位真彩色了 1)1)荫罩显示器荫罩显示器 彩色彩色CRTCRT光栅扫描显示器有三个电子枪最早是三枪光栅扫描显示器有三个电子枪最早是三枪三束，如今有一枪三束，即三个阴极，它的荧光屏三束，如今有一枪三束，即

13、三个阴极，它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。电子枪通常成三角形陈列或程度陈列，与的光。电子枪通常成三角形陈列或程度陈列，与CRTCRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。电子枪程度陈列电子枪程度陈列孔状荫罩孔状荫罩沟槽状荫罩沟槽状荫罩 2 2荫栅显示器荫栅显示器荫栅式显示器其任务原理如以下图所示荫栅式显示器其任务原理如以下图所示 : : 荫栅任务原理原理表示图荫栅任务原理原理表示图 假设我们说某个品牌的显示器的分辨率为假设我们说某个品牌的显示器的分辨率为80DPI80DPI，是指在

14、显示器的有效显，是指在显示器的有效显示范围内，显示器的的显像设备可以在每英寸荧光屏上产生示范围内，显示器的的显像设备可以在每英寸荧光屏上产生8080个光点。个光点。举个例子来说，一台举个例子来说，一台1414英寸的显示器荧光屏对角线长度为英寸的显示器荧光屏对角线长度为1414英寸，英寸，其点距为其点距为0.28mm0.28mm，那么：，那么： 显示器分辨率显示器分辨率=25.3995mm/inch=25.3995mm/inch0.28mm/Dot90DPI0.28mm/Dot90DPI。1 inch=25.3995mm1 inch=25.3995mm显示器出厂时普通并不标出表征显示器分辨率的显

15、示器出厂时普通并不标出表征显示器分辨率的DPIDPI值，只给出点距，我们根据上述公式即可算出显示器的分辨率。根据值，只给出点距，我们根据上述公式即可算出显示器的分辨率。根据我们算出的我们算出的DPIDPI值，进而可以推算出显示器支持的最高显示方式。值，进而可以推算出显示器支持的最高显示方式。Dpi-Dpi-每英寸的像素点数每英寸的像素点数R R G GB BB B0.25mm0.25mmd=0.28mmd=0.28mm0.24mm0.24mm0.31mm0.31mmR R G GB BG G点距为点距为0.250.25的柱面显示器的柱面显示器点距为点距为0.280.28的球面显示器的球面显示器

16、3.3.光栅扫描式图形显示器光栅扫描式图形显示器光栅扫描式图形显示器是画点设备，可看成光栅扫描式图形显示器是画点设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。元的亮度。发出的电子束的偏转方式是固定的，自上而发出的电子束的偏转方式是固定的，自上而下，从左到右扫描在荧光屏上构成光栅外形。下，从左到右扫描在荧光屏上构成光栅外形。图形是经过电子束扫描到光栅上的图形像素图形是经过电子束扫描到光栅上的图形像素点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜色不同而烘托出的，可构成多级灰度或颜颜色不同而烘托出的，可构成多级灰度

17、或颜色的实面积自然图像。色的实面积自然图像。由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像所需求的时间等于显示整个光栅所需的时间，所需求的时间等于显示整个光栅所需的时间，而与图像的复杂程度无关。而与图像的复杂程度无关。综上，可把光栅图形显示器看做许多离散点综上，可把光栅图形显示器看做许多离散点组成的矩阵，每个点都可以发光。除非特殊组成的矩阵，每个点都可以发光。除非特殊情况，普通在矩阵中是不能直接从一个点到情况，普通在矩阵中是不能直接从一个点到另一个点或一个像素到另一个像素画一另一个点或一个像素到另一个像素画一条笔直的直线，但可以用一系列的点或像条笔直的直线，但可以

18、用一系列的点或像素来近似地表示这条直线。素来近似地表示这条直线。 显然，只需画程度、垂直或正方形的对角线时，才干用点或像素画出一条真正的直线，其他情况下的直线均呈阶梯状，这种景象称为走样或锯齿(如以下图所示)。采用反走样技术可适当减轻阶梯效果。光栅化的直线光栅化的直线(b)ABCD(a)图像元素图像元素或像素或像素可寻址点可寻址点BA帧缓冲存储器帧缓存帧缓冲存储器帧缓存帧缓冲存储器是一块延续的存储空间。帧缓冲存储器是一块延续的存储空间。光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1 1位位bitbit, ,每个像素每个像素1 1位的存储容量称为位的存储容量称为位面位面b

