1、Computer Graphics SystemLectured by Hua YanAgendanComponents of CG systemnCG System HardwarenQ&AComponents of CG System主機主機顯示器顯示器鍵盤、鍵盤、光筆光筆硬盤等外硬盤等外設設繪圖儀繪圖儀人人OS圖形軟件包圖形軟件包圖形應用圖形應用程序程序圖形輸入圖形輸入圖形計算圖形計算圖形交互圖形交互圖形輸出圖形輸出圖形存儲圖形存儲CG System Hardwaren視頻顯示設備視頻顯示設備n圖形輸入設備圖形輸入設備n圖形工作站圖形工作站n圖形硬拷貝設備圖形硬拷貝設備CG Sy

2、stem HardwarenQuestions?nCRT 、 LCD、LED、平板顯示、平板顯示n隨機掃描隨機掃描 vs.光柵掃描光柵掃描n電子搶、熒光質、光點、分辨率電子搶、熒光質、光點、分辨率n刷新頻率刷新頻率n像素像素n掃描轉換、掃描轉換、GPUn硬拷貝硬拷貝 視頻顯示設備視頻顯示設備n刷新式刷新式CRTn光柵掃描光柵掃描 & 隨機掃描隨機掃描n光柵掃描系統光柵掃描系統n彩色彩色CRTn平板顯示器平板顯示器 nCRT Cathode-ray tube視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRTnCRT基本部件基本部件n電子槍（加熱陰極電子槍（加熱陰極+控制柵極）控制柵極）n聚焦系

3、統聚焦系統n加速陽極加速陽極n偏轉系統偏轉系統n熒光屏熒光屏視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRT電子槍電子槍 聚焦系統聚焦系統加速系統加速系統磁偏轉系統磁偏轉系統加熱燈絲加熱燈絲金屬陰極金屬陰極 控制柵極控制柵極水平偏轉板水平偏轉板 垂直偏轉板垂直偏轉板電子束電子束熒光屏熒光屏視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRT工作原理：高速的電子束由工作原理：高速的電子束由電子槍電子槍發出，經過發出，經過聚焦聚焦系統系統、加速系統加速系統和和偏轉系統偏轉系統就會到達就會到達熒光屏熒光屏的特定的特定位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發生電位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發生電子躍遷，

4、即電子吸收到能量從低能態變為高能態，子躍遷，即電子吸收到能量從低能態變為高能態，由于高能態很不穩定，在很短的時間內熒光物質的由于高能態很不穩定，在很短的時間內熒光物質的電子會從高能態重新回到低能態，這時將發出熒光，電子會從高能態重新回到低能態，這時將發出熒光，屏幕上產生亮點。要保持顯示一幅穩定的畫面，必屏幕上產生亮點。要保持顯示一幅穩定的畫面，必須不斷地發射電子束。須不斷地發射電子束。視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRT電子槍基本構件：陰極、控制柵極電子槍基本構件：陰極、控制柵極熒光屏亮度控制？熒光屏亮度控制？在控制柵極上施加電壓來控制電子束在控制柵極上施加電壓來控制電子束的強弱。當加

5、上正電壓時，電子束就的強弱。當加上正電壓時，電子束就會大量通過，將會在屏幕上形成較亮會大量通過，將會在屏幕上形成較亮的點，當控制電平加上負電壓時，依的點，當控制電平加上負電壓時，依據所加電壓的大小，電子束被部分或據所加電壓的大小，電子束被部分或全部阻截，通過的電子很少，屏幕上全部阻截，通過的電子很少，屏幕上的點也就比較暗。的點也就比較暗。視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRT聚焦系統聚焦系統 作用是使眾多的電子到達熒光屏時聚集于一點，否作用是使眾多的電子到達熒光屏時聚集于一點，否則由于電子的相互排斥產生散焦現象。聚焦既可以用則由于電子的相互排斥產生散焦現象。聚焦既可以用電場實現，也可以用

