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1、第二章 计算机图形系统 与一般计算机系统一样，计算机图形系统也 是由硬件和软件两部分组成。硬件包括主机、输 入设备和输出设备。输入设备通常为键盘、鼠标 、数字化仪、扫描仪和光笔等。输出设备则为图 形显示器、绘图仪和打印机。这里主要介绍图形 输出设备，而图形输入设备的内容放在交互技术 那一章去介绍。 而输出设备主要为显示设备和 硬拷贝设备。 2.1 图形硬件设备 2.1.1 显示设备 2.1.2 硬拷贝设备 2.2 图形软件系统 主要内容： 2.1 图形硬件设备 图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出设 备，早前大部分视频显示器的操作是基于标准的 阴极射线管（CRT：Cathode Ray T
2、ube）设计 的。此外，还有液晶显示器和等离子板显示器等 ，它们体积小，功耗少，主要用于便携式电脑上 。 2.1.1 显示设备 CRT显示器经历了多个发展阶段，出现过各种 不同类型的CRT显示器，如存储式显示器、随 机扫描显示器，但是这些显示器有明显的缺点 ，图形表现能力也很弱。20世纪70年代开始出 现的刷新式光栅扫描显示技术走向成熟的一个 标志。尤其是彩色光栅扫描显示器的出现，将 人们带入一个多彩的世界。 是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经 过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕 表面的荧光材料而产生可见图形。CRT由五部分组 成：电子枪、加速电极、聚焦系统、偏转系统和荧 光
3、屏，这五部分都封装在真空管内，其构造见下图 。 一 CRT显示器工作原理 灯丝灯丝 阴级阴级 控制栅控制栅 聚焦系统聚焦系统 偏转系统偏转系统荧光涂层荧光涂层 加速电极加速电极 荧光屏上涂有一层荧光粉，受到电子束打 击时会发出荧光。当打击结束后，荧光仍会保 持一段时间才消失，这种现象称为余辉，荧光 亮度随着时间按指数衰减，为了使人们看到一 个稳定而不闪烁的图形，整个画面必须在每秒 钟内重复显示许多次，这也称为屏幕刷新。 CRT上用的荧光物质有多种，除颜色不同外 ，荧光物质的主要差别在于它们的余辉保持时 间，短余辉荧光层需要较高刷新速度，才能保 证屏幕图像不闪烁。短余辉荧光层用于动画， 而长余辉
4、荧光层则用来显示高复杂程度的静态 图形。对于图形显示CRT，通常采用余辉时间 为10s60s的荧光材料。 二 彩色CRT显示器 CRT显示器利用能发射不同颜色的荧光物质 的组合来显示彩色图形。组合不同荧光物质的 发射光，便能生成一定范围的彩色。用CRT产 生彩色显示的两种基本技术是电子束穿透法和 荫罩法。 电子束穿透法用于随机扫描显示器。两层荧光 层，通常是一红一绿，涂覆在CRT屏幕的内层， 而显示的颜色取决于电子束穿透进荧光层的深浅 。慢速的电子束只激活外面的红色层，快速的电 子束穿过红色层并激活里面的绿色层。而中速的 电子束，通过红、绿光发射的组合，来生成另外 的两种颜色：橙色和黄色。电子
5、束穿透法是随机 扫描显示器生成彩色的廉价途径，但只可能有四 色，而且图形质量不如其它方法。 1、电子束穿透法 根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅也就不 一样。普通的显示器一般用三角的排列方式，这 种显像管被称为荫罩式显像管。荫罩法常用于光 栅扫描系统，因为它能产生的彩色范围比电子束 穿透法宽广得多。 2、荫罩式 这样的彩色CRT有三支电子枪，分别与三个荧 光点相对应，即每支电子枪发出的电子束专门 用于轰击某一个荧光点。而荫罩板被安装在紧 靠荧光涂层的地方，板上有很多小孔，每个小 孔与一个象素（即三个荧光点）相对应。 三个电子束经聚焦偏转后穿过荫罩板上的小孔 ，激活该小孔对应的三个荧光点。由于三