19、it planebit plane。画面就是由帧缓存。画面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。中的这些位信息组成的。 图形在计算机中是一位一位产生的，每一图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只需个存储位只需0 0或或1 1两个形状，因此一个位两个形状，因此一个位面的帧缓存只能产生黑白图形。面的帧缓存只能产生黑白图形。实现光栅实现光栅CRTCRT图形显示器的最常见方法是运用帧缓存。图形显示器的最常见方法是运用帧缓存。帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必需经过数字出必需

20、经过数字/ /模拟转换，这个任务由模拟转换，这个任务由DACDAC数模转换器数模转换器 digital/analog convertor digital/analog convertor完成。完成。具有具有1 1位帧缓存的黑白光栅显示器构造图位帧缓存的黑白光栅显示器构造图帧缓冲存储器CRT光栅电子枪存放器1DAC 光栅图形显示器中需求有足够的位面和帧缓光栅图形显示器中需求有足够的位面和帧缓存结合起来才干反映图形的颜色和灰度等级。存结合起来才干反映图形的颜色和灰度等级。 如图，显示器上每个像素的亮度由N个位面中对应的每个像素位置的内容共同决议，即每一位的二进制被存入指定的存放器中,该存放器中二进

21、制的数被翻译成灰度等级，其范围在02N1之间。N00帧缓冲存储器1N=3 2N级1004 2N DAC存放器N电子枪CRT光栅具有具有N N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器构造位帧缓存的黑白灰度光栅显示器构造图图 为防止帧缓存的添加，可采用颜色查找表来提高灰度级别，如以下图所示，帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，颜色查找表必需有2N项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可有2W灰度等级，但每次只需2N个不同灰度等级可用。假设要运用2N种以外的灰度等级，需改动颜色查找表中的内容重装颜色查找表。 具有N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器构造图N=3 2N表项N00帧缓冲存储器11004存放器N2N为

22、总光强等级2W为每次可显示 光强等级电子枪11W查找表 2W DAC1011W=4CRT光栅 由于只需三种原色，所以可用三个位面实现一个简单的彩色帧缓冲存储器。以下图为简单的彩色光栅显示器，由分别对应红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的三个位面的帧缓存，DAC，三个电子枪和CRT光栅组成。CRT光栅300帧缓冲存储器1存放器彩色电子枪0DAC蓝0DAC绿1DAC红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 对每个颜色的电子枪可经过添加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如以下图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的DAC，每种原色有28种灰度等级，三种原色的组合有224种颜色。这

23、种显示器称为全色光栅扫描图形显示器，其帧缓存称为全色帧缓存。 假设各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查假设各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找表的地址索引，那么全色帧缓存的颜色还可进一步丰找表的地址索引，那么全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。富。彩色电子枪8N8存放器帧缓冲存储器8W位DAC红W位DAC绿W位DAC蓝CRT光栅2N表项颜色查找表W = 10一个具有一个具有2424位面的彩色帧缓存和位面的彩色帧缓存和1010位颜色查找表的构造位颜色查找表的构造图图1 1分辨率分辨率指显示器在屏幕程度指显示器在屏幕程度( (垂直垂直) )方向显示多少像素方向显示多少像素分辨率越高，显示的字

24、符或图像越明晰分辨率越高，显示的字符或图像越明晰分辨率以像素点为根本单位，表示方法为分辨率以像素点为根本单位，表示方法为640640480480、10241024768768、1280128010241024等。等。显示分辨率与显卡上的缓冲存储器的容量有关，显示分辨率与显卡上的缓冲存储器的容量有关，容量越大，显示分辨率越高。容量越大，显示分辨率越高。2 2刷新频率刷新频率指屏幕刷新的速度指屏幕刷新的速度刷新频率越低，图像闪烁和抖动景象就越严重；刷新频率越低，图像闪烁和抖动景象就越严重；光栅扫描显示器的主要性能参数光栅扫描显示器的主要性能参数3 3程度扫描频率程度扫描频率程度扫描频率又称为行频，

25、是指电子枪每秒在程度扫描频率又称为行频，是指电子枪每秒在屏幕上扫描过的程度点数；屏幕上扫描过的程度点数；4 4亮度等级数目和颜色亮度等级数目和颜色亮度等级数目指单种颜色亮度可变化的数目亮度等级数目指单种颜色亮度可变化的数目亮度等级范围的提升可使图像看上去更柔和自亮度等级范围的提升可使图像看上去更柔和自然然颜色包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面颜色包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数；可同时显示的颜色数；5 5点距点距“点距指相邻像素点之间的间隔即像素的直点距指相邻像素点之间的间隔即像素的直径径“点距决议了每英寸最多能产生多少个点距决议了每英寸最多能产生多少个点。点。6 6显

