第二章图形设备 2 1 图形输入设备 2 2 图形显示设备 2

第二章：图形设备 2. 1 图形输入设备 2. 2 图形显示设备 2. 3 图形显示子系统 2. 4 图形绘制设备

图形系统的基本功能

2. 1：图形输入设备 o o 数据手套 o 本节内容：键盘鼠标器 o 数字化仪 o 光笔 o 图象扫描仪 o 触摸屏 o 声频输入系统 o 操作杆 o 视频输入系统 o 跟踪球

2. 1：图形输入设备 o 键盘（Keyboard）有ASCII编码键、命令控制键和功能键，是计算机的一种最基本的输入设备，用于输入非图形数据。

2. 1：图形输入设备 o 鼠标（Mouse）将移动距离及方向的信息变成数字脉冲信息，由计算机转换成光标的坐标数据，或采用光学感应器检测鼠标的运动；

2. 1：图形输入设备 o 光笔（Light Pen）利用笔尖处的孔，荧光屏上的光透过透镜聚集到光导纤维，传至光电倍增器，形成电信号，以此来选择屏幕的位置坐标缺陷：遮挡住屏幕，操作不便；容易疲劳；所有屏幕象素都要具有非零亮度；受环境光影响，有可能误读

2. 1：图形输入设备 o 触摸屏（Touch Screen）用手指触摸屏幕的位置进行选择：光学触摸屏利用红外线发生和接受装置检测光线的遮挡情况导致的电平变化，或通过测量投射屏幕两边的阴影范围来确定手指的位置。电子触摸屏是由相互间有一较小距离的两块透明板构成，其中一块涂有导电材料另一块涂有电阻材料。利用两涂层间的电阻和电容的变化确定触摸位置。声学触摸屏利用手触及使声波发生衰减，从而转换为X，Y坐标的。

2. 1：图形输入设备 o 操纵杆（Joystick）提供对屏幕光标的环绕操作，系统对操纵杆的移动和压力做出响应

2. 1：图形输入设备 o 跟踪球（Trackball）跟踪球用作两维定位设备，利用附加的电压计量器测量球的旋转量和方向，通常安装在键盘和鼠标上；空间球则提供六个自由度。

2. 1：图形输入设备 o 数据手套（Data Glove）由一系列检测手和手指运动的传感器组成，发送天线和接收天线之间的电磁耦合，可以提供关于手位置和方向的信息

2. 1：图形输入设备 o 数字化仪（Digitizer）用来给物体作画，或交互选择坐标位置的常用设备，可以输入二维或三维物体的坐标值，一般，数字化仪通过对物体的扫描，并输入一组坐标位置，相互连接后，以逼近曲线或表面形状

2. 1：图形输入设备 o 图象扫描仪（Scanner）可直接把图纸、图表、照片等输入到计算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等级被记录下来，并按图象方式进行存储，目前绝大多数采用的固态器件是电荷耦合器件，常用的分辨率是 300－1000 dpi（Dot Per Inch）

2. 1：图形输入设备 o 声频输入系统（Voice Input System）也称为声音输入系统，在某些图形作站中，采用话音识别器作为输入设备，以接收操作者的命令。

2. 1：图形输入设备 o 视频输入系统（Video Input System）用于输入视频图形和图象信息。视频信号采集板（卡）、视频信号输入卡、视频信号处理装置，其中大量采用了数字信号处理芯片（DSP）。目前微机流行采用视霸卡（video blaster）采集图形图象，经过编码和压缩后，存储在计算机中，以后可读出送到计算机显示器或电视机中。

2. 4：图形绘制设备 o 打印机 o 绘图仪本节内容：

• 点阵式输出设备：如常见的针式打印机, 喷墨式绘图仪, 静电式绘图仪. 图形被分解成点阵输出。 • 矢量式输出设备：可分为平面式绘图仪和滚筒式绘图仪。

2. 4：图形绘制设备 o 打印机（Printer）打印机是画点设备，是主要的图形硬拷贝设备，分为撞击式（Impact）和非撞击式（Nonimpact）：撞击式打印机主要指针式打印机；非撞击式打印机包括激光、喷墨、热转印、燃料热升华、静电等多种打印机。

