第二講圖形輸入輸出設備第二章圖形輸入輸出設備圖形設備圖形軟件及其標準第二章圖形輸入輸出設備

圖形設備圖形軟件及其標準圖形設備圖形顯示設備圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形圖形繪制通常指把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝，打印機和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設備1圖形顯示器1.1陰極射線管1.2彩色陰極射線管 射線穿透法影孔板法1.3隨機掃描顯示系統1.4光柵掃描系統1圖形顯示器1.1陰極射線管1.2彩色陰極射線管 射線穿透法影孔板法1.3隨機掃描顯示系統1.4光柵掃描系統1圖形顯示器1.1陰極射線管1.2彩色陰極射線管 射線穿透法影孔板法1.3隨機掃描顯示系統1.4光柵掃描系統

陰極射線管(CRT-CathodeRayTube)組成：包括電子槍、加速結構、聚焦系統、偏轉系統、熒光屏陰極射線管（CRT)陰極射線管

(CRT)工作原理高速的電子束由電子槍發出，經過聚焦系統、加速系統和磁偏轉系統就會到達熒光屏的特定位置。由于熒光物質在高速電子的轟擊下會發生電子躍遷，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電子會從高能態重新回到低能態，這時將發出熒光，屏幕上的那一點就會亮了幾個問題？1.如何控制電子束的發射和亮度？答：使用電子槍發射電子束。利用控制柵調節電子槍發射的電子束，從而控制電子書的亮度。注意：當控制柵加負電時，可以使發射出的電子減少電子槍電燈絲，陰極和控制柵組成。陰極：由燈絲加熱發出電子束，控制柵：加上負電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負電的電子束的強弱。通過調節負電壓高低來控制電子數量，即控制熒光屏上相應點的亮度。幾個問題？2.為什么要用聚焦系統和加速電極？答：電子束在發射途中要相互排斥。利用電位形成的電場可以把電子束聚焦成一細束。加速電極可以使電子束高速運動聚焦系統保證電子束在轟擊屏幕時，匯聚成很細的點。

加速電極加正的高壓電（幾萬伏），使電子束高速運動。幾個問題？3.電子束的位置是否可控，如何控制？答：可以利用偏轉板控制電子束的位置。偏轉板中包括垂直偏轉板和水平偏轉板。每對板上加有與電子束在該方向上的偏轉量成正比例的電位差。注意：電子束會偏向點位高還是低的極板哪？偏轉系統控制電子束，靜電場或磁場，產生偏轉。電子束要到達屏幕的邊緣時，偏轉角度就會增大。到達屏幕最邊緣的偏轉角度被稱為最大偏轉角最大偏轉角是衡量系統性能的最重要的指標，顯示器長短與此有關CRT顯示器屏幕越大整個顯象管就越長幾個問題？4.如何使熒光屏上的畫面穩定？答：要保持顯示一幅穩定的畫面，必須不斷地發射電子束刷新頻率刷新一次是指電子束從上到下掃描一次的過程刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩定顯示熒光屏

