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文档简介

1、第第 1 1 章章 图形设备图形设备 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.1 图形输入设备图形输入设备 1.2 图形显示设备图形显示设备 1.3 图形绘制设备图形绘制设备 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.1 图形输入设备图形输入设备1.1.1 鼠标器鼠标器 鼠标器是使用较广的图形输入设备, 目前几乎成为计算机的标准配置。 鼠标器具有定位(输入一个点的坐标)、 拾取(如选中屏幕上一条图线)及选择(如选取菜单中的某一项)功能,其中定位功能是由屏幕光标的位置所提供的。鼠标器的这些功能均由其上面的按键(按钮)来完成。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 目前常用的鼠标器有二键、三键、

2、四键式,在不同的应用中,软件定义鼠标器按键的操作方式及其功能是不同的。鼠标器按键一般有以下五种操作方式: (1) 点击(click), 即按下一键(通常为左键), 立即释放。 (2) 揿住(press), 即按下一键, 不释放。 (3) 拖动(drag), 即按下一键, 不释放, 并且移动鼠标器。 (4) 同时按住(chord), 即同时按下两个或三个键, 并且立即释放。 (5) 改变(change), 即不移动鼠标器, 连续点击同一个键两次或三次。 按照测量位移的传感系统来分, 鼠标器有光电式、 光机式和机电(机械)式这几种类型。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1. 光电式鼠标器光电

3、式鼠标器 图 1.1.1 光电式鼠标器 按 钮反 射 式 衬 垫第第 1 1 章章 图形设备图形设备 反射式衬垫又称鼠标板,其内部X、Y方向皆印有间隔相同的网格。鼠标盒内X、Y方向各有两组发光二极管(LED)和光敏三极管,图 1.1.2 为一个方向上发光二极管和光敏三极管的安装情况, 其位置对鼠标板的网格尺寸而言相差90。光电式鼠标器利用发光二极管发出来的光投射到鼠标板上,其反射光经过光学透镜聚焦投射到光敏三极管上。当鼠标器在鼠标板上移动时,反射的光就有强弱之分,在光敏三极管中就变成强弱不同的电流,经放大、整形就变成表示位移的脉冲序列。鼠标的运动方向是由两个脉冲序列(脉冲A和脉冲B)的90相位

4、差确定的, 位移量是通过对脉冲计数求得的。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.1.2 光电式鼠标器工作原理 LEDLEDAB光敏管光敏管第第 1 1 章章 图形设备图形设备 2. 光机式鼠标器光机式鼠标器 光机式鼠标器也是常用的鼠标器之一,它在光滑的桌面上或配制的软垫上移动即可工作。这种鼠标器也用半导体光敏元件测量位移,但其工作方式与光电式鼠标器有些不同。光机式图 鼠标器里面有三个滚轴,其中两个各连一个码盘(译码轮), 第三个滚轴是空的。这三个滚轴都与同一个可滚动的小球接触, 小球的一部分露出鼠标底部。当在桌面或软垫上移动鼠标器时, 摩擦力使小球滚动,小球带动三个滚轴转动,其中X、

5、Y方向的滚轴带动码盘旋转。码盘上等角度地刻有透明小孔,如图 1.1.3 所示。两组发光二极管(LED)和光敏三极管分别对称地安装在码盘的两侧,在几何位置上相差T/4(四分之一周期),分别称为A组和B组。当码盘转动时,发光二极管发出的光束时而照射在光敏三极管上,时而被阻断,从而产生了两个相位相差90的脉冲序列。脉冲的个数代表鼠标的位移量,而相位则表示鼠标运动的方向。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.1.3 光机式鼠标器LEDLED译码轮光敏元件传感器A传感器B第第 1 1 章章 图形设备图形设备 3. 机电式鼠标器机电式鼠标器 机电式鼠标器所采用的测量方法与光机式鼠标器相似,只是用于测

6、量鼠标位移的部件不同而已。机电式鼠标器的码盘上没有孔, 而是有一圈间隔相等的金属片,码盘插在两个电刷对之间,两个电刷对的几何位置相差T/4。当移动鼠标时,码盘就会转动,电刷接触到金属片时就接通开关;反之就断开开关, 从而产生脉冲序列。两个脉冲序列的相位差为90,代表鼠标运动的方向,脉冲个数代表鼠标的位移量。 不论是哪种鼠标器,屏幕光标的位移量取决于鼠标器在桌面上或衬垫上移动时的位移量,与鼠标器在其上的绝对位置无关。 当鼠标器离开桌面或衬垫时,屏幕光标就不改变。光标中心的坐标由应用软件确定。鼠标器通过串行接口(COM1或COM2)与计算机连接,使用时先运行鼠标驱动程序,指明鼠标与计算机的哪个串口

7、相连以及通讯参数等。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.1.2 图形输入板与数字化仪图形输入板与数字化仪 图 1.1.4 图形输入板 游 标按 钮台 板第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.1.5 数字化仪 游标支架第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图形输入板、数字化仪的种类较多,按测量坐标的原理分, 有电位梯度式、电容耦合式、超声波式及电磁感应式等,其中电磁感应式应用较多。 电磁感应式数字化仪(图形输入板)由网格板(台板)、 控制电路和坐标读取头(游标)三部分组成。网格板主要由相互垂直的X、Y两个方向的网格线组成,如图 1.1.6 所示。网格线之间的距离较小,是利用照相腐