2. 4：图形绘制设备 o 绘图仪（Plotter）笔式绘图仪（Pen Plotter）是一种划线设备，从原理上分为笔式、喷墨式、热敏式、静电式等，从结构上又分为两种： 1）滚筒式绘图机（Drum Plotter ）：两只步进电机带动绘图纸和绘图具笔运动，控制两只步进电机协调动作进行绘图。绘图具可以是笔，或彩色喷墨头。 2）平板式绘图机（Flatbed Plotter ）：图纸平铺，横梁和笔架运动。这种绘图仪目前已经很少见。

2. 2：图形显示设备 o CRT图形显示器光栅扫描显示器：扫描转换过程：象素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程。帧频：又称垂直扫描频率，是每秒钟屏幕重复绘制显示画面的次数，即重绘率。垂直回扫，场扫描：每帧终了，电子束返回左上端。

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管 o 彩色阴极射线管 o CRT图形显示器本节内容： o 平板显示器三维观察设备

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo）目前图形显示设备大多数是基于阴极射线管CRT的监视器。 CRT是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料，而产生可见图形。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，屏幕上的对应点就辉亮，不同象素的辉亮状态就产生了可见图形。

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo） CRT由电子枪、偏转系统、荧光屏三个基本部分组成：电子枪：由加热器，金属阴极、电平控制器组成；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，即控制荧光屏上相应点的亮度； CRT它的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束轰击荧光屏，电子束应满足下列要求： a. 具有足够的电流强度 b. 电流的大小和有无必须是可控的 c. 具有很高的速度 d. 在屏幕上能聚焦很小的光亮，以保证显示器足够的分辨率

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo）电子枪结构：栅极第二阳极玻璃玻璃栅极聚焦极石墨层灯丝阴极加速极第三阳极（a)三极电子枪阴极加速极第二、四阳极（b)四极电子枪聚焦系统是一个电透镜，保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极：加正高压电（几万伏），使电子束高速运动。

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo）偏转系统：主要作用是控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束偏转有电偏转和磁偏转两种方法： a. 磁偏转系统是利用磁场使电子束产生偏转，扫描荧光屏产生字符或图形。 b. 电偏转电子束通过两对金属偏转板，电子朝正电压的极板偏转

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo）磁偏转电偏转

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo）偏转系统：由于偏转系统的作用，电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标。显示器长短与此有关：CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo）注意：电子穿出偏转磁场后，是沿着圆周运动的切线的方向射向屏幕的，可以导出，当偏转线圈的匝数一定时，偏转电流I与偏转角的正弦成正比。由于屏幕四角距中心最远，会造成光栅的枕形失真。对此，可将产生偏转磁场的锯齿形电流预先产生一些失真；或是通过“桶形失真”抵消“枕形失真” 枕形失真桶形失真

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo）荧光屏：荧光屏是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无气泡，表面光学抛光。对荧光粉的性能要求是： a. 具发光颜色满足标准白色 b. 发光效率高的 c. 余辉时间合适 d. 寿命长

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo）荧光屏的相关概念：荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光，如硫化锌和硅酸锌的混合物。余辉时间（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所需的时间电子停止轰击到亮度值衰减到初始值 1/10所需的时间。短余辉可显示动画，长余辉可显示静态图象，通常CRT荧光粉的余辉时间为 5－40 ms。刷新：为了让荧光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。分辨率：像素(Pixel: Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元素。屏幕亮点无重叠显示的最多点数；或垂直和水平方向每厘米可绘制的点数；或两个方向的总点数。两个相邻亮点显现的间隔应大于具有约 60％亮点中心亮度的位置上每个亮点的直径。

o 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=25 Hz

2. 2：图形显示设备 o 阴极射线管（Cathode Ray Turbo） CRT屏幕上发光荧光层亮点的亮度分布满足高斯分布当两个荧光发光亮点间隔大于亮点亮度衰减到 60％最大值的亮点的直径时，两亮点是可区分的