26、示速度显示速度指显示字符、图形，特别是动态图像的速度，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有关与显示器的分辨率及扫描频率有关可用最大带宽表示：可用最大带宽表示： 程度像素数程度像素数* *垂直像素数垂直像素数* *最大刷新最大刷新率率2.2.2 2.2.2 液晶显示器液晶显示器1.1.液晶的物理特性液晶的物理特性 液晶即液态晶体，是具液晶即液态晶体，是具有线状结晶构造的分子，有线状结晶构造的分子，可象液体那样流动。可象液体那样流动。 液晶分子的陈列柔软易液晶分子的陈列柔软易变形，受电场、磁场、温变形，受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用度、应力等外部条件作用时会

27、重新陈列。时会重新陈列。 极化性：当通电和不通电时液晶分子处于极化性：当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的陈列，一种陈列光线容易经过，两种不同的陈列，一种陈列光线容易经过，而另一种陈列阻止光线经过。而另一种陈列阻止光线经过。2.2.单色液晶显示器的原理单色液晶显示器的原理1)1)玻璃板：在液晶显示器中，液晶是灌入两玻璃板：在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之间，也就是两片涂有个列有细槽的平面之间，也就是两片涂有配向膜配向膜PIPI，polyimidepolyimide聚酰亚胺的玻聚酰亚胺的玻璃板，用来夹住液晶。液晶分子顺着开槽璃板，用来夹住液晶。液晶分子顺着开槽均匀陈列。均匀陈列。

28、2)2)偏光板：一系列逐渐变细的平行线，或称偏光板：一系列逐渐变细的平行线，或称栅栏，用来阻隔掉不与栅栏平行的光线。栅栏，用来阻隔掉不与栅栏平行的光线。偏光板的光透过图：偏光板的光透过图：液晶显示器依托偏光板液晶显示器依托偏光板( (极化滤光片极化滤光片) )影响光线穿过液晶。影响光线穿过液晶。自然光线是朝一切方向随机发散的。只需两个偏光板的线自然光线是朝一切方向随机发散的。只需两个偏光板的线完全平行，或者经过第一个偏光板的光线本身已改动到与完全平行，或者经过第一个偏光板的光线本身已改动到与第二个偏光板相匹配，光线才得以穿过第二个偏光板。如第二个偏光板相匹配，光线才得以穿过第二个偏光板。如以下

29、图所示，两个偏光板相互垂直，穿过第一个偏光板的以下图所示，两个偏光板相互垂直，穿过第一个偏光板的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲9090，正好可以穿过，正好可以穿过第二个偏光板。第二个偏光板。光线方向光线穿透表示图光线穿透表示图 但假设为液晶加一个电压，液晶分子又会重新陈列并完全平行，使光线不再改动，将被第二个偏光板挡住。总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出，如以下图所示光线阻断表示图光线阻断表示图3)3)电极：玻璃板和液晶资料之间是透明电极，电极分为行电极电极：玻璃板和液晶资料之间是透明电极，电极分为行电极和列电极，在行和列的交叉点上，经过改动电压而改

30、动液晶的和列电极，在行和列的交叉点上，经过改动电压而改动液晶的旋光形状，从而改动屏幕上相应像素的亮度。旋光形状，从而改动屏幕上相应像素的亮度。 综上可得像素点亮过程：综上可得像素点亮过程： 背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格构造中，液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格构造中，一个或多个单元格一个或多个单元格 构成屏幕上的一个像素。构成屏幕上的一个像素。 经过电极上电压的改动，经过电极上电压的改动， 改动液晶的改动形状，改动液晶的改动形状， 相应改动光线的行进方相应改动光线的行进方 向，

31、从而决议相应像素向，从而决议相应像素 的亮度。液晶资料在这的亮度。液晶资料在这 里作用类似一个小的光阀。里作用类似一个小的光阀。4)4)背光板：由荧光物质组成，可以发射光线，提供一个高背光板：由荧光物质组成，可以发射光线，提供一个高亮度，且亮度分布均匀的光源。由显示屏两边作为光源亮度，且亮度分布均匀的光源。由显示屏两边作为光源的灯管，反射板，导光板等等组成。的灯管，反射板，导光板等等组成。偏光板偏光板偏光板偏光板光线光线光线光线液晶液晶分子分子图图 液晶显示器原理表示图液晶显示器原理表示图(a)(b)3. 3. 彩色液晶显示器的任务原理彩色液晶显示器的任务原理 彩色彩色LCDLCD要具备专门处

