1、1,第二章 圖形設備與系統(tǒng),2.1 圖形顯示設備 2.2 圖形輸入設備 2.3 圖形系統(tǒng)及其標準,2,圖形輸出 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,3,2.1 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(tǒng) 2.1.4 光柵掃描系統(tǒng),4,陰極射線管(CRT- Cathode Ray Tube) 組成：包括電子槍、加速結構、聚焦系統(tǒng)、偏轉系統(tǒng)、熒光屏,陰極射線管（CRT),5,陰極射線管(CRT),工作原理 高速的電

2、子束由電子槍發(fā)出，經過聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉系統(tǒng)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(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時間內熒光物質的電子會從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點就會亮了,6,要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)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(wěn)定顯示,7,電子槍,電燈絲、陰極和控制柵組成。 陰極：由燈絲加熱發(fā)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(jié)負電壓高低來控制電子數(shù)量，即控制熒光屏

3、上相應點的亮度。,8,聚焦系統(tǒng),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。,9,偏轉系統(tǒng),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(tǒng)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,10,熒光屏,熒光物質：當它被電子轟擊時發(fā)出亮光 持續(xù)發(fā)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(wěn)定的亮度值 刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù),某種CRT產生穩(wěn)

4、定圖像所需要的最小刷新頻率 =1秒/熒光物質的持續(xù)發(fā)光時間 （例如）=1000/40=25Hz,11,熒光屏,像素(Pixel:Picture Cell)：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(shù)，單位通常為dpi（dots per inch)。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(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等,12,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,13,2.1.2 彩色陰極射線管-射線穿透法,原理：兩層熒光涂

5、層，紅色光和綠色光兩種發(fā)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,14,彩色陰極射線管-射線穿透法,應用：主要用于畫線顯示器 優(yōu)點：成本低 缺點：只能產生有限幾種顏色,15,2.1.2 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,16,影孔板的類型 點狀影孔板 代表：大多數(shù)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Fla

6、tron顯像管,17,2.1.2 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,18,顯示器能同時顯示的顏色個數(shù),如果每支電子槍發(fā)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(tǒng),調節(jié)各電子槍發(fā)生的電子束中所含電子的數(shù)目，即可控制各色光點亮度。,19,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，

7、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” 常用的蔭柵式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）,20,蔭柵式彩色CRT顯色原理,21,柱面和球面顯示器點距定義示意圖,22,2.1.3 隨機掃描的顯示系統(tǒng),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(Refreshing Buffer),顯示處理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT,23,應用程序發(fā)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

8、的 繪圖命令組成一個顯示文件，由顯示處理器負責解釋執(zhí) 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,24,2.1.4 光柵掃描的顯示系統(tǒng),光柵掃描顯示系統(tǒng) 特點：光柵掃描 掃描線 幀 水平回掃期 垂直回掃期,25,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偶數(shù)行掃描線，再掃奇數(shù)行掃描線。,26,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(shù)，分為

9、水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數(shù)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。,27,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(tài)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?shù) 垂直象素數(shù) 最大幀頻）來表示。,28,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(shù)目以及一幀畫面可同時顯示的顏色數(shù)，與熒光屏的質量有關，

10、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(fā)光，根據人眼視覺暫留的特性，需要不斷進行刷新才能有穩(wěn)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(shù)表示。目前刷新頻率標準為每秒50120幀。,29,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(shù)的乘積來表示，稱為幀緩沖存儲器的分辨率。,30,幀緩沖存儲器（Frame Buffer)，視頻控制器（Video Contr

11、oller)，顯示處理器（Display Processor），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,邏輯部件,31,幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同，單元與像素一一對應，各單元的數(shù)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(shù)有關（圖示幀緩沖器的每個單元只有一位）。,32,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(xù)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10241024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

12、是數(shù)字設備，光柵顯示器是模擬設備，因而還需要數(shù)模轉換器(DAC)。,33,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(shù)被翻譯成灰度等級，范圍是0到2N-1之間。,34,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。,35,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(shù)模

13、轉換器，每種原色可有256種灰度，三種原色的組合將是(28)3=224。,36,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(tǒng)可同時產生224種顏色（24位真彩色）。 分辨率M*N、顏色個數(shù)K與顯存大小V的關系,37,彩色光柵掃描顯示器,3個位面分辯率是10241024的顯示器，需要310241024（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(shù)成反比關系。1兆字節(jié)的幀緩存，若設分辯率為640480，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1024768，則每個單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下

14、。,38,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(Lookup Table）或稱彩色表(Color Table) 查色表工作原理,1024*768真彩模式需要3M字節(jié)顯存,39,查色表（look up Table）,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(shù)決定，例如：每單元有8位，則查色表的長度為28256 目的：在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，具有大范圍內挑選顏色的能力：,40,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

