【學(xué)習(xí)課件】第二章圖形設(shè)備與系統(tǒng)

1、第二章 圖形設(shè)備與系統(tǒng)2.1 圖形顯示設(shè)備2.2 圖形輸入設(shè)備2.3 圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)1圖形輸出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(jī)和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備22.1 圖形顯示器陰極射線管彩色陰極射線管射線穿透法影孔板法隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)光柵掃描系統(tǒng)3 陰極射線管(CRT- Cathode Ray Tube)組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速結(jié)構(gòu)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏陰極射線管（CRT)4陰極射線管(CRT)工作原理高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會到達(dá)熒光屏的特定位置。由于熒光物質(zhì)在高速

2、電子的轟擊下會發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會亮了5陰極射線管（CRT)要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫面，必須不斷地發(fā)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(wěn)定顯示6電子槍電燈絲、陰極和控制柵組成。陰極：由燈絲加熱發(fā)出電子束，控制柵：加上負(fù)電壓后，能夠控制通過其中小孔的帶負(fù)電的電子束的強(qiáng)弱。通過調(diào)節(jié)負(fù)電壓高低來控制電子數(shù)量，即控制熒光屏上相應(yīng)點(diǎn)的亮度。7聚焦系統(tǒng) 保證電子束在轟擊屏幕時，匯聚成很細(xì)的點(diǎn)。加速電極 加正的高壓電（幾萬

3、伏），使電子束高速運(yùn)動。 8偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子束的偏轉(zhuǎn)路徑，以轟擊屏幕的特定位置。電子束要到達(dá)屏幕的邊緣時，偏轉(zhuǎn)角度就會增大。到達(dá)屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角度被稱為最大偏轉(zhuǎn)角最大偏轉(zhuǎn)角是衡量系統(tǒng)性能的最重要的指標(biāo)，顯示器長短與此有關(guān)CRT顯示器屏幕越大整個顯象管就越長9熒光屏 熒光物質(zhì)：當(dāng)它被電子轟擊時發(fā)出亮光持續(xù)發(fā)光時間：電子束離開某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間刷新(Refresh)：為了讓熒光物質(zhì)保持一個穩(wěn)定的亮度值刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù)某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時間（例如）=1000/40=25Hz10熒光屏像素(Pixel:P

4、icture Cell)：構(gòu)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(shù)，單位通常為dpi（dots per inch)。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(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等11產(chǎn)生彩色的常用方法：射線穿透法影孔板法 彩色陰極射線管12 彩色陰極射線管-射線穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色電子束熒光涂層產(chǎn)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13彩色陰極射線管-射線穿

5、透法應(yīng)用：主要用于畫線顯示器優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生有限幾種顏色14 彩色陰極射線管-影孔板法影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板15影孔板的類型點(diǎn)狀影孔板代表：大多數(shù)球面管柵格式影孔板代表：Sony的Trinitron與Mitsubishi的Diamondtron顯像管溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管16 彩色陰極射線管-影孔板法點(diǎn)狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點(diǎn)（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(diǎn)呈一直線；每個小孔與一個像素（即三個熒光點(diǎn)）對應(yīng)17顯示器能同時顯示的顏色個數(shù)如果每支電

6、子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)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(tǒng)調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)出的電子束中所含電子的數(shù)目，即可控制各色光點(diǎn)亮度。18球面顯示器與柱面顯示器普通的顯象管采用的都是點(diǎn)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(jié)構(gòu)，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”常用的蔭柵式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）19RGB紅綠蘭蔭柵熒光屏蔭柵式彩色CRT顯色原理20RGGBB0.25mmd=0.2

7、8mm0.22mm0.31mmRGBG點(diǎn)距為.25的柱面顯示器點(diǎn)距為.28的球面顯示器柱面和球面顯示器點(diǎn)距定義示意圖21 隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：電子束可隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的 部分,與示波器工作原理類似。 優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，分辨率高，線條質(zhì)量好，易修改， 交互性好，動態(tài)性能好缺點(diǎn)：價格貴，只能顯示線畫圖形，應(yīng)用于軍事、 CAD領(lǐng)域22 光柵掃描的顯示系統(tǒng)光柵掃描顯示系統(tǒng)特點(diǎn)：光柵掃描掃描線幀水平回掃期垂直回掃期23幾個概念行頻、幀頻 水平掃描頻率為行頻。垂直掃描頻率為幀頻。逐行掃描、隔行掃描 隔行掃描方式是先掃偶數(shù)行掃描線，再掃奇數(shù)行掃描線。24幾個概念象素 整個屏幕被掃描線分成 n

