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1、第二章第二章 图形输入输出设备图形输入输出设备_ 图形设备图形设备_ 图形软件及其标准图形软件及其标准第二章第二章 图形输入输出设备图形输入输出设备_ 图形设备图形设备_ 图形软件及其标准图形软件及其标准图形显示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，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打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备1.1 1.1 阴极射线管阴极射线管1.2 1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管
2、 射线穿透法射线穿透法 影孔板法影孔板法1.3 1.3 随机扫描显示系统随机扫描显示系统1.4 1.4 光栅扫描系统光栅扫描系统1.1 1.1 阴极射线管阴极射线管1.2 1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管 射线穿透法射线穿透法 影孔板法影孔板法1.3 1.3 随机扫描显示系统随机扫描显示系统1.4 1.4 光栅扫描系统光栅扫描系统1.1 1.1 阴极射线管阴极射线管1.2 1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管 射线穿透法射线穿透法 影孔板法影孔板法1.3 1.3 随机扫描显示系统随机扫描显示系统1.4 1.4 光栅扫描系统光栅扫描系统l 阴极射线管阴极射线管(CRT- Cathode Ra
3、y 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、荧光屏工作原理高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加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。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，这时将发出荧电子
4、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光，屏幕上的那一点就会亮了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。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保证电子束在轰击屏幕时，汇聚
5、成很细的点。加速电极加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。 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？控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电电子子束束要要到到达达屏屏幕幕的的边边缘缘时时，偏偏转转角角度度就就会会增增大大。到到达达屏屏幕幕最最边边缘缘的的偏偏转转角角度度被被称称为最大偏转角为最大偏转角最最大大偏偏转转角角是是衡衡量量系系统统性性能能的的最最重重要要的的指指标，显示器长短
6、与此有关标，显示器长短与此有关CRTCRT显示器屏幕越大整个显象管就越长显示器屏幕越大整个显象管就越长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 荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光l余辉余辉：电子束移去后荧光屏可继续发光的：电子束移去后荧光屏可继续发光的时间（时间（荧光物质的主要特性荧光物质的主要特性）l一般定义余辉：电子束离开某点后，该点一般定义余辉：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间。
7、所需的时间。l那么余辉越长还是越短越好呢？那么余辉越长还是越短越好呢？定义：每秒钟重绘屏幕的次数每秒钟重绘屏幕的次数某种某种CRTCRT产生稳定图像所需要的产生稳定图像所需要的最小刷新频率最小刷新频率=1=1秒秒/ /荧光物质的持续发光时间荧光物质的持续发光时间例如：例如：一种荧光物质持续光时间一种荧光物质持续光时间4040毫秒，刷新频率毫秒，刷新频率为为1000/40=251000/40=25帧帧/ /秒，发光时间短，适用于动态图秒，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形显示。发光时间长，适用于静态图形显示l像素像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕
8、（图像）构成屏幕（图像）的最小元素的最小元素l分辨率分辨率( (Resolution)Resolution)：CRTCRT在水平或竖直方向单在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为dpidpi（dots per inch) )。在假定屏幕尺寸一定的情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，况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等1.1 1.1 阴极射线管阴极射线管1.2 1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管 射线穿透法射线穿透法 影
9、孔板法影孔板法1.3 1.3 随机扫描显示系统随机扫描显示系统1.4 1.4 光栅扫描系统光栅扫描系统产生彩色的常用方法产生彩色的常用方法：射线穿透法射线穿透法影孔板法影孔板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应用：主要用于画线显示器应用：主要用于画线显示器优点：成本低优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色缺点：只能产生有限几种颜色 图形质量比较差图形质量比较差影孔板法（书中也叫影孔板法（
10、书中也叫荫罩法荫罩法）原理：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、影孔板中电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光的一个小孔和荧光点
11、呈一直线；点呈一直线；每个小孔与一个像每个小孔与一个像素（即三个荧光点）素（即三个荧光点）对应对应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，称为真彩系统真彩系统（颜色位数为24位）l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。普通的显象管采用的都是点点状状影影孔孔板板显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球球面面管管”。而柱面显象管采用荫荫栅栅式式结构，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“柱面管柱面管”常用的柱面显象管
12、有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）1.1 1.1 阴极射线管阴极射线管1.2 1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管 射线穿透法射线穿透法 影孔板法影孔板法1.3 1.3 随机扫描显示系统随机扫描显示系统1.4 1.4 光栅扫描系统光栅扫描系统随即扫描显示器又称矢量显示器。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。特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。 逻逻辑辑部部件件：刷刷新新存存储储器器( (Refreshing Refreshing Buffer),Buffer),显显示示处处理理器