熒光物質：當它被電子轟擊時發出亮光余輝：電子束移去后熒光屏可繼續發光的時間（熒光物質的主要特性）一般定義余輝：電子束離開某點后，該點的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間。那么余輝越長還是越短越好呢？刷新頻率定義：每秒鐘重繪屏幕的次數某種CRT產生穩定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質的持續發光時間例如：一種熒光物質持續光時間40毫秒，刷新頻率為1000/40=25幀/秒，發光時間短，適用于動態圖形顯示。發光時間長，適用于靜態圖形顯示熒光屏的兩個參數像素(Pixel:PictureCell)：構成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數，單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等1圖形顯示器1.1陰極射線管1.2彩色陰極射線管 射線穿透法影孔板法1.3隨機掃描顯示系統1.4光柵掃描系統產生彩色的常用方法：射線穿透法影孔板法1.2彩色陰極射線管1.2.1彩色陰極射線管-射線穿透法書中也叫電子透入法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發光物質，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色電子束熒光涂層產生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束彩色陰極射線管-射線穿透法應用：主要用于畫線顯示器優點：成本低缺點：只能產生有限幾種顏色圖形質量比較差1.2.2彩色陰極射線管-影孔板法影孔板法（書中也叫蔭罩法）原理：通常用于光柵掃描顯示器中，顏色范圍廣，每個像素有三個熒光點（紅、綠、藍三基色）。影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板影孔板的類型點狀影孔板代表：大多數球面與柱面顯像管蔭柵式影孔板代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi的Diamondtron顯像管溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管1.2.2彩色陰極射線管-影孔板法點狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線；每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應顯示的顏色個數如果每支電子槍發出的電子束的強度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色，稱為真彩系統（顏色位數為24位）調節各電子槍發生的電子束中所含電子的數目（通過控制柵完成），即可控制各色光點亮度，并最終控制各點的顏色。球面顯示器與柱面顯示器普通的顯象管采用的都是點狀影孔板顯象管，顯象管的表面呈略微凸起的球面狀，故稱之為“球面管”。而柱面顯象管采用蔭柵式結構，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上卻是筆直的，呈圓柱狀，故稱之為“柱面管”常用的柱面顯象管有日本索尼公司的特麗瓏管（Trinitron）和三菱公司的鉆石瓏管（Diamondtron）1圖形顯示器1.1陰極射線管1.2彩色陰極射線管 射線穿透法影孔板法1.3隨機掃描顯示系統1.4光柵掃描系統1.3隨機掃描的顯示系統隨即掃描顯示器又稱矢量顯示器。特點：電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分。邏輯部件：刷新存儲器(RefreshingBuffer),顯示處理器（DPU:DisplayProcessingUuit）和CRT→應用程序發出繪圖命令→解析成顯示處理器可接受命令格式，存放在刷新存儲器中。→刷新存儲器中所有的繪圖命令組成一個顯示文件，由顯示處理器負責解釋執行(刷新)→驅動電子槍在屏幕上繪圖。修改圖形，實際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。工作原理1圖形顯示器1.1陰極射線管1.2彩色陰極射線管 射線穿透法影孔板法1.3隨機掃描顯示系統1.4光柵掃描系統

CRT中的水平和垂直偏轉線圈分別產生水平和垂直磁場，電子束則在不同方向磁場力作用下進行和列掃描，將屏幕分成由像素構成的光柵網格，光柵掃描顯示系統可以看作是點陣單元發生器，可以控制每個點陣單元的亮度。*1.4光柵掃描的顯示系統描點法把屏幕分為有限個發亮的離散點（每點為一個像素），屏幕上的像素點陣列稱為光柵。光柵掃描：電子束按照固定的掃描線和掃描順序從左到右、自上而下進行掃描；像素點具有多種色彩和灰度等級。A1.4.1光柵掃描顯示器圖形顯示方法CPU系統存儲器幀緩沖器視頻控制器CRT系統總線邏輯部件：幀緩沖存儲器（FrameBuffer)視頻控制器（VideoController)顯示處理器（DisplayProcessor）CRT1.4.2簡單光柵掃描顯示器結構作用：存儲屏幕上像素的顏色值簡稱幀緩沖器，俗稱顯存1.4.3邏輯器件——幀緩沖存儲器黑白光柵掃描顯示器黑白光柵顯示器的邏輯框圖如上：其中幀緩存是一塊連續的計算機存儲器。對于黑白單灰度顯示器每一像素需要一位存儲器，對一個1024×1024像素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個位面上。一個位面的緩存只能存儲黑白圖形，幀緩存是數字設備，光柵顯示器是模擬設備，因而還需要數模轉換器(DAC)。彩色光柵掃描顯示器在光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結合起來才能反映圖形的顏色和灰度等級。如下圖是一個具有N位面灰度等級的幀緩存。顯示器上每個象素的亮度是由N位面中對應的每個象素位置的內容控制的。該存儲器的中的二進制的數被翻譯成灰度等級，范圍是0到2N-1之間。彩色光柵掃描顯示器下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對于紅、綠、藍三原色有三個位面的幀緩存和三個電子槍。彩色光柵掃描顯示器每個顏色的電子槍可以通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。如上圖，每種原色電子槍有8個位位面的幀緩存和8位的數模轉換器，每種原色可有256中灰度，三種原色的組合將是(28)3=224。彩色光柵掃描顯示器若每個單元有24位（每種基色占8位）即顯示系統可同時產生224種顏色（24位真彩色）。分辨率M×N、顏色個數K與顯存大小V的關系彩色光柵掃描顯示器顯存問題高分辨率和真彩要求有大的顯存；曾經是個問題！解決方法：采用查色表(LookupTable）或稱彩色表(ColorTable)查色表工作原理1024*768真彩模式需要3M字節顯存查色表（lookupTable）