32、置彩色显示的颜要具备专门处置彩色显示的颜色过滤层滤光板。色过滤层滤光板。 彩色彩色LCDLCD面板中的每一个像素由面板中的每一个像素由3 3个液个液晶单元格构成，其中每一个单元格前晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，经过不同单元格的光线可器。这样，经过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。在屏幕上显示出不同的颜色。 液晶的分类液晶的分类 液晶显示器液晶显示器LCDLCD依驱动方式分为静态驱动、单纯依驱动方式分为静态驱动、单纯 矩阵驱动和自动矩阵驱动矩阵驱动和自动矩阵驱动3 3种。种。 液晶显示的驱动就是用来调整加在液晶

33、显示器件电极液晶显示的驱动就是用来调整加在液晶显示器件电极上的电位信号的相位，峰值等，建立驱动电场，以实现液上的电位信号的相位，峰值等，建立驱动电场，以实现液晶器件的显示效果。晶器件的显示效果。 单纯驱动分为：改动式向列型单纯驱动分为：改动式向列型Twisted Nematic, TNTwisted Nematic, TN和超改动式向列型和超改动式向列型Super Twisted Nematic, STN Super Twisted Nematic, STN 自动矩阵驱动分为：薄膜晶体管液晶显示器自动矩阵驱动分为：薄膜晶体管液晶显示器 TFT TFT LCDLCD，ThinThin filmf

34、ilm transistortransistor liquidliquid crystalcrystal display) display) 和二端和二端子二级管型子二级管型metal/insulator/metal, MIMmetal/insulator/metal, MIMTFTTFT液晶显示器的构造液晶显示器的构造4. 4. 液晶显示器的特点液晶显示器的特点 优点：优点： 任务电压低、功耗小；任务电压低、功耗小； 无辐射，对人体安康无损害；无辐射，对人体安康无损害； 完全平面，无闪烁、失真，可视面积完全平面，无闪烁、失真，可视面积大，又薄又轻，能大量节省空间；大，又薄又轻，能大量节省空间

35、； 抗干扰才干比抗干扰才干比CRTCRT显示器强得多。显示器强得多。 缺陷：缺陷： 视角太小、亮度和对比度不够大视角太小、亮度和对比度不够大 2.2.3 2.2.3 等离子显示器等离子显示器 等离子显示器是新一代显示设备，它采用了近几年来高速开展的等离子平面屏幕技术。1.1.等离子显示器的任务原理等离子显示器的任务原理 等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格矩阵光栅组成，每个晶格充有低压气体矩阵光栅组成，每个晶格充有低压气体( (氖或氖氩混合气体氖或氖氩混合气体) )。 在高电压作用下，气领会电离解。电离解后在高电压作用下，气领会电离解。电离解后的气体称为

36、等离子体，所以这种显示器称为的气体称为等离子体，所以这种显示器称为等离子显示器。等离子显示器。 当电子又重新与原子结合在一同时，能量就当电子又重新与原子结合在一同时，能量就会以光子的方式释放出来，这时气体就会释会以光子的方式释放出来，这时气体就会释放出具有特征的橙红色辉光。放出具有特征的橙红色辉光。 等离子显示器有交流(AC)激发的、直流(DC)激发的、交直流(AC/DC)混合激发的三种类型。直流激发的等离子显示器的根本构造如以下图所示。阴极阴极玻璃玻璃电介质隔板电介质隔板透明阳极透明阳极玻璃玻璃气泡气泡任务过程：要点亮某个地址的气泡，开场要在相应行任务过程：要点亮某个地址的气泡，开场要在相应

37、行上加较高的电压，气泡点亮后，可用低电压维持气泡上加较高的电压，气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮度。关掉某个气泡，只需将相应的电压降低。改的亮度。关掉某个气泡，只需将相应的电压降低。改动控制电压，可使等离子板显示不同灰度的图形。动控制电压，可使等离子板显示不同灰度的图形。彩色等离子显示器彩色等离子显示器 PDP PDP成像过程是：利用惰性气体放电产生紫外线来激发彩色成像过程是：利用惰性气体放电产生紫外线来激发彩色荧光粉发光，再转换成人眼可见的光。采用等离子管作为发荧光粉发光，再转换成人眼可见的光。采用等离子管作为发光元件，大量的等离子管陈列在一同构成屏幕光元件，大量的等离子管陈列在一同构成屏

