第二章圖形系統(tǒng)

2.1視頻顯示設(shè)備2.2光柵掃描系統(tǒng)2.3圖形軟件

2.1視頻顯示設(shè)備

圖形系統(tǒng)一般使用視頻顯示器作為基本的輸出設(shè)備。早期大部分視頻顯示器的操作是基于標(biāo)準(zhǔn)的陰極射線管(CathodeRayTube，CRT)設(shè)計(jì)的，隨著硬件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，液晶顯示器已取代CRT顯示器成為主流顯示設(shè)備，此外還存在一些基于其他技術(shù)設(shè)計(jì)的視頻顯示器，如等離子顯示器等。2.1.1CRT顯示器

CRT顯示器由陰極射線管和有關(guān)的附加電路如偏轉(zhuǎn)電路、視頻放大器等組成，CRT結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1CRT顯示器的結(jié)構(gòu)圖由燈絲、陰極和控制柵極所組成的電子槍發(fā)射出電子束(陰極射線)，通過聚焦系統(tǒng)和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，射向涂有熒光層的屏幕上的指定位置。在電子束轟擊的每個(gè)位置，熒光層發(fā)出可見光。由于熒光層發(fā)出的光亮度隨著時(shí)間按指數(shù)級(jí)衰減，因而必須采用某種方法來保持屏幕圖像。根據(jù)保持屏幕圖像方法的不同，CRT顯示器可分為存儲(chǔ)式顯示器和刷新式顯示器兩大類，而刷新式顯示器又可分為光柵掃描顯示器和隨機(jī)掃描顯示器兩類。

1.存儲(chǔ)式CRT顯示器

保持屏幕圖像的一種方法是把圖形信息存儲(chǔ)在CRT內(nèi)，基于此原理的顯示器稱為存儲(chǔ)式CRT顯示器，也可稱做直視存儲(chǔ)管(DVST)。直視存儲(chǔ)管通過緊貼屏幕熒光層后的電荷分布來存儲(chǔ)圖形信息，它使用兩支電子槍：一支是基本槍，用來存儲(chǔ)圖形；另一支是泛流槍，用來保持圖形顯示。

DVST顯示器的優(yōu)點(diǎn)是顯示圖形的質(zhì)量高，即使很復(fù)雜的圖形都可在極高分辨率下無閃爍顯示。DVST系統(tǒng)的缺點(diǎn)是不能顯示彩色圖形，而且圖形不能部分擦除。要擦除圖形的一部分，必須擦除整個(gè)屏幕，然后重畫修改后的圖形。擦除和重畫過程對(duì)于復(fù)雜圖形來講，可能需要數(shù)秒。由于上述原因，DVST系統(tǒng)已逐漸被光柵系統(tǒng)所代替。

2.刷新式CRT顯示器

保持屏幕圖像的另一種方法是快速控制電子束反復(fù)重畫圖形，這就是刷新式CRT顯示器。根據(jù)人類眼睛的生理特征，圖像每秒重復(fù)30次至60次，人眼就感覺不到畫面的閃爍。因此，要想觀察到一幅穩(wěn)定發(fā)光的畫面，刷新式CRT顯示器每秒必須重復(fù)執(zhí)行顯示文件30次或更多。采用刷新式顯示器可迅速改變畫面的內(nèi)容。通過主機(jī)改變顯示文件中的某些顯示命令，在下一個(gè)刷新周期執(zhí)行后，就可得到修改后的畫面。因此，刷新式CRT顯示器是實(shí)現(xiàn)交互式計(jì)算機(jī)圖形顯示和動(dòng)畫顯示的重要設(shè)備。

1）光柵掃描顯示器

在光柵掃描顯示器中，電子束依照固定的掃描線和規(guī)定的掃描順序自上而下、從左到右順次進(jìn)行掃描。電子束先從屏幕左上角開始，向右掃描一條水平線（稱為行），然后迅速回掃到左邊偏下一點(diǎn)的位置，再掃描第二行，照此固定的路徑及順序掃描下去，直到最后一行，即完成了整個(gè)屏幕的掃描(見圖2.2)。圖2.2光柵掃描示意圖這個(gè)掃描過程所產(chǎn)生的圖像稱為一幀，然后電子束迅速回掃到左上角，開始下一幀的掃描。光柵掃描顯示器的刷新周期是按60～80幀每秒的速率進(jìn)行的，每幀由固定數(shù)目的行(掃描線)，每行由固定數(shù)目的獨(dú)立點(diǎn)(像素點(diǎn))組成，屏幕上呈現(xiàn)出由固定數(shù)目掃描線組成的光柵。對(duì)光柵掃描來說，當(dāng)電子束沿每一行移動(dòng)時(shí)，電子束的強(qiáng)度可不斷變化，以此來顯示圖形。因此光柵掃描顯