8、蚀工艺或丝网印刷工艺在较薄的双面敷铜板上形成的。游标由振荡线圈、具有十字中心线的放大镜、 按钮组成。放大镜用于帮助使用者将十字线对准要读的坐标点, 减小读数误差;振荡线圈的功能是产生高频正弦信号;按钮供操作人员选择数字化仪(图形输入板)的工作方式和输入格式。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.1.6 网格板 kx0kxnky0kymkymky0kxnkx0第第 1 1 章章 图形设备图形设备 数字化仪(图形输入板)工作时,控制电路对X方向、Y方向的网格线进行扫描并依次控制电子开关闭合,使网格线依次循环导通。当对X方向网格线扫描时,Y方向的网格线处于开路状态;而当对Y方向的网格线扫描

9、时,X方向的网格线则处于开路状态。当游标的十字线对准某一点时,由于游标线圈一直加有高频励磁信号,就会产生交变的电磁场,位于游标线圈下方的网格线上就会感应出电动势。如果此时依次闭合网格线的开关, 则网格线上就有交流信号产生,此信号的幅度和相位都与网格和游标的相对位置有关。感应信号送至检测电路即可确定出游标十字线中心的位置,从而得到该点的坐标值。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 数字化仪(图形输入板)的主要性能指标有: (1) 分辨率。设备能够测量的最小长度单位称为分辨率。例如 0.025 mm,即它只能测量大于 0.025 mm的线段,或者说量化误差为 0.025 mm。需要指出的是,分辨

10、率并不一定等于网格线之间的距离。为了提高位置检测精度,通常将网格间距进行细分处理,从而可提高设备的分辨率。 (2) 精度。把游标放在设备台面的任意一点上读取的坐标与实际坐标值之差,取最大者定为设备的精度。目前较好的数字化仪(图形输入板)的精度为 0.10.05 mm。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 (3) 幅面。指可数字化的范围,通常用毫米或英寸表示, 如 1250 mm950 mm,11 英寸11 英寸等。有时为表示简单起见, 也可用与幅面接近的图幅代号A0、A1、A2、A3或A4 来表示。 数字化仪(图形输入板)具有定位、拾取、选择三个基本功能。此外,它与软件配合还可以进行徒手绘画

11、,即移动游标时, 屏幕上将产生与游标移动路径相对应的轨迹图线,这称为笔划功能。数字化仪(图形输入板)与计算机的连接大多采用串行接口,数据传输速率(波特率,即每秒信号变化的次数)、数据位、 停止位和奇偶校验位都可根据需要设置。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.1.3 图形扫描仪图形扫描仪 图形扫描仪是直接把图形、图像、文字扫描输入到计算机中,以像素信息进行存储表示的设备。按颜色等级划分,图形扫描仪有黑白式、 灰度式和彩色式三种。黑白式扫描后每个像素点在计算机内占一位(0 或 1), 灰度式扫描后每个像素点占一个字节,而彩色式扫描后每个像素点占三个字节(红、 绿、 蓝三个原色各占一个字节

12、)。灰度式扫描得到的图像真实感强于黑白式,彩色式真实感最强。按所采用的固态器件划分, 图形扫描仪有CCD(电荷耦合器件)扫描仪、MOS(金属氧化物半导体)电路扫描仪、紧贴型扫描仪等。按扫描方式划分,图形扫描仪有手持式、平台式、滚筒式三种。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 常用的图形扫描仪为平台式CCD扫描仪,其组成原理如图 1.1.7 所示。工作时,用光源照射原稿,投影光线经过一组光学镜头射到CCD器件上,再经过模/数转换器、图像信号处理器、 图像数据暂存器等,最后输入到计算机或硬拷贝机(打印机或绘图机)。为了使投射在原稿上的光线均匀分布,扫描仪中使用长条形光源。对于黑白式扫描仪,可取黑

13、白颜色所对应电压的中间值作为阈值, 凡低于阈值的电压就为 0(黑色),反之为 1(白色)。灰度式扫描仪采用类似的方法进行处理。彩色式扫描仪则要从原稿信息中提取彩色信息。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.1.7 图形扫描仪的组成原理 荧光灯电源原稿CCD驱动器图像信号处理器控制器步进电机驱动微机系统存储器输出接口电源220 V步进电机荧光灯透镜计算机硬拷贝机第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图形扫描仪的性能指标除颜色等级外,还有分辨率和幅面两个重要指标。分辨率是指在原稿的单位长度(英寸)上取样的点数,单位是d/i(每英寸点数), 常用的分辨率为 3001000 d/i。 分辨率

14、越高,扫描得到的图像越逼真,但所需的存储空间也就越大。现在多数扫描仪都提供了可选择分辨率的功能,对于复杂图像,可选用较高的分辨率;对于较简单的图像,则选择较低的分辨率。扫描仪的幅面有A0、A1、A4等。 目前,图形扫描仪主要用在图形图像处理、 排版印刷、人事档案管理、图纸存档管理、文字输入等领域。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.1.4 其他图形输入设备其他图形输入设备 1. 跟踪球跟踪球 跟踪球(trackball)的功能与鼠标器相同, 其外形如图 1.1.8 所示。 跟踪球的工作原理与光机式鼠标器类似,只不过是用手代替了摩擦平板,工作时用手拨动小球转动,小球转动时带动两只相互垂直

15、安装的编码器跟着转动, 并产生偏转电压,用此电压控制屏幕光标的移动。按钮是用来实现定位、拾取及选择功能的。与鼠标器、数字化仪(图形输入板)相比,其优点在于它避免了手臂的频繁移动,并且占据的桌面空间要少。目前有些微机键盘上也装有跟踪球。 便携式计算机上适合采用跟踪球。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.1.8 跟踪球 按钮球第第 1 1 章章 图形设备图形设备 2. 操纵杆操纵杆 操纵杆(joystick)的功能也与鼠标器相同,其外形如图 1.1.9 所示。 操纵杆手柄下端通过一个球铰与盒子相连接,手柄在半球内的任意方向上转动。手柄转动时带动两只相互垂直的脉冲编码器, 经过计数器及数

