图形设备和系统

第二章图形设备与系统2.1图形显示设备2.2图形系统及其标准GraphicsLab.PKU计算机图形学第1页图形输出设备图形输出图形输出包含图形显示和图形绘制，图形显示指是在屏幕上输出图形图形绘制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惯用硬拷贝设备GraphicsLab.PKU计算机图形学第2页2.1图形显示器2.1.1阴极射线管2.1.2彩色阴极射线管

射线穿透法 影孔板法2.1.3随机扫描显示系统2.1.4光栅扫描系统GraphicsLab.PKU计算机图形学第3页

阴极射线管(CRT-CathodeRayTube)组成：包含电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏阴极射线管（CRT)阴极射线管剖面图GraphicsLab.PKU计算机图形学第4页阴极射线管(CRT)工作原理电子枪发出高速电子束，经过聚焦系统、加速系统和偏转系统抵达荧光屏特定位置。荧光物质在高速电子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。高能态很不稳定，在很短时间内荧光物质电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上那一点就会亮了GraphicsLab.PKU计算机图形学第5页要保持显示一幅稳定画面，必须不停地发射电子束。刷新频率刷新一次是指电子束从上到下扫描一次过程。刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示。GraphicsLab.PKU计算机图形学第6页电子枪灯丝，阴极和控制栅组成。阴极：由灯丝加热发出电子束，控制栅：加上负电压后，能够控制经过其中小孔带负电电子束强弱。经过调整负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上对应点亮度。GraphicsLab.PKU计算机图形学第7页聚焦系统确保电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细点。

加速电极加正高压电（几万伏），使电子束高速运动。GraphicsLab.PKU计算机图形学第8页偏转系统控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束要抵达屏幕边缘时，偏转角度就会增大。抵达屏幕最边缘偏转角度被称为最大偏转角最大偏转角是衡量系统性能最主要指标，显示器长短与此相关CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长GraphicsLab.PKU计算机图形学第9页荧光屏

荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光连续发光时间：电子束离开某点后，该点亮度值衰减到初始值1/10所需时间刷新频率：每秒钟重绘屏幕次数某种CRT产生稳定图像所需要最小刷新频率=1秒/荧光物质连续发光时间。比如：一个荧光物质连续发光时间40毫秒，刷新频率为1000/40=25帧/秒，发光时间短，适合用于动态图形显示。发光时间长，适合用于静态图形显示。GraphicsLab.PKU计算机图形学第10页荧光屏像素(Pixel:PictureCell)：组成屏幕（图像）最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别最大像素个数，单位通常为dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定情况下，也可用整个屏幕所能容纳像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等。GraphicsLab.PKU计算机图形学第11页产生彩色惯用方法：

射线穿透法

影孔板法2.1.2彩色阴极射线管GraphicsLab.PKU计算机图形学第12页2.1.2彩色阴极射线管-射线穿透法原理：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深浅，决定所产生颜色电子束荧光涂层产生颜色低速电子束较低速电子束较高速电子束高速电子束GraphicsLab.PKU计算机图形学第13页彩色阴极射线管-射线穿透法应用：主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几个颜色GraphicsLab.PKU计算机图形学第14页2.1.2彩色阴极射线管-影孔板法影孔板法原理：影孔板法通惯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、绿、蓝三基色）。影孔板被安装在荧光屏内表面，用于准确定位像素位置影孔板外层玻璃荧光涂层GraphicsLab.PKU计算机图形学第15页影孔板类型点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板代表：SonyTrinitron与MitsubishiDiamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LGFlatron显像管GraphicsLab.PKU计算机图形学第16页2.1.2彩色阴极射线管-影孔板法点状影孔板工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）三支电子枪电子枪、影孔板中一个小孔和荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应象素象素绿蓝红红绿蓝（a）（b）电子枪影孔板蓝绿红红绿蓝屏幕GraphicsLab.PKU计算机图形学第17页显示器能同时显示颜色个数假如每支电子枪发出电子束强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统调整各电子枪发射电子束中所含电子数目，即可控制各色光点亮度。GraphicsLab.PKU计算机图形学第18页球面显示器与柱面显示器普通显象管采取都是点状影孔板显象管，显象管表面呈略微凸起球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采取荫栅式结构，它表面在水平方向依然略微凸起，不过在垂直方向上却是笔直，呈圆柱状，故称之为“柱面管”惯用点状影孔板显象管有日本索尼企业特丽珑管（Trinitron）和三菱企业钻石珑管（Diamondtron）返回GraphicsLab.PKU计算机图形学第19页2.1.3随机扫描显示系统特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示部分。逻辑部件：刷新存放器(RefreshingBuffer),显示处理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRTGraphicsLab.PKU计算机图形学第20页