示器可以表現(xiàn)具有多級(jí)明暗度(灰度)或多種顏色的畫面。由于這種掃描方式和電視類似，故光柵掃描又被稱為電視掃描。顯然，光柵掃描顯示器的掃描線越多，每條掃描線上的像素點(diǎn)越多，則顯示的圖形質(zhì)量就越高。衡量光柵掃描顯示器質(zhì)量高低的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)是分辨率，它通常用屏幕上掃描線數(shù)和每一掃描線上的像素點(diǎn)數(shù)來定義，一般采用256×300到1280×1024不等。高質(zhì)量的顯示器用到更高的分辨率，高分辨率系統(tǒng)常常稱為高清晰度系統(tǒng)(HDS)。電子束在每一像素點(diǎn)的強(qiáng)度范圍依賴于光柵系統(tǒng)的功能。在簡(jiǎn)單的黑白系統(tǒng)中，每個(gè)像素點(diǎn)或亮或暗，因此每個(gè)像素點(diǎn)只需一位(bit)來控制其亮度。作為二值系統(tǒng)，值1表示該像素點(diǎn)處的電子束開通，而值0表明電子束關(guān)閉。要顯示彩色并且強(qiáng)度可變，就需附加更多位。在高質(zhì)量系統(tǒng)中，表示每個(gè)像素的強(qiáng)度值可多達(dá)24位。有些光柵掃描顯示器采用了電視系統(tǒng)的隔行掃描方式。隔行掃描把一幀完整的畫面分為兩場(chǎng)顯示，第一場(chǎng)沿偶數(shù)掃描線掃描，第二場(chǎng)沿奇數(shù)掃描線掃描。這種方式的好處在于用逐行掃描所需時(shí)間的一半就可看到整個(gè)畫面。隔行掃描技術(shù)主要用于刷新率較慢的顯示器。例如，對(duì)一個(gè)較老的、30幀每秒的非隔行掃描顯示器，可看到其他畫面的閃爍。但是，采用隔行掃描，兩場(chǎng)中的每一場(chǎng)可以以1/60秒完成，也就是說，刷新率接近60幀每秒。這是避免閃爍的有效技術(shù)。

2）隨機(jī)掃描顯示器

在隨機(jī)掃描顯示器中，電子束像一支快速移動(dòng)的畫筆，實(shí)際勾畫出要顯示的圖形。電子束根據(jù)需要可在屏幕任意方向上連續(xù)掃描，沒有固定的掃描線和規(guī)定掃描順序的限制，故稱為隨機(jī)掃描。由于隨機(jī)掃描顯示器繪制的圖形只能是單線條圖形，不能顯示逼真的有陰影的場(chǎng)景，因此隨機(jī)掃描顯示器也稱為向量顯示器或筆跡顯示器。隨機(jī)掃描顯示器的刷新率取決于被顯示的線數(shù)，一般設(shè)計(jì)成每秒畫出圖形中所有線條的次數(shù)為30～60次。高性能的隨機(jī)掃描系統(tǒng)以這樣的刷新率能處理大約100000條短線條。

3）彩色CRT顯示器

刷新式CRT利用能發(fā)射不同顏色光的熒光層的組合來顯示彩色圖形。組合不同熒光層的發(fā)射光，便能生成一定范圍的彩色。用CRT產(chǎn)生彩色顯示的兩種基本技術(shù)是電子束穿透法和蔭罩法。隨機(jī)掃描顯示器采用電子束穿透法顯示彩色圖形。通常將一紅一綠兩層熒光層涂在CRT屏幕內(nèi)層。顯示的顏色取決于電子束穿透熒光層的深度，慢的電子束只激活外層的紅色層。非常快的電子束穿透紅色層并激活里面的綠色層，中速的電子束通過紅、綠發(fā)光的組合，生成另外兩種顏色——橙色和黃色。電子束穿透法是隨機(jī)掃描顯示器生成彩色的廉價(jià)途徑，但只有四種顏色且圖形的質(zhì)量較低。光柵掃描顯示器利用蔭罩法顯示彩色。因?yàn)樗苌傻牟噬秶入娮邮┩阜▽挼枚?，所以被廣泛采用。在每個(gè)像素位置，蔭罩CRT有三個(gè)熒光彩色點(diǎn)(構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)三角形)：一個(gè)熒光點(diǎn)發(fā)射紅光(R)，另一個(gè)發(fā)射綠光(G)，第三個(gè)發(fā)射藍(lán)光(B)。這種CRT有三支電子槍，與三個(gè)彩色點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，而緊靠熒光涂層的蔭罩上分布著一系列孔，它們與熒光點(diǎn)對(duì)齊。當(dāng)三支電子束通過蔭罩上的孔激活一個(gè)點(diǎn)三角時(shí)，便在屏幕上顯示一個(gè)小的彩色亮點(diǎn)。這樣的彩色系統(tǒng)稱為RGB顯示器，如圖2.3所示。圖2.3RGB顯示器工作原理由于蔭罩式顯示器的固有缺點(diǎn)，如熒光屏是球面的，幾何失真大，而且三角形的熒光點(diǎn)排列即使很密也不會(huì)特別清晰，所以近幾年蔭柵式顯示器越來越流行，它的工作原理如圖2.4所示。圖2.4蔭柵式顯示器工作原理從原理上來說，蔭罩式和蔭柵式顯像管的區(qū)別只是射線的選擇方式和熒光點(diǎn)的排列不同，但兩者的顯示效果區(qū)別卻是很明顯的，蔭柵式顯像管的亮度更高、色彩更艷麗。常用的蔭柵式顯像管有索尼公司的特麗瓏管（Trinitron）和三菱公司的鉆石瓏管（Diamondtron），兩者稍有不同。采用蔭柵式顯像管的顯示器有柱面顯示器和平面顯示器，柱面顯示器的表面在水平方向略微凸起，但垂直方向上卻是平坦的，呈圓柱狀，故稱之為“柱面管”。柱面管由于在垂直方向上平坦，因此，與球面管相比，它的幾何失真更小，而且能夠?qū)⑵聊簧戏降墓饩€反射到下方而不是直接射入人眼，因而大大減少了眩光。平面顯示器的熒光屏為完全平面，大大提高了圖形顯示質(zhì)量。當(dāng)然，由于玻璃的折射，屏幕會(huì)產(chǎn)生內(nèi)凹的現(xiàn)象，但是通過一定的補(bǔ)償技術(shù)能產(chǎn)生真正平面的感覺。由于平面顯示器的高清晰度、低失真以及對(duì)人眼的低傷害的特點(diǎn)，因此越來越得到人們的喜愛。