16、/模转换器后输出偏转电压,用此电压控制屏幕光标的移动。使用时,手柄往哪个方向推,光标就向哪个方向移动。 操纵杆通常被连到计算机的游戏接口。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.1.9 操纵杆 手柄按钮第第 1 1 章章 图形设备图形设备 3. 触摸屏触摸屏 触摸屏最早在机场管制方面获得应用,后来作为计算机输入设备应用得越来越广泛。触摸屏指的是一种能对物体触摸产生反应的屏幕,当人的手指或其他物体触到屏幕不同位置时,计算机能接收到触摸信号并按照软件要求进行相应的处理。按工作原理划分,触摸屏有电阻式、电容式、红外线式、声表面波(SAW)式几种。 电阻式触摸屏使用一个两层导电且高透明度的物质

17、做的薄膜涂层(两层之间有较小的间隙)涂在玻璃或塑料表面上,再安装到屏幕上;或直接涂到屏幕上。当手指触到屏幕时,在接触点产生一个电接触,使该处的电阻发生变化。在屏幕的X、Y方向上分别测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 电容式触摸屏是用一个接近透明的金属涂层覆盖在一个玻璃表面上,当手指接触到这个涂层时,由于电容的改变,使得连接在一角的振荡器频率发生变化,据此可确定触摸的位置。 这两种触摸屏由于对涂层的均匀性和测量精度要求较高,成本较高,故应用较少。 红外线式触摸屏是在屏幕的一边两个方向上用红外器件发射红外光形成一个网格或者利用倾斜角光束扫描系统从屏幕两角发出

18、扇形光形成一个光平面,当手指触在屏幕上时,就会挡住一些光束,而在屏幕另一边设置的接收装置则会检测出光线的遮挡情况,从而确定出触摸的位置。红外线式触摸屏性能价格比好,应用较多。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 声表面波触摸屏由传感器、反射器、触摸屏器件组成,它们可以固定在一块平的或弯曲的玻璃表面上,也可以直接固定在显示器的玻璃表面上。传感器通常为压电传感器,被固定在玻璃表面上,用于产生高频声。反射器沿着屏幕的顶部和右边排列。 传感器和反射器一起工作, 当发射的声波穿过玻璃表面时,若手指触在屏幕上,则在触及到的地方使声波发生衰减,这一信号的衰减被接收到并根据其传送的时间转换成X、Y坐标传给计

19、算机。声表面波触摸屏比红外线触摸屏的分辨率高, 有良好的应用前景。 触摸屏具有定位、拾取及选择功能。触摸屏输入具有自然、 方便、快速的特点,即使从未接触过计算机的人也能方便地使用。 目前,触摸屏已被使用在公共信息、商品零售、教育、医药、 金融和工业控制等领域,它最终可能成为人机接口设备中的流行设备。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 4. 光笔光笔 光笔是一种能检测出屏幕上亮光的笔, 它具有拾取功能。 光笔的形状和大小像一支圆珠笔,笔尖处开有一个圆孔,让荧光屏上的光通过这个孔进入光笔。光笔的头部有一组透境, 它把所收集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信增

20、管,从而将光信号转换成电信号, 经过整形后输出一个逻辑电平,并作为中断信号送给计算机和显示器的显示控制器,根据刷新地址可得到光笔检测到的亮点位置。有些光笔把光电信增管和放大整形电路都装在笔体里, 这样可省去光导纤维。光笔在便携式计算机中亦得到了广泛应用。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.2 图形显示设备图形显示设备 1.2.1 光栅扫描图形显示器光栅扫描图形显示器 在光栅扫描图形显示器上,显示屏幕被分割为许多大小相等的栅格,它们排成一个矩形阵列,这些栅格称为像素(pixel)或像点。显示器工作时, 每个像素处于“亮”与“不亮”两种状态, 由所有发亮的像素点来拼成一幅图形。 可见, 此

21、种显示器既能显示图形,又能显示图像。由于它的不断刷新原理又可实现屏幕动画,因此,光栅扫描图形显示器获得了广泛的应用。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 屏幕分辨率(screen resolution)、点阵纵横比(aspect ratio)、 背景(background)和前景(foreground)是与光栅扫描图形显示器有关的几个概念。屏幕分辨率是指屏幕可显示的像素点数,用水平方向的像素点数乘以竖直方向的像素点数来表示,如 640480 等。高分辨率显示器的分辨率在 10001000 以上。 显示器分辨率越高,所显示的图形越光滑、越清晰。竖直方向与水平方向每英寸像素点数之比称为屏幕的点阵

22、纵横比。由于制造工艺方面的原因, 不少显示器像素点密度在水平和竖直方向不等,即点阵纵横比不是 1,因此画一个圆或正方形时屏幕上显示的却是一个椭圆或长方形。要使图形显示正确,在设计或使用图形软件时必须校正点阵纵横比。背景是指屏幕上未被字符或图形填充的区域。前景是指屏幕上属于字符或图形自身填充所占的区域。 光栅扫描图形显示器由图形监视器、 帧缓冲存储器及显示控制器等主要部分组成。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1. 图形监视器图形监视器 图形监视器是一个单独的部件,它类似于家用电视机,但无调谐系统。大多数图形监视器采用了电视扫描(光栅扫描)技术来不断刷新屏幕上的图像。 图形监视器的核心部件