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管屏幕产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法：原理：荫罩被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置利用三基色原理（红、绿、蓝），将三色影像同时显示在一个管屏上，合成一副彩色图象。

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管影孔板法原理：荧光屏上涂有有序排列的R，G，B三色荧光点，荧光屏后面 1 cm处安装荫罩板，板上密排小孔与一组三色小点对应，三支电子枪的电子束交汇于小孔中心，再各自打在对应小点上。

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管影孔板法原理：调节各电子枪发射电子束的强度，即可控制各色光点亮度。若每支电子枪的电子束强度有256个等级，则显示器能同时显示 256*256种颜色，称为真彩系统。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=16 M种颜色，称为真彩系统显示器能同时显示的颜色个数

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管点状荫罩作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）三支电子枪影孔板法原理：电子枪的安装呈“ 品”字形，其间互成 120 度，组成一个等边三角形。为使三只枪同时击中一组荧光点，每支枪略向管轴倾斜。电子枪、荫罩中的一个小孔和荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管影孔板法原理：为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面要大些只有15%左右的电子到达屏幕，大部分被荫罩挡住致其发热

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管影孔板法原理：为了改进普通荫罩管的缺点，研制出了黑底荫罩管。主要是把荧光小点的面积缩小到等于实际发光面积，且小孔间隙用石墨涂敷。

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管影孔板类型： a）点状影孔板：大多数球面与柱面显像管影孔板外层玻璃 b）荫栅式影孔板：Sony的Trinitron 与Mitsubishi的Diamondtron显像管荧光涂层 c）沟槽式影孔板：LG的Flatron显像管

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管影孔板类型：球面显示器与柱面显示器普通的显象管采用的都是点状影孔板显象管（点状荫罩显象管），显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”。常用的荫栅式显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）红绿兰荫栅荧光屏 RGB

柱面和球面显示器点距定义示意图

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管射线穿透法：由两层荧光涂层：红色光和绿色光两种发光物质构成，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色特点：主要用于随机扫描等画线显示器；成本低； o o o 应用：主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色

2. 2：图形显示设备 o 彩色阴极射线管射线穿透法：当图形彩色转换速度很快时，相应的高压转换速度亦迅速，这对转换速度、精度、和功耗都提出了很高的要求；另外它通常只能产生有限的几种颜色荧光涂层产生颜色低速电子束较低速电子束较高速电子束

2. 2：图形显示设备 o CRT图形显示器随机扫描显示器：图形显示器中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。故也称其为向量显示器或笔划显示器。

随机扫描的显示系统特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer)，显示处理器（DPU: Display Processing Uuit）和CRT

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)， →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。

2. 2：图形显示设备 o CRT图形显示器随机扫描显示器：随机扫描显示器设计成每秒 30到 60 次画出图形的所有线条。高性能的向量系统在这样的速度中能处理100000条短线。显示的线条很少时候，则延迟每个刷新周期，否则可能烧坏荧光屏。优点：无冗余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条。缺点：只能显示线画图形不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂。

2. 2：图形显示设备 o CRT图形显示器直视存储管显示器：其作原理类似一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。优点：无需刷新、复杂图形都能在极高分辨率下无闪烁显示；成本低；缺点：不能显示彩色、不能局部修改、擦除和重画过程对复杂图形来讲，可能要几秒钟

2. 2：图形显示设备 o CRT图形显示器光栅扫描显示器：在该系统系统中，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，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。故称其为画点设备

光栅扫描的显示系统 o 光栅扫描显示系统 n n n 特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期

2. 2：图形显示设备 o CRT图形显示器光栅扫描显示器：刷新速率：每秒 60到 80帧，即 60 Hz或 80 Hz。水平回扫，行扫描：对于每一行，扫描线扫过后，返回屏幕左端。垂直回扫，场扫描：每帧终了，电子束返回左上端。逐行扫描和隔行扫描：隔行扫描是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行，主要用于较慢的刷新速率，以避免闪烁。刷新缓冲存储器（refresh buffer）或称帧缓冲存储器（ frame buffer）

