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1、,第二章,图形系统的组成,图形系统的组成,第二章-2,内容,图形显示及绘制设备阴极射线管彩色阴极射线管随机扫描显示器光栅扫描显示器液晶显示器等离子显示器硬拷贝设备图形软件及图形软件标准,图形系统的组成,第二章-3,交互式绘图系统,图形系统的组成,第二章-4,图形显示及绘制,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 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。,图形系统的组成,第二章-5,阴极射线管（CRT）,组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏,图形系统的组成,第二章-6,阴极射线管,工作原理高速的电子束由电子枪
2、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。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，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了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,图形系统的组成,第二章-7,阴极射线管,电子枪 由灯丝，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
3、制荧光屏上相应点的亮度。,图形系统的组成,第二章-8,阴极射线管,聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极加正的高压电（几万伏），使经过聚焦的电子束高速运动。偏转系统控制电子束偏转，使其在屏幕的适当位置绘图。电子束到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角。最大偏转角是衡量偏转系统性能的最重要的指标，显示器的前后径长短与此有关。最大偏转角一定的情况下，CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长。,图形系统的组成,第二章-9,阴极射线管,荧光屏荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光。持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间。刷新(Refresh)：为了让荧光
4、物质保持一个稳定的亮度值。刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数。,某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间（例如）=1000/40=25Hz,图形系统的组成,第二章-10,阴极射线管,荧光屏像素(Pixel:Picture Element)：构成屏幕（图像）的最小元素。分辨率(Resolution)：CRT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dpi（dots per inch)。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，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等。分辨率主要取决于CRT的聚焦
5、系统、偏转系统和荧光物质（即分辨率与像素的亮度分布有关）。,图形系统的组成,第二章-11,阴极射线管,当电子束轰击某像素时，该像素的亮度分布类似于高斯分布，亮度在像素心点取得最大值，并向周围逐渐衰减。,图形系统的组成,第二章-12,彩色阴极射线管,彩色阴极射线管是通过将能发不同颜色的光的荧光物质进行组合而产生彩色。产生彩色的常用方法电子透入法（射线穿透法）荫罩法（影孔板法）,图形系统的组成,第二章-13,彩色阴极射线管-电子透入法,基本原理 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,荧光涂层,产生颜色,低速电子束,较低速电子束（橙色）,较高
6、速电子束,高速电子束,因此，电子束的速度决定了屏幕上光点的颜色，而电于束的速度可由加速电极的电压来控制。,图形系统的组成,第二章-14,彩色阴极射线管-电子透入法,应用主要用于画线显示器（随机扫描显示器）优点成本低，价格便宜缺点只能产生有限的四种颜色图形质量比较差,图形系统的组成,第二章-15,彩色阴极射线管-影孔板法,影孔板法原理：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,图形系统的组成,第二章-16,彩色阴极射线管-影孔板法,影孔板的类型点状影孔板代表：大多数球面与柱面
7、显像管栅格式影孔板代表：Sony的特丽珑管Trinitron与Mitsubishi的钻石珑管Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LG的Flatron显像管,图形系统的组成,第二章-17,彩色阴极射线管-影孔板法,点状影孔板工作原理红、绿、蓝三基色；三色荧光点（很小并充分靠近像素）；三支电子枪，与三个荧光点相对应；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应；电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线；,图形系统的组成,第二章-18,彩色阴极射线管-影孔板法,三色荧光屏,影孔板,三个电子枪,荫罩型CRT工作原理,图形系统的组成,第二章-19,彩色阴极射线管-影孔板法,调节各电子枪发生的电子束
8、中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。显示器能同时显示的颜色种类数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,图形系统的组成,第二章-20,随机扫描的显示器,随机扫描显示器又称向量显示器、笔划显示器。随机扫描显示器电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。,图形系统的组成,第二章-21,随机扫描的显示器,工作原理应用程序发出绘图命令，解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。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)
9、，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,图形系统的组成,第二章-22,光栅扫描显示器,在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度随帧缓存器中的值而变化，从而在屏幕上建立亮点的图案。所有的光栅显示器都有内在的坐标系统，用于确定图形上的某像素与屏幕位置的关系。,图形系统的组成,第二章-23,光栅扫描显示器,图形系统的组成,第二章-24,光栅扫描显示器,光栅扫描图形显示系统的逻辑部件：帧缓冲存储器(Frame Buffer)视频控制器(Video Controller)显示处理器(Display Proc
10、essor)CRT,图形系统的组成,第二章-25,光栅扫描显示器,简单的光栅扫描图形显示系统的结构,图形系统的组成,第二章-26,光栅扫描显示器,较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。,图形系统的组成,第二章-27,光栅扫描显示器,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+显示处理器显示处理器的作用代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等等,图形系统的组成,第二章-28,光栅扫描显示器,帧缓冲存储器（Frame Buffer）简称帧缓冲器，俗称显存作用：存储屏幕上像