23、是阴极射线管(Cathode Ray Tube, 简称CRT), 与电视机显像管类似。图 1.2.1 为CRT结构示意图。 CRT部件包括:一个阴极,当灯丝加热它时发射出电子;一个控制栅,它既控制发射电子的方向又控制发射电子的频率;一个加速结构,它将提高电子的速度,使电子束轰击荧光屏时能产生一个可见的亮点; 一个聚焦系统,使电子束变细以使它轰击荧光屏时成为一个细小的点;一个偏转系统,控制电子束在希望的位置轰击荧光屏而产生亮点;荧光粉层,当电子束轰击它时发出辉光。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 值得注意的是,荧光粉的质量直接影响CRT的成像效果。当荧光粉受到电子轰击时,便发出可见的荧光,

24、停止轰击后,荧光仍会保持一段时间才消失,这种现象称为余辉。从电子束停止轰击开始,直到余辉亮度下降到其初始值的10%所用的时间称为余辉时间。余辉时间一般很短(在 0.1 s以下),为了得到持续稳定的图形,就要不断访问帧缓存器, 使电子束反复画同一图形, 即不断刷新。第第 1 1 章章 图形设备图形设备 在CRT结构中,灯丝、阴极、控制栅、加速电极以及聚焦系统组成了电子枪。黑白CRT中仅有一支电子枪,而在彩色CRT中有三支电子枪,其发射的电子束分别轰击荧光粉层上的红、绿、蓝荧光点。彩色CRT的结构示意图如图 1.2.2, 这是一种带有荫罩板的彩色CRT,可用于光栅扫描图形显示器。第第 1 1 章章

25、 图形设备图形设备 图 1.2.1 CRT结构示意图 灯丝 阴极控制栅聚焦系统偏转系统荧光层加速电极第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.2.2 荫罩式彩色CRT 绿 电子 枪红 电 子 枪蓝 电子 枪荫 罩 板荧 光 屏蓝绿红第第 1 1 章章 图形设备图形设备 在荫罩式彩色CRT中, 三支电子枪分别对应红、绿、蓝三原色。通常,三支电子枪安置成三角形, 和CRT表面上的红、 绿、蓝荧光点的类似三角形图案相对应,如图 1.2.3 所示。为确保每支电子枪轰击对应的荧光点(例如红电子枪只轰击红的荧光点), 在电子枪和CRT表面之间安置着一张带孔的金属网格,称为荫罩。荫罩上孔的三角形排列与荧

26、光点的三角图案相同。彩色枪的布置要使得三条电子束在同一偏转系统控制下共同穿过荫罩上的一个小孔,射到各自对应的荧光点上。例如,红电子枪发出的电子束经过荫罩上小孔后只轰击红的荧光点。通过改变每种原色对应的电子束的强度,在荧光屏上可以得到不同深浅的色彩。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 假定红、 绿电子枪按最大强度发射电子束, 蓝电子枪不发射电子束,则荧光屏出现的色彩为黄色(红色与绿色的合成色)。 因红、绿、蓝荧光点相距很近,以致于在它们发出三种彩色光时,人眼不能分辨出这三种原色,看到的只是三种原色的合成色。这些深浅不同的原色在每个像素中可合成大量不同的颜色。 对高分辨率显示器来说, 每个像素

27、一般对应图 1.2.3 中的两个到三个彩色小三角。 图中R、 G、 B分别代表红、 绿、蓝荧光粉点。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.2.3 荫罩式CRT荧光点的图案 BRRGGBRGBRGBBRGGBRBRGRBBRRGBRGBRGBRGBRGBRGBGGGG第第 1 1 章章 图形设备图形设备 2. 帧缓冲存储器帧缓冲存储器 帧缓冲存储器(也叫视频存储器),简称帧缓存,用来存放图形信息。 帧缓存的地址和屏幕地址是一一对应的(参见图 1.2.4), 其中所存的信息就是屏幕上对应位置的图形信息,这些信息在存储器内的分布完全和屏幕上所显示图形的形状及颜色、 明暗程度相对应。要在屏幕

28、上显示图形,首先要将图形信息写入帧缓存器中,然后显示系统访问帧缓存器,再把其中的内容显示在屏幕上, 这就是我们看到的图形。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.2.4 具有调色板的帧缓存系统 01011红亮度DAC颜色索引绿亮度DAC蓝亮度DAC颜色索引(地址)寄存器W 位的数模转换器蓝电子枪绿电子枪红电子枪荧光屏010N0 0 1 1 1 1 1 1000000010010001101000101111011110 0 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0WWW第第 1 1 章章 图形设备图形设备 假定显示器的屏幕分辨率为640480,那么屏幕上就有 640480

29、个像素点, 帧缓存器中就有与此对应的 640480 个存储地址,每个地址存放着以二进制数表示的像素亮度(色彩)信息, 每个地址对应着一个或多个存储位(1 位代表二进制的 0 或 1)。 如果帧缓存器只有 640480 个存储位,那么每个地址对应一个存储位, 每位只有“0”和“1”两种状态,分别代表屏幕上的像素“不亮”和“亮”,这样的显示器只能进行黑白表示。要实现彩色显示或多级灰度(对单色显示器)显示,就需要扩大帧缓存器的存储区域。 我们把像 640480 这样的存储区叫做位平面。 位平面大小由屏幕分辨率决定。如屏幕分辨率为 1024768,则位平面为 1024768 个存储位。 第第 1 1

