第2章-计算机图形系统及硬件基础

1、第第2 2章章 计算机图形系统及硬件基础计算机图形系统及硬件基础2.1 2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 计算机系统中的图形设备计算机系统中的图形设备 计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通常由以下三部分构成：常由以下三部分构成：中央处理器中央处理器图形输出设备图形输出设备图形输入设备图形输入设备图形输入设备图形输入设备 常用的图形输入设备常用的图形输入设备 键盘键盘 鼠标鼠标 此外还有此外还有 跟踪球、空间球跟踪球、空间球 光笔、触摸板、光笔、触摸板、 图形扫描仪图形扫描仪 数字化仪、手写输入板数字化仪、手写输入板 语音输入语音输入 数据手

2、套数据手套中央处理器（中央处理器（CPUCPU） 中央处理器完成对图形的描述、建立、修中央处理器完成对图形的描述、建立、修改等各种计算，并对图形实现有效的存储。改等各种计算，并对图形实现有效的存储。 许多外设所增加的固化的图形处理功能，许多外设所增加的固化的图形处理功能，可接受更高级的绘图命令，实现图形的缓可接受更高级的绘图命令，实现图形的缓冲，以及完成大部分图形函数的功能，从冲，以及完成大部分图形函数的功能，从而大大减轻了而大大减轻了CPUCPU的负担。的负担。图形输出设备图形输出设备 图形图形显示显示设备和图形设备和图形绘制绘制设备设备 图形显示设备图形显示设备: : 用于在屏幕上输出图形

3、用于在屏幕上输出图形 基于阴极射线管的监视器基于阴极射线管的监视器 液晶显示器液晶显示器 等离子显示器等离子显示器 图形绘制设备图形绘制设备: : 用于把图形画在纸上，也称硬拷贝用于把图形画在纸上，也称硬拷贝 打印机打印机 绘图仪绘图仪 2.1.2 2.1.2 图形系统的基本功能图形系统的基本功能 一个计算机图形系统至少应具有一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、计算、存储、输入、输出、交互输入、输出、交互等基本功能，各功能关系如下：等基本功能，各功能关系如下：图形系统基本功能框图图形系统基本功能框图显示器显示器交互交互输出输出计算计算输入输入存储存储数据库数据库图形输出设备图形输出设备图形

4、输入设备图形输入设备1. 1. 输入功能输入功能 输入功能输入功能 通过图形输入设备可将基本的通过图形输入设备可将基本的图形数图形数据据（如点、线等）和各种绘图命令输入到（如点、线等）和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形。计算机中，从而构造更复杂的几何图形。2.2.计算功能计算功能1 1） 图形的描述、分析和设计；图形的描述、分析和设计；建模建模2 2） 图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；3 3） 曲线、曲面的生成；曲线、曲面的生成；4 4） 图形之间相互关系的检测等。图形之间相互关系的检测等。隐藏线隐藏隐藏线隐藏 面消除面消除3

5、. 3. 存储功能存储功能 存储功能存储功能 图形数据库可以存放各种图形的几何数图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系，并能快速方便据及图形之间的相互关系，并能快速方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。地实现对图形的删除、增加、修改等操作。4.4.输出功能和交互功能输出功能和交互功能 输出功能输出功能 图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以图形数据经过计算后可在显示器上显示当前的状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。 交互功能

6、交互功能 设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行人机通信，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进人机通信，对计算结果和图形利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和帮助。提示和帮助。图形的基本处理流程图形的基本处理流程 利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形利用各种图形输入设备及软件或其他交互设备将图形输入到计算机中，以便进行处理；输入到计算机中，以便进行处理； 在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、投在计算机内部对图形进行各种变换（如几何变换、

7、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）； 处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表示形式，并在输出设备上输出；形式，并在输出设备上输出； 在交互式的系统中上述过程可重复进行多次，在交互式的系统中上述过程可重复进行多次， 直至产生满意的结果。直至产生满意的结果。表示表示处理处理显示显示2.2 2.2 图形显示设备图形显示设备 图形显示设备主要有以下三种：图形显示设备主要有以下三种：CRT（Cathode Ray Tube）显示器显示器阴极射线管显示器阴极射线管显示器LCD（Liquid Cryst

8、al Display）液晶显示器液晶显示器PDP（Plasma Display Panel）等离子显示器等离子显示器2.2.1 CRT显示器显示器 CRT显示器显示原理显示器显示原理 CRT显示器主要由阴极、电平控制器（即控显示器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。CRTCRT显示器原理图显示器原理图水平偏转板垂直偏转板灯丝阴极聚焦系统加速系统电平控制器石墨层吸收轰击磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,形成电流回路。 荧光粉（磷粉涂