几个概念 o 行频、帧频水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。 o 逐行扫描、隔行扫描方式是先扫奇数行扫描线，再扫偶数行扫描线。

几个概念 o 象素整个屏幕被扫描线分成 n 行，每行有 m 个点，每个点为一个象素。整个屏幕有 m × n 个象素。 o 分辨率是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光点（象素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的数目来表示。比如上述的 n 行，每行 m 点的屏幕分辨率为 m × n 。分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图像也就越清晰。分辨率受显示器生产艺、扫描频率以及显示存储器容量的限制。

几个概念 o 点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。 o 显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽（水平象素数 × 垂直象素数 × 最大帧频）来表示。

几个概念 o 色彩与亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM容量的影响。 o 图像刷新由于CRT内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以每秒 30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒 50~120帧。

几个概念 o 帧缓冲存储器（显示存储器）存储用于刷新的图像信息的存储器。帧缓冲存储器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可寻址的地址数的乘积来表示，称为帧缓冲存储器的分辨率。

显示器的分辨率电子束按固定的扫描顺序进行扫描N条扫描线，每条扫描线有M个像素，则M * N为显示器的分辨率。

n n 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 Processor），CRT 帧缓冲存储器 o o 作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓冲器，俗称显存

o o o 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）。 16位色的系统可以同时显示 16*16*16=4096色

2. 2：图形显示设备 o 平板图形显示器 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显示器利用电子枪发射电子束，容易受电磁波干扰；长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响。平板显示器是低电压、轻小型的数字化显示器件，一般分为两类：非发射显示器和发射显示器。非发射显示器利用光学效应，主要指液晶显示器；发射显示器主要包括平板CRT、等离子显示器、薄片光电显示器、发光二极管等。

2. 2：图形显示设备 o 平板图形显示器液晶显示器：液晶的电光效应：当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种排列状态时，液晶的光学性质随之改变。液晶显示的机理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。外观小巧精致，厚度只有 6. 5 -8 cm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。

2. 2：图形显示设备 o 平板图形显示器等离子显示器：采用空气等离子体技术，无须刷新缓冲存储器。空气等离子体通常用包括氖气在内的混合气体充入两块玻璃板之间。类似一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。显示屏薄，挂在墙上。发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具有无与伦比的清晰度，无锯齿现象。真正的平面直角。

2. 2：图形显示设备 o 平板图形显示器薄片光电显示器：薄片光电显示器有与等离子体显示板类似的结构。不同之处在于：它在玻璃板中填充的是荧光物，而不是气体。

2. 2：图形显示设备 o 平板图形显示器发光二极管显示器：常用于设计大型的室内室外的显示屏。结构原理：二极管以矩阵排列形成显示器的象素位置缺点：暖色效应，即多数LED 大屏幕显示器只具有暖色：即红色和绿色，以及两色的混合色“黄色”，整个显示色调偏黄。

2. 2：图形显示设备 o 三维观察设备显示三维场景需要用三维观察设备。一种方式是采用从变焦距的柔性震动镜面反射CRT 图象。第二种方式是利用不同的刷新周期交替地显示两视图，为不同的眼镜显示不同的图象。第三种方式是采用虚拟现实中的头盔式结构。

2. 3：图形显示子系统 o 本节内容：图形显示子系统结构 o 相关概念 o PC图形显示卡

2. 3：图形显示子系统 o 图形显示子系统结构常用光栅图形显示器结构中，缓冲存储器由显示控制器直接访问，它即可以使用系统主存的固定区域，又可以是专用的显示内存。常用的光栅图形显示子系统

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念光点：指电子束打在屏幕上，显示器所能显示的最小发亮点，一般用其直径来标明光点的大小。象素点：指图形显示在屏幕上的时候，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。图形分辨率：图形系统具有的实际屏幕图形精度称为图形分辨率图形显示中的分辨率有三种：屏幕分辨率、显示分辨率和存储分辨率。