38、幕( (如下图如下图) )，每，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体。在等离子管电个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气领会产生紫外光，并鼓励平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光领会产生紫外光，并鼓励平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和颜色的图像，类似明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和颜色的图像，类似显像管发光。显像管发光。2.2.等离子显示器的

39、特点等离子显示器的特点 优点：优点： 分量较轻、完全无分量较轻、完全无X X射线辐射；射线辐射； 屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；暗区； 不存在某些区域聚焦不良或散焦的缺陷；不存在某些区域聚焦不良或散焦的缺陷； 屏幕更平展，察看视角更大屏幕更平展，察看视角更大 。 缺陷：缺陷： 价钱较高；价钱较高； 显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。2.2.4 32.2.4 3种显示技术的比较种显示技术的比较性质性质阴极射线管阴极射线管液晶显示器液晶显示器等离子显示器等离子显示器功耗功耗大大小小中中屏幕屏幕大大小小大大厚度厚度大大小小

40、小小平面度平面度普通普通好好好好亮度亮度好好适中适中好好分辨率分辨率中中普通普通好好对比度对比度中中差差好好灰度等级灰度等级好好差差好好视角视角大大小小大大颜色颜色丰富丰富中中丰富丰富价钱价钱低低中中高高2.3 2.3 绘图设备绘图设备2.3.1 2.3.1 喷墨打印机喷墨打印机 喷墨打印机是一种光栅类型的图形输出设备，根本原理是将小墨点放射到介质上。 如以下图所示，喷墨安装多数情况安装在类似打印机的机头上，纸绕在滚筒上快速旋转，喷墨头那么在滚筒上缓慢程度运动。打印机的墨水泵将黄、品红、青三种颜色的墨水分别注入3支很细的喷笔中。在高压下，墨水经过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。 喷墨绘图机的

41、构造打印机打印机控制部件控制部件墨水泵墨水泵滚筒滚筒喷笔喷笔笔架笔架丝杠丝杠电机电机步进电机步进电机纸或胶片纸或胶片 喷墨打印机的分辨率取决于墨滴也就是喷嘴的大小。喷墨打印机的分辨率取决于墨滴也就是喷嘴的大小。 某些喷墨打印机可以接纳视频及数字信号，因此可用于某些喷墨打印机可以接纳视频及数字信号，因此可用于光栅显示屏幕的硬拷贝，此时图像分辨率遭到视频输入光栅显示屏幕的硬拷贝，此时图像分辨率遭到视频输入分辨率的限制。分辨率的限制。2.3.2 2.3.2 笔式绘图机笔式绘图机 笔 式 绘 图 机是矢量型设备，在操作过程中，绘图笔相对纸作随意挪动。笔式绘图机分为滚筒式和平板式。滚筒式绘图机滚筒式绘图

42、机平板式绘图机平板式绘图机1.1.滚筒式绘图机滚筒式绘图机 笔和纸都是运动的。绘图纸卷在滚筒上，步进电机带动链轮作正向和反向旋转，带动图纸作X方向的正向和负向运动，滚筒上方的笔架可存放多支画笔，画笔由另一个步进电机带动作Y方向的正负向往返运动，两种运动的结合使画笔画出各种图形。方向步进电机滚筒式绘图机构造滚筒式绘图机构造Y方向步进电机X笔架落笔抬笔+X+Y2.2.平板式绘图机平板式绘图机 绘图笔在纸上沿X和Y两个方向运动，图纸通常静止不动，装有笔架的导轨作X方向挪动，笔架在导轨上作Y方向挪动，两种运动配合画出多种图形。平板式绘图机构造平板式绘图机构造X方向步进电机Y方向步进电机+Y抬笔落笔+X

43、 平板式绘图机的分类 机械传动机械传动 驱动安装普通为钢丝绳或齿轮条箱；驱动安装普通为钢丝绳或齿轮条箱； 速度低、精度低、寿命短，价钱相对廉价。速度低、精度低、寿命短，价钱相对廉价。 平面电机驱动平面电机驱动 绘图台有两块平板，上面的平板称为滑动绘图台有两块平板，上面的平板称为滑动导板，即电机定子，下面的平板称为绘图导板，即电机定子，下面的平板称为绘图台板；台板； 两块平板之间是电机动子，画笔装在电机两块平板之间是电机动子，画笔装在电机动子的下部，画笔之下是绘图台板。动子的下部，画笔之下是绘图台板。2.3.3 2.3.3 激光打印机激光打印机激光打印机是一种既可激光打印机是一种既可用于打印字符