应用程序发出绘图命令，→解析成显示处理器可接收命令格式，存放在刷新存放器中。刷新存放器中所有绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行(刷新)，→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一些绘图命令。工作原理GraphicsLab.PKU计算机图形学第21页2.1.4光栅扫描显示系统光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期GraphicsLab.PKU计算机图形学第22页绘图过程GraphicsLab.PKU计算机图形学第23页逻辑部件：帧缓冲存放器（FrameBuffer)，视频控制器（VideoController)，显示处理器（DisplayProcessor），CRT帧缓冲存放器作用：存放屏幕上像素颜色值简称帧缓冲器，俗称显存GraphicsLab.PKU计算机图形学第24页象素所展现颜色或灰度由数值表示，视频控制器刷新时，需重复读这些数值。用来存放象素颜色（灰度）值存放器就称为帧缓冲存放器。简称帧缓冲器（显存）。帧缓存中单元数目与显示器上像素数目相同，单元与像素一一对应，各单元数值决定了其对应像素颜色。显示颜色种类与帧缓存中每个单元位数相关（图示帧缓冲器每个单元只有一位）。GraphicsLab.PKU计算机图形学第25页黑白光栅扫描显示器黑白光栅显示器逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续计算机存放器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存放器，对一个1024×1024象素组成黑白单灰度显示器所需要最小缓存为220，并在一个位面上。一个位面缓存只能存放黑白图形，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，因而还需要数模转换器(DAC)。帧缓冲存放器数模转换器存放器1电子枪CRT光栅含有1位帧缓存黑白灰度光栅显示器结构图GraphicsLab.PKU计算机图形学第26页黑白光栅扫描显示器在光栅图形显示器中需要足够位面和帧缓存结合起来才能反应图形颜色和灰度等级。以下列图是一个含有N位面灰度等级帧缓存。显示器上每个象素亮度是由N位面中对应每个象素位置内容控制。该存放器中二进制数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。含有N位帧缓存黑白灰度光栅显示器结构图电子枪2N数模转换器2N=3010GraphicsLab.PKU计算机图形学第27页彩色光栅扫描显示器下列图是彩色光栅显示器逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面帧缓存和三个电子枪。存放器数模转换器101一个简单彩色帧缓冲存放器彩色电子枪CRT光栅GraphicsLab.PKU计算机图形学第28页彩色光栅扫描显示器每个颜色电子枪能够经过增加帧缓存位面来提升颜色种类灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位位面帧缓存和8位数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色组合将是(28)3=224。存放器一个含有24位面彩色帧缓冲存放器N8位DAC8位DAC8位DAC110100100011010101010000红10绿172蓝75存放器GraphicsLab.PKU计算机图形学第29页彩色光栅扫描显示器