9、层） 电子枪 偏转系统 荧光屏第一阳极第一阳极 第二阳极第二阳极 偏转线圈 高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统 用于静电偏转系统荧光屏偏转的电子束刷新刷新要保持屏幕上有稳定的图像就必须不断地发射要保持屏幕上有稳定的图像就必须不断地发射电子束。电子束。刷新一次刷新一次指电子束从左到右，从上到指电子束从左到右，从上到下将荧光屏扫描一次。下将荧光屏扫描一次。 只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。大约达到每秒示。大约达到每秒60帧，即帧，即60Hz时，人眼才能时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，

10、一般必须有必须有85Hz以上的刷新频率。以上的刷新频率。* *1 1）人的视觉）人的视觉系统要用一定的时间才能识别图像系统要用一定的时间才能识别图像元素，每帧图像的停留时间长于人眼观察所需元素，每帧图像的停留时间长于人眼观察所需的时间，则人的视觉残留可以消除画面的闪烁的时间，则人的视觉残留可以消除画面的闪烁现象。现象。 * * 2 2）刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。）刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。 隔行扫描技术隔行扫描技术 每一帧分为每一帧分为两个场两个场显示，显示，每个场每个场只只包含一半画面包含一半画面。两个两个 场场是是交错交错的，一个场包含所有的的，一个场包含所有的

11、奇数扫描行奇数扫描行，另一个场，另一个场 包含所有的包含所有的偶数扫描行偶数扫描行，两个场以，两个场以1/601/60秒的时间间隔交秒的时间间隔交 替显示。替显示。 扫描从奇数场左上角开始，每一行都是自左向右。电子扫描从奇数场左上角开始，每一行都是自左向右。电子 束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下移动，当扫束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下移动，当扫 描线到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左描线到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左 端。这个过程称为端。这个过程称为水平回扫水平回扫。接着下一奇数行重复这一。接着下一奇数行重复这一 过程。过程。 当整场扫描完毕时，扫描线正好停在

12、底部的中央。接当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直垂直回扫回扫。 接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角，接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角，垂直回归后电子束返回屏幕左上角。垂直回归后电子束返回屏幕左上角。奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示1234567有有7 7条扫描线的隔行扫描条扫描线的隔行扫描2. 2. 彩色彩色CRT显示器的显示原理显示器的显示原理（1 1）颜）颜色色模模型型： 所谓颜色模型就是指某个颜色空间中的一个可见光子集，

13、所谓颜色模型就是指某个颜色空间中的一个可见光子集，它包含某个颜色域的所有颜色。它包含某个颜色域的所有颜色。 灰度图像灰度图像可由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处可由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处理得到（理得到（256256灰度级灰度级=2=28 8）。）。19 灰度图像灰度图像既保证了人眼的分辨能力，又符合计算机数据寻址的既保证了人眼的分辨能力，又符合计算机数据寻址的习惯。习惯。20例例: :灰度图像灰度图像(128(128128)128)及其对应的数值矩及其对应的数值矩阵（仅列出一部分阵（仅列出一部分(26x31)(26x31)）125,153,158,157,127,

14、70,103,120,129,144,144,150,150,147,150,160,165,160,164,165,167,175,175133,154,158,100,116,120, 97, 74, 54, 74,118,146,148,150,145,157,164,157,158,162,165,171,15155,163, 95,112,123,101,137,108, 81, 71, 63, 81,137,142,146,152,159,161,159,154,138, 81, 7167, 69, 85, 59, 65, 43, 85, 34, 69, 78,104,101,11

15、7,132,134,149,160,165,158,143,114, 99, 5 54, 46, 38, 44, 38, 36, 44, 36, 25, 48,115,113,114,124,135,152,168,169,156, 75, 43, 39, 4 58, 30, 44, 35, 28, 69,144,147, 57, 60, 93,106,119,124,131,144,175,177, 63, 30, 30,124,13 61, 35, 75, 51, 66, 58,167,177,153, 58, 80, 95,108,120,133,155,182,137, 84, 74,

16、 54, 61,14115, 71, 84,105, 86,136,172,175,128,126,114,106,109,115,127,169,187,105,102, 95, 66,135,14124,120,106, 93, 95,117,120,131,148,144,113,112,109,115,128,162,193,143,132,124,110,131, 9129,123,128,114,108,115,102,121,129,125,113,112,111,111,127,162,192,150,129,117,112,107, 6133,139,132,127,128,

17、134,136,144,140,141,113,120,114,115,122,154,188,159,143,131,125,112,10136,138,143,145,138,143,143,141,144,129,118,119,115,112,120,152,186,165,150,139,128,117,10140,146,147,145,150,154,147,149,143,132,127,124,117,112,117,142,184,171,144,139,129,119,11135,143,145,151,150,143,146,142,139,131,131,127,11