44、又可用用于打印字符又可用于绘图的设备。于绘图的设备。激光打印机的任务原理激光打印机的任务原理激光打印机主要由激光打印机主要由感光鼓、粉盒、打感光鼓、粉盒、打底电晕丝和转移电底电晕丝和转移电晕丝等组成，如图晕丝等组成，如图a a所示。所示。 滚筒转移电晕丝打印纸打底电晕丝感光鼓碳粉(a)(a)激光打印机开场任务时，感光鼓旋转经过激光打印机开场任务时，感光鼓旋转经过打底电晕丝，使整个感光鼓的外表带上电打底电晕丝，使整个感光鼓的外表带上电荷，如图荷，如图b b所示。所示。 打底电晕丝(b)(b)+鼓外表未带电荷感光鼓旋转方向鼓外表带电荷打印机处置器将打印数据转换成可以驱动打印打印机处置器将打印数据转

45、换成可以驱动打印引擎动作的信号组引擎动作的信号组( (类似数据表类似数据表) )，并送至激光，并送至激光发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜上，反射镜的旋转和激光的发射同时进展，依上，反射镜的旋转和激光的发射同时进展，依照打印数据来决议照打印数据来决议激光的发射或停顿。激光的发射或停顿。每个光点打在反射每个光点打在反射镜上，随着反射镜镜上，随着反射镜的转动，不断变换的转动，不断变换角度，将激光点反角度，将激光点反射到感光鼓上，如射到感光鼓上，如图图c c所示。所示。(c)(c)多棱反射镜激光发射器感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，在感光感光鼓上被激光

46、照到的点将失去电荷，在感光鼓外表构成一幅肉眼看不到的磁化景象。感光鼓外表构成一幅肉眼看不到的磁化景象。感光鼓旋转到上粉盒，其外表被磁化的点将吸附碳鼓旋转到上粉盒，其外表被磁化的点将吸附碳粉，从而在感光鼓上构成将要打印的碳粉图像，粉，从而在感光鼓上构成将要打印的碳粉图像，如图如图d d所示。所示。 (d)(d)碳粉滚筒感光鼓旋转方向打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间经过，转移打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间经过，转移电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝方向挪动，吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝方向挪动，结果是在不断向前运动的打

47、印纸上构成碳结果是在不断向前运动的打印纸上构成碳粉图像。打印纸继粉图像。打印纸继续向前运动，经过续向前运动，经过高温的溶凝部件，高温的溶凝部件，定型在打印纸上，定型在打印纸上，产生永久图像，如产生永久图像，如图图e e所示。所示。(e)(e)感光鼓碳粉转移电晕丝激光打印机的优点激光打印机的优点 有效利用了激光定向性、单色性和能量密集有效利用了激光定向性、单色性和能量密集性，并结合了电子扫描技术的高灵敏度和快性，并结合了电子扫描技术的高灵敏度和快速存取等特性。速存取等特性。 输出图形图像的质量非常高，分辨率可达输出图形图像的质量非常高，分辨率可达300300600600点点/ /英寸。英寸。 图

48、形及文本质量非常高，可直接作为制版的图形及文本质量非常高，可直接作为制版的原稿。原稿。 2.4 2.4 图形输入设备图形输入设备 各种图形模型的建立、操作和修正都离不开各种图形模型的建立、操作和修正都离不开图形输入设备。图形输入设备。 常用的图形输入设备有：常用的图形输入设备有： 键盘、鼠标键盘、鼠标 光笔、数字化仪光笔、数字化仪 触摸板、图形扫描仪、手写输入板触摸板、图形扫描仪、手写输入板 语音输入、数据手套语音输入、数据手套 空间球、支配杆、拨号盘、按钮盒空间球、支配杆、拨号盘、按钮盒2.4.1 2.4.1 键盘键盘- 字母数字键：输入文本、数值字母数字键：输入文本、数值- 光标控制键：选

49、择、定位光标控制键：选择、定位- 功能键：输入常用的操作功能键：输入常用的操作可水洗的键盘可水洗的键盘规范多夫拉克规范多夫拉克(Dvorak )(Dvorak )键盘的设计键盘的设计微软人体工学键盘微软人体工学键盘Natural Keyboard爱国者人体工学键盘爱国者人体工学键盘 0505年罗技无线键盘年罗技无线键盘 苹果公司内置触摸板的键盘，苹果公司内置触摸板的键盘，可以作为鼠标定位，可以作可以作为鼠标定位，可以作为手写笔输入设备，还可以为手写笔输入设备，还可以把它当成一个小绘图板运用把它当成一个小绘图板运用 折叠键盘折叠键盘 罗技罗技TypeAwayTypeAway折叠键盘折叠键盘 折叠

