1、第2章 图形显示设备,2.1 阴极射线管2.2 彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法2.3 随机扫描显示系统2.4 光栅扫描系统2.5 图形输入设备2.6 图形输出设备,阴极射线管(CRT- Cathode Ray Tube)组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏,2.1 阴极射线管（CRT),工作原理高速的电子束由电子枪发出，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
2、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每秒钟重画图像的次数，通常刷新频率应为30-50刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示，这个临界值称为停闪频率（critical flicker frequency CFF）,电子枪,电灯丝，金属阴极和控制栅组成。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，即控制荧光屏上相应点的亮度。,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），使电子束高速运动。,偏转系统,控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束要到达屏幕的边缘时，
3、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,荧光屏,荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光余辉时间：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（1060us）,某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率停闪频率=1秒/余辉时间例如：一种荧光物质持余辉时间40毫秒，刷新频率为1000/40=25帧/秒。 余辉时间短，适用于动态图形显示。余辉时间长，适用于静态图形显示,荧光屏,像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元素，每个由电子束点亮的屏幕点。
4、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,产生彩色的常用方法：1、射线穿透法2、影孔板法,2.2 彩色阴极射线管,2.2.1 彩色阴极射线管-射线穿透法,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,较高速电子束,高速电子束,彩色阴极射线管-射线穿透法,应用：主要
5、用于画线显示器优点：成本低缺点： 1、只能产生四种颜色 2、 图形质量比较差,2.2.2 彩色阴极射线管-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,影孔板的类型点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管荫栅式影孔板代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LG的Flatron显像管,2.2.2 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,电子
6、枪、影孔板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,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。,调节各电子枪发出的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。,2.3 随机扫描显示系统,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,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
7、，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。,工作原理,特点：无冗余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条只能描绘单线条图形，又称矢量扫描器或画线扫描器。不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂,2.4 光栅扫描显示系统,光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线帧水平回扫期垂直回扫期,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帧缓冲存储器作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓冲器，俗称显存,
8、像素所呈现的颜色或灰度由数值表示，视频控制器刷新时，需反复读这些数值。用来存储像素颜色（灰度）值的存储器就称为帧缓冲存储器。简称帧缓冲器（显存）。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）。,位面（bit plane）技术,把显存分成若干色平面，各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应，同一像素点在各位面占同一地址，不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色。 色平面越多，可表达的色彩越丰富。增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需重新计算新地
9、址，程序兼容性好。,若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示(28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色）。,红绿蓝三个位面，组合成8种颜色,增加一个亮度位面，形成16种颜色,显存容量问题,分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系,黑白光栅扫描显示器,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10241024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)。,黑白光栅扫描显示器,
10、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数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。,彩色光栅扫描显示器,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,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种灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。,隔行扫描工作原理,一帧完整的画面分成
11、两场。一场160秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应。优点：降低了闪烁效应；只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本；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。,较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构,帧缓存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。,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。,视频控制器,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,普通显卡=视频控制器+显存,工作原理 刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄
12、存器为0，置Y地址寄存器为Ymax，首先取出对应像素（0，Ymax）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1，如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。,显示处理器,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、纹理映射等等主要任务：扫描转换扫描转换（定义）：将应用程序给出的图形定义数字转换为一组象素强度值，并存放在帧缓存中，这个过程称为扫描转换。,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,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
13、形 缺点：需要扫描转换会产生混淆,光栅显示系统的特点,LCD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,索尼公司的两款LCD外形,LCD显示器的构成,液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成
14、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,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。,2.5 图形输入设备的发展,第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏、语音等等，第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维,2.6硬拷贝（输出）设备,图形和图像的输出有两种模式：屏幕显示模式（用显示器显示）输出实物图纸或硬拷贝模式（打印机、绘图机、照相机、摄像机等设备都可以使用）打印机： 点阵针式打印机 激光打印机 喷墨打印机 静电打印机,
