第二章圖形系統的組成2023/4/71內容圖形顯示及繪制設備陰極射線管彩色陰極射線管隨機掃描顯示器光柵掃描顯示器液晶顯示器等離子顯示器硬拷貝設備圖形軟件及圖形軟件標準圖形系統的組成2交互式繪圖系統圖形系統的組成3陰極射線管（CRT）組成：包括電子槍、加速結構、聚焦系統、偏轉系統、熒光屏圖形系統的組成5陰極射線管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，圖象才能穩定顯示圖形系統的組成6陰極射線管電子槍由燈絲，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。圖形系統的組成7陰極射線管熒光屏熒光物質：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=25Hz圖形系統的組成9陰極射線管熒光屏像素(Pixel:PictureElement)：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。分辨率主要取決于CRT的聚焦系統、偏轉系統和熒光物質（即分辨率與像素的亮度分布有關）。圖形系統的組成10陰極射線管當電子束轟擊某像素時，該像素的亮度分布類似于高斯分布，亮度在像素心點取得最大值，并向周圍逐漸衰減。圖形系統的組成11彩色陰極射線管-電子透入法基本原理兩層熒光涂層，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（橙色）較高速電子束高速電子束因此，電子束的速度決定了屏幕上光點的顏色，而電于束的速度可由加速電極的電壓來控制。圖形系統的組成13彩色陰極射線管-電子透入法應用主要用于畫線顯示器（隨機掃描顯示器）優點成本低，價格便宜缺點只能產生有限的四種顏色圖形質量比較差圖形系統的組成14彩色陰極射線管-影孔板法影孔板法原理：通常用于光柵掃描顯示器中，顏色范圍廣，每個像素有三個熒光點（紅、綠、藍三基色）。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圖形系統的組成15彩色陰極射線管-影孔板法點狀影孔板工作原理紅、綠、藍三基色；三色熒光點（很小并充分靠近像素）；三支電子槍，與三個熒光點相對應；每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應；電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線；圖形系統的組成17彩色陰極射線管-影孔板法三色熒光屏影孔板三個電子槍蔭罩型CRT工作原理圖形系統的組成18彩色陰極射線管-影孔板法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。顯示器能同時顯示的顏色種類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，稱為真彩系統圖形系統的組成19隨機掃描的顯示器工作原理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圖形系統的組成21光柵掃描顯示器在光柵掃描系統中，電子束橫向掃描屏幕，一次一行，從頂到底順次進行。當電子束橫向沿每一行移動時，電子束的強度隨幀緩存器中的值而變化，從而在屏幕上建立亮點的圖案。所有的光柵顯示器都有內在的坐標系統，用于確定圖形上的某像素與屏幕位置的關系。圖形系統的組成22光柵掃描顯示器圖形系統的組成23光柵掃描顯示器簡單的光柵掃描圖形顯示系統的結構圖形系統的組成25光柵掃描顯示器較為典型的光柵掃描圖形顯示系統的結構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。圖形系統的組成26光柵掃描顯示器視頻控制器建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應，負責刷新。邏輯結構圖形系統的組成29光柵掃描顯示器視頻控制器工作原理圖形系統的組成30灰度光柵掃描顯示器（1位）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220bit，并在一個位面(像素對應的顏色值的存儲方式-plannarpattern)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)。圖形系統的組成31灰度光柵掃描顯示器（N位）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個位面灰度等級的幀緩存。顯示器上每個象素的亮度是由N個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。圖形系統的組成32彩色光柵掃描顯示器（3個位面）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。圖形系統的組成33彩色光柵掃描顯示器（24個位面）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，即24位真彩色。圖形系統的組成34光柵圖形光柵圖形是指由數值型數組存放于計算機中的像素集合。圖形系統的組成35光柵圖形光柵圖形的創建途徑手工繪制；算法生成；掃描儀；圖形系統的組成36光柵圖形放大12倍放大6倍放大3倍圖形系統的組成37灰度光柵圖形像素圖（Pixelmap）和位圖（Bitmap）像素深度（pixeldepth）用于表示灰度級別的位數PixelmapBitmapOne-bit-per-pixel-imagepixeldepthn2ngraylevels圖形系統的組成38灰度光柵圖形8bit/pixel6bit/pixel5bit/pixel4bit/pixel3bit/pixel2bit/pixel1bit/pixel圖形系統的組成39彩色光柵圖形彩色光柵圖形的每個像素有一個顏色值（用數值表示）像素顏色值對應于一個三元組（red

greenblue）顏色深度表示每個像素的顏色所需的位數。顏色深度是紅、綠、藍基顏色對應的位數之和。colordepth=3圖形系統的組成40彩色光柵圖形真彩色圖形（TrueColorImage）：最高質量的圖形，顏色深度為24，每種基顏色分別占一個字節。存儲一張1024x1024的真彩色光柵圖形，需要多大的內存容量？3x1024x1024byte=3M圖形系統的組成41光柵掃描顯示器光柵顯示系統的特點優點：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優點使其占據了市場主流缺點正在被克服圖形系統的組成42液晶顯示器（LCD）索尼公司的兩款LCD外形圖形系統的組成43液晶顯示器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LCD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圖形系統的組成44液晶顯示器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圖形系統的組成45液晶顯示器LCD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圖形系統的組成46液晶顯示器LCD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。圖形系統的組成47等離子顯示器由一個細小氖泡矩陣組成，由于氖泡有兩種狀態：開啟(點燃)、關閉(熄滅)，且狀態可保持。分為

1）前層：垂直導線

2）中層：細小氖泡

3）后層：水平導線水平網格線（Y向地址）玻璃極板單元垂直網格線（X向地址）觀察方向圖形系統的組成48等離子顯示器特點有記憶功能

可動態修改圖形缺點光點大(因氣體的泄露),故分辨率只能達到中等水平(每英寸40點左右)氣體輝光和熄滅的過渡時間太長，約20us,限制圖形的生成速度圖形系統的組成49硬拷貝設備圖形系統的組成50硬拷貝設備靜電打印機結構圖形系統的組成51硬拷貝設備滾筒式繪圖儀平板式繪圖儀圖形系統的組成52圖形軟件及其標準圖形軟件：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：輸出圖元圖元屬性圖形結構輸入操作幾何變換及取景變換其它控制操作

專用類：不關心圖形操作過程（比如，CAD系統。圖形系統的組成53圖形軟件標準應用程序接口標準CORE圖形標準(1977)GKS,GKS3D(198