18、9,115,114,140,190,177,141,135,133,121,12128,137,141,149,150,148,143,141,136,128,120,122,116,109,116,136,182,182,140,135,130,124,11131,132,141,143,148,147,143,140,134,125,116,117,108,109,120,130,171,185,133,132,127,120,11136,131,139,136,140,141,140,136,132,121,114,117,109,106,112,130,163,192,130,131,

19、127,119,11126,131,132,132,136,140,134,135,128,117,110,113,111,110,112,129,151,196,155,130,127,120,11127,132,130,128,134,134,140,132,126,110,102,117,118,114,112,121,152,195,165,123,128,117,11123,131,127,129,132,133,134,131,127,112,109,117,114,116,107,116,145,172,136,123,122,116,10127,128,129,130,133,

20、135,132,134,130,120,108,110, 48, 79, 76,103,128,165,137,127,118,115,1021 二值图像二值图像灰度图像经过二值化处理后的结果，两个灰度级，只需灰度图像经过二值化处理后的结果，两个灰度级，只需用用1bit1bit表示。表示。图像中的黑或白分别表示不需要进一步处理的背景和需图像中的黑或白分别表示不需要进一步处理的背景和需要进一步处理的前景目标。要进一步处理的前景目标。22 2 2值图像的像素值为值图像的像素值为0 0、1 1011110001I23彩色图像彩色图像 彩色图像的数据不仅包含亮度信息，还包含颜色信息。彩色图像的数据不仅

21、包含亮度信息，还包含颜色信息。彩色的表示方法是多样化的。彩色的表示方法是多样化的。 三基色模型：三基色模型：RGBRGB（Red / Green / BlueRed / Green / Blue，红绿蓝，红绿蓝，RGBRGB三基色可以混合成任意颜色。三基色可以混合成任意颜色。 每个像素包括红绿蓝三种颜色的数据，每个数据用每个像素包括红绿蓝三种颜色的数据，每个数据用8 8位二位二进制位表示，则每个像素用进制位表示，则每个像素用2424位表示（位表示（2424位真彩色）。位真彩色）。2400255800255240240255R02550160255255801600G25525525524000

22、160800B25 例例: : 彩色图像彩色图像(128(128128)128)及其对应的数值及其对应的数值矩阵（仅列出一部分矩阵（仅列出一部分(25x31)(25x31)） (207,137,130) (220,179,163) (215,169,161) (210,179,172) (210,179,172) (207,154,146) (217(217,124,121) (215,169,161) (216,179,170) (216,179,170) (207,137,120) (159, 51, 71) (189(213,142,135) (216,179,170) (221,184

23、,170) (190, 89, 89) (204,109,113) (204,115,118) (189(216,179,170) (220,188,176) (190, 77, 84) (206, 95, 97) (217,113,113) (189, 85, 97) (226(222,192,179) (150, 54, 71) (177, 65, 73) (145, 39, 65) (150, 47, 67) (112, 20, 56) (172(136, 38, 65) (112, 20, 56) (112, 20, 56) (109, 30, 65) (112, 20, 56) (

24、95, 19, 64) (108(136, 38, 65) ( 91, 11, 56) (113, 25, 60) (103, 19, 59) ( 81, 12, 59) (126, 62, 94) (215(138, 46, 71) (103, 19, 59) (158, 65, 83) (124, 40, 70) (145, 62, 79) (130, 46, 73) (222(205,104,108) (159, 51, 71) (173, 65, 85) (189, 94,104) (139, 73,108) (190,156,158) (227(217,113,113) (216,1

25、11,110) (189,102,118) (190, 72, 79) (190, 77, 84) (205,104,108) (203(217,124,121) (217,113,113) (218,119,118) (204,100,108) (200, 89, 97) (205,104,108) (189(217,124,121) (226,144,133) (226,124,118) (218,119,118) (218,119,118) (217,129,123) (224(227,129,118) (231,138,123) (227,151,136) (227,151,136)

26、(226,144,133) (227,151,136) (227(231,138,123) (227,151,136) (227,151,136) (227,151,136) (226,159,142) (230,170,154) (226(226,124,118) (234,145,127) (227,151,136) (226,159,142) (226,159,142) (227,151,136) (227(226,119,113) (231,138,123) (234,145,127) (226,159,142) (226,159,142) (226,159,142) (234(226

27、,119,113) (226,124,118) (226,144,133) (234,145,127) (227,151,136) (227,151,136) (227(226,124,118) (226,119,113) (226,144,133) (231,138,123) (226,144,133) (234,145,127) (234(217,113,113) (226,124,118) (226,124,118) (226,124,118) (224,137,124) (234,145,127) (227(224,115,110) (226,124,118) (226,124,118