蔭柵式與蔭罩式熒光屏的點(diǎn)排列如圖2.5所示，其中距離d就是人們常說的點(diǎn)距。圖2.5蔭柵式與蔭罩式顯示器2.1.2平板顯示器

雖然多數(shù)圖形顯示器采用CRT構(gòu)造，但隨著硬件顯示技術(shù)的不斷完善，平板顯示器(FlatPanelDisplay)已替代CRT顯示器逐漸成為視頻顯示的主流設(shè)備。平板顯示器是一類比CRT輕薄并降低能耗的視頻設(shè)備。平板顯示器的應(yīng)用包括小型TV監(jiān)視器、手提電腦、航空坐椅扶手上的電影屏幕、電子廣告牌等。平板顯示器可分為兩類：發(fā)射顯示器和非發(fā)射顯示器。發(fā)射顯示器是將電能變換為光的設(shè)備，如等離子體顯示板(氣體放電顯示器)、薄片光電顯示器以及發(fā)光二極管等都是發(fā)射顯示器的實(shí)例。非發(fā)射顯示器利用光學(xué)效應(yīng)，將太陽能或來自其他光源的光轉(zhuǎn)換為圖形，液晶顯示器是非發(fā)射顯示器中極其重要的例子。液晶顯示器雖然在顯示效果上和傳統(tǒng)的CRT顯示器相比有一定的差距，但是它有很多的優(yōu)點(diǎn)：第一，它的外觀輕巧精致，當(dāng)前生產(chǎn)的LCD厚度只有1cm~5cm，與CRT那個(gè)龐然大物實(shí)在是不可同日而語；第二，液晶像素總是發(fā)光，只有加上不發(fā)光的電壓時(shí)該像素點(diǎn)才變黑，所以不會(huì)產(chǎn)生CRT那樣的因?yàn)樗⑿骂l率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象；第三，它的工作電壓低、功耗小，節(jié)約能源；第四，它沒有電磁輻射，對(duì)人體健康沒有任何危害。液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它同時(shí)具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生色彩。液晶屏幕背后有一個(gè)背光源，該光源發(fā)出的光先穿過第一層偏光板，再射到液晶上。當(dāng)光線透過液晶體時(shí)，光線的色澤會(huì)發(fā)生改變。從液晶體射出的光線，還必須經(jīng)過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板。兩塊偏光板的偏振方向成90°角，再加上變化的電壓和一些其他裝置，液晶顯示器就能顯示需要的顏色了。液晶顯示有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，這兩種的成像原理大同小異，只是它們各自背光源和偏光板的設(shè)計(jì)和方向有所不同。主動(dòng)式液晶顯示器使用了場(chǎng)效晶體管（FieldEffectTransistor,FET）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(tài)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生在被動(dòng)式液晶顯示器中常見的鬼影或畫面延遲的殘像等?，F(xiàn)在最流行的主動(dòng)式液晶顯示器使用了薄膜晶體管（ThinFilmTransistor,TFT）。被動(dòng)式液晶顯示器有超扭曲向列（SuperTN,STN）和雙層超扭曲向列（DoublelayerSuperTN,DSTN）液晶顯示器等。液晶顯示器的技術(shù)指標(biāo)有以下兩個(gè)：

（1）可視角度。由于液晶的成像原理是通過光的折射而不是像CRT那樣由熒光點(diǎn)直接發(fā)光，所以在不同的角度看液晶顯示屏必然會(huì)有不同的效果。當(dāng)視線與屏幕中心法向成一定角度時(shí)，人們就不能清晰地看到屏幕圖像，可以看到清晰圖像的最大角被稱為可視角度。一般所說的可視角度是指將左右兩邊可清晰地看到圖像的最大角度相加得到的角度。工業(yè)界用CR（ContrastRatio）10和CR5兩種標(biāo)