30、章章 图形设备图形设备 通过增加位平面的个数,可使显示器具有色彩或灰度。设位平面个数为N,则可显示的颜色数或灰度等级为2N。例如,显示器具有 4 个位平面,则可显示 24即 16 种颜色或灰度。 利用位平面实现彩色显示的帧缓存结构有两种:不带调色板的帧缓存结构和带调色板的帧缓存结构。 在不带调色板的帧缓存结构中,位平面分为相等的三组, 分别对应红、绿、蓝三原色。第第 1 1 章章 图形设备图形设备 控制电子枪电子束强度的红、绿、蓝三原色亮度值直接从每组位平面中获得。例如位平面个数为 12,则分为 3 组, 每组 4 个位平面, 红、 绿、 蓝三原色的亮度值分别从每组的 4 个位平面中取得。这种

31、帧缓存结构若要实现大量的颜色, 相应地要增加位平面个数,从而导致帧缓存器容量成倍数增加。 这种结构使用不多。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 带有调色板的帧缓存器结构使用较多,图 1.2.4 就是这种结构的原理图。从位平面中取出像素的颜色索引(或叫颜色地址、 像素值、 颜色属性), 用此索引查找出红、绿、蓝三原色的亮度值, 经过数/模转换器后得到模拟信号,用此模拟信号控制电子枪发出电子束,在屏幕上经过颜色合成后就得到该像素的显示颜色。 颜色索引与红、绿、蓝三原色亮度值之间的查找表称为调色板(palette)。 它是颜色索引和实际显示色之间的映射。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 在

32、图1.2.4 所示结构中,N为位平面个数(这里N=4), 则显示器在屏幕上可同时显示的颜色数为 2N(这里为 16)。调色板中每一原色的亮度值有效位数为W(这里W=6), 并且WN。通过对红、 绿、 蓝亮度赋不同值,可以调配出2W2W2W种颜色(这里为262626=262 144种)。调色板从2W2W2W种颜色中选2N种颜色显示。这种结构在不增加帧缓存器容量的情况下,提高了显示器图形输出的颜色范围。 目前,具有图形功能的程序设计语言系统都提供了映射调色板的语句,通过对颜色索引指定不同的红、绿、蓝原色亮度值, 可获得众多的颜色。如果用户不映射调色板的话,可以使用系统提供的缺省调色板。缺省调色板能

33、满足大多数应用程序的需要。 表 1.2.1 给出了EGA、VGA两种适配器缺省的调色板。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 表表 1.2.1 EGA、VGA的缺省调色板的缺省调色板 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 除了位平面法能够实现彩色显示外,压缩像素法也能实现彩色显示。在压缩像素法中,将 1 个像素点的全部颜色信息压缩成 1 个内存数据字,红、绿、蓝三原色分占其中的几位。1 个数据字为 1 个字节或多个字节。 帧缓存器的一个重要指标是其存储容量。存储容量可简单地由屏幕分辨率和显示颜色数(或灰度等级)估算,估算方法为:)(8)(1字节颜色数屏幕分辨率存储容量b 例如,屏幕分辨率为

34、640480, 显示色为 16 色, 则估算的帧缓存器容量为: Bb6001538161480640第第 1 1 章章 图形设备图形设备 3. 显示控制器显示控制器 显示控制器的组成关系如图 1.2.5 所示。显示控制器的作用是反复扫描帧缓存器,取出像素的颜色值(即实际颜色),并经数/模转换后把模拟信号送给监视器的亮度与色彩控制部件。同时, 控制器按像素的x、y地址控制监视器将电子束偏转到相应的位置,轰击荧光点,产生不同亮度(或色彩)的图像。 显示控制器与帧缓存器及其附件合称为显示适配器(adapter), 又称显示卡。显示卡是一块板子,插在主机箱内的插槽上。显示卡和图形监视器要配套使用。 表

35、 1.2.2 给出了几种使用较多的显示适配器的屏幕分辨率及可实现的颜色,供读者选购或使用时参考。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.2.5 显示控制器的组成 帧缓冲存储器X地址寄存器Y地址寄存器颜色值寄存器光栅扫描发生器CRT地址地址地址亮度信号偏转信号显示控制器第第 1 1 章章 图形设备图形设备 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.2.2 液晶显示器液晶显示器 液晶是液态晶体的简称。液晶分子的排列不像晶体结构那样牢固,它柔软易变形,当液晶分子受电场、磁场、温度(热)、 应力等外部条件作用时,液晶分子就会重新排列,基于液晶光学各向异性的各种特性也随着变化。液晶的这种柔软的分

36、子排列特性是液晶器件的应用基础。与CRT发光器件显示原理不同, 液晶器件本身是非发光器件,它是利用环境光的反射或者利用背面装有荧光灯等光源的透射而显示字符或图形的。利用环境光来实现显示的液晶器件不能在暗处使用。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的平板式显示器,如图1.2.6 所示。其中第一层是垂直电极板,第二层是邻接晶体表面的垂直细网格线组成的电解层,第三层是液晶层(约 0.177 mm厚),第四层是与晶体另一面邻接的水平网格线层,第五层是水平电极层,第六层是反射层。液晶材料是由长晶线分子构成, 各个分子在空

37、间的排列通常处于和极化光(即极化方向)相互垂直的位置。 光线进入第一层是和极化方向垂直。当光线通过液晶时,极化方向和水平方向的夹角是90, 这样光线可以通过水平极板,并到达两个极板之间的液晶层。 晶体在电场作用下,它们将排列成行并且方向相同。晶体在这种情况下不改变穿透光的极化方向。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 若光在垂直方向被极化,就不能穿透后面的极板,光被遮挡, 在表面会看到一个黑点。在液晶显示器的表面,在其相应的矩阵编址中如何使(x1,y1)点变黑? 通常是在水平网格x1处加上负电压(-U),在垂直网格y1处加上正电压(+U),并称其为触发电压。如-U或+U以及它们之间的电压差都