28、) (226,119,113) (227,129,118) (226,124,118) (226(222,105,105) (226,124,118) (224,115,110) (226,119,113) (227,129,118) (227,129,118) (22726 RGBRGB彩色空间彩色空间加色模型：面向硬件设备加色模型：面向硬件设备的彩色模型的彩色模型 三基色原理三基色指可以用来三基色原理三基色指可以用来 调配出其它颜色的红、绿、蓝调配出其它颜色的红、绿、蓝 三种颜色。三种颜色。 彩色图像可由红、绿、蓝彩色图像可由红、绿、蓝 三基色图像叠加而成。三基色图像叠加而成。黄黄青青洋红

29、洋红27 在在RGB彩色空间中，任意彩色光彩色空间中，任意彩色光L的配色方程式为：的配色方程式为： RGB RGBLrgbrgbL、为其中，彩色光 的三基色分量或百分比。28 CMY彩色空间彩色空间减色模型减色模型 自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发光物体称为无源物体。发光物体称为无源物体。 油墨和颜料的三基色是油墨和颜料的三基色是CMY（青（青/洋红洋红/黄）模型。黄）模型。 四色印刷四色印刷CMYK模型。模型。29 HSB彩色空间彩色空间色调（色调

30、（ Hue） 、 饱 和 度 （） 、 饱 和 度 （Saturation）、亮度）、亮度 （Bright）。）。 色调：与混合光谱中主要光波长相联系，将颜色按照红色调：与混合光谱中主要光波长相联系，将颜色按照红橙黄绿青蓝紫的顺序排列定义色调值，并且用角度值（橙黄绿青蓝紫的顺序排列定义色调值，并且用角度值（0-360）来表示；）来表示； 饱和度：与一定色调的纯度有关；饱和度：与一定色调的纯度有关； 亮度：物体的相对明暗程度。亮度：物体的相对明暗程度。30RGB模型模型HSI模型模型彩彩色色CRT显显示示器器1.1.荫罩显示器荫罩显示器 彩色彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪（最早是三枪三光栅

31、扫描显示器有三个电子枪（最早是三枪三束，现在有一枪三束，即三个阴极），它的荧光屏上涂有束，现在有一枪三束，即三个阴极），它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。电子三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。电子枪通常成三角形排列或水平排列，与枪通常成三角形排列或水平排列，与CRT屏幕上的三角形屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。红、绿、蓝荧光点相对应。电子枪水平排列电子枪水平排列孔状荫罩孔状荫罩沟槽状荫罩沟槽状荫罩 电子枪三角排列电子枪三角排列 电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。为保证每个电子为保证每个电子枪都能击中对应颜色

32、的荧光点，枪都能击中对应颜色的荧光点，在电子枪和荧光屏之间放置在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属网格（即荫罩）。一个有孔的金属网格（即荫罩）。彩色彩色CRT电子枪和荫罩的排布电子枪和荫罩的排布绿枪电子束蓝枪电子束红枪电子束荫罩屏幕红绿蓝荧光点 荫罩孔的作用在于保证三荫罩孔的作用在于保证三束电子共同穿过同一个荫罩孔，束电子共同穿过同一个荫罩孔，并过滤掉散乱的电子，以保证并过滤掉散乱的电子，以保证每个电子枪能以准确的比例击每个电子枪能以准确的比例击中相应颜色的荧光粉，使之发中相应颜色的荧光粉，使之发出红、绿、蓝三色光。出红、绿、蓝三色光。这样，这样，某颜色的电子束通过荫罩后，某颜色的电子束通过

33、荫罩后，就可避免和另外两种颜色的荧就可避免和另外两种颜色的荧光点相交，而只能与自己对应光点相交，而只能与自己对应颜色的荧光点相交。颜色的荧光点相交。但荫罩式但荫罩式CRT的荧光的荧光屏是球面的，几何失屏是球面的，几何失真大，而且三角形的真大，而且三角形的荧光点排列造成即使荧光点排列造成即使点很密很细也不会特点很密很细也不会特别清晰。别清晰。 l2. 荫栅显示器荫栅显示器 最近几年荫栅式显示器逐渐流行起来。其工作原理如最近几年荫栅式显示器逐渐流行起来。其工作原理如下图所示下图所示 : : 荫栅式显像管的技术特点就是将荧光粉安排成跨越整荫栅式显像管的技术特点就是将荧光粉安排成跨越整个显示器屏幕的竖

