第二章圖形設備與系統2.1圖形顯示設備2.2圖形系統及其標準2023/1/152.1圖形設備圖形顯示設備圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形圖形繪制通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝，打印機和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設備2023/1/152.1圖形顯示器2.1.1陰極射線管2.1.2彩色陰極射線管

射線穿透法 影孔板法2.1.3隨機掃描顯示系統2.1.4光柵掃描系統2023/1/15

陰極射線管(CRT-CathodeRayTube)組成：包括電子槍、加速結構、聚焦系統、偏轉系統、熒光屏陰極射線管（CRT)2023/1/15陰極射線管(CRT)工作原理高速的電子束由電子槍發出，經過聚焦系統、加速系統和磁偏轉系統就會到達熒光屏的特定位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態變為高能態。由于高能態很不穩定，在很短的時間內熒光物質的電子會從高能態重新回到低能態，這時將發出熒光，屏幕上的那一點就會亮了2023/1/15要保持顯示一幅穩定的畫面，必須不斷地發射電子束刷新頻率刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過程刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩定顯示2023/1/15電子槍電燈絲，陰極和控制柵組成。陰極：由燈絲加熱發出電子束，控制柵：加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的電子束的強弱。通過調節負電壓高低來控制電子數量，即控制熒光屏上相應點的亮度。2023/1/15聚焦系統保證電子束在轟擊屏幕時，匯聚成很細的點。

加速電極加正的高壓電（幾萬伏），使電子束高速運動。2023/1/15偏轉系統控制電子束，靜電場或磁場，產生偏轉。電子束要到達屏幕的邊緣時，偏轉角度就會增大。到達屏幕最邊緣的偏轉角度被稱為最大偏轉角最大偏轉角是衡量系統性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關CRT顯示器屏幕越大整個顯象管就越長2023/1/15熒光屏

熒光物質：當它被電子轟擊時發出亮光持續發光時間：電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間刷新(Refresh)：為了讓熒光物質保持一個穩定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數

某種CRT產生穩定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質的持續發光時間（例如）=1000/40=25Hz2023/1/15熒光屏像素(Pixel:PictureCell)：構成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數，單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等2023/1/15產生彩色的常用方法：射線穿透法影孔板法2.1.2彩色陰極射線管2023/1/152.1.2彩色陰極射線管-射線穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發光物質，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色電子束熒光涂層產生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束2023/1/15彩色陰極射線管-射線穿透法應用：主要用于畫線顯示器優點：成本低缺點：只能產生有限幾種顏色2023/1/152.1.2彩色陰極射線管-影孔板法影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板2023/1/15影孔板的類型點狀影孔板代表：大多數球面與柱面顯像管柵格式影孔板代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi的Diamondtron顯像管溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管2023/1/152.1.2彩色陰極射線管-影孔板法點狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線；每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應2023/1/15顯示器能同時顯示的顏色個數如果每支電子槍發出的電子束的強度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統調節各電子槍發生的電子束中所含電子的數目，即可控制各色光點亮度。2023/1/15球面顯示器與柱面顯示器普通的顯象管采用的都是點狀影孔板顯象管，顯象管的表面呈略微凸起的球面狀，故稱之為“球面管”。而柱面顯象管采用蔭柵式結構，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上卻是筆直的，呈圓柱狀，故稱之為“柱面管”常用的點狀影孔板顯象管有日本索尼公司的特麗瓏管（Trinitron）和三菱公司的鉆石瓏管（Diamondtron）2023/1/15蔭柵式彩色CRT顯色原理2023/1/15柱面和球面顯示器點距定義示意圖2023/1/152.1.3隨機掃描的顯示系統特點：電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分。邏輯部件：刷新存儲器(RefreshingBuffer),顯示處理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRT2023/1/15