50、键盘折叠键盘, ,键盘折叠后仅仅键盘折叠后仅仅比普通比普通PDAPDA宽一点点宽一点点 西门子虚拟键盘西门子虚拟键盘 2.4.2 2.4.2 鼠标鼠标- 光标定位：相对设备光标定位：相对设备- 机械鼠：滑轮的挪动机械鼠：滑轮的挪动- 光电鼠：光线的反射光电鼠：光线的反射光电鼠标光电鼠标19681968年，鼠标的原型诞生，道格年，鼠标的原型诞生，道格恩恩格尔巴特。格尔巴特。AppleApple公司公司 Lisa Lisa计算机，计算机，第一台运用鼠标的系统，之后是苹果第一台运用鼠标的系统，之后是苹果个人个人PCPC系列。系列。 最早的机械鼠标最早的机械鼠标机械鼠标内部构造机械鼠标内部构造罗技劲貂

51、罗技劲貂无线电式鼠标的学名叫无线电式鼠标的学名叫DRFDigital radio frequency，数字无线电频率，数字无线电频率， 最新式蓝牙鼠标最新式蓝牙鼠标3维鼠标维鼠标2.4.3 2.4.3 光笔光笔 光笔有选图和跟踪光笔有选图和跟踪两种根本功能。两种根本功能。 选图又称标定或选图又称标定或指点是对显示器指点是对显示器 上已显示的图形或字符进展加工处置。跟踪是用光笔拖动光标实现定位，可用于图形编辑。 光笔的外形和普通钢笔类似，它由透镜、光导纤维、光电元件、放大整形电路和接触开关组成如以下图。光电转换放大整形开关电路光孔触钮开关导线透镜组光导纤维笔体输出信号光笔构造表示图光笔构造表示图

52、光笔的优缺陷光笔的优缺陷 优点优点 不需求特殊的显示屏幕，与触摸屏的设备相不需求特殊的显示屏幕，与触摸屏的设备相比较，价钱廉价许多；比较，价钱廉价许多； 在一些不适宜运用鼠标的地方，可起到替代在一些不适宜运用鼠标的地方，可起到替代作用。作用。 缺陷缺陷 手和笔迹能够将遮挡屏幕图像的一部分；手和笔迹能够将遮挡屏幕图像的一部分； 会呵斥手腕的疲劳；会呵斥手腕的疲劳； 光笔不能检测黑暗区域内的位置；光笔不能检测黑暗区域内的位置； 会因房间背景光的影响产生误读景象。会因房间背景光的影响产生误读景象。2.4.4 2.4.4 数字化仪数字化仪 数字化仪是一种把图形转变为计算机能接受的数字方式的公用设备，它

53、可以采样几何图形上的关键数据点，然后由程序进展处置。 数字化仪的任务原理：数字化仪的任务原理： 采用电磁感应技术，在一块布采用电磁感应技术，在一块布满金属栅格的绝缘平面板上放满金属栅格的绝缘平面板上放置一个可挪动的定位设备；置一个可挪动的定位设备； 当电流经过定位设备上的电感当电流经过定位设备上的电感线圈时，产生相应的磁场，从线圈时，产生相应的磁场，从而使其正下方的金属栅格上产而使其正下方的金属栅格上产生相应的感应电流；生相应的感应电流； 根据已产生电流的金属栅格的根据已产生电流的金属栅格的位置，判别出定位设备当前所位置，判别出定位设备当前所处的坐标位置。将这种位置信处的坐标位置。将这种位置信

54、息传送给计算机，就实现了图息传送给计算机，就实现了图形的数字化。形的数字化。 数字化仪的主要技术目的：数字化仪的主要技术目的： 最大有效幅面最大有效幅面 指可以有效地进展数字化操作的最大面积，普指可以有效地进展数字化操作的最大面积，普通按照工程图纸的规格来划分。通按照工程图纸的规格来划分。 数字化的速率数字化的速率 每秒几点到几百点，多采用可变方式，由用户每秒几点到几百点，多采用可变方式，由用户选择。选择。 最高分辨率最高分辨率 指输出坐标显示值添加指输出坐标显示值添加1 1的最小能够间隔，普通的最小能够间隔，普通每毫米几十线到几百线。最高分辨率取决于电每毫米几十线到几百线。最高分辨率取决于电

