第二章 图形设备与系统2.1 图形显示设备2.2 图形输入设备2.3 图形系统及其标准1 •图形输出–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2 2.1 图形显示器2.1.1 阴极射线管2.1.2 彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法2.1.3 随机扫描显示系统2.1.4 光栅扫描系统3 l 阴极射线管阴极射线管(CRT- Cathode Ray Tube)–组成：包括电子枪、加速结构、聚焦组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏系统、偏转系统、荧光屏阴极射线管（CRT)4 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5 –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6 电子枪•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7 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 8 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9 荧光屏 荧光物质：荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光当它被电子轰击时发出亮光l持续发光时间：持续发光时间：电子束离开某点后，该点的电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值亮度值衰减到初始值1/10所需的时间所需的时间l刷新刷新(Refresh)：：为了让荧光物质保持一个稳为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值定的亮度值l刷新频率：刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数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）=1000/40=25Hz10 荧光屏l像素像素(Pixel:Picture Cell)：：构成屏幕（图构成屏幕（图像）的最小元素像）的最小元素l分辨率分辨率(Resolution)：：CRT在水平或竖直在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为单位通常为dpi（（dots per inch)。
在假定屏在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所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，如能容纳的像素个数描述，如640*480，，800*600，，1024*768，，1280*1024等等等等11 产生彩色的常用方法：射线穿透法影孔板法2.1.2 彩色阴极射线管12 2.1.2 彩色阴极射线管-射线穿透法射线穿透法•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电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束13 彩色阴极射线管-射线穿透法射线穿透法•应用：应用：主要用于画线显示器主要用于画线显示器•优点：优点：成本低成本低•缺点：缺点：只能产生有限几种颜色只能产生有限几种颜色14 2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法影孔板法–影孔板法影孔板法•原理：原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，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15 –影孔板的类型影孔板的类型•点状影孔板点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管代表：大多数球面与柱面显像管•栅格式影孔板栅格式影孔板代表：代表：Sony的的Trinitron与与Mitsubishi的的Diamondtron显像管显像管•沟槽式影孔板沟槽式影孔板代表：代表：LG的的Flatron显像管显像管16 2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法影孔板法–点状影孔板工作原理点状影孔板工作原理•红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色•三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）〉像素）•三支电子枪三支电子枪电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光荧光点点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点荧光点）对应17 显示器能同时显示的颜色个数显示器能同时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l调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。
18 –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，呈圆柱状，故称之为“柱面管”•常用的荫栅式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）19 R G B红绿兰荫栅荧光屏荫栅式彩色CRT显色原理20 R GG BB0.25mmd=0.28mm0.22mm0.31mmR GBG点距为.25的柱面显示器点距为.28的球面显示器柱面和球面显示器点距定义示意图21 2.1.3 随机扫描的显示系统特点：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CRT22 l 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23 2.1.4 光栅扫描的显示系统•光栅扫描显示系统–特点：光栅扫描–扫描线–帧–水平回扫期–垂直回扫期24 几个概念•行频、帧频行频、帧频水平扫描频率为行频垂直扫描频率为帧频•逐行扫描、隔行扫描逐行扫描、隔行扫描隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线25 几个概念•象素象素整个屏幕被扫描线分成 n 行，每行有 m 个点，每个点为一个象素整个屏幕有 m × n 个象素•分辨率分辨率是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光点（象素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率通常用屏幕上象素的数目来表示比如上述的 n 行，每行 m 点的屏幕分辨率为 m × n 分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图像也就越清晰分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显示存储器容量的限制26 几个概念•点距点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关•显示速度显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关可用最大带宽（水平象素数 × 垂直象素数 × 最大帧频）来表示27 几个概念•色彩与亮度等级色彩与亮度等级亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。
色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM容量的影响•图像刷新图像刷新由于CRT内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示目前刷新频率标准为每秒50~120帧28 几个概念•帧缓冲存储器（显示存储器）帧缓冲存储器（显示存储器） 存储用于刷新的图像信息的存储器帧缓冲存储器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可寻址的地址数的乘积来表示，称为帧缓冲存储器的分辨率29 帧缓冲存储器帧缓冲存储器（（Frame Buffer)，，视频控制视频控制器器（（Video Controller)，，显示处理器显示处理器（（Display Processor），），CRT–帧缓冲存储器帧缓冲存储器•作用：存储屏幕上像素的颜色值作用：存储屏幕上像素的颜色值•简称帧缓冲器，俗称简称帧缓冲器，俗称显存显存逻辑部件30 l帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应像素的颜色。
l显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位） 31 黑白光栅扫描显示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度显示器每一象素需要一位存储器，对一个1024×1024象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)32 彩色光栅扫描显示器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33 彩色光栅扫描显示器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34 彩色光栅扫描显示器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种灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。
35 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）•分辨率分辨率M*N、、颜色个数颜色个数K与显存大与显存大小小V的关系的关系36 彩色光栅扫描显示器•3个位面分辩率是1024×1024的显示器，需要3×1024×1024（3145728）位的存储器若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系1兆字节的帧缓存，若设分辩率为640×480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色，若设分辩率为1024×768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下37 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真彩模式需要真彩模式需要3M字节显存字节显存38 查色表（look up Table）–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28＝256–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：39 存放方式•颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。