6、磁場實現。電場實現，也可以用磁場實現。偏轉系統偏轉系統 定位作用，決定電子束在熒光屏水平和垂直方向的定位作用，決定電子束在熒光屏水平和垂直方向的位移。分為磁偏轉位移。分為磁偏轉(30us)和靜電偏轉和靜電偏轉(3us)兩類。兩類。視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRT靜電偏轉有兩對極板（一對水平、一對垂直）靜電偏轉有兩對極板（一對水平、一對垂直）視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRT熒光屏熒光屏熒光質特性熒光質特性: 顏色顏色 、余輝時間、余輝時間熒光質兩種狀態熒光質兩種狀態: 受激態和基本態受激態和基本態余輝余輝時間時間: 定義為熒光質從發光開始到亮度衰減到定義為熒光質從發光開始

7、到亮度衰減到最大亮度的最大亮度的10%的這段時間。通常為的這段時間。通常為1060us長余輝熒光層適合顯示復雜的靜態圖形，而短余輝長余輝熒光層適合顯示復雜的靜態圖形，而短余輝熒光層適合動畫應用熒光層適合動畫應用視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRT刷新刷新式式CRT: 采用電子束周期性地回到同一點的采用電子束周期性地回到同一點的方式來保持圖像的方式來保持圖像的CRT。視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRT視頻顯示設備視頻顯示設備 刷新式刷新式CRTn顯示器相關術語顯示器相關術語n光點光點n點距點距n分辨率分辨率n顯示縱橫比顯示縱橫比n刷新頻率，行頻，場頻，帶寬刷新頻率，行頻，場頻，

8、帶寬n像素像素n幀緩沖區幀緩沖區n 光點概念光點概念CRT 屏幕上受激熒光點屏幕上受激熒光點的能量分布圖的能量分布圖光點（熒光層亮點）光點（熒光層亮點） 電子束打在顯示器的熒光屏，電子束打在顯示器的熒光屏，顯示器能夠顯示的最小發光點顯示器能夠顯示的最小發光點 - 硬件最小圖像點硬件最小圖像點 光點物理直徑光點物理直徑 光點亮度下降到最大亮度的光點亮度下降到最大亮度的60%處的直徑。例如處的直徑。例如0.28mm, 0.19mm點距點距熒光屏上兩個相鄰的相同顏色磷熒光屏上兩個相鄰的相同顏色磷光點之間的最短距離。光點之間的最短距離。單位：單位：mm兩個熒光層亮點的間隔兩個熒光層亮點的間隔大于光點物

9、理直徑時，大于光點物理直徑時，兩個亮點是可區分的兩個亮點是可區分的分辨率分辨率ResolutionDef. CRT上無重疊顯示的最大光點數上無重疊顯示的最大光點數表示方法表示方法：水平光點數水平光點數x垂直光點數垂直光點數光點物理直徑光點物理直徑DPI Dots per Inch4 相關因素相關因素熒光質類型熒光質類型 、亮度大小以及聚焦和偏轉系統、亮度大小以及聚焦和偏轉系統視頻顯示設備視頻顯示設備 光柵掃描與隨機掃描光柵掃描與隨機掃描n光柵與隨機掃描顯示器是最常見的兩種刷新光柵與隨機掃描顯示器是最常見的兩種刷新式式CRTn電子束掃描方式電子束掃描方式n圖形信息存儲圖形信息存儲n適用范圍適用范

10、圍光柵掃描光柵掃描光柵光柵掃描系統中電子束自頂向下全屏掃描掃描系統中電子束自頂向下全屏掃描, 一次一行。電一次一行。電子束在每一行中移動時，根據圖形定義變換強度，由屏子束在每一行中移動時，根據圖形定義變換強度，由屏幕亮點構成圖案。幕亮點構成圖案。(P.29)n刷新率相關術語刷新率相關術語n行頻行頻-電子槍每秒在屏幕上掃描過的水平線數，電子槍每秒在屏幕上掃描過的水平線數，以以KHz為單位，也稱作水平掃描頻率，記為為單位，也稱作水平掃描頻率，記為h；n場頻場頻-每秒鐘重復繪制顯示畫面的次數，即重繪每秒鐘重復繪制顯示畫面的次數，即重繪率，以率，以Hz為單位，也稱作垂直掃描頻率為單位，也稱作垂直掃描頻