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念屏幕分辨率：也称光栅分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率，任何显示控制器所提供的分辨率均不能超过该物理分辨率。通常用水平方向与垂直方向上的光点数的乘积来表示。显示分辨率：计算机显示控制器所能够提供的显示模式分辨率，实际应用中简称为显示模式。对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。对于图形显示方式，则用水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同。

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念存储分辨率：指帧缓冲区的大小，一般用缓冲区的字节数表示。存储分辨率不仅与显示分辨率有关，还与象素点色彩有关。帧缓存大小的计算＝： x方向的象素点数*y方向的象素点数*（log 2 n）/8 其中：n为颜色数或灰度等级数。三种分辨率的关系：屏幕分辨率决定了所能显示的最高分辨率；显示分辨率和存储分辨率对所能显示的图形分辨率也有控制作用；存储分辨率必须大于显示分辨率，否则不能显示应有的显示模式；

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念文本方式：　屏幕显示的作方式为字符方式称为文本方式。文本方式下，屏幕分辨率表示了该显示器显示字符的能力。图形方式：屏幕显示的作方式为绘图方式。只有在图形方式下才能执行各种图形的输入输出和操作功能。图形方式下也能显示字符，这时的字符可以作为图案（点阵字模）或图形（矢量字）处理，字符的大小和方向都是可变的。图形模式：图形方式下具体的显示方式称为图形模式。图形模式包括显示分辨率、同时能显示的色彩数目和页面个数。

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念象素和帧缓存：屏幕上一个象素点就对应帧缓存中的一组信息。如何对应，通常采用两种方式：组合象素法，和颜色位面法。组合象素法：在这种方式中，图形显示中一个图形象素点的全部信息被编码成一个数据字节，按照一定方式存储到帧缓存中，编码字节的长度与点的属性（如颜色、灰度等）有关。

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念颜色位面法：在这种方法中，帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（Bit Plane），每个位面控制一种颜色或者灰度，每一个图形象素点在每个位面中占一位，通过几个位面中的同一位组合成一个象素。

黑白光栅扫描显示器 o 黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个 1024× 1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为 220，并在一个位面上。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)。

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念颜色位面法：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。例如N位面灰度等级的帧缓存，其灰度等级范围是 0到 2 N-1之间。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个 1024× 1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为 1024× 1024 ，并在一个位面上。

黑白灰度光栅扫描显示器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位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是 0到 2 N-1之间。

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念颜色位面法：对于彩色帧缓存，每个原色电子枪有8个位面，每种原色有256种颜色数（灰度），三种原色组合可产生 256× 256 种颜色，称为全彩色（真彩色），其帧缓存称为全色帧缓存，这类帧缓存中每个象素点需要3个字节保存。

彩色光栅扫描显示器 o 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。

彩色光栅扫描显示器 o 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个位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256种灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。

彩色光栅扫描显示器 o o 若每个单元有24位（每种基色占 8位）即显示系统可同时产生 224种颜色（24位真彩色）分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系

彩色光栅扫描显示器 o 若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。1兆字节的帧缓存，若设分辩率为 640× 480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示 224种颜色，若设分辩率为 1024× 768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能作于256色显示模式下。

彩色光栅扫描显示器 o 显存问题 n 高分辨率和真彩要求有大的显存； 1024*768真彩模式需要3 M字节显存 n n n 曾经是个问题！解决方法：采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table) 查色表作原理

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念颜色查找表：如果颜色值直接存储在帧缓存中，那么对一些高分辨率和真彩要求的显存，如： 1024× 768真彩模式需要3 M字节的帧缓存（显存）！而通常应用中只取 256或 512个颜色（灰度）等级。为降低帧缓存的负荷，可采用颜色查找表的方法，即把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值。

