數(shù)字圖像處理第三章

1第三章圖像顯示設(shè)備2第三章圖像顯示設(shè)備顯示設(shè)備是最終產(chǎn)生圖形圖像顯示效果的部件。目前常見的顯示設(shè)備有：陰極射線管（CathodeRayTubeCRT）顯示器，液晶顯示器件LCD（LiquidCrystalDisplay）等離子板顯示器（PlasmaPanel）電子發(fā)光顯示器雖然已有各種各樣的圖形圖像顯示裝置和許多新的顯示技術(shù)和顯示設(shè)備出現(xiàn)，但是目前占統(tǒng)治地位的仍是陰極射線管（CRT）顯示器，它的核心部件是CRT，估計(jì)這種狀況還要持續(xù)多年。液晶顯示器件今年以來發(fā)展很快。3第三章圖像顯示設(shè)備陰極射線管（CRT）分為：單色CRT彩色CRT陰極射線管（CRT）顯示器根據(jù)其原理分為：隨機(jī)掃描顯示器光柵掃描顯示器4第三章圖像顯示設(shè)備隨機(jī)掃描顯示器在隨機(jī)掃描顯示器中，電子束根據(jù)需要可在熒光屏的任意方向上連續(xù)掃描，沒有固定掃描線和規(guī)定掃描順序的限制，也就是說，電子束的定位及偏轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性，故稱隨機(jī)掃描。此時(shí)電子束像一支快速移動的畫筆，實(shí)際勾劃出要顯示的圖形。隨機(jī)掃描所描繪的圖形只能是單線條圖形，故隨機(jī)掃描又稱為矢量掃描或軌跡掃描，隨機(jī)掃描顯示器又稱為畫線顯示器，其顯示的圖形質(zhì)量很好。隨機(jī)掃描顯示器不能用于圖像顯示。53.1光柵掃描顯示原理3.1.1光柵掃描過程63.1光柵掃描顯示原理3.1.1顯示過程73.1光柵掃描顯示原理3.1.3彩色CRT蔭罩式彩色CRT顯色原理CRT顯示器的結(jié)構(gòu)83.1光柵掃描顯示原理3.1.3彩色CRT彩色CRT屏幕的內(nèi)部涂有很多組呈三角形的熒光粉，每一組有三個(gè)熒光點(diǎn)，當(dāng)某組熒光粉被激勵時(shí)，分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)三個(gè)基色。這種類型的CRT有三個(gè)電子槍，分別與三基色相對應(yīng)。緊挨屏幕后面放有蔭罩（影孔板），上面有很多小孔，與屏幕上的三元組一一對應(yīng)。三束電子經(jīng)偏轉(zhuǎn)聚焦成一組射線，穿過蔭罩上的孔，激活屏幕上的一個(gè)三元組，出現(xiàn)一個(gè)色點(diǎn)。這些小孔與三元組和電子槍精確地排列成一條直線，使得三元組中每個(gè)點(diǎn)僅僅受到一個(gè)電子槍所發(fā)出的電子的作用。這樣，每一電子束的電子數(shù)目就控制著三元組所產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)三種光的量。于是，可以根據(jù)混合色所需的各種成分，以不同的強(qiáng)度激發(fā)紅、綠、藍(lán)三個(gè)熒光點(diǎn)。因而可以在一個(gè)三元組上產(chǎn)生范圍很寬的色彩等級，能產(chǎn)生多達(dá)幾百萬種的顏色。93.1光柵掃描顯示原理3.1.3彩色CRT蔭罩式（亦稱影孔板）彩色CRT中的蔭罩和三元組對其分辨率有較大的影響。一般高分辨顯象管三元組的平均徑距（pitch）約為0.24-0.28mm，家用電視顯象管約為0.6mm。徑距減小，分辨率會提高。但徑距愈小，管子生產(chǎn)就愈困難。小徑距的蔭罩很脆，難于安裝，也容易因電子束加熱而彎曲。蔭罩也限制了CRT的亮度。大多數(shù)蔭罩式CRT的尺寸為14—21英寸，其表面有點(diǎn)彎曲，對觀察者而言，會產(chǎn)生光學(xué)畸變。有些平面式CRT也能生產(chǎn)，包括29英寸徑距為0.31mm的管子，當(dāng)然，其價(jià)格也較高。CRT的刷新頻率是指每秒重畫圖象的次數(shù)。為了得到穩(wěn)定的畫面，通常刷新頻率應(yīng)為60—100幀／秒。103.1光柵掃描顯示原理3.1.4光柵掃描顯示器工作原理113.1光柵掃描顯示原理3.1.4光柵掃描顯示器工作原理光柵掃描顯示器的CRT屏面有m行掃描線，每行有n個(gè)點(diǎn)，稱為象素（pixel）；整個(gè)屏面有mxn個(gè)象素；每個(gè)象素都對應(yīng)幀緩沖存儲器中的若干位，最簡單的黑白圖象每個(gè)象素只需要一位。若該位為0，表示該象素為暗；若該位為1，表示該象素為亮（反過來也可）。