準(zhǔn)來判斷液晶顯示器的可視角度。（2）點(diǎn)距和分辨率。液晶屏幕的點(diǎn)距就是兩液晶顆粒之間的距離。點(diǎn)距一般為0.28~0.32mm就能達(dá)到較好的顯示效果。分辨率在液晶顯示器中的含義和在CRT中的不完全一樣。通常所說的液晶顯示器的分辨率是指其真實(shí)分辨率，比如1024×768的含義就是指該液晶顯示器含有1024×768個(gè)液晶顆粒。只有在真實(shí)分辨率下液晶顯示器才能得到最佳的顯示效果，其他較低的分辨率只能通過縮放來顯示，效果并不好。而CRT顯示器如果在1024×768

的分辨率下能清晰顯示，那么在其他分辨率下都能很好地顯示。2.1.3三維觀察設(shè)備

顯示三維場(chǎng)景的圖形監(jiān)視器的設(shè)計(jì)，采用了從振動(dòng)著的柔性鏡面反射CRT圖像的技術(shù)。當(dāng)變焦距鏡振動(dòng)時(shí)，改變焦距長(zhǎng)度，這些振動(dòng)同CRT上的對(duì)象顯示是同步的。因此，該對(duì)象上的每一點(diǎn)從鏡面反射成距離為該點(diǎn)到給定觀察位置的距離的空間位置。這就允許我們圍繞一對(duì)象或場(chǎng)景行走，并從不同的角度來觀察。2.1.4立體感和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

表示三維對(duì)象的另一種技術(shù)是顯示具有立體感的圖像，這種方法并不生成真實(shí)的三維圖像，而是給觀察者的每只眼睛提供不同的視圖來達(dá)到三維效果，致使場(chǎng)景帶有深度。簡(jiǎn)單地說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境。與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合在一起，利用頭盔顯示器、圖形眼鏡、數(shù)據(jù)服、立體聲耳機(jī)、數(shù)據(jù)手套及腳踏板等傳感裝置，把操作者與計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬環(huán)境連接在一起。例如，為得到立體感的投影，首先需要得到從對(duì)應(yīng)每只眼睛觀察方向產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的兩個(gè)視圖。這可通過指定不同觀察位置并由計(jì)算機(jī)生成的場(chǎng)景來獲得這兩個(gè)視圖，或者用一對(duì)立體照相機(jī)拍攝某些對(duì)象或場(chǎng)景來獲得這兩個(gè)視圖。當(dāng)我們同時(shí)用左眼觀察左視圖，右眼觀察右視圖時(shí)，兩個(gè)視圖則合成為單個(gè)視圖，并能感覺到場(chǎng)景帶有深度。產(chǎn)生立體感效果的途徑之一是使用光柵系統(tǒng)，在不同刷新周期交替顯示兩種視圖。通過眼鏡觀察屏幕，將每個(gè)透鏡設(shè)計(jì)成高速交替的快門，它能同步地封鎖另一視圖。立體感視圖也是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，在此，用戶可步入場(chǎng)景，并同環(huán)境進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包含生成立體感視圖的光學(xué)系統(tǒng)的頭套，通常用來連接交互輸入設(shè)備，定位并操縱場(chǎng)景中的對(duì)象。頭套內(nèi)的傳感系統(tǒng)跟蹤觀察者的位置，以便在觀察者“走進(jìn)”并同顯示交互時(shí)，能看對(duì)象的正面和背面。

2.2光柵掃描系統(tǒng)

光柵掃描系統(tǒng)以其顯示的圖形色彩豐富、真實(shí)感強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，已成為主流的顯示設(shè)備，因此有必要對(duì)光柵掃描系統(tǒng)的組成、工作原理進(jìn)行詳細(xì)的討論。2.2.1結(jié)構(gòu)與原理

光柵掃描顯示器的圖形是由像素(Pixel)組成的，每個(gè)像素可呈現(xiàn)不同的灰度或顏色，通常用數(shù)值來表示這些灰度與顏色。因此，在顯示一幅圖形時(shí)，必須計(jì)算出每個(gè)像素的亮度值。為了使顯示的圖形不斷更新，必須存儲(chǔ)這些亮度值。用來存儲(chǔ)每個(gè)像素亮度值的存儲(chǔ)器稱為幀緩沖器。幀緩沖器的單元個(gè)數(shù)和顯示器的像素總數(shù)相同，每一單元的位數(shù)決定了一幀圖形中能夠允許顯示的不同灰度等級(jí)的數(shù)目或顏色的種類。例如，每個(gè)單元是8位，則可在一幀圖中出現(xiàn)28=256種灰度或顏色，不過人眼在一幅圖像中大概只能區(qū)別出100種灰度值，圖2.6顯示了不同比特位數(shù)對(duì)應(yīng)的灰度顏色。圖2.6不同比特位能夠顯示的灰度范圍光柵掃描系統(tǒng)通常由圖像生成器、幀緩沖器、彩色表、視頻控制器和監(jiān)視器五部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.7所示。

