图形输入输出设备教学提纲

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1、第二讲 图形输入输出设备,第二章 图形输入输出设备,图形设备,图形软件及其标准,第二章 图形输入输出设备,图形设备,图形软件及其标准,图形设备,图形显示设备 图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图形显示指的是在屏幕上输出图形 图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备,1 图形显示器,1.1 阴极射线管 1.2 彩色阴极射线管 射线穿透法 影孔板法 1.3 随机扫描显示系统 1.4 光栅扫描系统,1 图形显示器,1.1 阴极射线管 1.2 彩色阴极射线管 射线穿透法 影孔板法 1.3 随机扫描显示系统 1.4 光栅扫描系统,阴极射线管(CRT- Catho

2、de Ray Tube) 组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏,阴极射线管（CRT),阴极射线管(CRT),工作原理 高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了,几个问题？,1.如何控制电子束的发射和亮度？ 答：使用电子枪发射电子束。利用控制栅调节电子枪发射的电子束，从而控制电子书的亮度。 注意： 当控制栅加负电时，可以使发射出的电子减少,电

3、子枪,电灯丝，阴极和控制栅组成。 阴极：由灯丝加热发出电子束， 控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。,几个问题？,2.为什么要用聚焦系统和加速电极？ 答：电子束在发射途中要相互排斥。利用电位形成的电场可以把电子束聚焦成一细束。 加速电极可以使电子束高速运动,聚焦系统,保证电子束在轰击屏幕 时，汇聚成很细的点。 加速电极 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。,几个问题？,3.电子束的位置是否可控，如何控制？ 答：可以利用偏转板控制电子束的位置。 偏转板中包括垂直偏转板和水平偏转板。每对板上加有与电子

4、束在该方向上的偏转量成正比例的电位差。 注意： 电子束会偏向点位高还是低的极板哪？,偏转系统,控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角 最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关 CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长,几个问题？,4.如何使荧光屏上的画面稳定？ 答：要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束 刷新频率 刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程 刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示,荧光屏,荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光 余辉：电子束移去后荧光屏可继续发光的时间（荧光物质的

5、主要特性） 一般定义余辉：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间。 那么余辉越长还是越短越好呢？,刷新频率,定义：每秒钟重绘屏幕的次数 某种CRT产生稳定图像所需要的 最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间 例如：一种荧光物质持续光时间40毫秒，刷新频率为1000/40=25帧/秒，发光时间短，适用于动态图形显示。发光时间长，适用于静态图形显示,荧光屏的两个参数,像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元素 分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为dpi（dots per inch)。

6、在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等,1 图形显示器,1.1 阴极射线管 1.2 彩色阴极射线管 射线穿透法 影孔板法 1.3 随机扫描显示系统 1.4 光栅扫描系统,产生彩色的常用方法： 射线穿透法 影孔板法,1.2 彩色阴极射线管,1.2.1 彩色阴极射线管-射线穿透法,书中也叫电子透入法 原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色,电子束,荧光涂层,产生颜色,低速电子束,较低速电子束,较高速电子束,高速电子束,彩色阴极射线管-射线穿透法

7、,应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：只能产生有限几种颜色 图形质量比较差,1.2.2 彩色阴极射线管-影孔板法,影孔板法（书中也叫荫罩法） 原理：通常用于光栅扫描显示器中，颜色范围广，每个像素有三个荧光点（红、绿、蓝三基色）。影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,影孔板的类型 点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管 荫栅式影孔板 代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi 的Diamondtron显像管 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管,1.2.2 彩色阴极射线管-影孔板法,点状影孔板工作原理 红、绿、兰三基

8、色 三色荧光点（很小并充分靠近-像素） 三支电子枪,电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线； 每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应,显示的颜色个数,如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统（颜色位数为24位）,调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目（通过控制栅完成），即可控制各色光点亮度，并最终控制各点的颜色。,球面显示器与柱面显示器,普通的显象管采用的都是点状影孔板显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，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