這樣的圖象我們稱為MASK圖象，或M值圖象；如果每個(gè)象素用i位表示它的灰度，也即有i個(gè)位平面的幀緩存，那么就能產(chǎn)生2i級灰度等級或顏色種類；光柵掃描顯示器的幀緩存中，存放的不是顯示指令，而是對應(yīng)各個(gè)象素的亮度或色彩信息，這種信息常常稱為位圖（Bitmap）。123.1光柵掃描顯示原理3.1.4光柵掃描顯示器工作原理計(jì)算機(jī)將要顯示的圖形、圖象轉(zhuǎn)化為位圖，經(jīng)過接口電路送入幀緩存；圖形控制器控制電子束依照固定的掃描線和規(guī)定的掃描順序，自上而下，從左到右掃描整個(gè)屏面；與此同時(shí)，把一幀畫面中每個(gè)象素的值從幀緩存中讀出；讀出的象素值可控制電子束的能量大小，并決定象素的亮度。每當(dāng)掃描完一幀圖象時(shí)，顯示控制器向計(jì)算機(jī)申請中斷，使計(jì)算機(jī)能利用幀回掃的時(shí)間（大約1.3ms）去修改幀緩存中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)顯示畫面的修改。133.1光柵掃描顯示原理3.1.4光柵掃描顯示器工作原理為了得到穩(wěn)定的畫面，光柵掃描顯示器每秒也要刷新30次或60次。為此，必須要有高速大容量的存儲器。很多光柵掃描顯示器采用隔行掃描方式。隔行掃描把一幀完整的畫面分為兩場顯示，第一場含偶數(shù)掃描線，第二場含奇數(shù)掃描線，降低了閃爍效應(yīng)。同時(shí)因?yàn)槊恳粓鰪膸彺嬷凶x出的信息量比逐行掃描降低一半，因而可降低對幀緩存存取速度及設(shè)備線路通頻帶的要求，從而使設(shè)備的復(fù)雜程度及成本都大大降低。近年來，由于硬件技術(shù)的發(fā)展，逐行掃描方式已基本替代了隔行掃描方式。143.1光柵掃描顯示原理3.1.4光柵掃描顯示器工作原理為了對彩色顯示器要分別控制三個(gè)原色：紅、綠、藍(lán)。為了使三原色按不同的比例合成各種色彩，每種原色也要有不同的灰度，如果每象素的各原色要有256種灰度，則每一個(gè)原色就要在幀緩存單元中占據(jù)8位，及8個(gè)位面。因此幀緩存每個(gè)單元就要有24位（面），于是幀緩存就很大，相應(yīng)的價(jià)格就比較高。153.1光柵掃描顯示原理3.1.4光柵掃描顯示器工作原理彩色表技術(shù)：不增加幀緩存每個(gè)單元的位數(shù)，卻能具有在很大范圍內(nèi)挑選顏色的能力。如圖，此時(shí)由幀緩存中讀出來的值并不是相應(yīng)象素的彩色值，而是彩色表中的一個(gè)編號（入口地址）按這個(gè)編號在彩色表中取出的數(shù)才是該象素的彩色值。彩色表也就是調(diào)色板。顯示器所能顯示的顏色都可被彩色表選用，所以靈活地建立、設(shè)置與修改彩色表，雖然沒有增加彩色種類，但總的來說擴(kuò)大了色彩的顯示范圍。163.1光柵掃描顯示原理3.1.4光柵掃描顯示器工作原理光柵掃描顯示器最突出的優(yōu)點(diǎn)是：不僅可以顯示物體的輪廓線、特征線等所謂線框圖形；而且由于其每一象素點(diǎn)的灰度或色彩可以控制，因而可以顯示被多種灰度和色調(diào)的象素所填充的所謂面圖形。這就使得輸出具有真實(shí)感的立體圖形成為可能?？梢院碗娨暭嫒?，價(jià)格遠(yuǎn)低于隨機(jī)掃描顯示器。80年代以來，得到了迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，已成為顯示器市場的主流。光柵掃描顯示器的缺點(diǎn)是：從應(yīng)用程序中將圖形的描述轉(zhuǎn)換成幀緩存中象素信息的過程—即掃描轉(zhuǎn)換—比較費(fèi)時(shí)，相應(yīng)的軟件比較復(fù)雜。在顯示斜線時(shí)，還存在線條邊緣的階梯效應(yīng)，解決起來比較麻煩。173.2液晶顯示器3.2.1概述液晶顯示器（LCDLiquidCrystalDisplay）的優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)：工作電壓低且低輻射、低耗電，對人體健康的損害降至最低，完全平面，無閃爍無失真，用眼不會疲勞，重量輕、體積小，可視面積大、節(jié)省空間，適用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域，特別適合家庭使用。這些特點(diǎn)也正是LCD隨著價(jià)格的逐漸下降而占領(lǐng)CRT顯示器市場的原因。