更復(fù)雜的光柵掃描系統(tǒng)還有其他的協(xié)處理器和加速器。圖2.7光柵掃描系統(tǒng)的組成在這五部分中，幀緩沖器是整個(gè)光柵掃描系統(tǒng)的核心，它存放著需要在屏幕上顯示出來的圖形的影像。準(zhǔn)確地說，幀緩沖器中存放了與屏幕畫面上的每一像素一一對(duì)應(yīng)的一個(gè)矩陣，矩陣中每一個(gè)元素的值就是像素值，該矩陣稱為位圖(Bitmap)。因此，幀緩沖器也叫影像存儲(chǔ)器(VideoRAM)、位圖存儲(chǔ)器或顯示存儲(chǔ)器。彩色表用來定義像素的顏色，它根據(jù)像素值(稱為顏色號(hào))從表中查出顏色的定義，然后對(duì)CRT的三原色RGB的亮度進(jìn)行控制，從而生成各種不同的顏色。光柵掃描系統(tǒng)的工作原理如下：

（1）圖像生成器根據(jù)主機(jī)發(fā)送的畫圖命令把圖畫在幀緩沖器中，即在幀緩沖器中生成要顯示的圖形的位圖。

（2）視頻控制器一方面產(chǎn)生水平(X-地址)和垂直(Y-地址)同步信號(hào)送到監(jiān)視器，使CRT的電子束不斷地自上而下、從左到右進(jìn)行掃描，形成光柵(Raster)；另一方面又根據(jù)電子束在屏幕上的行、列位置，自動(dòng)計(jì)算并生成相應(yīng)幀緩沖器的相應(yīng)地址，不斷地讀出幀緩沖器中的位圖數(shù)據(jù)。（3）從幀緩沖器中讀出的數(shù)據(jù)(像素值)經(jīng)過查找彩色表后，轉(zhuǎn)換成RGB三原色的亮度值。對(duì)于無彩色表的光柵掃描系統(tǒng)，像素值直接就是三原色的亮度值。

（4）顏色亮度也稱為位圖信號(hào)或視頻信號(hào)，它控制著CRT電子束的通、斷、強(qiáng)、弱，從而在屏幕上形成一幀與幀緩沖器中所存儲(chǔ)映像相對(duì)應(yīng)的可見畫面。2.2.2視頻控制器

圖2.8為視頻控制器的基本刷新操作流程，其兩個(gè)寄存器用來存放屏幕像素的坐標(biāo)。開始時(shí)，X寄存器置為0，Y寄存器置為ymax

。存儲(chǔ)在幀緩沖器中該像素對(duì)應(yīng)位置的值被取出，并用來設(shè)置CRT電子束的強(qiáng)度值，然后，X寄存器加1。圖2.8視頻控制器的基本刷新操作流程然后，依次處理沿該掃描線的各像素，而且這樣的過程對(duì)每條后繼的掃描線重復(fù)執(zhí)行。當(dāng)最底行掃描線(y=0)的所有像素被處理后，視頻控制器復(fù)位寄存器為最高行掃描線上的第一個(gè)像素位置，刷新過程重復(fù)開始。除了基本刷新操作外，視頻控制器還能執(zhí)行一些其他操作。對(duì)于多類應(yīng)用，視頻控制器在不同刷新周期內(nèi)可從不同存儲(chǔ)區(qū)取出像素值。例如，在高性能系統(tǒng)中，常常提供兩個(gè)幀緩沖器，一個(gè)緩沖器用來刷新，另一個(gè)以強(qiáng)度值填充。同樣，視頻控制器可完成某些變換。在一個(gè)刷新周期內(nèi)，屏幕區(qū)域可以放大、縮小或從一個(gè)位置移向另