8、 行，每行有 m 個點(diǎn)，每個點(diǎn)為一個象素。整個屏幕有 m n 個象素。分辨率 是指CRT在水平或垂直方向的單位長度上能分辨出的最大光點(diǎn)（象素）數(shù)，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的數(shù)目來表示。 比如上述的 n 行，每行 m 點(diǎn)的屏幕分辨率為 m n 。分辨率越高，相鄰象素點(diǎn)之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。分辨率受顯示器生產(chǎn)工藝、掃描頻率以及顯示存儲器容量的限制。25幾個概念點(diǎn)距 相鄰象素點(diǎn)之間的距離，與分辨率指標(biāo)相關(guān)。顯示速度 指顯示字符、圖形特別是動態(tài)圖像的速度，與顯示器的分辨率及掃描頻率有關(guān)?？捎米畲髱挘ㄋ较笏財?shù) 垂直象素數(shù) 最大幀頻）來表示。26幾個概念色彩與

9、亮度等級 亮度等級又稱灰度，主要指單色顯示器的亮度變化。色彩包括顯示器可選擇顏色的數(shù)目以及一幀畫面可同時顯示的顏色數(shù)，與熒光屏的質(zhì)量有關(guān)，并受顯示存儲器VRAM容量的影響。圖像刷新 由于CRT內(nèi)側(cè)的熒光粉在接受電子束的轟擊時，只能維持短暫的發(fā)光，根據(jù)人眼視覺暫留的特性，需要不斷進(jìn)行刷新才能有穩(wěn)定的視覺效果，因此刷新是指以每秒30幀以上的頻率反復(fù)掃描不斷地顯示每一幀圖像。圖像的刷新頻率等于幀掃描的頻率（幀頻），用每秒刷新的幀數(shù)表示。目前刷新頻率標(biāo)準(zhǔn)為每秒50120幀。27幾個概念幀緩沖存儲器（顯示存儲器） 存儲用于刷新的圖像信息的存儲器。幀緩沖存儲器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可尋址的

10、地址數(shù)的乘積來表示，稱為幀緩沖存儲器的分辨率。28 幀緩沖存儲器（Frame Buffer)，視頻控制器（Video Controller)，顯示處理器（Display Processor），CRT幀緩沖存儲器作用：存儲屏幕上像素的顏色值簡稱幀緩沖器，俗稱顯存邏輯部件29幀緩存中單元數(shù)目與顯示器上像素的數(shù)目相同，單元與像素一一對應(yīng)，各單元的數(shù)值決定了其對應(yīng)像素的顏色。顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數(shù)有關(guān)（圖示幀緩沖器的每個單元只有一位）。 30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(xù)的計算機(jī)存儲器。對于黑白單灰度顯示器每一象素需要一位存儲器，對一個102410

11、24象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(shù)字設(shè)備，光柵顯示器是模擬設(shè)備，因而還需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。31黑白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(jié)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(yīng)的每個象素位置的內(nèi)容控制的。該存儲器的中的二進(jìn)制的數(shù)被翻譯成灰度等級，范圍是0到2N-1之間。32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(lán)三原色有三個位面的幀緩存和三個電子槍。33彩色光柵掃描顯示器每個顏色的電子槍可以通過增

12、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(shù)模轉(zhuǎn)換器，每種原色可有256種灰度，三種原色的組合將是(28)3=224。34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(tǒng)可同時產(chǎn)生224種顏色（24位真彩色）。分辨率M*N、顏色個數(shù)K與顯存大小V的關(guān)系35彩色光柵掃描顯示器3個位面分辯率是10241024的顯示器，需要310241024（3145728）位的存儲器。若存儲器位長固定，則屏幕分辯率與同時可用的顏色種數(shù)成反比關(guān)系。1兆字節(jié)的幀緩存，若設(shè)分辯率為640480，則幀緩存每個單元可有24位，可能同時顯示224種顏色，若設(shè)分辯率