183.2液晶顯示器3.2.2液晶顯示原理液晶顯示器就是使用了“液晶”作為材料的顯示器，“液晶”是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，加熱時(shí)會呈現(xiàn)透明狀態(tài)（透明的液態(tài)），而冷卻后又會結(jié)晶（混亂的固態(tài)），是具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物；從化學(xué)的角度來看，液晶是一種有機(jī)復(fù)合物，由長棒狀的分子構(gòu)成，在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。液晶顯示器的顯示原理就是利用液晶的物理特性，在液晶面板中包含了兩片無鈉玻璃素材，中間夾有液晶，當(dāng)液晶板后面的背光光線在通過這層液晶時(shí)，如果有電場，液晶層就會顯示黑色將光線遮住，反之光線就能通過，光線經(jīng)過液晶層后，再通過排列、彩色顯示過濾并最終顯示出我們看到的圖像。

193.2液晶顯示器3.2.2液晶顯示原理203.2液晶顯示器3.2.2液晶顯示原理液晶顯示器件LCD按照物理結(jié)構(gòu)，可以分為：扭曲向列TN-LCD(TwistedNematic-LCD)；超扭曲向列

STN-LCD(SuperTN-LCD)；雙掃描無源扭曲陣列顯示器(DoublelayerDSTN-LCD)；快速DSTN（HPA）；薄膜晶體管有源陣列顯示器(TFT-LCD)。具體參數(shù)比較見下表。

類型反應(yīng)時(shí)間（ms）對比度視角DSTN30025:120度HPA15035:125度TFT80100:145度213.2液晶顯示器3.2.2液晶顯示原理雙掃描無源扭曲陣列顯示器(DSTN-LCD)DSTN-LCD通過雙掃描方式完成顯示的。掃描屏幕被分為上下兩部分，同時(shí)并行對這兩部分進(jìn)行刷新掃描，這樣的刷新頻率重繪整個(gè)屏幕快一倍，它提高了占空率，改善了顯示效果。

由于DSTN顯示屏上每個(gè)點(diǎn)的像素信息是由屏幕左右兩側(cè)的晶體管控制一整行像素來顯示，每個(gè)像素點(diǎn)不能自身發(fā)光，是無源像點(diǎn)。亮度和對比度不能獨(dú)立控制，以至于顯示效果欠佳，且對比度和亮度較差、屏幕觀察范圍較小、色彩欠豐富，特別是反應(yīng)速度慢，不適于高速全動圖像、視頻播放等應(yīng)用，一般只用于文字、表格和靜態(tài)圖像處理，但是它結(jié)構(gòu)簡單并且價(jià)格相對低廉（其價(jià)格一般要比同等配置下的TFT筆記本電腦低3千元左右），耗能也比TFT-LCD少。DSTN-LCD只能顯示一定的顏色深度，因而又稱為“偽彩顯”。HPA（高性能定址）顯示器亦稱快速DSTN：是DSTN的改良型，能提供比DSTN更快的反應(yīng)時(shí)間、更高的對比度和更大的視角，成本較低，因此在低端筆記本電腦市場具有一定的優(yōu)勢。