38、不足够大,晶体分子仍排成行, 这时光仍然可以穿过(x1, y1)点且不改变极化方向,即仍然保持垂直极化方向, 入射光也就不能穿过晶体到达尾部极板,从而在(x1, y1)处产生黑点。要显示从(x1, y1)到(x2, y2)的一条直线段,就需要连续地一个接一个地选择需要显示的点。在液晶显示器中,晶体一旦被极化,它将保持此状态达几百毫秒,甚至当触发电压切断后仍然保持这种状态不变, 这对图形的刷新速度影响极大。 为了解决这个问题,在液晶显示器表面的网格点上有一个晶体管, 通过晶体管的开关作用来快速改变晶体状态,同时也用来控制状态改变的程度。晶体管也可用来保存每个单元的状态,从而可随刷新频率周期性地改

39、变晶体单元的状态。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.2.6 液晶显示器的六层结构 反射层水平极板水平网络线液晶层垂直网格线垂直极板观察方向第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.2.3 等离子显示器等离子显示器 等离子显示器是用许多小氖气灯泡构成的平板阵列, 每个灯泡处于“开”或“关”状态。等离子板不需要刷新。目前典型的等离子板可以做到 15 英寸左右,每英寸上安装有 175 个左右的灯泡。要达到商品化,需要等离子板做到 56 英寸。 等离子显示器一般由三层玻璃板组成,如图 1.2.7 所示。第一层是里面涂有导电材料的垂直条,中间层是灯泡阵列,第三层是表面涂有导电材料的水平条。

40、要点亮某个地址的灯泡,开始要在相应行上加较高的电压, 等该灯泡点亮后, 可用低电压维持氖气灯泡的亮度。要关掉某个灯泡,只需将相应行的电压降低。灯泡开关的周期是15 ms,通过改变控制电压,可以使等离子板显示不同灰度的图形。彩色等离子板目前还处于研究阶段。等离子显示器的优点是平板式、透明、 显示图形无锯齿现象,也不需要刷新缓冲存储器。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.2.7 等离子显示器的三层结构1234567观察方向水平网格线(Y向地址)垂直网格线(X向地址)玻璃极板单元1234567第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.3 图形绘制设备图形绘制设备 图形绘制设备又称为硬拷贝

41、机, 它是在介质上(如纸、 胶片等)绘出图形的设备。图形绘制设备分为笔式绘图机、无笔绘图机和图形打印机三种。笔式绘图机采用绘图笔绘图,其基本图形元素是直线段;无笔绘图机采用诸如喷头、潜像头、热敏头等这样一些装置来印制图形,其基本图形元素是像素点;图形打印机中除点阵针式打印机之外,其余设备的硬件原理与无笔绘图机没有本质区别,如喷墨打印机与喷墨绘图机、热敏打印机与热敏绘图机等。那么如何来区分图形打印机和无笔绘图机呢? 依据是设备控制语言的种类。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 控制语言分为具有绘图功能的打印语言(如Adobe Postscript、 Epson FX、 IBM Proprin

42、ter等)、矢量绘图语言(如HP-GL、HP- GL/2、CC-GL、DM -PL等)、光栅传输语言(HP-RTL)、打印绘图集成语言(如HP PCL5等)四类。其中,Adobe Postscript、HP- GL几乎成为控制语言的标准,越来越多的硬拷贝机都支持这些语言。若设备仅支持具有图形功能的打印语言,则称之为图形打印机;若设备仅支持矢量绘图语言、光栅传输语言,则称之为绘图机,其中把不使用绘图笔的绘图机称为无笔绘图机。当然, 若设备既支持具有图形功能的打印语言,又支持矢量绘图语言(或光栅传输语言)或者仅支持打印绘图集成语言,则称之为打印绘图两用机。 目前, 市场上已有此类产品。 第第 1

43、1 章章 图形设备图形设备 无笔绘图机和图形打印机均属于点阵记录设备,要实现绘图, 需要解决矢量数据光栅(像素)化和彩色绘制问题。矢量数据光栅化, 也称VRC变换(VectorRaster Conversion),即把矢量图形数据变换成光栅(点阵)图形数据。VRC变换是通过一定的算法(如DDA算法、 Bresenham算法等)实现的(参见第 3 章有关内容)。 对于大幅面或加长绘图, 为了解决像素点多而引起所需存储空间过大的问题,可将幅面分成若干个带区依次绘制。带区内的图形是对要绘制的整幅图按带区进行裁剪而得的。点阵记录设备实现彩色绘制的方法有两种, 一种方法是设备提供 3 种以上的染料(色带

44、、 油墨或墨水),需要印制哪种颜色就采用哪种染料,这种方法印制速度较高,也不必重复定位;缺点是可印制的颜色数目有限。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 另一种方法是套色,设备提供青、品红、黄三种原色染料,采用减色法合成各种颜色。例如,要印制红色,可先印品红色, 再印黄色即可。从理论上讲,要印制黑色,需将三原色各印一遍,这样印制速度太慢,一般设备除提供三原色染料外,还提供黑色染料,可直接印制黑色,以提高印制速度。第第 1 1 章章 图形设备图形设备 绘图机或打印机工作时,接受计算机传来的绘图或打印命令, 然后由设备的命令解释程序(一般固化在机器内的ROM、 EPROM内)进行解释, 再去控制