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念颜色查找表：颜色查找表中每一项的内容对应一种颜色，表的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有n 位，则查色表的长度为 2 n，表中每项有w位字宽。目的：在帧缓存单元位数不增加的情况下具有大范围内挑选颜色的能力。图中w>n时，可有2 w个灰度等级。注意：尽管采用查找表后可提高总光强等级(总颜色数)，但每屏可显示的颜色数还是受帧缓存中单个象素点所占用的位数决定

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念显示长宽比：即水平点数与垂直点数之比。要求在屏幕两个方向上相同象素点数产生同样长度的线段，以使图形不至发生畸变。例如，屏幕的长宽比为 4: 3，故显示分辨率就有 640× 480，800× 600，1024× 768等，它们均为 4: 3。 600 800

2. 3：图形显示子系统 o 相关概念屏幕坐标系：在坐标系中象素点（x，y）的坐标取值范围为 0到x或y 的最大分辨率减 1。

2. 3：图形显示子系统 o PC图形显示卡单字符显示卡：MDA（Monochrome Display Adapter）彩色图形显示卡：CGA（Color Graphics Adapter）增强型图形显示卡：EGA（Extended Graphics Adapter）影像图形阵列：VGA（Video Graphics Array）高性能图形显示卡：Super VGA、Accelerated VGA、TVGA 显示存储器的带宽：最大数据传输率（MB/s）刷新带宽：每帧象素点数×每象素占用字节×刷新速率

查色表（look up Table） n n 是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有 8位，则查色表的长度为 28＝ 256 目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力：

存放方式 o o o 颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。

彩色光栅扫描显示器 • 带宽T与分辨率、帧频F的关系 • 带宽问题 –高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 –解决方法：隔行扫描（现在已经不用，主流显示器都采用逐行扫描方式） –隔行扫描：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 –场频：==2*帧频

隔行扫描作原理 o o 一帧完整的画面分成两场。一场 1／ 60秒，（场频 60 HZ），（帧频 30 HZ）画面更新频率仍为 60 HZ，降低了闪烁效应，每一场 1／ 60秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少一半。降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。

简单的光栅扫描图形显示系统的结构其中，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。

典型的光栅扫描图形显示系统结构其中，帧缓存既可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。

视频控制器 o o 作用：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

视频控制器作原理——刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为 0，置Y地址寄存器为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值, 放入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。双缓冲机制（Double Buffer) 普通显卡=视频控制器+显存

显示处理器 o 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

显示处理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

光栅显示系统的特点优点： n n n 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： n 需要扫描转换 n 会产生混淆（走样）

LCD (Liquid Crystal Display)显示器 CRT固有的物理结构限制 o o o 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磁辐射会对人们健康产生不良影响

LCD显示器的优点 o 外观小巧精致，厚度只有6. 5~8 cm左右。 o 不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象 o 作电压低，功耗小，节约能源 o 没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响

LCD显示器的构成液晶显示器是由六层薄板组成的平板式显示器观察方向板格层极网射平平反水水线格层网晶直液垂线板极直垂

LCD显示器基本原理 o o 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，还必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板

液晶显示有主动式和被动式两种 n n n 被动式液晶屏幕有STN（Super TN超扭曲向列LCD）和DSTN（Double layer Super TN双层超扭曲向列LCD）等最流行的主动式液晶屏幕是TFT（Thin Film Transistor薄膜晶体管）主动式液晶显示器使用了FET场效晶体管以及共通电极，这样可以让液晶体在下一次的电压改变前一直保持电位状态。这样主动式液晶显示器就不会产生在被动式液晶显示器中常见的鬼影、或是画面延迟的残像等

LCD显示器的基本指标 o 可视角度 n 视线与屏幕中心法向成一定角度时，人们就不能清晰地看到屏幕图象，而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。业上有CR 10（ Contrast Ratio）、CR 5两种标准来判断液晶显示器的可视角度

LCD显示器的基本指标 o 点距与分辨率 n n 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. 28~0. 32 mm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 o o 寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格相对偏高。

图形处理器 o o o 图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带早期的图形处理器只包含简单的存储器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须由CPU来控制现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3 D处理能力，大大减轻了CPU的负担, 提高了显示质量和显示速度