34、条状，将个显示器屏幕的竖条状，将荫罩改为条状荫栅。荫罩改为条状荫栅。这些条状这些条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的互相平行的铁线阵荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的互相平行的铁线阵列组成。列组成。荫荫栅栅工工作作原原理理原原理理示示意意图图 由于铁线是互相平行的，在由于铁线是互相平行的，在垂直方向上没有任何东西阻垂直方向上没有任何东西阻挡电子通过，增加了电子的挡电子通过，增加了电子的透过率，使电子透过率达到透过率，使电子透过率达到95%以上，远远超过了荫罩以上，远远超过了荫罩结构的显像管，亮度和色彩结构的显像管，亮度和色彩饱和度更好，画面细腻动人饱和度更好，画面细腻动人. 点距：点距：屏幕

35、上两个相邻的同色像素点之间对角线的距离屏幕上两个相邻的同色像素点之间对角线的距离( (或水平距离或水平距离) )就是就是“点距点距” 。 “点距点距”决定了每英寸最决定了每英寸最多能产生多少个点。多能产生多少个点。注意：注意： 栅距（也就是点距）栅距（也就是点距）是指荫栅式显示器平行的光栅之间的是指荫栅式显示器平行的光栅之间的距离，一般都在距离，一般都在0.25mm以下；以下； 而而荫罩的点距荫罩的点距指的是对角线距离。由于对角线距离（点距）指的是对角线距离。由于对角线距离（点距）体现了不同行和列的像素点间距，因而更能客观准确地衡体现了不同行和列的像素点间距，因而更能客观准确地衡量显示器的像素

36、分布情况。对角点距为量显示器的像素分布情况。对角点距为0.28mm的显象管的显象管其水平点距为其水平点距为0.24mm。在屏幕大小一定的前在屏幕大小一定的前提下，点（栅）距越提下，点（栅）距越小，则屏幕上的象素小，则屏幕上的象素排列越紧密，图像就排列越紧密，图像就越清晰细腻。显然，越清晰细腻。显然，荫栅式显象管比荫荫栅式显象管比荫罩式的要细腻的多。罩式的要细腻的多。 屏幕像素逼近直线示意图屏幕像素逼近直线示意图可寻址点可寻址点,即显示器可以找到的点，（即显示器可以找到的点，（x，y）整数地址）整数地址一个象素，占一个象素，占有一定面积有一定面积3. 3. 光栅扫描式图形显示器光栅扫描式图形显示

37、器3. 3. 光栅扫描式图形显示器光栅扫描式图形显示器帧缓冲存储器（帧缓存）：帧缓冲存储器（帧缓存）：1） 帧缓冲存储器是一块连续的存储空间，分帧缓冲存储器是一块连续的存储空间，分n份，每一份对应屏幕上份，每一份对应屏幕上的相应的象素（一一对应），存储该象素的属性值，即该象素应的相应的象素（一一对应），存储该象素的属性值，即该象素应该着什么颜色或拥有什么样的光亮度。该着什么颜色或拥有什么样的光亮度。2） 光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1位，位，bit）每个像素）每个像素1位的位的存储容量称为位面（存储容量称为位面（bit plane）。画面就是由帧缓存中的

38、这些位信）。画面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。息组成的。 3） 图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有0或或1两个两个状态，因此一个位面的帧缓存只能产生黑白图形。状态，因此一个位面的帧缓存只能产生黑白图形。将图形的几何信息转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图将图形的几何信息转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图像并以一定格式的视频图像显示的过程就叫像并以一定格式的视频图像显示的过程就叫扫描转换。扫描转换。一副一副光栅图形称为一帧，其信息放在光栅图形称为一帧，其信息放在帧缓存帧缓存中，即几何信息已经中，即几何信息已经转换成存储在帧缓存中

39、的光栅（点阵）图像。转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图像。光栅扫描式图形显示器：光栅扫描式图形显示器：1 1） 是是画点画点设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每 个点阵单元的亮度。个点阵单元的亮度。2 2） 发出的电于束的发出的电于束的偏转方式是固定的偏转方式是固定的，自上而下，从左到，自上而下，从左到 右扫描在荧光屏上形成光栅形状。右扫描在荧光屏上形成光栅形状。3 3） 图形是通过图形是通过电子束扫描电子束扫描到光栅上的到光栅上的图形象素点时呈现的图形象素点时呈现的 亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜色不同而衬托出的亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜

40、色不同而衬托出的， 可形成多级灰度或颜色的实面积自然图像。可形成多级灰度或颜色的实面积自然图像。4 4） 由于图像是由像素阵列组成，由于图像是由像素阵列组成，显示显示一幅图像所需要的一幅图像所需要的时时 间等于显示整个光栅所需的时间，间等于显示整个光栅所需的时间，而与图像的复杂程度而与图像的复杂程度 无关。无关。 综上，综上，可把光栅图形显示器看做许多离散点组成的矩可把光栅图形显示器看做许多离散点组成的矩阵，每个点都可以发光。阵，每个点都可以发光。除非特殊情况，除非特殊情况，一般在矩阵中是一般在矩阵中是不能直接从一个点到另一个点（或一个像素到另一个像不能直接从一个点到另一个点（或一个像素到另一