45、设备的执行机构绘图或打印。 绘图机或打印机作为计算机的外部设备,它和计算机的连接除硬件接口(串行口或并行口)外,还需要一个软件接口,即图形软件与绘图机或打印机的接口程序(或称为驱动程序)。该接口程序的主要任务是实现图形数据到绘图命令或打印命令格式的转换, 并将转换结果传送给绘图机或打印机。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.3.1 笔式绘图机笔式绘图机 笔式绘图机发展历史较长,技术成熟,商品化程度高,性能价格比高且使用费用较低, 是目前绘图机的主流产品。 1. 滚筒式绘图机和平台式绘图机滚筒式绘图机和平台式绘图机 按绘图机的结构原理划分,笔式绘图机分为滚筒式和平台式两大类。 第第 1

46、1 章章 图形设备图形设备 1) 滚筒式绘图机 滚筒式绘图机的结构原理如图 1.3.1 所示。这种绘图机是用两只电机(步进电机或伺服电机)分别带动绘图纸和绘图笔运动, 从而产生图形轨迹。X向电机带动滚筒使纸沿着一个方向(X方向)运动, 而绘图笔架在纸上方由Y向电机带动, 沿垂直于纸运动的方向(Y方向)运动。早期的滚筒绘图机使用滚筒安装纸, 目前的滚筒式绘图机使用摩擦轮(或称压辊)安装纸,通过摩擦轮转动带动纸运动, 如图 1.3.2 所示。 滚筒式绘图机的主要产品是大幅面(A0和A1)型,如HP系列、 Calcomp系列及DMP系列。其特点是:结构简单,绘图速度较高, 占地面积小,精度在不断提高

47、,价格适宜。这类绘图机广泛用于CAD系统,是CAD系统中绘图机的主要类型。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.3.1 滚筒式绘图机的结构原理 控制装置计算机 Z Z Y Y X XY 向电机X向电机YX抬笔落笔笔笔架滚筒图纸第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.3.2 滚筒式绘图机 压辊笔控制面板笔架图纸第第 1 1 章章 图形设备图形设备 2) 平台式绘图机 平台式绘图机的特点是绘图纸平铺在绘图平台上(参见图 1.3.3), 并用磁性钢皮(或橡胶)条或以静电吸附、真空吸附的方式将其固定在台面上。由于绘图纸完全平铺在台面上,因此便于设计人员监视绘图过程,而且易于将绘图笔架改

48、为刻图刀架进行刻图。从驱动方式来看,平台式绘图机可分为三种,一种是步进电机或伺服电机驱动、机械传动的绘图机;一种是平面电机驱动的绘图机;第三种是直线电机驱动的绘图机。后两种绘图机不需机械传动,直接靠这两种电机的动子带动笔架移动绘图, 主要用于大幅面绘图。图 1.3.3 是步进电机或伺服电机驱动、机械传动绘图机的结构原理。机械传动绘图机的传动装置一般为钢丝绳、齿轮齿条箱或滚珠螺旋,需要在X、Y两个方向上用电机拖动笔架运动,笔架装在横梁上。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.3.3 平台式绘图机的结构原理 Y 向 电 机X 向 电 机导 轨台 面图 纸横 梁笔笔 架XY第第 1 1 章

49、章 图形设备图形设备 平台式绘图机按其绘图幅面分为小型(A3幅面)、中型(A1、 A2幅面)和大型(A0、1.5A0、2A0等)三种。大型平台式绘图机大多是高速度、 高精度型,如用平面电机驱动的绘图机,速度可达 60120m/min。这种绘图机适合画集成电路掩膜图以及频繁抬笔落笔的大量随机直线图。但由于其结构复杂,技术要求高, 因而价格昂贵,加之市场需求量远不如中、小型绘图机,故生产规模不大。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 中、小型绘图机是平台式绘图机的主流产品。 因其性能可满足一般绘图的需要,且价格便宜,故应用领域较广。特别是配合PC机等使用的小型平台式绘图机,近几十年来发展较快,

50、品种很多, 如SPL系列(400、450、460)、 DXY系列(800、 1100、 1200)、SR - 6602、HP7475等。图 1.3.4 是SPL - 400 绘图机的外形图。这类绘图机由于使用机械传动,惯性大,速度受到影响, 一般为20 m/min左右。另外,其精度较低,并且随着机械磨损, 其精度也容易下降。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 SPL4001.3.4第第 1 1 章章 图形设备图形设备 2. 笔式绘图机的主要性能指标笔式绘图机的主要性能指标 (1) 绘图幅画。 绘图幅面通常指标准的图纸尺寸,用A0、 A1、 A2、 A3等表示。许多滚筒式绘图机可加长绘图。按

51、绘图幅面分, 绘图机有A0、A1、A2 及A3 幅面的,也有 1.5A0、2A0 等大幅面的。 幅面大的绘图机可以绘制比其幅面小的任何图形,如A0 幅面的绘图机,可以绘制A0、A1、A2、A3、A4 等幅面图形。 绘图机能够绘出图形的幅面(称为有效绘图面积)总是比图纸尺寸要小。如SPL- 400为A3 幅面绘图机,其有效绘图面积为 385 mm280 mm。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 (2) 绘图速度与加速度。绘图时,笔由静止到运动,然后又停下来, 是作变速运动的,因此,笔的加速度决定了笔的速度高低。绘图机的加速度取决于驱动部件和运动部件的惯性,运动部件的质量愈小,绘图机的加速度愈