6、个荧 光点很小并充分靠近，我们观察到的是它们混 合颜色的一个光点，即象素。 三色荧光屏三色荧光屏 荫罩板荫罩板 三个电子枪三个电子枪 能显示16兆种颜色的显示系统叫做真彩色显示系统 3、荫栅式 普通的显象管采用的都是荫罩式显象管，显象管 的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。 荫罩式球面显示器几何失真大，而且三角形的荧光 点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰，所以 后来荫栅式显示器逐渐流行起来。 采用荫栅式显像管的显示器有柱面显示和平面显 示器。柱面显示它的表面在水平方向仍然略微凸起 ，但是在垂直方向上却是笔直的，可将屏幕上方的 光线反射到下方，减弱眩光。平面显示器，屏幕完 全平面，
7、大大提高质量。 荫栅式彩色CRT显色原理 这种条状荫栅由固定在一个拉 力极大的铁框中的，互相平行 的垂直铁线阵列组成。这种栅 栏从屏幕顶一直通到屏幕底， 而不是单独的荧光点。通过电 子枪射出电子束，穿过栅条打 在荧光条上使其发光。这种结 构因消除了纵向间距，透光率 比荫罩式显示器高30%，加之 垂直的荧光粉条，所以亮度更 高，色彩比其它的显像管系统 亮丽细致。 荫栅式与荫罩式显像管的区别主要表现在 选色板及荧光粉的排列方式。荫罩式显像 管的选色板为孔状金属板，荧光粉为点状 排列，点距是0.28；荫栅式显像管的选色 板采用垂直金属线组成，荧光粉的排列为R 、G、B三色荧光粉条，点距是0.25，透
8、光 率更强，因而显示色彩更丰富亮丽。荫栅 式显像管在垂直方向不存在弧度，所以垂 直方向无失真。 柱面和球面显示器点距定义示意图 三、随机扫描的图形显示器 随机扫描显示器中，电子束可以在任意方向上自 由移动，按照显示命令用画线的方式绘出图形， 因此也称矢量显示器，随机扫描显示器电子束的 定位和偏转具有随机性，只在需要的地方扫描， 而不必全屏扫描。在随机扫描显示系统中，图形 的定义以矢量画线命令的形式存放在显示文件中 ，所以依靠显示文件对屏幕图形进行刷新。应用 程序若要修改屏幕上的图形，则要修改显示文件 中的某些绘图命令，修改的结果在下一次刷新时 得到体现。 应用程序发出绘图命令，由DFT解析成显
9、示处理器 可接受命令格式，存放在帧缓冲存储器中； 帧缓冲存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件 ； DPU取出帧缓冲存储器或固定存储器中的显示指令 ，依次执行； 驱动电子枪，由控制电路使电子束以所需的亮度偏 转到所需的位置，在屏幕上绘图。 1.无多余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系 统更高的分辨率、生成光滑线条。 2.不能显示逼真场景、驱动系统也较复杂。 3.不能显示太复杂的图形，因为显示文件会太 长，重复扫描图形会闪烁。 特点： 四、存储管式的图形显示器 是20世纪60年代后期开始出现的图形显示器，最 大特点在于它的荧光粉能够在足够长的时间内（以 小时计）保持图形而不需要刷新，因此价格低廉，
10、 可以不闪烁地显示任意多的线条和字符，而且相当 清晰。致命弱点在于图形的修改和删除方面，它只 能一次擦除整屏的图形，而且擦除时间长达数秒， 若想有选择地擦除某一部分图形则是不可能的。这 样，就限制了它在动态作图和交互修改作图方面的 应用。 显示图形的方式和随机扫描显示器一样，电子束 在屏幕上随机绘出图形，同样它也只能画线图，不 能进行实面积填充。 存储管式显示器特点 1、无需刷新、很复杂的图形都可以在极高的分辨率 下无闪烁地显示。 2、成本较低，不需要太大内存。 3、不能显示彩色、不能局部修改、动画效果不好。 五、光栅扫描式图形显示器 在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一 行，从顶到底
11、顺次进行。当电子束横向沿每一行移 动时，电子束的强度随帧缓存器中的值而变化，从 而在屏幕上建立亮点的图案。 图形定义存放在帧缓冲存储器中，帧缓存保存 了对应屏幕所有点的亮度值。每个屏幕点称作 象素，由于光栅扫描CRT对屏幕上每个象素都 有存储亮度信息的能力，因此它能较好地用于 包含细微阴影和彩色场景的逼真显示。 光栅扫描显示器中，屏幕图形是依靠帧缓存进行 刷新的，而视频控制器是负责刷新的部件，它建 立了帧缓存中的单元与屏幕象素之间一一对应的 关系，视频控制器的逻辑结构如下图所示：X、Y 寄存器用来存放屏幕象素的坐标，存储在帧缓存 中该象素对应位置的值被取出，并用来控制CRT 电子束的强度。从左