41、个像素）画一条笔直的直线，素）画一条笔直的直线，但可以用一系列的点（或像素）但可以用一系列的点（或像素）来近似地表示这条直线。来近似地表示这条直线。光栅化的直线(b)ABCD图像元素或象素可寻址点B(a)A注意：注意：帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须读要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须读出帧缓存中的每一位象素的值，经过出帧缓存中的每一位象素的值，经过数字数字/ /模拟转换模拟转换，这个工作由这个工作由DAC（数模转换器）完成。（数模转换器）完成。具有具有1 1位帧缓存的黑白光栅显示器结构图位帧

42、缓存的黑白光栅显示器结构图帧缓冲存储器CRT光栅电子枪寄存器1DAC 光栅图形显示器中需要有足够的位面和帧缓存结合光栅图形显示器中需要有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。起来才能反映图形的颜色和灰度等级。 如图，显示器上每个像素的亮度由如图，显示器上每个像素的亮度由N个位面中对应的每个位面中对应的每个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定的寄存器中的寄存器中, ,该寄存器中二进制的数被翻译成该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等级，灰度等级，其其范围在范围在02N1之间。之间。N00帧缓冲存储器1N=3 2N级1

43、004 2N DAC寄存器N电子枪CRT光栅具有具有N N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图图 为避免帧缓存的增加，为避免帧缓存的增加，可采用颜色查找表来提高灰度可采用颜色查找表来提高灰度级别。级别。 如下图所示，帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，如下图所示，帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，颜色查找表必须有颜色查找表必须有2N项，每一项具有项，每一项具有W位字宽。当位字宽。当W大大于于N时，可有时，可有2W灰度等级，但每次只有灰度等级，但每次只有2N个不同灰度等个不同灰度等级可用。若要使用级可用。若要使用2N种以外的灰度等级，需改变颜色查种以外的灰度等级，需改

44、变颜色查找表中的内容（重装颜色查找表）。找表中的内容（重装颜色查找表）。 具有N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器结构图N=3 2N表项N00帧缓冲存储器11004寄存器N2N为总光强等级2W为每次可显示 光强等级电子枪11W查找表 2W DAC1011W=4CRT光栅提高灰度级别时，如何避免帧缓存的增加提高灰度级别时，如何避免帧缓存的增加 由于只有三种原色，所以可用三个位面实现一个由于只有三种原色，所以可用三个位面实现一个简单的彩色帧缓冲存储器。下图为简单的彩色光栅显简单的彩色帧缓冲存储器。下图为简单的彩色光栅显示器，由分别对应示器，由分别对应红红(R)、绿绿(G)、蓝蓝(B)三原色的三个

45、三原色的三个位面的帧缓存，位面的帧缓存，DAC，三个电子枪和，三个电子枪和CRT光栅组成。光栅组成。CRT光栅300帧缓冲存储器1寄存器彩色电子枪0DAC蓝0DAC绿1DAC红一个简单的彩色帧缓冲存储器一个简单的彩色帧缓冲存储器如何实现彩色帧缓存如何实现彩色帧缓存 对每个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面来提对每个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。高颜色种类的灰度等级。 如下图，每种原色电子枪有如下图，每种原色电子枪有8 8个位面的帧缓存和个位面的帧缓存和8 8位的位的DAC，每种原色有，每种原色有28种灰度等级，三种原色的组种灰度等级，三种原色的组合有合有2 22424

46、种颜色。这种显示器称为种颜色。这种显示器称为全色光栅扫描图形显全色光栅扫描图形显示器示器，其帧缓存称为，其帧缓存称为全色帧缓存全色帧缓存。彩色电子枪蓝8位DAC8位DAC8位DAC绿红3寄存器蓝3绿 1200011000帧缓冲存储器3红 3600010001CRT光栅一个具有24位面的彩色帧缓冲存储器如何提高颜色种类的灰度等级如何提高颜色种类的灰度等级 若各组位面存放的不是直接的颜色值而是若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找颜色查找表的地址索引，表的地址索引，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。彩色电子枪8N8寄存器帧缓冲存储器