52、大。平面电机、直线电机驱动的绘图机以及滚筒式绘图机加速度较大,一般为 36g; 绘图速度较高, 可达 30120 m/min。如HP7596的加速度为 5.7g, 绘图速度为 66 m/min。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 (3) 步距(分辨率)。 步距也称为脉冲当量, 即每个脉冲信号下绘图笔所移动的距离。步距一般为 0.10.01 mm。 0.1 mm的步距就可以使人们对一般图形感到满足,比0.01 mm更小的步距用于精密绘图的需要。如SPL-400 的步距为 0.1 mm, HP7596 的步距为 0.006 25 mm。步距越小,画图精度越高,绘出的图线越光滑。 第第 1 1

53、章章 图形设备图形设备 (4) 绘图精度。绘图精度包括距离精度和重复精度。绘图笔移动时,实际移动距离与按脉冲计算的理论距离之偏差,称为距离精度。绘图笔从一点出发移动一段距离,再返回到该点时,实际到达点与出发点之间的偏差, 称为重复精度。 如SPL - 400 的重复精度小于 0.4 mm,较精密绘图机的重复精度在 0.1 mm以下。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 (5) 绘图功能。绘图功能包括绘图笔的个数及生成各种图线的能力等。 根据笔式绘图机的结构原理及数字控制原理,绘图笔只能沿X、Y方向移动,它不可能直接作直线运动或圆周运动从一点到达另一点。 笔式绘图机绘制直线或圆弧的原理是插补运

54、算, 即由给定的直线端点或圆弧的端点及圆心计算画图所需要的一系列中间点。也就是说用折线来逼近直线或圆弧,折线的每一段长为一个步距。直线插补和圆弧插补是基本的插补运算。此外,还有抛物线插补等。 插补运算一般用硬件来实现,即采用称为线发生器、弧发生器的插补器完成插补运算,目的在于提高图线生成速度。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 1.3.2 无笔绘图机无笔绘图机 无笔绘图机按其记录(印字)原理分类, 有喷墨绘图机、 静电绘图机、热敏绘图机、激光绘图机等。 1. 喷墨绘图机喷墨绘图机 喷墨绘图机(或打印机)的核心部件是喷射头,其内部含有多个喷嘴。喷墨绘图(印字)的原理是使墨水或油墨在压力作用下

55、, 从尺寸很小的喷嘴喷出, 根据构成图形或字符点阵的需要,对墨滴进行控制,使之在记录纸上产生图形、图像或文字。喷墨设备中使用的墨有液态的墨水和固态的油墨。墨水中的油性墨水比水性墨水好,因水性墨水容易干涸而造成喷嘴的堵塞。将墨水变成墨水粒子的方法对水性墨水采用压电式(根据图形或字符信息对压电器件作用电压,压迫墨水喷成墨滴)、气泡式(对喷嘴内的发热体加电使墨水受热膨胀产生气泡,从喷嘴挤出),对油性墨水采用静电式, 即利用静电吸引力把墨水喷在纸上。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 根据喷射方式分类,喷墨绘图机(或打印机)有连续喷射方式和间歇喷射方式两种类型。 图 1.3.5 为连续喷射原理示意

56、图。连续喷射方式是给墨水加压,墨水流通过喷嘴(孔径很小)连续喷射而粒子化。若想记录, 则控制偏转电极上的电压为零,小墨水滴穿过挡板的小孔,喷射在记录纸上。若不希望记录,则控制偏转电极上的电压为高电压,由于墨水带有正离子,墨水滴因此发生偏转,喷射在挡板上,经墨水回收管流入废墨水瓶中。过滤层用于滤去墨水中的杂质,以防止杂质颗粒堵塞喷嘴。连续喷射方式具有频率响应高,可实现高速记录等优点。 其缺点是难以实现小型化,且价格贵、墨水利用率低等。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.3.5 连续喷射原理示意图 加 压墨 水过 滤 层 1过 滤 层 2挡 板纸 400 V 400 V墨 水 回 收第

57、第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.3.6 为间歇喷射原理示意图。间歇喷射方式是在墨水上加微小的压力,由于电场的吸引而粒子化,只有在记录时墨水才喷出,是否喷出完全由电场控制。气压泵提供具有一定压力的空气流,一路通过记录头内的空气室,由周围流入,由气嘴流出。另一路进入封闭的墨水槽,给墨水提供一定的压力pa。 在墨水喷嘴处,由于存在空气流,使该点的压力小于pa,故在喷嘴处形成球状墨水液面。 当在电极上加脉冲电压时,由于静电的作用,把墨水拉伸成极微细的液柱状,在气嘴流出的气流作用下,墨水粒子飞射到记录纸上,便形成图形或字符。间歇喷射装置结构简单,墨水无须回收,记录分辨率较连续方式高,利用脉冲

58、宽度调制,还可获得线性好的灰度特性。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 图 1.3.6 间歇喷射原理示意图 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 喷墨绘图机的主要性能指标有绘图速度、分辨率、幅面等。 绘图速度以完成某一幅面图形绘制所需的时间来计算,单位为分钟。分辨率以每英寸像点数来衡量, 单位为d/i,如 400 d/i、 600 d/i等。 喷墨绘图机(或打印机)具有结构简单, 噪音小,可使用普通纸,容易实现彩色化等优点,是发展很快的硬拷贝设备。 喷墨绘图机、喷墨打印机将分别成为笔式绘图机、点阵针式打印机强有力的竞争者。 第第 1 1 章章 图形设备图形设备 2. 静电绘图机静电绘图机 静电绘图机采用静电记录原理绘制图形。静电记录一般包括潜像、显影、定影三个过程。潜像就是利用电学的方法在静电纸或静电薄膜(两者均含有基底上覆盖十几微米厚电介质

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