13、器（DPU:Display Processing UuitDPU:Display Processing Uuit）和和CRTCRTl应用程序发出绘图命令l解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。l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)l 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。 1.1 1.1 阴极射线管阴极射线管1.2 1.2 彩色阴极射线管彩色阴极射线管 射线穿透法射线穿透法 影孔板法影孔板法1.3 1.3 随机扫描显示系统随机扫描显示系统1.4 1.4 光栅扫描系统光栅扫描系统CRT中的水平和垂直偏中的水平和
14、垂直偏转线转线圈分圈分别产别产生水平和垂生水平和垂直磁直磁场场，电电子束子束则则在不同方向磁在不同方向磁场场力作用下力作用下进进行行和列和列扫扫描，将描，将屏幕分成由像素构成的屏幕分成由像素构成的光光光光栅栅栅栅网格网格网格网格，光光栅扫栅扫描描显显示系示系统统可以看作是点可以看作是点阵单阵单元元发发生器，生器，可以控制每个点可以控制每个点阵单阵单元的亮度。元的亮度。*1.4 1.4 光栅扫描的显示系统光栅扫描的显示系统描点法描点法把屏幕分把屏幕分为有限个有限个发亮亮的离散点（每点的离散点（每点为一个一个像素），屏幕上的像素像素），屏幕上的像素点点阵列称列称为光光栅。光光栅扫描：描：电子束按照
15、子束按照固定的固定的扫描描线和和扫描描顺序从左到右、自上而下序从左到右、自上而下进行行扫描；描；像素点具有像素点具有多种色彩和多种色彩和灰度灰度等等级。A光栅扫描显示器图形显示方法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：逻辑部件：帧缓冲存储器帧缓冲存储器（Frame Buffer)视频控制器视频控制器（Video Controller)显示处理器显示处理器（Display Processor）CRT1.4.2 1.4.2 简单光栅扫描显示器结构简单光栅扫描显示器结构作用：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，俗称显存简称帧缓
16、冲器，俗称显存.3 .3 逻辑器件逻辑器件帧缓冲存储器黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓存是一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块连续的计算机存储器。对于黑白单灰度显示器每一像素需要一位存储器，对一个一像素需要一位存储器，对一个1024102410241024像素组像素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为2 22020，并，并在一个位面上。一个位面的缓存只能存储黑白图形，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，因而帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设
17、备，因而还需要数模转换器还需要数模转换器( (DAC)DAC)。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。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。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。若若每每个个单
18、单元元有有2424位位（每每种种基基色色占占8 8位位）即即显显示示系系统统可可同同时时产生产生2 22424种颜色（种颜色（2424位真彩色）。位真彩色）。分辨率分辨率MM N N、颜色个数颜色个数K K与显存大小与显存大小V V的关系的关系显存问题高分辨率和真彩要求有大的显存；曾经是个问题！曾经是个问题！解决方法：采用查色表查色表(Lookup Table）或称彩色表彩色表(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 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，而是先经过颜颜色色查查找找表表（又
19、又称称调调色色板板) )结构产生变换值来控制光点的亮度。查查色色表表是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它它的的长长度度由由帧帧缓缓存存单单元元的的位位数数决决定定，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，具有大大范围内挑选颜色的能力范围内挑选颜色的能力。工作方式：显存中某位值颜色表地址 屏幕上的亮度作用：作用：建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应，负责刷新逻辑结构逻辑结构普通显卡=视频控制器+显存.3 .3 逻辑器件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
20、杂的：光栅操作（像素块的移动、拷贝），几何变换、裁剪、消隐，.3 .3 逻辑器件逻辑器件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CRTCRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展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
21、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液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它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。化，而产生色彩。可视角度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
22、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点距与分辨率点距与分辨率mm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性质性质CRTCRT等离子等离子LCDLCD性质性质CRTCRT等离子等离子LCDLCD功耗功耗大大中中小小对比度对比度中中好好差差屏幕屏幕大大中中小小灰度等级灰度等级好好差差差差厚度厚度大大小小小小视角视角大大中中一般一般平面度平面度一般一般中中好好色彩色彩丰富丰富中中
23、中中亮度亮度好好好好适中适中价格价格低低中中低低分辨率分辨率中中好好一般一般几种显示技术的比较如表所示几种显示技术的比较如表所示: :_ 图形设备图形设备_ 图形软件及其标准图形软件及其标准 图形系统中的硬件设备要在图形软件的驱动下才能工作。分类：基本图形软件-支撑软件应用图形软件-专用软件第一层次第一层次面向系统的面向系统的主要解决图形设备与计算机的通讯接口等问题，称为设备驱动程序，包括一些最基本的输入、输出程序。事实上，设备驱动程序现在已被作为操作系统一部分，由操作系统或设备硬件厂商开发； 第二层次第二层次建立在驱动程序之上建立在驱动程序之上完成图图元元的的生生成成、设设备备的的管管理理等
24、功能，目前这个层次上的图形支撑软件已经标准化，如GKS、PHIGS、CGI等； 第三层次第三层次在中间层基础上编写的在中间层基础上编写的其主要任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形，它是面面向向用用户户的，要求具有较强的交互功能，使用方便，风格好，概念明确，容易阅读，便于维护和移植，OpenGL、DirectX便属于这一层次的软件。图形软件的功能：输出图元图元属性图形结构输入操作几何变换及取景变换其他控制操作应用程序与图形软件包的接口 CORE图形标准：具有三维图形处理能力 GKS图形核心系统：图形核心系统 PHIGS：程序员层次结构交互式图形标准图形软件包与硬件设备之间的接口 CGI：
25、实现与设备无关的核心软件图形数据接口 CGM：计算机图形中介件 STEP：产品模型数据转换标准了解、掌握以下内容了解、掌握以下内容 持续发光时间 刷新率 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 图形软件及其标准一、回答下列一、回答下列问题：1.什么是什么是计算机算机图形学？形学？2.请描述描述图形与形与图像的关系。像的关系。二、解二、解释下列下列术语：像素、光像素、光栅扫描、刷新、分辨率、真色彩、描、刷新、分辨率、真色彩、RGB三、三、计算：算：当一种当一种显示器有示器有600 800像素的分辨率，每个像素能像素的分辨率，每个像素能显示示65536种种颜色，刷新率是每秒色，刷新率是每秒60次次时，每秒，每秒钟有有多少比特多少比特传送送给显示器？示器？几个问题几个问题