若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V关系

GraphicsLab.PKU计算机图形学第30页彩色光栅扫描显示器3个位面分辩率是1024×1024显示器，需要3×1024×1024（3145728）位存放器。若存放器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用颜色种数成反比关系。1兆字节帧缓存，若设分辩率为640×480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色，若设分辩率为1024×768，则每个单元分得位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下。GraphicsLab.PKU计算机图形学第31页彩色光栅扫描显示器显存问题高分辨率和真彩要求有大显存；曾经是个问题！处理方法：采取查色表(LookupTable）或称彩色表(ColorTable)查色表工作原理1024*768真彩模式需要3M字节显存GraphicsLab.PKU计算机图形学第32页查色表（lookupTable）是一维线性表，其每一项内容对应一个颜色，它长度由帧缓存单元位数决定，比如：每单元有8位，则查色表长度为28＝256目标：在帧缓存单元位数不增加情况下，含有大范围内挑选颜色能力：GraphicsLab.PKU计算机图形学第33页查色表图形系统为更灵活控制图形和颜色改变，往往不直接将帧缓冲器中数值作为显示亮度值，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亮度。工作方式：

显存中某位值颜色表地址屏幕上亮度GraphicsLab.PKU计算机图形学第34页带宽T与分辨率、帧频F关系带宽问题高分辨率和高刷新频率要求有高带宽--依然是个问题！处理方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流显示器都采取逐行扫描方式）隔行扫描：把一帧分两场，即奇数场与偶数场场频：==2*帧频彩色光栅扫描显示器GraphicsLab.PKU计算机图形学第35页帧缓冲器：分页帧缓冲器容量往往设计得比屏幕画面位图大得多，也就是说，帧缓冲器能够同时存放多幅画面位图。帧缓冲器区域可分成若干页面，每个页面存放一幅位图，并经过控制器实现不一样画面切换。页面大小能够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窗口，显示是全部画面一部分，经过上下滚动（Scroll）和左右移屏（Pan）功效，用户能够看到帧缓冲器中整个画面。GraphicsLab.PKU计算机图形学第36页隔行扫描工作原理一帧完整画面分成两场。一场1／60秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场1／60秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少二分之一。降低了视频控制器存取帧缓存速度及传输带宽要求。GraphicsLab.PKU计算机图形学第37页简单光栅扫描图形显示系统结构其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。GraphicsLab.PKU计算机图形学第38页较为经典光栅扫描图形显示系统结构其中，帧缓存能够是专用存放器，也能够是系统内存中一块固定区域。GraphicsLab.PKU计算机图形学第39页视频控制器作用：建立帧缓存与屏幕像素之间一一对应，负责刷新逻辑结构

普通显卡＝视频控制器＋显存GraphicsLab.PKU计算机图形学第40页显示处理器低级图形显示系统，扫描转换工作直接由CPU类完成。任务：扫描转换待显示图形。简单：直线、圆弧、多边形等，复杂：光栅操作（象素块移动、拷贝），几何变换、裁剪、消隐，......GraphicsLab.PKU计算机图形学第41页显示处理器含有专用显示处理器光栅显示系统结构图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器GraphicsLab.PKU计算机图形学第42页

优点：成本低易于绘制填充图形色彩丰富刷新频率一定，与图形复杂程度无关易于修改图形缺点：需要扫描转换会产生混同缺点正在被克服优点使其占据了市场主流光栅显示系统特点GraphicsLab.PKU计算机图形学第43页几个概念行频、帧频行频又称水平扫描频率，是电子枪每秒在屏幕上扫描过水平线条数。帧频又称垂直扫描频率，是每秒钟屏幕重复绘制显示画面次数，即重绘率。GraphicsLab.PKU计算机图形学第44页带宽这是表示显示器显示能力一个综合指标。带宽指每秒钟扫描象素个数；即单位时间内每条扫描线上显示象素数总和。带宽越大表显著示器显示控制能力越强，显示效果越佳。现在显示器带宽基本都能到达80MHz,若能到达100MHz或110MHz以上则更加好。几个概念GraphicsLab.PKU计算机图形学第45页色彩与亮度等级亮度等级又称灰度，主要指单色显示器亮度改变。色彩包含可选择显示器颜色数目以及一帧画面可同时显示颜色数，与荧光屏质量相关，并受显示存放器VRAM容量影响。几个概念GraphicsLab.PKU计算机图形学第46页显示速度指显示字符、图形尤其是动态图像速度，与显示器分辨率及扫描频率相关。可用最大带宽（水平象素数×垂直象素数×最大帧频）来表示。几个概念GraphicsLab.PKU计算机图形学第47页矢量图形（随机显示系统）和