47、8W位DAC红W位DAC绿W位DAC蓝CRT光栅2N表项颜色查找表W = 10一个具有24位面的彩色帧缓存和10位颜色查找表的结构图如何使颜色进一步丰富如何使颜色进一步丰富1. 1. 分辨率分辨率 指显示器在屏幕水平指显示器在屏幕水平( (垂直垂直) )方向可显示多少像素方向可显示多少像素分辨率以象素点为基本单位。表示方法为分辨率以象素点为基本单位。表示方法为320200、640480等。等。显示分辨率与显卡上的缓冲存储器的容量有关，容量越显示分辨率与显卡上的缓冲存储器的容量有关，容量越大，显示分辨率越高。分辨率越高，显示的字符或图像大，显示分辨率越高。分辨率越高，显示的字符或图像越清晰。越清

48、晰。 - - 显示器最大分辨率：显示器最大分辨率： 显示器能支持的最大分辨率和显示器的显示器能支持的最大分辨率和显示器的“点距点距”有关，有关， “点距点距”决定了每英寸最多能产生多少个点。决定了每英寸最多能产生多少个点。光栅扫描显示器的主要性能参数光栅扫描显示器的主要性能参数如果我们说某个品牌的显示器的分辨率为如果我们说某个品牌的显示器的分辨率为80DPI（Dot Per Inch ）是指是指在显示器的有效显示范围内，显示器的的显像设备可以在每英寸荧光屏在显示器的有效显示范围内，显示器的的显像设备可以在每英寸荧光屏上产生上产生80个光点。个光点。举个例子来说，一台举个例子来说，一台14英寸的

49、显示器（荧光屏对角线长度为英寸的显示器（荧光屏对角线长度为1414英寸），英寸），其点距为其点距为0.28mm那么：显示器分辨率那么：显示器分辨率 =25.3995mm/inch0.28mm/Dot90DPI。（1 inch=25.3995mm）2. 2. 亮度等级数目和色彩亮度等级数目和色彩 指单种颜色亮度可变化的数目指单种颜色亮度可变化的数目 亮度等级范围的提升可使图像看上去更柔和自然亮度等级范围的提升可使图像看上去更柔和自然 色彩包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面可色彩包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面可 同时显示的颜色数。同时显示的颜色数。3 3、显示速度、显示速度 指显示字符、图

50、形，特别是动态图像的速度指显示字符、图形，特别是动态图像的速度 可用最大带宽表示：可用最大带宽表示： 水平像素数水平像素数* *垂直像素数垂直像素数* *最大刷新率最大刷新率2.2.2 液晶显示器液晶显示器1.1.液晶的物理特性液晶的物理特性 液晶即液态晶体，具有线状结晶结构的分子，加热可象液晶即液态晶体，具有线状结晶结构的分子，加热可象液体那样流动，冷却则成结晶颗粒的固体状态。液体那样流动，冷却则成结晶颗粒的固体状态。 液晶可以说是具有排列性质的液体，柔软易变形。所以液晶可以说是具有排列性质的液体，柔软易变形。所以将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺将液晶倒入一个经精良加工的开槽

51、平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。全平行的。 光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方式光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方式行进，产生了自然的偏转现像。行进，产生了自然的偏转现像。 液晶分子受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用时液晶分子受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用时会重新排列。如：对于一些散乱的液晶分子，不通电时，会重新排列。如：对于一些散乱的液晶分子，不通电时，排列变的混乱，阻止光线通过；通电时，由于电压作用，排列变的混乱，阻止光线通过；通电时，由于电压作用，分子重新排列，

52、排列变的有秩序，使光线容易通过。分子重新排列，排列变的有秩序，使光线容易通过。 2. 单色液晶显示器的原理单色液晶显示器的原理1.玻璃板：玻璃板： 在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之 间，也就是两片涂有配向膜（间，也就是两片涂有配向膜（PI，polyimide聚酰亚胺聚酰亚胺） 的玻璃板，用来夹住液晶。液晶分子顺着开槽均匀排列。的玻璃板，用来夹住液晶。液晶分子顺着开槽均匀排列。2.偏光板：偏光板： 一系列逐步变细的平行线，或称栅栏，用来阻隔掉不与栅一系列逐步变细的平行线，或称栅栏，用来阻隔掉不与栅栏平行的光线。栏平行的光线。偏光板的工作

53、原理：偏光板的工作原理：液晶显示器依靠极化滤光片液晶显示器依靠极化滤光片(偏光板偏光板)影响光线穿过液晶。影响光线穿过液晶。自然光线是朝所有方向随机发散的。只有两个滤光器的线自然光线是朝所有方向随机发散的。只有两个滤光器的线完全平行，或者通过第一个极化滤光器的光线本身已扭转完全平行，或者通过第一个极化滤光器的光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿过第二个极到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿过第二个极化滤光器。化滤光器。液晶显示器显示的初始状态液晶显示器显示的初始状态 灌入两个列有沟槽（两个沟槽互相垂直）的玻璃板之间灌入两个列有沟槽（两个沟槽互相垂直）的玻璃板之间的液晶，由