13、為1024768，則每個單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下。36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(jīng)是個問題！解決方法：采用查色表(Lookup Table）或稱彩色表(Color Table)查色表工作原理1024*768真彩模式需要接近3M字節(jié)顯存37查色表（look up Table）是一維線性表，其每一項的內(nèi)容對應(yīng)一種顏色，它的長度由幀緩存單元的位數(shù)決定，例如：每單元有8位，則查色表的長度為28256目的：在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，具有大范圍內(nèi)挑選顏色的能力：38存放方式顏色信息在幀緩存中兩種存放方式：一是顏色值直接存儲在幀緩存中。二

14、是把顏色碼放在一個獨(dú)立的表中，幀緩存存放的是顏色表中各項的索引值，顏色范圍擴(kuò)充了。單色系統(tǒng)：查色表固化彩顯：可修改、創(chuàng)建查色表。39帶寬T與分辨率、幀頻F的關(guān)系帶寬問題高分辨率和高的刷新頻率要求有高帶寬-依然是個問題！解決方法：隔行掃描（現(xiàn)在已經(jīng)基本不用， 主流顯示器都采用逐行掃描方式）隔行掃描的：把一幀分兩場，即奇數(shù)場與 偶數(shù)場場頻：=2*幀頻彩色光柵掃描顯示器40隔行掃描工作原理一幀完整的畫面分成兩場。一場160秒，（場頻60HZ），（幀頻30HZ）畫面更新頻率仍為60HZ，降低了閃爍效應(yīng)，每一場160秒內(nèi)，幀緩存中數(shù)據(jù)量比逐行掃描少一半。降低了視頻控制器存取幀緩存的速度及傳輸帶寬的要求。

15、41簡單的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)其中，幀緩存為系統(tǒng)內(nèi)存任一塊區(qū)域，視頻控制器能夠直接存取該區(qū)域以刷新屏幕。42較為典型的光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)其中，幀緩存可以是專用的存儲器，也可以是系統(tǒng)內(nèi)存中的一塊固定區(qū)域。43視頻控制器作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應(yīng)，負(fù)責(zé)刷新邏輯結(jié)構(gòu)普通顯卡=視頻控制器+顯存44顯示處理器作用：代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等45顯示處理器具有專用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器46 優(yōu)點(diǎn)：成本低易于繪制填充圖形色彩豐富刷新頻率一定，與圖形的復(fù)雜程度無關(guān)易于修改圖形缺點(diǎn)：

16、需要掃描轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生混淆缺點(diǎn)正在被克服優(yōu)點(diǎn)使其占據(jù)了市場主流光柵顯示系統(tǒng)的特點(diǎn)47LCD顯示器CRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它向更廣的顯示領(lǐng)域發(fā)展屏幕的加大必然導(dǎo)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(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾長期電磁輻射會對人們健康產(chǎn)生不良影響48LCD顯示器的優(yōu)點(diǎn)外觀小巧精致，厚度只有6.58cm左右。不會產(chǎn)生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響LCD顯示器49索尼公司的兩款LCD外形LCD顯示器50液晶顯示器的構(gòu)成液晶顯示器LCD(Liquid

17、 Crystal Display)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(wǎng)格線液晶層垂直網(wǎng)格線垂直極板觀察方向51LCD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(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩52液晶顯示器的缺點(diǎn)壽命短、怕震動、溫度敏感分辨率相對較低，色彩不夠鮮艷，且價格偏高。53圖形處理器圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要元件，是連接計算機(jī)和顯示終端的紐帶早期的圖形處理器只包含簡單的存儲器和幀緩沖區(qū)，它們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須有CPU