光栅图形（光栅扫描系统）属性对照显示效率对形体复杂度十分敏感对形体复杂度不敏感存放量需求改变，依赖于景物复杂度很大，但恒定不变屏幕显示走样现象没有走样会产生走样

GraphicsLab.PKU计算机图形学第48页矢量图形（随机显示系统）和

光栅图形（光栅扫描系统）属性对照画线设备画点设备物体显示与屏幕刷新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几何变换连续，变换作用于几何定义形体离散，变换作用于区域内全部象素GraphicsLab.PKU计算机图形学第49页矢量图形（随机显示系统）和

光栅图形（光栅扫描系统）属性对照集合运算和块操作困难，需要解析计算轻易显示区域内部能力没有，仅能显示边界有，浓淡或纹理与数字图象相容性不相容完全相容定量测量准确，不过计算复杂简单，不过近似值GraphicsLab.PKU计算机图形学第50页LCD显示器CRT固有物理结构限制了它向更广显示领域发展屏幕加大必定造成显象管加长，显示器体积必定要加大，在使用时候就会受到空间限制CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，轻易受电磁波干扰长久电磁辐射会对人们健康产生不良影响GraphicsLab.PKU计算机图形学第51页LCD显示器优点外观小巧精巧，厚度只有6.5~8cm左右。不会产生CRT那样因为刷新频率低而出现闪烁现象工作电压低，功耗小，节约能源没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响GraphicsLab.PKU计算机图形学第52页索尼企业两款LCD外形GraphicsLab.PKU计算机图形学第53页液晶显示器组成液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)是由六层薄板组成平板式显示器反射层水平极板水平网格线液晶层垂直网格线垂直极板观察方向GraphicsLab.PKU计算机图形学第54页LCD显示器基本原理液晶是一个介于液体和固体之间特殊物质，它含有液体流态性质和固体光学性质。当液晶受到电压影响时，就会改变它物理性质而发生形变，此时经过它光折射角度就会发生改变，而产生色彩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，而当光线透过液晶体时，就会产生光线色泽改变，从液晶体射出来光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板GraphicsLab.PKU计算机图形学第55页液晶显示有主动式和被动式两种被动式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN双层超扭曲向列LCD）等最流行主动式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电极，这么能够让液晶体在下一次电压改变前一直保持电位状态。这么主动式液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器中常见鬼影、或是画面延迟残像等GraphicsLab.PKU计算机图形学第56页LCD显示器基本指标可视角度视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清楚地看到屏幕图象，而那个能看到清楚图象最大角度被我们称为可视角度。普通所说可视角度是指左右两边最大角度相加。工业上有CR10（ContrastRatio）、CR5两种标准来判断液晶显示器可视角度GraphicsLab.PKU计算机图形学第57页LCD显示器基本指标点距与分辨率液晶屏幕点距就是两个液晶颗粒（光点）之间距离，普通0.28~0.32mm就能得到很好显示效果通常所说液晶显示器分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向像素点数与垂直方向像素点数乘积GraphicsLab.PKU计算机图形学第58页液晶显示器缺点寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。GraphicsLab.PKU计算机图形学第59页*纯平显示器*走向平面显像管球面显象管：表面：球面一部分时间：~90年代初柱面显象管：表面：柱面一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时间：90年代中期代表：Sony企业Trinitron，Mitsubishi企业DiamondtronGraphicsLab.PKU计算机图形学第60页*纯平显示器*走向平面显像管平面直角显象管表面：球面一部分，类似于平面时间：90年代中后期现在市场上主流显象管纯平显象管表面：纯平面时间：90年代后期代表：Sony企业FDTrinitron，Mitsubishi企业Diamondtron，Samsung企业DanyFlat，LG企业Flatron今后主流显象管GraphicsLab.PKU计算机图形学第61页纯平显示器技术指标点距：0.26mm,0.25mm,0.24mm带宽：110M~208M最大分辨率：1600×1200/85，1280×1024/85对比度：亮度不均匀性：闪烁：功耗：100W左右主要产品