11、素的颜色值帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同，单元与像素一一对应，各单元的数值决定了其对应像素的颜色。显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。,图形系统的组成,第二章-29,光栅扫描显示器,视频控制器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,图形系统的组成,第二章-30,光栅扫描显示器,视频控制器工作原理,图形系统的组成,第二章-31,灰度光栅扫描显示器（1位）,对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个10241024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220bit，并在一个位面(像素对应的颜色值的存储方式-plann
12、ar pattern)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，因而还需要数模转换器(DAC)。,图形系统的组成,第二章-32,灰度光栅扫描显示器（N位）,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个位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N个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。,图形系统的组成,第二章-33,彩色光栅扫描显示器（3个位面）,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。,图形系统
13、的组成,第二章-34,彩色光栅扫描显示器（24个位面）,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，即24位真彩色。,图形系统的组成,第二章-35,光栅图形,光栅图形是指由数值型数组存放于计算机中的像素集合。,图形系统的组成,第二章-36,光栅图形,光栅图形的创建途径手工绘制；算法生成；扫描仪；,图形系统的组成,第二章-37,光栅图形,放大12倍,放大6倍,放大3倍,图形系统的组成,第二章-38,灰度光栅图形,像素图（Pixel map）和位图（Bi
14、tmap）像素深度（pixel depth）用于表示灰度级别的位数,图形系统的组成,第二章-39,灰度光栅图形,8 bit/pixel,图形系统的组成,第二章-40,彩色光栅图形,彩色光栅图形的每个像素有一个颜色值（用数值表示）像素颜色值对应于一个三元组（red green blue）颜色深度表示每个像素的颜色所需的位数。颜色深度是红、绿、蓝基颜色对应的位数之和。,color depth=3,图形系统的组成,第二章-41,彩色光栅图形,真彩色图形（True Color Image）：最高质量的图形，颜色深度为24，每种基颜色分别占一个字节。,存储一张1024x1024的真彩色光栅图形，需要多大
15、的内存容量？,3 x 1024 x 1024 byte=3 M,图形系统的组成,第二章-42,光栅扫描显示器,光栅显示系统的特点优点：成本低易于绘制填充图形色彩丰富刷新频率一定，与图形的复杂程度无关易于修改图形缺点：需要扫描转换会产生混淆,优点使其占据了市场主流,缺点正在被克服,图形系统的组成,第二章-43,液晶显示器（LCD）,索尼公司的两款LCD外形,图形系统的组成,第二章-44,液晶显示器,CRT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
16、磁辐射会对人们健康产生不良影响LCD显示器的优点外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右。不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象工作电压低，功耗小，节约能源没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响,图形系统的组成,第二章-45,液晶显示器,液晶显示器的构成液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的平板式显示器,反射层,水平极板,水平网格线,液晶层,垂直网格线,垂直极板,观察方向,图形系统的组成,第二章-46,液晶显示器,LCD显示器基本原理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。当液晶受到电压的影响时，就会改变
17、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化，而产生色彩液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板,图形系统的组成,第二章-47,液晶显示器,LCD显示器的基本指标点距与分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般0.280.32mm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液晶显示器的缺点寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。
18、,图形系统的组成,第二章-48,等离子显示器,由一个细小氖泡矩阵组成，由于氖泡有两种状态：开启(点燃)、关闭(熄灭)，且状态可保持。分为1）前层：垂直导线2）中层：细小氖泡3）后层：水平导线,水平网格线（Y向地址）,玻璃极板单元,垂直网格线（X向地址）,观察方向,图形系统的组成,第二章-49,等离子显示器,特点有记忆功能可动态修改图形缺点光点大(因气体的泄露),故分辨率只能达到中等水平(每英寸40点左右)气体辉光和熄灭的过渡时间太长，约20us,限制图形的生成速度,图形系统的组成,第二章-50,硬拷贝设备,图形系统的组成,第二章-51,硬拷贝设备,静电打印机结构,图形系统的组成,第二章-52,
19、硬拷贝设备,滚筒式绘图仪,平板式绘图仪,图形系统的组成,第二章-53,图形软件及其标准,图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包。通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集(比如，OpenGL).基本功能：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它控制操作 专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系统。,图形系统的组成,第二章-54,图形软件标准,应用程序接口标准CORE图形标准(1977)GKS,GKS3D(1988),(Graphics Kernel System)PHIGS,PHIGS+,PEX(1988)(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)DirectXOpenGL(1993)(Open Graphics Library)历史上的很多标准落后于工业标准而放弃！图形设备接口标准计算机图形接口(CGI)图形数据接口标准基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）,