一處。2.2.3幀緩沖器

幀緩沖器（又稱顯存）存放著被顯示圖形的位圖，可見顯示分辨率越高，所需要的存儲(chǔ)容量就越大。此外，

由于視頻控制器需要不斷地訪問幀緩沖器并讀出其中的內(nèi)容，使CRT屏幕上的畫面以一定的頻率進(jìn)行刷新，所以

幀緩沖器的工作速度比較高，且隨著屏幕分辨率和幀頻率變化。又因?yàn)樗⑿翪RT的同時(shí)，圖像生成器隨時(shí)可能向幀緩沖器寫入新的顯示內(nèi)容或讀出幀緩沖器的內(nèi)容。因此，從原理上說，幀緩沖器是一個(gè)大容量、高速度的雙端口的隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器。為了符合多種實(shí)際應(yīng)用的要求，幀緩沖器的邏輯結(jié)構(gòu)有各種不同的形式和變化。（1）圖形模式與文本模式的顯示存儲(chǔ)器。圖形顯示器顯示字符信息有兩種方式。一種是圖形模式，此時(shí)每一個(gè)字符的點(diǎn)陣表示(位圖)均直接存放在顯示存儲(chǔ)器中，因而字符的顯示位置可以以像素為單位在屏幕上任意定位，也可以隨意改變單個(gè)字符的大小、方向或字符串的走向，但編輯修改操作比較麻煩。另一種是文本模式，此時(shí)顯示存儲(chǔ)器中存放的是字符的編碼(ASCII碼或漢字碼)及其屬性(加亮、閃爍、下橫線等)，其字形的點(diǎn)陣信息一般存放在只讀存儲(chǔ)器中(稱為字符發(fā)生器或字庫(kù))。顯示器工作時(shí)，通過從顯存讀出字符代碼和視頻控制器提供的掃描線號(hào)碼，并從字符發(fā)生器中讀出字形信息送CRT顯示。這種方式顯示存儲(chǔ)器中的信息比較緊湊整齊，編輯修改操作能高速進(jìn)行，但格式死板，字符屬性太少。（2）單色與彩色的顯示存儲(chǔ)器。單色顯示時(shí)，每個(gè)像素一般只用一位來表示，屏幕上整個(gè)畫面的位圖信息集中存放在顯示存儲(chǔ)器的一個(gè)體(Bank)中。彩色顯示或單色多灰度顯示時(shí)，每個(gè)像素需要使用多個(gè)二進(jìn)位表示。此時(shí)，顯存有兩種組織方法(見圖2.9)：一種稱為組合像素結(jié)構(gòu)，即畫面上每個(gè)像素的所有位均集中存放在單個(gè)存儲(chǔ)體中；另一種稱為位平面(BitPlane)結(jié)構(gòu)，即像素的每一位各自存放在不同的存儲(chǔ)體(位平面)中。由于使用了多個(gè)存儲(chǔ)體，它們可以一次讀出更多的像素信息，降低了對(duì)顯存工作速度的要求，所以位平面方式的顯存結(jié)構(gòu)在中、高性能的圖形顯示器中得到了廣泛的采用。圖2.9組合像素結(jié)構(gòu)與位平面結(jié)構(gòu)（3）顯示存儲(chǔ)器的分頁。顯示存儲(chǔ)器的容量往往設(shè)計(jì)得比屏幕畫面的位圖大得多，也就是說，顯存中可以同時(shí)存放多幅畫面的位圖。這時(shí)，顯存區(qū)域?qū)澐殖扇舾身撁?，每個(gè)頁面存放一幅位圖。由于物理屏幕只有一個(gè)，一次只能顯示其中某一個(gè)頁面(通過視頻控制器的分屏功能，有時(shí)屏幕上可同時(shí)顯示兩個(gè)以上頁面)。正在顯示的頁面稱為工作頁面或活動(dòng)頁面，其他頁面為非工作頁面。通過視頻控制器的控制，工作頁面與非工作頁面可以進(jìn)行快速的切換。另外，頁面的大小可以劃分得比屏幕位圖大得多，甚至可以是整個(gè)顯示存儲(chǔ)器。這樣，從程序

員的角度來看，可輸出顯示的畫面將遠(yuǎn)大于實(shí)際的物理屏幕，此時(shí)物理屏幕僅僅是一個(gè)窗口，它顯示出來的不過是全部畫面的一部分。通過視頻控制器的上、下滾行和左、右移屏功能，用戶可以看到顯示存儲(chǔ)器中的整個(gè)畫面。2.2.4彩色表的結(jié)構(gòu)與使用

從以上的敘述可以看出，如果要增加顯示器的顏色(或灰度等級(jí))的數(shù)目，顯示存儲(chǔ)器的容量就要增加。而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于一幅圖畫而言，其不同彩色的數(shù)目并不大(幾

百種或幾千種)。但不同應(yīng)用場(chǎng)合的不同圖形，其顏色的變化數(shù)目可能相當(dāng)大(幾十萬種甚至幾百萬種)。為了滿足這一要求，一般采用彩色表來解決。彩色表是一個(gè)大容量的高速存儲(chǔ)器，一般用雙極性電路做成。采用彩色表時(shí)，顯示存儲(chǔ)器中的像素值不再是直接送到監(jiān)視器中的顏色信號(hào)(顏色值)，而是顏色的編號(hào)。此時(shí)，顯存中讀出的顏色號(hào)作為彩色表的地址從彩色表中讀出RGB三個(gè)分量的值(該顏色號(hào)的定義值)，然后送到監(jiān)視器中，其原理圖如圖2.10所示。圖2.10彩色表其中，像素用8位表示，彩色表共有28=256個(gè)地址，CRT顯示器彩色表的字長(zhǎng)為12位，RGB各用4位來定義。因此，該顯示器一共有212=4096=4kB種不同的顏色，但每屏畫面中不同顏色的種類僅允許256種。實(shí)際的高性能圖形顯示器中，像素由12～24位組成，即12～24個(gè)位面，彩色表中RGB各用8位來定義，因此，可顯示的顏色數(shù)目高達(dá)224=16MB之多。彩色表是一個(gè)高速隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器，它的內(nèi)容可以由軟件裝入、保存及修改。這不僅方便了顏色的使用，而且使彩色表有許多附加的控制功能，比如為了快速清屏，只要把彩色表內(nèi)容全部置成背景色即可。彩色表的用途很多，例如它可以用來實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)畫等。2.2.5圖像生成器