15、各項的索引值，顏色范圍擴充了。 單色系統(tǒng)：查色表固化 彩顯：可修改、創(chuàng)建查色表。,41,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(xiàn)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(shù)場與 偶數(shù)場 場頻：=2*幀頻,彩色光柵掃描顯示器,42,隔行掃描工作原理,一幀完整的畫面分成兩場。 一場160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160秒內，幀緩存中數(shù)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。,43,簡單的光柵掃描

16、圖形顯示系統(tǒng)的結構,其中，幀緩存為系統(tǒng)內存任一塊區(qū)域，視頻控制器能夠直接存取該區(qū)域以刷 新屏幕。,44,較為典型的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結構,其中，幀緩存可以是專用的存儲器，也可以是系統(tǒng)內存中的一塊固定區(qū)域。,45,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,普通顯卡=視頻控制器+顯存,46,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,47,顯示處理器,具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結構,圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器,48,優(yōu)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

17、程度無關 易于修改圖形 缺點： 需要掃描轉換 會產生混淆,缺點正在被克服,優(yōu)點使其占據了市場主流,光柵顯示系統(tǒng)的特點,49,LCD顯示器,CRT固有的物理結構限制了它向更廣的顯示領域發(fā)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(fā)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,50,LCD顯示器的優(yōu)點 外觀小巧精致，厚度只有6.58cm左右。 不會產生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象 工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源 沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響,51,索尼公司的兩款LCD外形,52

18、,液晶顯示器的構成,液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)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,53,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(tài)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(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)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,54,液晶顯示器的缺點

19、,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。,55,圖形處理器,圖形處理器是圖形系統(tǒng)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(qū)，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(xiàn)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(shù)，專業(yè)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,56,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(tǒng)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(shù)據 顯存

20、的大小和速度直接影響著主芯片性能的發(fā)揮 數(shù)字模擬轉換器（RAMDAC） 它的作用就是把二進制的數(shù)字轉換成為和顯示器相適應的模擬信號,57,顯卡工作原理簡單示意圖,58,*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Diamondtron,59,*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(xiàn)在市場上的主流顯象管 純平顯象管 表面：純平面 時間：9

21、0年代后期 代表：Sony公司的FD Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron，Samsung公司的DanyFlat，LG公司的Flatron 今后的主流顯象管,60,*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(fā)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(xiàn)象。真正的平面直角。,61,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(tǒng)的小型通用個人化計算機

22、系統(tǒng)。 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(xiàn)在全球最有名的圖形工作站屬SGI圖形工作站。,圖形工作站,62,第二章 圖形設備與系統(tǒng),2.1 圖形顯示設備 2.2 圖形輸入設備 2.3 圖形系統(tǒng)及其標準,2.2圖形輸入設備,最常用的圖形輸入設備就是基本的計算機輸入設備鍵盤和鼠標 跟蹤球和空間球都是根據球在不同方向受到的推或拉的壓力來實現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據手套則是通過傳感器和天線來獲得和發(fā)送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設備在虛擬現(xiàn)實場景的構造和漫游中特別有用,光筆是一種檢測光的裝置，它直接在屏幕上操作，拾取位置 光筆的形狀和大小象一支圓珠筆，筆尖處

23、開有一個圓孔，讓熒光屏的光通過這個孔進入光筆。光筆的頭部有一組透鏡，把所收集的光聚集至光導纖維的一個端面上，光導纖維再把光引至光筆另一端的光電倍增管，從而將光信號轉換成電信號，經過整形后輸出一個有合適信噪比的邏輯電平，并作為中斷信號送給計算機,光筆結構示意圖,數(shù)字化儀是一種把圖形轉變成計算機能接收的數(shù)字形式專用設備 基本工作原理是采用電磁感應技術 由一塊數(shù)據板和一個定標器組成。數(shù)據板中布滿了金屬柵格，當定標器在數(shù)據板上移動時，其正下方的金屬柵格上就會產生相應的感應電流。根據已產生電流的金屬柵格的位置，就可以判斷出定標器當前的幾何位置,67,掃描儀 圖形掃描儀是直接把圖形和圖象掃描到計算機中以象

24、素信息進行存儲的設備 絕大多數(shù)是采用的固態(tài)器件是電荷耦合器件（CCD Charge Coupled Device） 工作原理 用光源照射原稿，投射光線經過一組光學鏡頭射到CCD器件上，得到元件的顏色信息，再經過模/數(shù)轉換器，圖象數(shù)據暫存器等，最終輸入到計算機,掃描儀的模塊框圖,真實物體的三維信息的輸入 在實際的產生過程中許多零件和樣板要進行大規(guī)模的生產就必須在計算機中生成三維實體模型，有時這個模型要通過已有的實物零件得到，這時候就需要一種設備來采集實物表面各個點的位置信息 一般的方法是通過激光掃描來實現(xiàn)，現(xiàn)在國外已經有許多這樣的商業(yè)儀器 這項技術的一個應用就是掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術品的三維信息,美國斯坦福大學計算機系的著名圖形學專家Marc Levoy曾經帶領他的30人的工作小組（包括美國斯坦福大學及美國華盛頓大學的教師和學生）于19