應用程序發出繪圖命令，→解析成顯示處理器可接受命令格式，存放在刷新存儲器中。刷新存儲器中所有的繪圖命令組成一個顯示文件，由顯示處理器負責解釋執行(刷新)，→驅動電子槍在屏幕上繪圖。 修改圖形，實際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。工作原理2023/1/152.1.4光柵掃描的顯示系統光柵掃描顯示系統特點：光柵掃描掃描線幀水平回掃期垂直回掃期2023/1/15幾個概念行頻、幀頻水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。逐行掃描、隔行掃描隔行掃描方式是先掃奇數行掃描線，再掃偶數行掃描線。2023/1/15幾個概念象素整個屏幕被掃描線分成n行，每行有m個點，每個點為一個象素。整個屏幕有m×n個象素。分辨率是指CRT在水平或垂直方向的單位長度上能分辨出的最大光點（象素）數，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數目來表示。比如上述的n行，每行m點的屏幕分辨率為m×n。分辨率越高，相鄰象素點之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。分辨率受顯示器生產工藝、掃描頻率以及顯示存儲器容量的限制。2023/1/15幾個概念點距相鄰象素點之間的距離，與分辨率指標相關。顯示速度指顯示字符、圖形特別是動態圖像的速度，與顯示器的分辨率及掃描頻率有關?？捎米畲髱挘ㄋ较笏財怠链怪毕笏財怠磷畲髱l）來表示。2023/1/15幾個概念色彩與亮度等級亮度等級又稱灰度，主要指單色顯示器的亮度變化。色彩包括可選擇顯示器顏色的數目以及一幀畫面可同時顯示的顏色數，與熒光屏的質量有關，并受顯示存儲器VRAM容量的影響。圖像刷新由于CRT內側的熒光粉在接受電子束的轟擊時，只能維持短暫的發光，根據人眼視覺暫留的特性，需要不斷進行刷新才能有穩定的視覺效果，因此刷新是指以每秒30幀以上的頻率反復掃描不斷地顯示每一幀圖像。圖像的刷新頻率等于幀掃描的頻率（幀頻），用每秒刷新的幀數表示。目前刷新頻率標準為每秒50~120幀。2023/1/15幾個概念幀緩沖存儲器（顯示存儲器）存儲用于刷新的圖像信息的存儲器。幀緩沖存儲器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可尋址的地址數的乘積來表示，稱為幀緩沖存儲器的分辨率。2023/1/15-顯示器的分辨率電子束按固定的掃描順序進行掃描N條掃描線，每條掃描線有M個像素，M*N顯示器的分辨率。

2023/1/15邏輯部件：幀緩沖存儲器（FrameBuffer)，視頻控制器（VideoController)，顯示處理器（DisplayProcessor），CRT幀緩沖存儲器作用：存儲屏幕上像素的顏色值簡稱幀緩沖器，俗稱顯存2023/1/15幀緩存中單元數目與顯示器上像素的數目相同，單元與像素一一對應，各單元的數值決定了其對應像素的顏色。顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數有關（圖示幀緩沖器的每個單元只有一位）。

2023/1/15黑白光柵掃描顯示器黑白光柵顯示器的邏輯框圖如上：其中幀緩存是一塊連續的計算機存儲器。對于黑白單灰度顯示器每一象素需要一位存儲器，對一個1024×1024象素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個位面上。一個位面的緩存只能存儲黑白圖形，幀緩存是數字設備，光柵顯示器是模擬設備，因而還需要數模轉換器(DAC)。2023/1/15彩色光柵掃描顯示器在光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結合起來才能反映圖形的顏色和灰度等級。如下圖是一個具有N位面灰度等級的幀緩存。顯示器上每個象素的亮度是由N位面中對應的每個象素位置的內容控制的。該存儲器的中的二進制的數被翻譯成灰度等級，范圍是0到2N-1之間。2023/1/15彩色光柵掃描顯示器下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對于紅、綠、藍三原色有三個位面的幀緩存和三個電子槍。2023/1/15彩色光柵掃描顯示器每個顏色的電子槍可以通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。如上圖，每種原色電子槍有8個位位面的幀緩存和8位的數模轉換器，每種原色可有256中灰度，三種原色的組合將是(28)3=224。2023/1/15彩色光柵掃描顯示器