圖像生成器的主要功能是把畫線、畫多邊形、填充區(qū)域、畫曲線、寫字符串等基本命令——圖形輸出原語——轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的點(diǎn)陣(位圖)，存放在顯示存儲(chǔ)器中，這個(gè)過程稱之為掃描轉(zhuǎn)換(ScanConversion)。輸出圖形原語的一般形式是：

原語名參數(shù)(幾何參數(shù)；屬性參數(shù)；其他參數(shù))光柵掃描圖形顯示器常用的圖形輸出原語有：

畫點(diǎn)(點(diǎn)的坐標(biāo)；顏色)

畫直線(起點(diǎn)坐標(biāo)；終點(diǎn)坐標(biāo)；顏色；線型；線寬)

畫矩形(左下角坐標(biāo)；右上角坐標(biāo)；顏色；類型)

填充區(qū)域(一組頂點(diǎn)坐標(biāo)；顏色；填充方式；圖案)

寫字符串(輸出字符串；起點(diǎn)坐標(biāo)；字符大??；字符間距；字符方向；字體……)

圓/圓弧(圓心坐標(biāo)；半徑；起始角；終止角；顏色)復(fù)雜的畫圖命令可以由上述原語組合而成，畫圖命令中的幾何參數(shù)一般以二維屏幕坐標(biāo)表示。

除了完成幾何圖形的掃描轉(zhuǎn)換外，圖像生成器還必須能把圖像輸入設(shè)備輸入的數(shù)字圖像從主存寫入顯存，或者把顯存中產(chǎn)生的圖像保存到主存，進(jìn)而保存到外存，甚至直接在顯存中對(duì)圖像進(jìn)行移動(dòng)，并進(jìn)行一些邏輯處理，稱這些為光柵操作，也可稱為成組像素傳輸操作(BitBlockTransfer，BITBLT)，它的主要功能是：（1）寫光柵操作：把一組像素?cái)?shù)據(jù)從主存儲(chǔ)器寫入到顯示存儲(chǔ)器中指定位置和大小的一個(gè)矩形區(qū)域中。

（2）光柵復(fù)制操作：把顯存中一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)的全部像素?cái)?shù)據(jù)復(fù)制到另一個(gè)位置的矩形區(qū)域中。

（3）讀光柵操作：把顯存中指定位置和大小的一個(gè)矩形區(qū)域中的全部像素?cái)?shù)據(jù)讀出存放到主存儲(chǔ)器中。上述光柵操作均涉及顯存內(nèi)容的修改，修改的方式有多種，如替換(新像素?cái)?shù)據(jù)替換老像素?cái)?shù)據(jù))、異或(新老像素?cái)?shù)據(jù)按位加)、與、或、置常量等。使用這些光柵操作，可對(duì)顯存中的圖形進(jìn)行平移、疊加、閃爍、清除等，也能保存顯存中的圖像，并在需要時(shí)再進(jìn)行恢復(fù)。

圖像生成器有時(shí)還具有用于處理圖形輸入設(shè)備的一些功能，如讀取定位設(shè)備輸入的坐標(biāo)值、設(shè)置顯示器的顯示模式、選擇工作頁面、修改彩色表等各種輔助功能，在此不再一一詳述了。圖像生成器的邏輯結(jié)構(gòu)在概念上由兩部分組成，它們是顯示處理器(DPU)和工作存儲(chǔ)器。顯示處理器是專門用于顯示圖形的處理器，是一種具有專門用途的CPU。工作存儲(chǔ)器中存放著圖形系統(tǒng)把幾何圖形轉(zhuǎn)換成位圖信息所必需的全部解釋程序，完成掃描轉(zhuǎn)換的各種算法均包涵在這些解釋程序中。綜上所述，圖形顯示器是由一個(gè)運(yùn)行掃描轉(zhuǎn)換等程序的處理器(DPU)和兩個(gè)存儲(chǔ)器(DPU的工作存儲(chǔ)器和顯示存儲(chǔ)器)組成。如果再加上運(yùn)行系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序的中央處理器(CPU)及主存儲(chǔ)器，則圖形系統(tǒng)在概念上就由二個(gè)處理器和三個(gè)存儲(chǔ)器組成。主存儲(chǔ)器和圖形顯示器之間有一個(gè)接口，用以交換各種信息。2.2.6光柵掃描系統(tǒng)的性能參數(shù)

（1）顯示分辨率。顯示分辨率指水平方向可以顯示的像素?cái)?shù)和垂直方向可顯示的掃描線數(shù)。

（2）顏色或亮度等級(jí)數(shù)目。彩色顯示器的顏色數(shù)目有兩個(gè)指標(biāo)：其一是顯示器可以顯示的所有不同顏色的總數(shù)，它取決于彩色表的字長(zhǎng)；另一個(gè)指標(biāo)是指同一幀畫面中允許顯示的不同顏色的最大數(shù)目，它由幀緩沖器中單元的位數(shù)決定。亮度等級(jí)數(shù)目指的是單色顯示器像素的亮度可以允許的變化種類。（3）畫圖速度。畫圖速度指的是圖像生成器把基本畫圖命令變成幀緩沖器中位圖的轉(zhuǎn)換速度，一般用每秒可畫多少2D向量、3D向量、2D/3D多邊形和有明暗的3D多邊形來衡量。此外，像素圖形的傳輸率也是一個(gè)極為重要的指標(biāo)，用每秒可傳輸?shù)南袼財(cái)?shù)來度量。