223.2液晶顯示器3.2.2液晶顯示原理薄膜晶體管有源陣列顯示器(TFT-LCD)液晶顯示器上的每一液晶象素點(diǎn)都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動。從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。在彩色顯示器中不能采用雙掃描形式。這樣就出現(xiàn)了將薄膜晶體管（TFT）、或薄膜二極管、或金屬－絕緣體－金屬（MIM）等非線性有源元件集成到顯示組件中的有源技術(shù)，用來驅(qū)動每個(gè)像素點(diǎn)。TFT屬有源矩陣液晶顯示器（AM-LCD），TFT-LCD的每個(gè)像素點(diǎn)都是由集成在自身上的TFT來控制，是有源像素點(diǎn)。因此，不但反應(yīng)時(shí)間可以極大地提高，起碼可以到80ms左右，而且對比度和亮度也大大提高了，同時(shí)分辨率也達(dá)到了空前程度。因其具有比其他兩種顯示器更高的對比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，俗稱“真彩”。

233.2液晶顯示器3.2.2液晶顯示原理三種類型的對比與DSTN-LCD和HPA相比，TFT的主要特點(diǎn)是在每個(gè)像素配置一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。由于每個(gè)像素都可通過點(diǎn)脈沖直接控制，因而每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對獨(dú)立，并可連續(xù)控制，這樣不僅提高了反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)在灰度控制上可以做到非常精確，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。TFT-LCD是目前面型

LCD顯示器和筆記本電腦LCD顯示屏的主流顯示設(shè)備。在色彩顯示性能方面與CRT顯示器相當(dāng)，凡CRT顯示器所能顯示的各種信息都能同樣顯示，其效果已經(jīng)接近CRT顯示器。在有源矩陣LCD中，除了TFT-LCD外，還有一種黑矩陣LCD，是當(dāng)前的高品質(zhì)顯示技術(shù)產(chǎn)品。它的原理是將有源矩陣技術(shù)與特殊鍍膜技術(shù)相結(jié)合，既可以充分利用LCD的有源顯示特點(diǎn)，又可以利用特殊鍍膜技術(shù)，在減少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高對比度的同時(shí)，可減小在日常明亮工作環(huán)境下的眩光現(xiàn)象。

243.2液晶顯示器3.2.2液晶顯示原理LCD顯示器的特有指標(biāo)觀察屏幕視角與可視角度視線與屏幕中心法向成一定角度時(shí)，人們就不能清晰地看到屏幕圖象，而那個(gè)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?？梢暯嵌茸笥覍ΨQ，上下則不然。常常是上下角度小于左右角度?？梢暯鞘怯笥?。

響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間愈小愈好，它反應(yīng)了液晶顯示器各象素點(diǎn)對輸入信號反應(yīng)的速度，即pixel由暗轉(zhuǎn)亮或由亮轉(zhuǎn)暗的速度。響應(yīng)時(shí)間越小則使用者在看運(yùn)動畫面時(shí)不會出現(xiàn)尾影拖拽的感覺。

253.2液晶顯示器3.2.3液晶顯示數(shù)字接口（DigitalVisualInterface）LCD需要數(shù)字信號（將模擬信號輸入到TFT-LCD顯示設(shè)備上來顯示本身就是很可笑的一件事情）。數(shù)字接口的標(biāo)準(zhǔn)有LVDS,TDMS,GVIF,P&D,DVI和DFP等許多，現(xiàn)已趨向于DVI（DigitalVisualInterface）接口。DVI能輸出1280*1024的解析度，新出品的LCD一都提供這種接口。優(yōu)點(diǎn)：不存在模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中的信號衰減；不需要進(jìn)行時(shí)鐘頻率，向量的調(diào)整；價(jià)格便宜，減少了相應(yīng)的電路和元件。缺點(diǎn)目前存在至少三種接口標(biāo)準(zhǔn)(P&D,DFP和DVI)；需要帶有數(shù)字視頻的顯示卡來配合使用。

263.2液晶顯示器

273.3微機(jī)顯卡顯卡是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與顯示器之間的接口。283.3微機(jī)顯卡293.3微機(jī)顯卡3.3.1顯卡的基本結(jié)構(gòu)和主要器件顯卡上主要的部件有：顯示芯片、RAMDAC、顯存、BIOS、VGA插座、特性連接器等。有的顯卡上還有可以連接電視的TV端子或S端子。一些近期出現(xiàn)的顯卡在主芯片上用導(dǎo)熱性能較好的硅膠粘上了一個(gè)散熱風(fēng)扇（有的是散熱片）。303.3微機(jī)顯卡3.3.1顯卡的基本結(jié)構(gòu)和主要器件1.顯示芯片：顯示芯片是顯卡的“心臟”，決定了顯卡的檔次和大部分性能，同時(shí)也是2D顯卡和3D顯卡區(qū)分的依據(jù)。