若每個單元有24位（每種基色占8位）即顯示系統可同時產生224種顏色（24位真彩色）。分辨率M*N、顏色個數K與顯存大小V的關系

2023/1/15彩色光柵掃描顯示器3個位面分辯率是1024×1024的顯示器，需要3×1024×1024（3145728）位的存儲器。若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數成反比關系。1兆字節的幀緩存，若設分辯率為640×480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色，若設分辯率為1024×768，則每個單元分得的位數僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下。2023/1/15彩色光柵掃描顯示器顯存問題高分辨率和真彩要求有大的顯存；曾經是個問題！解決方法：采用查色表(LookupTable）或稱彩色表(ColorTable)查色表工作原理1024*768真彩模式需要3M字節顯存2023/1/15查色表（lookupTable）是一維線性表，其每一項的內容對應一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數決定，例如：每單元有8位，則查色表的長度為28＝256目的：在幀緩存單元的位數不增加的情況下，具有大范圍內挑選顏色的能力：2023/1/15存放方式顏色信息在幀緩存中兩種存放方式：一是顏色值直接存儲在幀緩存中。二是把顏色碼放在一個獨立的表中，幀緩存存放的是顏色表中各項的索引值，顏色范圍擴充了。單色系統：查色表固化彩顯：可修改、創建查色表。2023/1/15帶寬T與分辨率、幀頻F的關系帶寬問題高分辨率和高的刷新頻率要求有高帶寬--依然是個問題！解決方法：隔行掃描（現在已經基本不用，主流顯示器都采用逐行掃描方式）隔行掃描的：把一幀分兩場，即奇數場與偶數場場頻：==2*幀頻彩色光柵掃描顯示器2023/1/15隔行掃描工作原理一幀完整的畫面分成兩場。一場1／60秒，（場頻60HZ），（幀頻30HZ）畫面更新頻率仍為60HZ，降低了閃爍效應，每一場1／60秒內，幀緩存中數據量比逐行掃描少一半。降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。2023/1/15簡單的光柵掃描圖形顯示系統的結構其中，幀緩存為系統內存任一塊區域，視頻控制器能夠直接存取該區域以刷新屏幕。2023/1/15較為典型的光柵掃描圖形顯示系統的結構其中，幀緩存可以是專用的存儲器，也可以是系統內存中的一塊固定區域。2023/1/15視頻控制器作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應，負責刷新邏輯結構2023/1/15視頻控制器工作原理——刷新周期開始，光柵掃描發生器置X地址寄存器為0，置Y地址寄存器為N-1，首先取出對應像素（0，N-1）的幀緩存單元的數值,放入像素值寄存器，用來控制像素的顏色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重復，直到該掃描線上的最后一個像素。雙緩沖機制（DoubleBuffer)普通顯卡=視頻控制器+顯存2023/1/15顯示處理器作用：代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等2023/1/15顯示處理器具有專用顯示處理器的光柵顯示系統的結構圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器2023/1/15