9、，呈圆柱状，故称之为“柱面管” 常用的柱面显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）,1 图形显示器,1.1 阴极射线管 1.2 彩色阴极射线管 射线穿透法 影孔板法 1.3 随机扫描显示系统 1.4 光栅扫描系统,1.3 随机扫描的显示系统,随即扫描显示器又称矢量显示器。 特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。 逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT,应用程序发出绘图命令 解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。 刷

10、新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行(刷新) 驱动电子枪在屏幕上绘图。修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。,工作原理,1 图形显示器,1.1 阴极射线管 1.2 彩色阴极射线管 射线穿透法 影孔板法 1.3 随机扫描显示系统 1.4 光栅扫描系统,CRT中的水平和垂直偏转线圈分别产生水平和垂直磁场，电子束则在不同方向磁场力作用下进行和列扫描，将屏幕分成由像素构成的光栅网格，光栅扫描显示系统可以看作是点阵单元发生器，可以控制每个点阵单元的亮度。,*,1.4 光栅扫描的显示系统,描点法 把屏幕分为有限个发亮的离散点（每点为一个像素），屏幕上的像素点阵列称为光

11、栅。 光栅扫描：电子束按照固定的扫描线和扫描顺序从左到右、自上而下进行扫描； 像素点具有多种色彩和灰度等级。,A,1.4.1光栅扫描显示器图形显示方法,CPU,系统 存储器,帧缓 冲器,视频 控制器,CRT,系统总线,逻辑部件： 帧缓冲存储器（Frame Buffer) 视频控制器（Video Controller) 显示处理器（Display Processor） CRT,1.4.2 简单光栅扫描显示器结构,作用：存储屏幕上像素的颜色值 简称帧缓冲器，俗称显存,1.4.3 逻辑器件帧缓冲存储器,黑白光栅扫描显示器,黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单灰

12、度显示器每一像素需要一位存储器，对一个10241024像素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220，并在一个位面上。一个位面的缓存只能存储黑白图形，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，因而还需要数模转换器(DAC)。,彩色光栅扫描显示器,在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。,彩色光栅扫描显示器,下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存和三个电子枪

13、。,彩色光栅扫描显示器,每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。,彩色光栅扫描显示器,若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。 分辨率MN、颜色个数K与显存大小V的关系,彩色光栅扫描显示器,显存问题 高分辨率和真彩要求有大的显存； 曾经是个问题！ 解决方法：采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table) 查色表工作原理,1024*768真彩模式需要3M字节显存,查色表（lo

14、ok up Table）,图形系统为更灵活控制图形和颜色的变化，往往不直接将帧缓冲器中的数值作图显示的亮度值，而是先经过颜色查找表（又称调色板)结构产生变换值来控制光点的亮度。 查色表是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256 目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力。,查色表,工作方式： 显存中某位值颜色表地址 屏幕上的亮度,作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新 逻辑结构,普通显卡=视频控制器+显存,1.4.3 逻辑器件视频控制器,低档图形显示系统，扫描转换工作直接由CPU类

15、完成。 任务：扫描转换待显示的图形。 简单的：直线、圆弧、多边形等， 复杂的：光栅操作（像素块的移动、拷贝），几何变换、裁剪、消隐，,1.4.3 逻辑器件显示处理器,显示处理器,具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构,图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器,LCD显示器,CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响,LCD显示器的构成,液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由

16、六层薄板组成的平板式显示器,反射层,水平极板,水平网格线,液晶层,垂直网格线,垂直极板,观察方向,LCD显示器基本原理,液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，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。,LCD显示器的基本指标,可视角度 视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有CR10（Contrast Ratio）、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度,LCD显示器的基本指标,点距与分辨率 液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.280.32mm就能得到较好的显示效果 通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率，表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积,几种显示技术的比较如表所示:,图形设备,图形软件及其标准,图形软件,图形系统中的硬件设备要在图形软件的