2D顯示芯片在處理3D圖像和特效時(shí)主要依賴CPU的處理能力，稱為“軟加速”。如果將三維圖像和特效處理功能集中在顯示芯片內(nèi)，也即所謂的“硬件加速”功能，就構(gòu)成了3D顯示芯片。顯示芯片通常是顯卡上最大的芯片（也是引腳最多的），中高檔芯片一般都有散熱片或散熱風(fēng)扇。顯示芯片上有商標(biāo)、生產(chǎn)日期、編號和廠商名稱，例如“ATi”、“nVidia”、“S3”等。每個(gè)廠商都有不同檔次的芯片。313.3微機(jī)顯卡3.3.1顯卡的基本結(jié)構(gòu)和主要器件2.RAMDAC：其含義是"數(shù)模轉(zhuǎn)換器"，它的作用是將顯存中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為能夠用于顯示的模擬信號。RAMDAC的轉(zhuǎn)換速率以MHz表示，決定了刷新頻率的高低（與顯示器的"帶寬"意義近似）。該數(shù)值決定了在足夠的顯存下，顯卡最高支持的分辨率和刷新率。如果要在1024×768的分辨率下達(dá)到85Hz的分辨率，RAMDAC的速率至少是90MHz?，F(xiàn)在顯卡的RAMDAC至少是170MHz，高檔顯卡的多在230MHz以上，第四、五代3D顯卡大多采用了300MHz以上的RAMDAC。為了降低成本，有些廠商將RAMDAC做到了顯示芯片內(nèi)，在這些顯卡上找不到單獨(dú)的RAMDAC芯片。323.3微機(jī)顯卡3.3.1顯卡的基本結(jié)構(gòu)和主要器件3.顯存：與主板上的內(nèi)存一樣，顯存也是用于存放數(shù)據(jù)的，只不過它存放的是顯示芯片處理后的數(shù)據(jù)。3D顯卡的顯存較一般顯卡的顯存不同之處在于：3D顯卡上還有專門存放紋理數(shù)據(jù)或Z－Buffer數(shù)據(jù)的顯存。4.BIOS：又稱“VGABIOS”，主要用于存放顯示芯片與驅(qū)動程序之間的控制程序，另外還存放有顯卡型號、規(guī)格、生產(chǎn)廠家、出廠時(shí)間等信息。早期顯卡BIOS是固化在ROM中的，不可以修改，而現(xiàn)在多數(shù)顯卡則采用了大容量的EEPROM，可以通過專用的程序進(jìn)行改寫升級。333.3微機(jī)顯卡3.3.1顯卡的基本結(jié)構(gòu)和主要器件5.總線接口：顯卡要插在主板上才能與主板互相交換數(shù)據(jù)。與主板連接的接口主要有ISA、EISA、VESA、PCI、AGP和PCI-E等幾種。ISA和EISA總線帶寬窄、速度慢，VESA總線擴(kuò)展能力差，這三種總線已經(jīng)被市場淘汰?，F(xiàn)在常見的是AGP和PCI-E接口。AGP接口最初定義了66MHz的工作頻率，現(xiàn)已有AGP8x的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)。PCI-E接口是一種新的顯示總線接口，有更寬的帶寬，現(xiàn)在多見的是PCI-E16x。6.VGA插座：它是一個(gè)有15個(gè)插孔的插座，外型有點(diǎn)像大寫的“D”（防止插反了）。與聲卡上的MIDI連接器不同的是，VGA插座的插孔分三排設(shè)置，每排5個(gè)孔，MIDI連接器有9個(gè)孔，兩排設(shè)置，比前者長一點(diǎn)，扁一點(diǎn)。VGA插座是顯卡的輸出接口，與顯示器的D形插頭相連，用于模擬信號的輸出。7.數(shù)字接口:用于連接LCD顯示器的接口。343.3微機(jī)顯卡3.3.23D顯卡的3D基本功能1.AlphaBlending：Alpha混合。Alpha是3D紋理元素顏色特性中的特殊通道，利用它可