11、率/幀頻，幀頻，記為記為v； n點頻點頻-單位時間內在每條掃描線上顯示的頻點數單位時間內在每條掃描線上顯示的頻點數總和，以總和，以MHz為單位，也稱作帶寬，記為為單位，也稱作帶寬，記為B；n三者關系三者關系n若若r(x)表示水平掃描的點數；表示水平掃描的點數； nr(y)表示每幀掃描線數；表示每幀掃描線數；n則則hr(y) v；nB= r(x) r(y) vn逐行掃描逐行掃描(non-interlaced)n隔行掃描隔行掃描(interlaced)及意義及意義n閃爍現象閃爍現象n如何消除？如何消除？n延長余輝延長余輝n減小亮度減小亮度n提高刷新率提高刷新率nDef.系統能顯示的像素列數與行數之

12、比。系統能顯示的像素列數與行數之比。nDef. 在屏幕的兩個方向產生相等長度的線段所需在屏幕的兩個方向產生相等長度的線段所需的垂直點數和水平點數之比。的垂直點數和水平點數之比。n640X480, 800X600,1024X768顯示縱橫比顯示縱橫比Aspect ratio圖形信息存儲圖形信息存儲n圖形定義為一組屏幕點信息，圖形定義為一組屏幕點信息，熒光屏上所有點的熒光屏上所有點的強度值存儲在被稱作幀緩沖區強度值存儲在被稱作幀緩沖區(Frame Buffer)的的內存區域中，一一對應。內存區域中，一一對應。幀緩沖區幀緩沖區顯示控制器顯示控制器 顯示器顯示器 n適于逼真顯示包含細微陰影和色彩模式適

13、于逼真顯示包含細微陰影和色彩模式的場景的場景適用范圍適用范圍隨機掃描隨機掃描在隨機掃描系統中電子束只掃向圖形所在的屏在隨機掃描系統中電子束只掃向圖形所在的屏幕位置。一次畫出圖形的一條線。幕位置。一次畫出圖形的一條線。 (P.31)圖形信息存儲圖形信息存儲n圖形圖形定義為一組畫線命令，存儲在被稱為刷定義為一組畫線命令，存儲在被稱為刷新顯示文件新顯示文件(Refresh Display File)的內存的內存區域。區域。刷新顯示刷新顯示文件文件顯示控制器顯示控制器 顯示器顯示器 n適于畫線應用適于畫線應用適用范圍適用范圍隨機掃描顯示器隨機掃描顯示器 光柵掃描顯示器光柵掃描顯示器 電子束掃描方式電子

14、束掃描方式 電子束只掃向圖形所在的電子束只掃向圖形所在的屏幕位置。一次一條線。屏幕位置。一次一條線。隨機系統的刷新速率依賴隨機系統的刷新速率依賴于顯示的線數；于顯示的線數；3060HZ；100,000條條 。電子束自頂向下全屏掃描電子束自頂向下全屏掃描逐行掃描逐行掃描/隔行掃描隔行掃描刷新率、閃爍刷新率、閃爍圖形定義圖形定義 圖形定義為一組畫線命令，圖形定義為一組畫線命令，存儲在被稱為刷新顯示文存儲在被稱為刷新顯示文件的內存區域。件的內存區域。 圖形定義為一組屏幕點信圖形定義為一組屏幕點信息，存儲在被稱作幀緩沖息，存儲在被稱作幀緩沖區的內存區域。區的內存區域。Pixel (Picture el

15、ement)Pixel (Picture element)像素點像素點 幀緩沖區容量幀緩沖區容量=顯示分辨顯示分辨率率x x色深色深 適用范圍適用范圍 適于畫線應用適于畫線應用 適于逼真顯示包含細微陰適于逼真顯示包含細微陰影和色彩模式的場景影和色彩模式的場景光柵掃描系統光柵掃描系統n構成構成(P.39-41)n幀緩沖存儲器幀緩沖存儲器(Frame Buffer) n視頻控制器視頻控制器(Video Controller)n顯示處理器顯示處理器(Display Processor / GPU)n幀緩沖存儲器幀緩沖存儲器(frame buffer) 圖形定義，保存一組對應屏幕所有點的強度值圖形定義