二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了•单色系统：查色表固化•彩显：可修改、创建查色表40 •带宽带宽T与分辨率、帧频与分辨率、帧频F的关系的关系带宽问题–高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽--依然是个问题！–解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用， 主流显示器都采用逐行扫描方式）–隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与 偶数场–场频：==2*帧频彩色光栅扫描显示器41 隔行扫描工作原理•一帧完整的画面分成两场•一场1／60秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场1／60秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少一半降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求42 •简单的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕43 •较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域44 视频控制器•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45 显示处理器•作用：代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等46 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47 优点：优点：–成本低成本低–易于绘制填充图形易于绘制填充图形–色彩丰富色彩丰富–刷新频率一定，与图形的复杂程度无关刷新频率一定，与图形的复杂程度无关–易于修改图形易于修改图形缺点：缺点：–需要扫描转换需要扫描转换–会产生混淆会产生混淆缺点正在被克服优点使其占据了市场主流光栅显示系统的特点光栅显示系统的特点48 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49 –LCD显示器的优点•外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右。
•不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象•工作电压低，功耗小，节约能源•没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响50 索尼公司的两款LCD外形51 液晶显示器的构成液晶显示器的构成•液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的平板式显示器反射层反射层反射层反射层水平极板水平极板水平极板水平极板水平网水平网水平网水平网格线格线格线格线液晶层液晶层液晶层液晶层垂直网垂直网垂直网垂直网格线格线格线格线垂直极板垂直极板垂直极板垂直极板观观观观察察察察方方方方向向向向52 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•液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板53 液晶显示器的缺点液晶显示器的缺点•寿命短、怕震动、温度敏感•分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。
54 图形处理器•图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带•早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须有CPU来控制•现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力，大大减轻了CPU的负担,提高了显示质量和显示速度55 图形处理器的组成•显示主芯片–显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染•显示缓存–用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据–显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥•数字模拟转换器（RAMDAC）–它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号56 显卡工作原理简单示意图57 *纯平显示器*–走向平面的显像管•球面显象管：–表面：球面的一部分–时间：~90年代初•柱面显象管：–表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲–时间：90年代中期–代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron58 *纯平显示器*–走向平面的显像管•平面直角显象管–表面：球面的一部分，类似于平面–时间：90年代中后期–现在市场上的主流显象管•纯平显象管–表面：纯平面–时间：90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–今后的主流显象管59 *未来显示器*•采用空气等离子体技术，无须刷新缓冲存储器•空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。
•显示屏薄，挂在墙上•发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具有无与伦比的清晰度，无锯齿现象真正的平面直角60 具有完整人机交互界面，集高性能的计算和图形于一身，可配置大容量的内存和硬盘，I/O和网络功能完善，使用多任务多用户操作系统的小型通用个人化计算机系统1983年美国APOLLO公司推出第一台适合计算机辅助设计（CAD）的工作站现在全球最有名的图形工作站属SGI图形工作站图形工作站61 第二章 图形设备与系统2.1 图形显示设备2.2 图形输入设备2.3 图形系统及其标准62 2.2图形输入设备–最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备——键盘和鼠标–跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择数据手套则是通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用63 –光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置•光笔的形状和大小象一支圆珠笔，笔尖处开有一个圆孔，让荧光屏的光通过这个孔进入光笔光笔的头部有一组透镜，把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上，光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，从而将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个有合适信噪比的逻辑电平，并作为中断信号送给计算机64 光笔结构示意图65 –数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备基本工作原理是采用电磁感应技术•由一块数据板和一个定标器组成。
数据板中布满了金属栅格，当定标器在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出定标器当前的几何位置66 67 –扫描仪图形扫描仪是直接把图形和图象扫描到计算机中以象素信息进行存储的设备绝大多数是采用的固态器件是电荷耦合器件（CCD Charge Coupled Device）•工作原理用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的颜色信息，再经过模/数转换器，图象数据暂存器等，最终输入到计算机68 扫描仪的模块框图69 –真实物体的三维信息的输入•在实际的产生过程中许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，有时这个模型要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息•一般的方法是通过激光扫描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器•这项技术的一个应用就是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息70 •美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Levoy曾经带领他的30人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于1998～1999学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。
当然工作难度是相当大的，他们为此专门设计了一套硬件和软件系统数据量也是惊人的，光大卫像（the David）就有20亿个多边形和7000张彩色图象，总共需要72G的磁盘容量这次工作可以说是实体图形输入的一个颠峰之作71 第二章 图形设备与系统2.1 图形显示设备2.2 图形输入设备2.3 图形系统及其标准72 2.3 图形系统及其标准•硬件，图形 I/O 设备，系统软件，图形软件•图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包•通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集(比如，OpenGL).•基本功能：图元生成，属性设置（颜色，….）选择观察及实施变换等•专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系统73 图形系统标准•图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准74 图形系统标准分类•面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…)计算机图形接口(CGI).设备驱动程序•面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL (图形程序包)（三维）图形核心系统（3D-)GKS•面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）75 持续发光时间刷新像素 CRT的分辨率阴极射线管的组成部分及其功能射线穿透法及影孔板法产生彩色的工作原理随机扫描显示系统的逻辑部件及工作机理光栅扫描显示系统的逻辑部件及工作机理查色表及其工作原理显存大小、屏幕分辨率及可同时显示的颜色数目之间的关系图形系统及其标准概念与术语76 。