（4）其他參數(shù)。其他參數(shù)包括屏幕尺寸、刷新率、縱橫比、顏色、余輝長(zhǎng)短以及其他一些人機(jī)工程方面的

參數(shù)。2.3圖形軟件

圖形系統(tǒng)的另外一個(gè)重要組成部分是圖形軟件。圖形軟件分為兩類：通用圖形編程軟件包和專用應(yīng)用軟件包。通用圖形編程軟件包提供了一個(gè)可用于高級(jí)程序語言如C

或FORTRAN的圖形功能擴(kuò)展集，一個(gè)典型的例子便是SGI(SiliconGraphics)設(shè)備上的OpenGL(GraphicsLibrary)

系統(tǒng)。通用圖形編程軟件包的基本功能包括生成圖元(直線、多邊形、圓和其他圖形)、設(shè)置彩色和強(qiáng)度值、選擇觀察和實(shí)施變換。專用應(yīng)用圖形軟件包是為非程序員設(shè)計(jì)的，因此用戶可生成顯示而無須擔(dān)心圖形操作是如何進(jìn)行的。在這些軟件包中，與圖形子程序的接口容許用戶以他們自己熟悉的術(shù)語同程序通信，此類應(yīng)用軟件包的典型例子有美術(shù)家繪畫系統(tǒng)和各種商業(yè)、醫(yī)學(xué)和CAD系統(tǒng)等。2.3.1坐標(biāo)表示

一般情況下，通用圖形軟件包是用笛卡爾坐標(biāo)系描述設(shè)計(jì)的。如果一個(gè)圖形的坐標(biāo)值在其他坐標(biāo)系(極坐標(biāo)系、球面坐標(biāo)系)中給出，那么在輸入圖形軟件之前需轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)。專用圖形軟件包容許采用對(duì)該應(yīng)用合適的其他坐標(biāo)系。圖形軟件中涉及以下幾個(gè)坐標(biāo)系：①建模坐標(biāo)系(ModelingCoordinate，MC)或局部坐標(biāo)系，用于構(gòu)造場(chǎng)景中的單個(gè)對(duì)象；②世界坐標(biāo)系(WorldCoordinate，WC)或用戶坐標(biāo)系，用來構(gòu)造場(chǎng)景，它允許設(shè)置任何方便的浮點(diǎn)坐標(biāo)或整數(shù)坐標(biāo)，不受特定輸出設(shè)備的約束；③設(shè)備坐

標(biāo)系(DeviceCoordinate，DC)或屏幕坐標(biāo)系，顯示或輸出場(chǎng)景的坐標(biāo)系，它為非負(fù)整數(shù)坐標(biāo)，坐標(biāo)的單位和特定的設(shè)備有關(guān)；④規(guī)范化設(shè)備坐標(biāo)系(NormalizedDeviceCoordinate，NDC)，它的坐標(biāo)值范圍為0~1，它獨(dú)立于可能使用的特定的各種輸出設(shè)備。因此，對(duì)于一個(gè)具體的應(yīng)用而言，從建模坐標(biāo)系到設(shè)備坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換的順序如下：

(xMC，yMC)→(xWC，yWC)→(xNDC，yNDC)→(xDC，yDC)2.3.2圖形功能

通用圖形軟件包為用戶提供了建立和管理圖形的各種功能，這些子程序按照它們是否處理輸出、輸入、屬性、變換、觀察或通用控制而分類。

（1）圖形輸出功能(OutputPrimitive)：圖形的基本構(gòu)造模塊，包括字符串和幾何兩種，如直線、曲線、填充區(qū)域、由彩色陣列定義的形狀，為構(gòu)造圖形提供了基本工具。（2）屬性功能(Attribute)：屬性是輸出圖元的特性，即描述一個(gè)特定圖元是怎樣被顯示的。它們包括強(qiáng)度和彩色設(shè)定、線型、文本類型以及區(qū)域填充模式等。

（3）幾何變換功能：包括模型變換和視圖變換。

（4）觀察變換功能：用來指定一種觀察和視圖在輸出顯示區(qū)域上出現(xiàn)的位置和范圍。（5）圖形段功能：用于定義圖形的邏輯部件，并對(duì)其進(jìn)行操作。

（6）輸入功能：用于控制和處理來自交互輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)流。

（7）通用控制功能：用于事務(wù)任務(wù)的處理，如清屏、初始化等。2.3.3圖形軟件包的性質(zhì)

圖形軟件包具有以下性質(zhì)：

（1）簡(jiǎn)