16、，保存一組對應屏幕所有點的強度值像素點Pixel ：每個屏幕點每個屏幕點;the smallest addressable unit on a display screen or bitmapped image光柵掃描系統光柵掃描系統n視頻控制器視頻控制器(P.40)(P.40)基本刷新操作基本刷新操作n有兩個寄存器用來存放屏幕像素的坐標有兩個寄存器用來存放屏幕像素的坐標n存儲在幀緩沖器中該像素對應位置的值被取存儲在幀緩沖器中該像素對應位置的值被取出，并用來設置出，并用來設置CRTCRT電子束的強度值電子束的強度值光柵掃描系統光柵掃描系統n顯示處理器顯示處理器將應用程序給出的圖形定義數字化為一

17、組像素將應用程序給出的圖形定義數字化為一組像素強度值，并存放在幀緩沖器中強度值，并存放在幀緩沖器中掃描轉換掃描轉換(Scan Conversion)(Scan Conversion)：將給定直線將給定直線和其他幾何對象的圖形命令轉換為一組離散的和其他幾何對象的圖形命令轉換為一組離散的強度值并存放在幀緩存中的過程強度值并存放在幀緩存中的過程. .光柵掃描系統光柵掃描系統光柵掃描系統光柵掃描系統簡單的光柵圖簡單的光柵圖形系統結構形系統結構幀緩沖區位于幀緩沖區位于內存固定區域內存固定區域nCPU不再處理不再處理圖形數據，專圖形數據，專用圖形處理器用圖形處理器GPUn獨立的圖形數獨立的圖形數據存儲區域

18、據存儲區域n顯示顯示分辨率分辨率 計算機顯示控制器所能提供的分辨率，通常稱為計算機顯示控制器所能提供的分辨率，通常稱為顯示模式（圖形模式、文本模式）顯示模式（圖形模式、文本模式） 度量度量方法：方法：像像素、字符素、字符 表示方法：水平表示方法：水平像像素數素數X垂直垂直像像素數素數 xxx色色 水平字符數水平字符數X垂直字符數垂直字符數幀緩沖區容量計算幀緩沖區容量計算色深概念色深概念(Color Depth) 像素點信息的長度，以比特像素點信息的長度，以比特(bit)為單位。為單位。 例例1：簡單的黑白光柵系統，像素點只需一個比特：簡單的黑白光柵系統，像素點只需一個比特控制屏幕點的亮度，控制

19、屏幕點的亮度， 1表示該點電子束開通，表示該點電子束開通，0表明電子束關閉。此時色深為表明電子束關閉。此時色深為1bit。 例例2：彩色光柵系統支持顯示：彩色光柵系統支持顯示16色，像素點需要色，像素點需要4bits代表不同顏色，例如代表不同顏色，例如0001代表藍色。此時代表藍色。此時色深為色深為4bits。幀緩沖區容量幀緩沖區容量= 顯示分辨率顯示分辨率x色深色深幀緩沖區容量計算幀緩沖區容量計算Examplene.g. 已知顯示分辨率為已知顯示分辨率為1024x768, 支持支持true color真彩，試問需要預留多大的幀真彩，試問需要預留多大的幀緩沖區？緩沖區？n解：解：1024x76

20、8x24bits=1024x768x3bytesn16 colors? 256 colors? 16位色？位色？n1024x768x4bits, 1024x768x1bytes, 1024x768x16bits彩色彩色 CRT n利用能發射不同顏色光的熒光層的組合利用能發射不同顏色光的熒光層的組合來顯示彩色圖形來顯示彩色圖形nCRT產生彩色的基本技術產生彩色的基本技術n電子電子穿穿透法透法 用于隨機掃描顯示器用于隨機掃描顯示器n蔭罩法蔭罩法 用于光柵掃描系統用于光柵掃描系統電子穿透法電子穿透法n工作原理：兩層工作原理：兩層熒光質，通常紅熒光質，通常紅色或綠色熒光質色或綠色熒光質涂于涂于CRT屏