優點：成本低易于繪制填充圖形色彩豐富刷新頻率一定，與圖形的復雜程度無關易于修改圖形缺點：需要掃描轉換會產生混淆（走樣）缺點正在被克服優點使其占據了市場主流光柵顯示系統的特點2023/1/15LCD顯示器CRT固有的物理結構限制了它向更廣的顯示領域發展屏幕的加大必然導致顯象管的加長，顯示器的體積必然要加大，在使用時候就會受到空間的限制CRT顯示器是利用電子槍發射電子束來產生圖像，容易受電磁波干擾長期電磁輻射會對人們健康產生不良影響2023/1/15LCD顯示器的優點外觀小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右。不會產生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現的閃爍現象工作電壓低，功耗小，節約能源沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響2023/1/15索尼公司的兩款LCD外形2023/1/15液晶顯示器的構成液晶顯示器LCD(LiquidCrystalDisplay)是由六層薄板組成的平板式顯示器反射層水平極板水平網格線液晶層垂直網格線垂直極板觀察方向2023/1/15LCD顯示器基本原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發生形變，此時通過它的光的折射角度就會發生變化，而產生色彩液晶屏幕后面有一個背光，這個光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上，而當光線透過液晶體時，就會產生光線的色澤改變，從液晶體射出來的光線，還得必須經過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板2023/1/15液晶顯示有主動式和被動式兩種被動式液晶屏幕有STN（SuperTN超扭曲向列LCD）和DSTN（DoublelayerSuperTN雙層超扭曲向列LCD）等最流行的主動式液晶屏幕是TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶體管）主動式液晶顯示器使用了FET場效晶體管以及共通電極，這樣可以讓液晶體在下一次的電壓改變前一直保持電位狀態。這樣主動式液晶顯示器就不會產生在被動式液晶顯示器中常見的鬼影、或是畫面延遲的殘像等2023/1/15LCD顯示器的基本指標可視角度視線與屏幕中心法向成一定角度時，人們就不能清晰地看到屏幕圖象，而那個能看到清晰圖象的最大角度被我們稱為可視角度。一般所說的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。工業上有CR10（ContrastRatio）、CR5兩種標準來判斷液晶顯示器的可視角度2023/1/15LCD顯示器的基本指標點距與分辨率液晶屏幕的點距就是兩個液晶顆粒（光點）之間的距離，一般0.28~0.32mm就能得到較好的顯示效果通常所說的液晶顯示器的分辨率是指其真實分辨率，表示水平方向的像素點數與垂直方向的像素點數的乘積2023/1/15液晶顯示器的缺點壽命短、怕震動、溫度敏感分辨率相對較低，色彩不夠鮮艷，且價格偏高。2023/1/15圖形處理器圖形處理器是圖形系統結構的重要元件，是連接計算機和顯示終端的紐帶早期的圖形處理器只包含簡單的存儲器和幀緩沖區，它們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU來控制現在的圖形處理器不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數，專業的圖形卡已經具有很強的3D處理能力，大大減輕了CPU的負擔,提高了顯示質量和顯示速度2023/1/15圖形處理器的組成顯示主芯片顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務是對系統輸入的視頻信息進行構建和渲染顯示緩存用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運算的中間數據顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發揮數字模擬轉換器（RAMDAC）它的作用就是把二進制的數字轉換成為和顯示器相適應的模擬信號2023/1/15顯卡工作原理簡單示意圖2023/1/15*純平顯示器*走向平面的顯像管球面顯象管：表面：球面的一部分時間：~90年代初柱面顯象管：表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有彎曲時間：90年代中期代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron2023/1/15*純平顯示器*走向平面的顯像管平面直角顯象管表面：球面的一部分，類似于平面時間：90年代中后期現在市場上的主流顯象管純平顯象管表面：純平面時間：90年代后期代表：Sony公司的FDTrinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron今后的主流顯象管2023/1/15*未來顯示器*采用空氣等離子體技術，無須刷新緩沖存儲器空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈，紅綠藍三種不同顏色的像素。顯示屏薄，掛在墻上。發光聚合物技術，堅不可摧；柔韌性好，可以卷起來；顯示畫面具有無與倫比的清晰度，無鋸齒現象。真正的平面直角。2023/1/15具有完整人機交互界面，集高性能的計算和圖形于一身，可配置大容量的內存和硬盤，I/O和網絡功能完善，使用多任務多用戶操作系統的小型通用個人化計算機系統。1983年美國APOLLO公司推出第一臺適合計算機輔助設計（CAD）的工作站。現在全球最有名的圖形工作站屬SGI圖形工作站。圖形工作站2023/1/15虛擬現實系統除了具有常規的高性能計算機系統的硬件和軟件外，還必須對下列關鍵技術提供強有力的支持。能以實時的速度生成具有逼真感的景物圖形（三維全彩色的、有明暗、紋理和陰影的圖像）能高精度的實時跟蹤用戶的頭和手。頭戴顯示器能產生高分辨率圖像和較大的視角。2023/1/152.2圖形系統及其標準硬件，圖形I/O設備，系統軟件，圖形軟件。圖形軟件：通用編程軟件包，專用應用軟件包。通用類：提供一個可用于高級程序語言的圖形功能擴展集(比如，OpenGL).基本功能：圖元生成，屬性設置（顏色，….）選擇觀察及實施變換等。專用類：不關心圖形操作過程（比如，CAD系統。2023/1/15圖形系統標準圖形標準：圖形系統及其相關應用系統中各界面之間進行數據傳送和通信的接口標準，以及供圖形應用程序調用的子程序功能及其格式標準，前者稱為數據及文件格式標準，后者稱為子程序界面標準。2023/1/15圖形系統標準分類面向圖形設備的接口標準：計算機圖形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)計算機圖形接口(CGI).設備驅動程序。面向應用軟件的標準：程序員層次交互式圖形系統（PHIGS）,GL(圖形程序包)（三維）圖形核心系統（3D-)GKS面向圖形應用系統中工程和產品數據模型及其文件格式：基本圖形轉換規范（IGES）產品數據轉換規范（STEP）2023/1/15CGI（ISODP9636)--提供控制圖形硬件的一種與設備無關的方法。--也可看作圖形設備驅動程序的一種標準。--在用戶程序和虛擬設備之間，以一種獨立于設備的方式提供圖形信息的描述和通信。2023/1/15CGM（ISOIS