54、于沟槽的作用，被强迫处入一种的液晶，由于沟槽的作用，被强迫处入一种90扭转的扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时最终也被扭转过液晶时最终也被扭转90。如左图所示，两个极化滤光如左图所示，两个极化滤光器互相垂直，穿过第一个极器互相垂直，穿过第一个极化滤光器的光线，经过扭曲化滤光器的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲的液晶后，光线被扭曲9090，正好可以穿过第二个极化滤正好可以穿过第二个极化滤光器。光器。 若为液晶加一个电压，液晶若为液晶加一个电压，液晶分子又会重新排列并完全平行，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，

55、将被第二个使光线不再扭转，将被第二个滤光器挡住。总之，加电光线滤光器挡住。总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出，将被阻断，不加电光线将射出，显示黑色。如右图所示。显示黑色。如右图所示。 玻璃板和液晶材料之间是透明电极，电极分为行电极和玻璃板和液晶材料之间是透明电极，电极分为行电极和列电极，在行和列列电极，在行和列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度。的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度。3.电极电极当然，也可以改变当然，也可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射中的液晶排列，使光线在加电时射出，不加电压时被阻断

56、。由于计算机屏幕几乎都是亮着的，出，不加电压时被阻断。由于计算机屏幕几乎都是亮着的，所以只有所以只有“加电将光线阻断加电将光线阻断”的方案才最省电。的方案才最省电。4.4.背光板：背光板：由荧光物质组成，可以发射光线，提供一个高亮度，且亮度分由荧光物质组成，可以发射光线，提供一个高亮度，且亮度分布均匀的光源。由显示屏两边作为光源的灯管，反射板，导光板等等组布均匀的光源。由显示屏两边作为光源的灯管，反射板，导光板等等组成。成。综上可得像素点亮过程：综上可得像素点亮过程：背光板发出的光线穿过第一层偏光板后进入液晶层。液晶层中的水晶液背光板发出的光线穿过第一层偏光板后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都

57、被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。通过电极上电压的改变，改变液晶的扭转状态，相应改变光线个像素。通过电极上电压的改变，改变液晶的扭转状态，相应改变光线的行进方向，从而决定相应像素的亮度。液晶材料在这里作用类似一个的行进方向，从而决定相应像素的亮度。液晶材料在这里作用类似一个小的光阀。小的光阀。 3. 3. 彩色液晶显示器彩色液晶显示器 彩色彩色LCDLCD要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。 彩色彩色LCDLCD面板中的每一个像素由面板中的每一个像素由3 3个液晶单

58、元格构成，其个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片片，通常过滤片上含配向膜。，通常过滤片上含配向膜。这样，通过不同单元格的这样，通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。光线可在屏幕上显示出不同的颜色。 液晶的分类液晶的分类 液晶显示器（液晶显示器（LCDLCD）依驱动方式分为）依驱动方式分为静态驱动、单纯静态驱动、单纯 矩阵驱动和主动矩阵驱动矩阵驱动和主动矩阵驱动3 3种。种。 液晶显示的液晶显示的驱动驱动就是用来就是用来调整加在液晶显示器件电极调整加在液晶显示器件电极上的电位信号的相位，峰值等，建立驱动电

59、场，以实现液上的电位信号的相位，峰值等，建立驱动电场，以实现液晶器件的显示效果。晶器件的显示效果。 单纯驱动分为：单纯驱动分为：扭转式向列型（扭转式向列型（Twisted Nematic, TN）和）和超扭转式向列型（超扭转式向列型（Super Twisted Nematic, STN ） 主动矩阵驱动分为：主动矩阵驱动分为：薄膜晶体管液晶显示器薄膜晶体管液晶显示器（ TFT LCD，Thin film transistor liquid crystal display) ) 和和 二端子二二端子二级管型（级管型（metal/insulator/metal, MIM）4. 4. 液晶显示器的特

60、点液晶显示器的特点 优点：优点：一、机身薄，节省空间：与比较笨重的一、机身薄，节省空间：与比较笨重的CRTCRT显示器相显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。 二、省电，不产生高温：它属于低耗电产品，不易二、省电，不产生高温：它属于低耗电产品，不易发烫，而发烫，而CRTCRT显示器，因显像技术不可避免产生高显示器，因显像技术不可避免产生高温，且由于其发射电子，不可避免产生静电。温，且由于其发射电子，不可避免产生静电。三、无辐射，益健康：液晶显示器完全无辐射，这三、无辐射，益健康：液晶显示器完全无辐射，这对于整天在电脑前工作的人来说是一个福音。对于整