55、磁技术。磁技术。 2.4.5 2.4.5 手写输入板手写输入板手写输入板是最常见的定位设备，任务原理与数字化仪根本一样，不同之处是前者的台面较小，分辨率也低；而后者的台面较大，分辨率和精度也高。 兰亭小巧兰亭小巧10001000经典普通经典普通20002000手写平板电脑手写平板电脑2.4.6 2.4.6 图形扫描仪图形扫描仪 图形扫描仪是直接把图形如工程图纸和图像如照片、广告画等扫描并输入到计算机中，以像素信息进展存储表示的设备。 图形扫描仪的模块框图图形扫描仪的模块框图220V+5 V-5 V+12 V-12 V透镜荧光灯被扫描的资料步进电机计算机打印机或绘图仪荧光灯电源CCD驱动器电源信

56、号处置器步进电机驱动控制器输出接口存储器微机系统电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)(CCD)扫描仪的任务原理：扫描仪的任务原理： 用光源照射被扫描的资料，投射光线经过一组光学镜用光源照射被扫描的资料，投射光线经过一组光学镜头射到头射到CCDCCD器件上，再经模器件上，再经模/ /数转换器，图像数据暂存数转换器，图像数据暂存器等，最终输入到计算机或图形器等，最终输入到计算机或图形/ /文字输出设备中。文字输出设备中。2.4.7 2.4.7 触摸屏触摸屏 触摸屏是一种定位设备，它经过手指触摸屏幕显示的物体或位置来实现选择的操作。根据采用的技术不同分为电子式、光学式和声学式触摸屏。 1.1.电子触摸

57、屏电子触摸屏 将一个两层导电和高透明度的物质做的将一个两层导电和高透明度的物质做的薄膜涂层涂在玻璃或塑料外表上，再装薄膜涂层涂在玻璃或塑料外表上，再装到屏幕上，或直接涂到屏幕上。到屏幕上，或直接涂到屏幕上。 两个透明涂层之间约有两个透明涂层之间约有0.0025mm0.0025mm的间隔，的间隔，当手指触到屏幕时，在接触点产生一个当手指触到屏幕时，在接触点产生一个电接触，使该点处的电阻发生变化。经电接触，使该点处的电阻发生变化。经过测得电阻的改动量就能确定触摸的位过测得电阻的改动量就能确定触摸的位置。置。 2. 2. 光学触摸屏光学触摸屏 利用红外线和光电转换原理制成。利用红外线和光电转换原理制

58、成。 与屏幕尺寸相仿的框架的程度和垂直边框上各与屏幕尺寸相仿的框架的程度和垂直边框上各安装均匀密布的红外线发送器和接纳器。安装均匀密布的红外线发送器和接纳器。 运用时把框架安装在屏幕周围，用手指在屏幕运用时把框架安装在屏幕周围，用手指在屏幕上点一下，在指点处妨碍物挡住了一条垂直红上点一下，在指点处妨碍物挡住了一条垂直红外线和一条程度红外线，相应的两个红外线接外线和一条程度红外线，相应的两个红外线接纳器发出电信号，根据发出信号的接纳器所在纳器发出电信号，根据发出信号的接纳器所在位置可知妨碍物所在点坐标，将坐标值送入计位置可知妨碍物所在点坐标，将坐标值送入计算机进展处置。算机进展处置。3.3.声学

59、触摸屏声学触摸屏 由发射器、反射器和触摸屏等组成，其中发由发射器、反射器和触摸屏等组成，其中发射器和反射器一同任务。射器和反射器一同任务。 声源发射器沿玻璃板的程度和垂直方向交替声源发射器沿玻璃板的程度和垂直方向交替地发射高频声波脉冲，当用手指触摸屏幕时，地发射高频声波脉冲，当用手指触摸屏幕时，有一部分声波被反射回声源处，经过计算声有一部分声波被反射回声源处，经过计算声波脉冲从发射到反射回声源发射器的时间间波脉冲从发射到反射回声源发射器的时间间隔，来确定手指的位置。隔，来确定手指的位置。 2.4.8 2.4.8 新的输入设备新的输入设备数字墨水是一种新的以人为中心的人机界面技术，数字墨水是一种新的以人为中心的人机界面技术，它充分利用了书写的自然性和墨水丰富的表达才干，它充