12、到右，从上到下，对一帧的 每一个象素都进行处理后，又重复上述过程进行 下一轮的刷新。 灰度光栅显示器结构灰度光栅显示器结构 象素的亮度范围取决于帧缓存的位数。在 简单的黑白显示中，每个象素只有两个亮度 值：亮、暗，因此每个象素只需一位来控制 屏幕位置的亮度。 彩色光栅扫描显示器结构彩色光栅扫描显示器结构 如果要显示彩色并且亮度可变，就需要增加位，在 高质量系统中，每个象素可多达24位（红、绿、蓝 三基色，每种基色占8位：83=24位），这时每个 象素可显示224种亮度值。 可显示真实感图形 图形的动画效果较好 显示斜线时有阶梯效应 光栅扫描显示器的特点 液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，
13、它 具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶 受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发 生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变 化，而产生色彩，生成图形的机理是通过能阻塞 或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光 源的偏振光。 六 液晶显示器 液晶显示器由六层组成，如下图所示。 等离子体显示（Plasma Panel），其结构为用通 常包括氖气的混合气体充入两块玻璃板之间的区 域。一块玻璃板上放置一系列垂直导电带，而另 一玻璃板上构造一组水平带,如下图所示。 七 等离子显示器 在成对的水平和垂直导电带上施以点火电压， 导致两导电带交叉点处的气体进入辉光放电的等 离子区。图形的定义被存
14、储在刷新缓冲器，点火 电压以每秒60次的速率，用于刷新象素位置（导 电带的交叉处），使用交变电流方法快速提供点 火电压，可得到较亮的显示。等离子体显示技术 适合于制造较大屏幕的显示器。 图形显示器用于观察、修改图形，但是屏幕 上的图形不可能长久地保存下来，在工程界还 需要变成图纸或胶片用于生产，因此在计算机 图形系统中还应该有绘图机这样的图形硬拷贝 输出设备。象显示器一样，图形硬拷贝输出设 备的发展也非常迅速，且种类繁多，它的发展 动向正朝着高速度、高精度、高性能、大面积 、低成本的方向发展。 2.1.2 硬拷贝设备 一、打印机 打印机以两种方式：击打式或非击打式产生输 出。击打式打印机隔着色
15、带将某种格式的字符打 在纸上。行式打印机是击打设备的例子，其字体 装在带上、链上、鼓上或轮上。非击打式打印机 和绘图仪用激光技术、喷墨技术、复印技术（照 相拷贝）、静电方式和电热方式，把图像印在纸 上。 字符击打式打印机常常有一个点阵打印头， 其中包含有一组矩形阵列结构金属针，针的总数 决定着打印机的质量，单个字符或图案可用缩回 某些针而让余下的针来打印。 激光打印机结构图 二、激光设备 在激光设备里，激光束把要打印的图形写在感光 鼓上，鼓再把这一图形转移到纸上。激光打印机 的主要构成部分有感光鼓、炭粉、打底电晕丝和 转移电晕丝。 喷绘仪实 物图 三、喷墨设备 喷墨法产生的输出，是沿包裹在鼓上
16、的纸卷逐行 喷墨水来实现的。在高压下墨水形成墨雾，充电 荷的墨雾在电场控制下发生偏转，将墨雾喷印到 纸上。 静电绘图仪结构图 四、静电设备 静电设备沿纸的宽度方向一次一整行地置负电 荷于纸上，尔后，面对调色剂曝光。调色剂充以 正电，被吸引到充以负电的区域，从而产生指定 的输出。 静电绘图仪分辨率可达200dpi，其速度比笔绘 仪高，运行可靠，噪声小，但用纸特殊而价格昂 贵。 热升华打印机 五、电热式设备 电热式利用点阵打印头的热度，在热感应纸上输 出图案。 平面电机式绘图仪结构图 机械传动式绘图仪结构图 六、笔绘仪 笔绘仪有一支或多支笔安装在横跨纸的笔架或滑杆 上，各种彩色和不同粗细的笔用来绘制各种阴影和 线型。与前面几种点阵硬拷贝设备不同，笔绘仪属 于随机画线硬拷贝设备。 笔绘仪的绘图速度取决于绘图笔移动的速度和 加速度。这里，加速度和笔绘仪笔头的质量有关。 2.2 图图形软软件系统统 硬件是实现绘图的必要条件，但要保证具有良 好的信息处理能力、较高的绘图速度与精度、清 晰美观的图形、操作使用方便，则必须有足够先 进的软件支持系统。图形软件系统涉及：图形应 用数
