计算机图形学 图形设备与系统

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– 逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)，视频控制器 逻辑部件：帧缓冲存储器（ ，
（Video Controller)，显示处理器（Display Processor）， ，显示处理器（ ）， CRT – 帧缓冲存储器
作用： 作用：存储屏幕上像素的颜色值 简称帧缓冲器，俗称显存 简称帧缓冲器，俗称显存
– 表面：球面的一部分 表面： – 时间：~90年代初 时间： 年代初
柱面显象管： 柱面显象管：
– 表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲 表面：柱面的一部分，垂直方向上平直， – 时间：90年代中期 时间： 年代中期 – 代表：Sony公司的 公司的Trinitron，Mitsubishi公司的 公司的Diamondtron 代表： 公司的 ， 公司的
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查色表（look 查色表（look up Table）或称 Table） 彩色表（color table） 彩色表（color table）
– 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：
V ≥ M × N × log 2 K
3个位面分辩率是1024×1024的显示器，需要3×1024×1024 （3145728）位的存储器。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，只能工作于256色显示模式下。
第二讲 图形设备与系统
2.1 图形显示设备 2.2 图形系统及其标准
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图形输入设备： 二维：鼠标、图形输入板、跟踪球、光笔、触摸 屏、操纵杆、扫描仪… … 三维：空间球、数据手套… … 图形输出(显示、打印）系统： 阴极射线管显示器， 液晶显示器，等离子显示器，… … 绘图仪,打印机，
工作原理——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 工作原理
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（ 双缓冲机制（Double Buffer)
T ≥ M ×N×F
带宽问题 –高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽 --依然是个问题！ 依然是个问题！ 依然是个问题 –解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流 解决方法： 解决方法 隔行扫描（现在已经基本不用， 显示器都采用逐行扫描方式） 显示器都采用逐行扫描方式） 逐行扫描方式 –隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场 隔行扫描的： 隔行扫描的 把一帧分两场 –场频：==2*帧频 场频： 场频 帧频
平面直角显象管
– 表面：球面的一部分，类似于平面 表面：球面的一部分， – 时间：90年代中后期 时间： 年代中后期 – 现在市场上的主流显象管
纯平显象管
– 表面：纯平面 表面： – 时间：90年代后期 时间： 年代后期 – 代表：Sony公司的 公司的FD Trinitron，Mitsubishi公司的 公司的Diamondtron，Samsung 代表： 公司的 ， 公司的 ， 公司的DanyFlat，LG公司的 公司的Flatron 公司的 ， 公司的 – 今后的主流显象管
沟槽式影孔板 代表： 的 代表：LG的Flatron显像管 显像管
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2.1.2 彩色阴极射线管（续）
– 点状影孔板工作原理 红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） 三色荧光点（很小并充分靠近 〉像素） 三支电子枪
电子枪、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
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存放方式
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。
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彩显：
•带宽 与分辨率、帧频 的关系 带宽T与分辨率 帧频F的关系 带宽 与分辨率、
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聚焦系统
通过电场和磁场控制 电子束，“变细”，保证 亮点足够小，提高分辩率
加速电极
加正的高压电（几万伏）， 使电子束高速运动。
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偏转系统
控制电子束，静电场或磁场，产生偏转， 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。
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2.1.2 彩色阴极射线管
– 产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法 – 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 产生颜色 荧光涂层 低速电子束 电子束 较低速电子束 较高速电子束 高速电子束 应用： 应用：主要用于画线显示器 优点： 优点：成本低 缺点： 缺点：只等产生有限几种颜色
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
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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)， →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。
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）。
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彩显：
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 与显存大小 的关系 与显存大小V的关系 分辨率 、颜色个数K与显存大小
转系统，轰击到荧光屏的不同部位， 转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的 荧光物质吸收，发光产生可见的图形。 荧光物质吸收，发光产生可见的图形。
–结构
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电子枪
电灯丝，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，即控制荧光屏上相应点 的亮度。
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2.1.2 彩色阴极射线管（续）
– 影孔板法 原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位 原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面， 置
影孔板
外层玻璃
荧光涂层
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– 影孔板的类型 点状影孔板 代表： 代表：大多数球面与柱面显像管
栅格式影孔板 代表： 代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron 的 与 的 显像管
像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像）的最小元素 像素 ：构成屏幕（图像） 分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大 分辨率 ： 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（ 像素个数，单位通常为 （dots per inch)。在假定 。 屏幕尺寸一定的情况下， 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， 像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768， ， ， ， 1280*1024等等 等等
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隔行扫描工作原理 隔行扫描工作原理 一帧完整的画面分成两场。 一场1／60秒，（场频60HZ），（帧 频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，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。
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2.1.4 光栅扫描的显示系统
光栅扫描显示系统
– 特点：光栅扫描 特点： – 扫描线 – 帧 – 水平回扫期 – 垂直回扫期
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– 绘图过程
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-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，M * N显示器的分辨率。
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2.1 图形显示器
2.1.2 阴极射线管 2.1.3 彩色阴极射线管
射线穿透法 影孔板法
2.1.4 随机扫描显示系统 2.1.5 光栅扫描系统
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2.1.1 阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube）
阴极射线管(CRT) 阴极射线管
–组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏 组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、 –工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏 工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、
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调节各电子枪发生的 电子束中所含电子的数 目，即可控制各色光点 亮度。
显示器能同时显示的颜色个数
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