圖形系統為更靈活控制圖形和顏色的變化，往往不直接將幀緩沖器中的數值作圖顯示的亮度值，而是先經過顏色查找表（又稱調色板)結構產生變換值來控制光點的亮度。查色表是一維線性表，其每一項的內容對應一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數決定，例如：每單元有8位，則查色表的長度為28＝256目的：在幀緩存單元的位數不增加的情況下，具有大范圍內挑選顏色的能力。查色表工作方式：顯存中某位值顏色表地址屏幕上的亮度作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應，負責刷新邏輯結構普通顯卡=視頻控制器+顯存1.4.3邏輯器件——視頻控制器低檔圖形顯示系統，掃描轉換工作直接由CPU類完成。任務：掃描轉換待顯示的圖形。簡單的：直線、圓弧、多邊形等，復雜的：光柵操作（像素塊的移動、拷貝），幾何變換、裁剪、消隱，…1.4.3邏輯器件——顯示處理器顯示處理器具有專用顯示處理器的光柵顯示系統的結構圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器LCD顯示器CRT固有的物理結構限制了它向更廣的顯示領域發展屏幕的加大必然導致顯象管的加長，顯示器的體積必然要加大，在使用時候就會受到空間的限制CRT顯示器是利用電子槍發射電子束來產生圖像，容易受電磁波干擾長期電磁輻射會對人們健康產生不良影響LCD顯示器的構成液晶顯示器LCD(LiquidCrystalDisplay)是由六層薄板組成的平板式顯示器反射層水平極板水平網格線液晶層垂直網格線垂直極板觀察方向LCD顯示器基本原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發生形變，此時通過它的光的折射角度就會發生變化，而產生色彩。LCD顯示器的基本指標可視角度視線與屏幕中心法向成一定角度時，人們就不能清晰地看到屏幕圖象，而那個能看到清晰圖象的最大角度被我們稱為可視角度。一般所說的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。工業上有CR10（ContrastRatio）、CR5兩種標準來判斷液晶顯示器的可視角度LCD顯示器的基本指標點距與分辨率液晶屏幕的點距就是兩個液晶顆粒（光點）之間的距離，一般0.28~0.32mm就能得到較好的顯示效果通常所說的液晶顯示器的分辨率是指其真實分辨率，表示水平方向的像素點數與垂直方向的像素點數的乘積性質CRT等離子LCD性質CRT等離子LCD功耗大中小對比度中好差屏幕大中小灰度等級好差差厚度大小小視角大中一般平面度一般中好色彩豐富中中亮度好好適中價格低中低分辨率中好一般

幾種顯示技術的比較如表所示:圖形設備

圖形軟件及其標準圖形軟件圖形系統中的硬件設備要在圖形軟件的驅動下才能工作。分類：基本圖形軟件---支撐軟件應用圖形軟件---專用軟件圖形支撐軟件第一層次面向系統的主要解決圖形設備與計算機的通訊接口等問題，稱為設備驅動程序，包括一些最基本的輸入、輸出程序。事實上，設備驅動程序現在已被作為操作系統一部分，由操作系統或設備硬件廠商開發；第二層次建立在驅動程序之上完成圖元的生成、設備的管理等功能，目前這個層次上的圖形支撐軟件已經標準化，如GKS、PHIGS、CGI等；第三層次在中間層基礎上編寫的其主要任務是建立圖形數據結構，定義、修改和輸