图形处理器的组成 o o o 显示主芯片 n 显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染显示缓存 n 用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据 n 显存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥数字模拟转换器（RAMDAC） n 它的作用就是把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号

显卡作原理简单示意图

等离子显示器 o o o 采用空气等离子体技术，无须刷新缓冲存储器空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具清晰，无锯齿现象。真正的平面直角。

图形作站具有完整人机交互界面，集高性能的计算和图形于一身，可配置大容量的内存和硬盘，I/O和网络功能完善，使用多任务多用户操作系统的小型通用个人化计算机系统。 1983年美国APOLLO公司推出第一台适合计算机辅助设计（CAD）的作站。现在全球最有名的图形作站属SGI图形作站。

虚拟现实系统除了具有常规的高性能计算机系统的硬件和软件外，还必须对下列关键技术提供强有力的支持： Ø能以实时的速度生成具有逼真感的景物图形（三维全彩色的、有明暗、纹理和阴影的图像） Ø能高精度的实时跟踪用户的头和手。 Ø头戴显示器能产生高分辨率图像和较大的视角。

2. 2 图形系统及其标准 o o 硬件，图形 I/O 设备，系统软件，图形软件。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， Open. GL). 基本功能：图元生成，属性设置（颜色，…. ）选择观察及实施变换等。专用类：不关心图形操作过程（CAD系统）。

图形系统标准 o 图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面标准。

图形系统标准分类 o 面向图形设备的接口标准：计算机图形元文件(CGM)，(CRT, Mouse, …) 计算机图形接口(CGI). 设备驱动程序。 o 面向应用软件的标准：程序员层次交互式图形系统（PHIGS）, GL (图形程序包 ) （三维）图形核心系统（3 D-GKS） o 面向图形应用系统中程和产品数据模型及其文件格式：基本图形转换规范（IGES）产品数据转换规范（STEP）

CGI（ISO DP 9636) o CGI(Computer Graphics Interface) 提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法，是图形软件和图形硬件之间的接口。 o 也可看作图形设备驱动程序的一种标准。 o 在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。

功能 o o o 控制、查询及出错处理输出图素及其属性图段定义及处理输入及响应处理光栅图形处理

CGM（ISO IS 8632) o o o CGM (Computer Graphics Metafile) 是计算机图形元文件的缩写，提供图形数据接口，它规定了记录图形信息的数据文件格式，使程序与程序之间，或系统与系统之间相互交换图形数据成为可能。与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式；规定了生成、存储、传送图形信息的格式；面向系统和系统开发者，和CGI配套提供；通用性是其关键属性。

图形元文件规定了生成、存储、传送图形信息的格式。目前常用两种类型的图形元文件，一种叫图形生成元文件，一种叫图段生成元文件。图形生成元文件的基本功能是生成多个与设备无关的图形定义，它提供了随机存取、传送、简捷定义图像的手段。CGM基本上属于这类元文件。图段生成元文件通过图形系统的某些接口生成完整的对话输出，GKS的元文件GKSM 属于这类图形文件。CGM是一个静态的图形生成元文件，即它不能产生所定义图形的动态效果，例如不能实现动态的几何变换。

GKS 是西德标准化协会提出的二维图形核心系统，1982 年 6 月被ISO组织决定作为国际图形软件标准，提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口。 o 与语言无关。 o 包括一系列交互式和非交互式图形设备的全部基本图形处理功能。如对图形进行生成、删除、复制等功能，对各种输入设备初始化、设定设备方式等功能。 o GKSM用于: 图形信息存档；系统传送图形信息；在GKS应用程序间传送图形信息；与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。 o

GKS的图形输入与输出 GKS有六种输入功能，分别为： o 定位(Locator)。输入一个 y) ，如指定一个圆心。 (x, 值 o 笔划(Stroke)。输入一系列的点，如折线的一组顶点。 o 取值(Valuator)。输入数值。如转角、比例因子等。 o 选择(Choice)。从一组选项中选择一项，如选择菜单项。 o 拾取(Pick up)。标识一个显示目标。如使目标图形变色、闪烁或增亮。 o 字串(String)。输入一个字符串。