18、來控制現(xiàn)在的圖形處理器不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強(qiáng)的3D處理能力，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān),提高了顯示質(zhì)量和顯示速度54圖形處理器的組成顯示主芯片顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務(wù)是對系統(tǒng)輸入的視頻信息進(jìn)行構(gòu)建和渲染顯示緩存用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)顯存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發(fā)揮數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（RAMDAC）它的作用就是把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號55顯卡工作原理簡單示意圖圖形處理器的組成56*純平顯示器*走向平面的顯像管球面顯象管：表面：球面的一部分時間：90年代初柱面顯象管：表面：柱面的一部分，垂

19、直方向上平直，水平方向上有彎曲時間：90年代中期代表：Sony公司的Trinitron，Mitsubishi公司的Diamondtron57*純平顯示器*走向平面的顯像管平面直角顯象管表面：球面的一部分，類似于平面時間：90年代中后期現(xiàn)在市場上的主流顯象管純平顯象管表面：純平面時間：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今后的主流顯象管58*未來顯示器*采用空氣等離子體技術(shù)，無須刷新緩沖存儲器空氣等離子體可想象成一個個微型霓虹燈，紅綠藍(lán)三種不同顏色的像素。顯示屏薄

20、，掛在墻上。發(fā)光聚合物技術(shù)，堅不可摧；柔韌性好，可以卷起來；顯示畫面具有無與倫比的清晰度，無鋸齒現(xiàn)象。真正的平面直角。59具有完整人機(jī)交互界面，集高性能的計算和圖形于一身，可配置大容量的內(nèi)存和硬盤，I/O和網(wǎng)絡(luò)功能完善，使用多任務(wù)多用戶操作系統(tǒng)的小型通用個人化計算機(jī)系統(tǒng)。1983年美國APOLLO公司推出第一臺適合計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）的工作站?，F(xiàn)在全球最有名的圖形工作站屬SGI圖形工作站。圖形工作站60第二章 圖形設(shè)備與系統(tǒng)2.1 圖形顯示設(shè)備2.2 圖形輸入設(shè)備2.3 圖形系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)612.2圖形輸入設(shè)備最常用的圖形輸入設(shè)備就是基本的計算機(jī)輸入設(shè)備鍵盤和鼠標(biāo)跟蹤球和空間球都是根據(jù)球在不

21、同方向受到的推或拉的壓力來實現(xiàn)定位和選擇。數(shù)據(jù)手套則是通過傳感器和天線來獲得和發(fā)送手指的位置和方向的信息。這幾種輸入設(shè)備在虛擬現(xiàn)實場景的構(gòu)造和漫游中特別有用62光筆是一種檢測光的裝置，它直接在屏幕上操作，拾取位置光筆結(jié)構(gòu)示意圖63數(shù)字化儀是一種把圖形轉(zhuǎn)變成計算機(jī)能接收的數(shù)字形式專用設(shè)備基本工作原理是采用電磁感應(yīng)技術(shù)64掃描儀圖形掃描儀是直接把圖形和圖象掃描到計算機(jī)中以象素信息進(jìn)行存儲的設(shè)備絕大多數(shù)是采用的固態(tài)器件是電荷耦合器件（CCD Charge Coupled Device）65真實物體的三維信息的輸入在實際的生產(chǎn)過程中許多零件需要在數(shù)控中心進(jìn)行加工，加工前需要在計算機(jī)中生成三維實體模型，有時這個模型要通過已有的實物零件得到，這時候就需要一種設(shè)備來采集實物表面各個點(diǎn)的位置信息一般的方法是通過激光掃描來實現(xiàn)，現(xiàn)在國外已經(jīng)有許多這樣的商業(yè)儀器這項技術(shù)的一個應(yīng)用就是掃描保存古代名貴的雕塑和其它藝術(shù)品的三維信息66美國斯坦福大學(xué)計算機(jī)系的著名圖形學(xué)專家Marc Levoy曾經(jīng)帶領(lǐng)他的30人的工作小組（包括美國斯坦福大學(xué)及美國華盛頓大學(xué)的教師和學(xué)生）于19981999學(xué)年專門在意大利對文藝復(fù)興時代的雕刻大師米開朗基羅的眾多藝術(shù)品進(jìn)行掃描，保存其形狀和面片信息。當(dāng)然工作難度是相當(dāng)大的，他們?yōu)榇?/p>