LG未来窗，美格平面龙（Sony显像管），ADIMicroScan(Sony显像管)，三星700IFT等等*纯平显示器*GraphicsLab.PKU计算机图形学第62页*未来显示器*采取空气等离子体技术，无须刷新缓冲存放器空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不一样颜色像素。显示器薄，挂在墙上。发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，能够卷起来；显示画面含有没有与伦比清楚度，无锯齿现象。真正平面直角。GraphicsLab.PKU计算机图形学第63页环形时代（二十世纪80年代初至九十年代初）：球形屏幕一统天下,球面显示器屏幕呈显著弧度GraphicsLab.PKU计算机图形学第64页平面直角时代（二十世纪九十年代中至九十年代末）：平面直角异军突起按照屏幕表面曲度来划分，显示器能够分为球面、平面直角、柱面、完全平面四种。现在球面管显示器已基本被淘汰了，平面直角显示器转而成为了最普遍显示器。在1994年以前，各式各样显示器，都基本属于球面显示器。GraphicsLab.PKU计算机图形学第65页纯平时代（二十世纪九十年代末至二十一世纪初）：纯平产品以后居上

GraphicsLab.PKU计算机图形学第66页液晶显示器GraphicsLab.PKU计算机图形学第67页等离子显示器GraphicsLab.PKU计算机图形学第68页GraphicsLab.PKU计算机图形学第69页2.2图形系统及其标准分类基本图形软件——支撑软件应用图形软件——专用软件基本图形软件实现方法图形软件包修改高级语言专用高级图形语言图形软件标准GraphicsLab.PKU计算机图形学第70页2.2图形系统及其标准硬件，图形I/O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。通用类：提供一个可用于高级程序语言图形功效扩展集(比如，OpenGL).基本功效：图元生成，属性设置（颜色，….）选择观察及实施变换等。专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系统。GraphicsLab.PKU计算机图形学第71页图形支撑软件第一层次是面向系统，主要处理图形设备与计算机通讯接口等问题，称为设备驱动程序，包含一些最基本输入、输出程序，实际上，设备驱动程序现在已被作为操作系统一部分，由操作系统或设备硬件厂商开发；第二层次是建立在驱动程序之上，完成图元生成、设备管理等功效，当前这个层次上图形支撑软件已经标准化，如GKS、PHIGS、CGI等；第三层次是在中间层基础上编写，其主要任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形，它是面向用户，要求含有较强交互功效，使用方便，格调好，概念明确，轻易阅读，便于维护和移植，OpenGL、DirectX便属于这一层次软件。GraphicsLab.PKU计算机图形学第72页图形系统标准图形标准：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接口标准，以及供图形应用程序调用子程序功效及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。GraphicsLab.PKU计算机图形学第73页图形标准作用位置应用系统图形系统设备驱动设备驱动设备驱动元文件输出程序元文件输入程序CGMCGI数据库IGESSTEPGKS,PHIGS,OPENGLGraphicsLab.PKU计算机图形学第74页可移植性四个方面应用程序在不一样系统间可移植性；应用程序和图形设备可移植性；图形数据可移植性；程序员可移植性；GraphicsLab.PKU计算机图形学第75页图形系统标准分类面向图形设备接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。面向应用软件标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL(图形程序包)（三维）图形关键系统（3D-)GKS面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）Graphi