GKS的图形输入与输出 GKS有六种输出图素，分别为： o 折线(Polyline)。 o 多点标记(Polymarker)。在一组离散点处选用圆点、加号、星号、叉号作为记号标出。 o 文本(Text)。 o 区域填充(Fill Area)。在区域内填充图案、颜色。 o 单元阵列(Cell Array)。光栅显示中像素点阵的抽象。它是一个矩形区域，该区域被划分为dx×dy个单元，每个单元可任意指定一种颜色以构成彩色阵列。 o 广义图素(Generalized Drawing Primitive)。除以上几类图素之外的其他几何元素，如圆弧、样条曲线等。输出图素时，除了指明其大小外，还需指明诸如线宽、线型、颜色等属性。

三维图形核心系统GKS - 3 D o o GKS系统和GKS-3 D系统在功能上可以混合使用，如可用 GKS系统定义一个平面，然后把它转换到三维空间中去，用 GKS-3 D系统对它进行各种处理。 GKS-3 D系统的三维功能有：三维图素、填充区域图素集、具有视图操作的三维变换、三维输入、隐藏线及面的消除、边界属性、三维几何属性。

PHIGS（ISO IS 9592） o o o 美国国家标准化委员会ANSI于 1986 年公布的图形软件标准， 1989年 4月被ISO组织批准为国际标准； PHIGS是一种面向程序员的层次式交互图形系统国际标准，其特点是使用户能方便地描述三维图形，并在最大程度上独立于硬件环境开发应用程序； PHIGS标准主要解决研制交互式图形软件的动态图形数据结构的设计及其修改。

功能结构 o PHIGS的标准功能划分为九个程序模块分别实现，各模块相对独立，各模块之间通过系统的公共数据结构间接连接。这样便于在整个PHIGS系统中逐个模块地进行程序开发

图形数据按层次结构组织 o o o PHIGS将它处理的数据存放在一个中央结构存储器(CSS)中，并对它进行管理和操作。 CSS中的基本单元是结构，它是由图形数据和应用数据组成的一个整体。每个结构由一些结构元素的序列组成。结构元素有图形元素(直线、字符等)、属性元素等。一个结构可以引用另一个结构，通过结构的引用可以建立层次式的结构网格。应用程序通过规定的方式可以创建一个PHIGS结构

提供动态修改和绘制显示图形数据的手段 o o PHIGS有非常有效的结构编辑能力，如删除、插入结构元素等。能够迅速地修改图形模型的数据，并相应地显示出修改后的图形模型。是一个高度动态化和交互式图形系统

GL o o 图形程序库 UNIX下运行 Open. GL—微机分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；I/O 处理；真实图形显示。

IGES（基本图形转换规范） o o Initial Graphics Exchange Specification 美国ANSI标准，已成为事实上的业标准；作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据；文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口(DE)，参数(DP)节，整体节和结束节。

STEP（产品模型数据转换标准） o o o Standard for the Exchange of Product model Data. STEP标准将数据交换的实施大致分为四级：文件交换、标准数据存取接口、数据库共享和知识库共享。着眼于产品的整个生命周期，产品数据统一模型的建立，从而为不同系统之间信息的自动转换和共享提供了标准的手段。强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。克服IGES中的问题和缺点。

概念与术语 • 持续发光时间 • 刷新 • 像素 • CRT的分辨率 • 阴极射线管的组成部分及其功能 • 射线穿透法及荫罩法产生彩色的作原理 • 随机扫描显示系统的逻辑部件及作机理 • 光栅扫描显示系统的逻辑部件及作机理 • 查色表及其作原理 • 显存大小、屏幕分辨率及可同时显示的颜色数目之间的关系 • 图形系统及其标准

第二章 图形设备 2 1 图形输入设备 2 2 图形显示设备 2

第二章图形设备 2 1 图形输入设备 2 2 图形显示设备 2