21、幕的屏幕的內層，顯示的色內層，顯示的色彩取決于電子束彩取決于電子束穿入熒光層的深穿入熒光層的深度。度。v0綠色熒光粉紅色熒光粉低速電子束低速電子束較低速電子束較低速電子束較高速電子束較高速電子束高速電子束高速電子束n技術特點技術特點n隨機掃描顯示器產生彩色的廉價方法隨機掃描顯示器產生彩色的廉價方法n僅能獲得僅能獲得4種顏色種顏色n圖片圖片質量差質量差蔭罩技術蔭罩技術n蔭罩式蔭罩式CRT主要結構主要結構n三色熒光層三色熒光層n三電子槍三電子槍n蔭罩板蔭罩板三色熒光層三色熒光層線排列模式線排列模式 三角排列模式三角排列模式電子槍和蔭罩板電子槍和蔭罩板顯示原理顯示原理 電子槍發出三束電子束，經過聚焦

22、、偏轉系統電子槍發出三束電子束，經過聚焦、偏轉系統的作用到達蔭罩板，通過蔭罩的選擇的作用到達蔭罩板，通過蔭罩的選擇(決定三束電決定三束電子到達的位置子到達的位置)，電子束分別到達三個熒光點的位，電子束分別到達三個熒光點的位置，置，激發對應的熒光點并在屏幕上顯示一個彩色亮激發對應的熒光點并在屏幕上顯示一個彩色亮點點。通過控制三個電子束的強弱就能控制屏幕上點。通過控制三個電子束的強弱就能控制屏幕上點的顏色。的顏色。蔭罩法000010101010110001001011D/AD/AD/A紅紅綠綠藍藍CRT光光柵柵彩色電子槍彩色電子槍幀緩沖存儲器幀緩沖存儲器88N寄存器寄存器效果圖DACn技術特點技術

23、特點n光柵光柵顯示器產生彩色的方法顯示器產生彩色的方法n通過通過變換三個電子槍發出的電子束的強度獲得變換三個電子槍發出的電子束的強度獲得色彩變化色彩變化n圖片圖片質量好質量好平板顯示器平板顯示器n定義定義平板顯示器代表一類比平板顯示器代表一類比CRT體積小、重量輕、低體積小、重量輕、低功耗的視頻設備。功耗的視頻設備。n分類分類n發射型顯示器發射型顯示器 - 轉換電能為光，轉換電能為光， 例如例如 LED， 等離子板等離子板(Plasma Display Panel )， 薄膜光電薄膜光電顯示器顯示器n非發射型顯示器非發射型顯示器 -利用光學效應將太陽光或其利用光學效應將太陽光或其它光源轉換為圖

24、形模式，例如它光源轉換為圖形模式，例如 LCD。等離子板等離子板(Plasma Display Panel )n結構結構n兩塊帶有水平和垂直導電帶的兩塊帶有水平和垂直導電帶的玻璃板玻璃板n氖氣充入兩塊玻璃板之間的區氖氣充入兩塊玻璃板之間的區域域n顯示原理（顯示原理（P.33） 在成對的水平和垂直導電帶上施在成對的水平和垂直導電帶上施加點火電壓，使導電帶交叉點處加點火電壓，使導電帶交叉點處的氖氣進入輝光放電的等離子區的氖氣進入輝光放電的等離子區等離子板等離子板(Plasma Display Panel )等離子板等離子板(Plasma Display Panel )nPDP Rib Structure液晶顯示器液晶顯示器LCDn液晶的概念液晶的概念物質的三種狀態：固態、液態和氣態。固態物質的分子之間的方向和位置總是保持不變。而液態物質的分子正好相反。方向和位置總是不停變換。但是液晶介于液態和固態之間：既可以象固體中的分子保持方向又可象液體中的分子自由移動。液晶是在液晶是在18881888年，由奧地利植物學家年，由奧地利植物學家ReinitzerReinitzer發現的，是一種介于固體與液體之間，發現的，是一種介于固體與液體之間，具有規則性分子排列的有機化合物。具有規則性分子排列的有機化合物。 n顯