第二章图形设备

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2.1：图形输入设备键盘鼠标器光笔触摸屏操作杆跟踪球本节内容：数据手套数字化仪图象扫描仪声频输入系统视频输入系统2.1：图形输入设备键盘（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：图形输入设备光笔（LightPen）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：图形输入设备触摸屏（TouchScreen）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：图形输入设备数据手套（DataGlove）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：图图形形输输入入设设备备图象象扫扫描描仪仪（（Scanner）可直直接接把把图图纸纸、、图图表表、、照照片片等等输输入入到到计计算算机机中中，，在在将将它它们们传传过过一一个个光光学学扫扫描描机机构构时时，，灰灰度度或或彩彩色色等等级级被被记记录录下下来来，，并并按按图图象象方方式式进进行行存存储储，，目目前前绝大大多多数数采采用用的的固固态态器器件件是是电电荷荷耦耦合合器器件件，，常常用用的的分分辨率率是是300－1000dpi（DotPerInch）2.1：图图形形输输入入设设备备声频频输输入入系系统统（（VoiceInputSystem）也称称为为声声音音输输入入系系统统，，在在某某些些图图形形工工作作站站中中，，采采用用话话音音识识别别器器作作为为输输入入设设备备，，以以接接收收操操作作者者的的命命令令。。2.1：图图形形输输入入设设备备视频频输输入入系系统统（（VideoInputSystem）用于于输输入入视视频频图图形形和和图图象象信信息息。。视频频信信号号采采集集板板（（卡卡））、、视视频频信信号号输输入入卡卡、、视视频频信信号号处处理理装装置置，，其其中中大大量量采采用用了了数数字字信信号号处处理理芯芯片片（（DSP）。。目前前微微机机流流行行采采用用视视霸霸卡卡（（videoblaster））采集集图图形形图图象象，，经经过过编编码码和和压压缩缩后后，，存存储储在在计计算算机机中中，，以以后后可可读读出出送送到到计计算算机机显显示示器器或或电电视视机机中中。。2.2：图图形形显显示示设设备备阴极极射射线线管管彩色色阴阴极极射射线线管管CRT图形形显显示示器器平板板显显示示器器三三维维观观察察设设备备本节节内内容容：：2.2：图图形形显显示示设设备备阴极极射射线线管管（（CathodeRayTurbo）目前前图形形显显示示设设备备大大多多数数是是基基于于阴阴极极射射线线管管CRT的监监视视器器。。CRT是一一种种真真空空器器件件，，它它利利用用电电磁磁场场产产生生高高速速的的、、经经过过聚聚焦焦的的电电子子束束，，偏偏转转到到屏屏幕幕的的不不同同位位置置轰轰击击屏屏幕幕表表面面的的荧荧光光材材料料，，而而产产生生可可见见图图形形。。由于于荧荧光光物物质质在在高高速速电电子子的的轰轰击击下下会会发发生生电电子子跃跃迁迁，，即即电电子子吸吸收收到到能能量量从从低低能能态态变变为为高高能能态态。。由于于高高能能态态很很不不稳稳定定，，在在很很短短的的时时间间内内荧荧光光物物质质的的电电子子会会从从高高能能态态重重新新回回到到低低能能态态，，这这时时将将发发出出荧荧光光，，屏屏幕幕上上的的对对应应点点就就辉辉亮亮，，不同象素的辉辉亮状态就产产生了可见图图形。2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）CRT由电子枪、偏转系统、荧光屏三个基本部分分组成：电子枪：由加热器，金金属阴极、电电平控制器组组成；阴极：：由灯丝加热热发出电子束束；控制栅：加上上负电压后，，能够控制通通过其中小孔孔的带负电的的电子束的强强弱，通过调调节负电压高高低来控制电电子数量，即即控制荧光屏屏上相应点的的亮度；CRT它的主要功能是产产生一个沿管管轴（Z轴）方向前进进的细电子束束轰击荧光屏屏，电子束应应满足下列要要求：a.具有足够的电电流强度b.电流的大小和和有无必须是是可控的c.具有很高的速速度d.在屏幕上能聚聚焦很小的光光亮，以保证证显示器足够够的分辨率2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）电子枪结构：灯丝阴极栅极加速极第二阳极第三阳极石墨层玻璃灯丝阴极栅极加速极聚焦极第二、四阳极石墨层玻璃（b)四极电子枪（a)三极电子枪聚焦系统是一一个电透镜，，保证电子束束在轰击屏幕幕时，汇聚成成很细的点。。加速电极：加加正高压电（（几万伏），，使电子束高高速运动。2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）偏转系统：主要作用是控制电子束，，静电场或磁磁场，产生偏偏转。电子束偏转有有电偏转和磁磁偏转两种方方法：a.磁偏转磁偏转系统是是利用磁场使使电子束产生生偏转，扫描描荧光屏产生生字符或图形形。b.电偏转电子束通过两两对金属偏转转板，电子朝朝正电压的极极板偏转2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）磁偏转电偏转2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）偏转系统：由于偏转系统统的作用，电子束要到达达屏幕的边缘缘时，偏转角角度就会增大大。到达屏幕最边边缘的偏转角角度被称为最最大偏转角最大偏转角是是衡量系统性性能的最重要要的指标。显显示器长短与与此有关：CRT显示器屏幕越越大整个显象象管就越长2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）枕形失真桶形失真注意：电子穿出偏转转磁场后，是是沿着圆周运运动的切线的的方向射向屏屏幕的，可以导出，当当偏转线圈的的匝数一定时时，偏转电流流I与偏转角的正正弦成正比。。由于屏幕四四角距中心最最远，会造成成光栅的枕形形失真。对此此，可将产生偏转磁磁场的锯齿形形电流预先产产生一些失真真；或是通过过“桶形失真真”抵消“枕枕形失真”2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）荧光屏：荧光屏是用荧荧光粉涂敷在在玻璃底壁上上制成的，常常用沉积法涂涂敷荧光粉。。玻璃底壁要要求无气泡，，表面光学抛抛光。对荧光粉的性性能要求是：：a.具发光颜色满满足标准白色色b.发光效率高的的c.余辉时间合适适d.寿命长2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）荧光物质：被电子轰击击时发出亮光光，如硫化锌锌和硅酸锌的的混合物。余辉时间：电子停止轰轰击到亮度值值衰减到初始始值1/10所需的时间。。短余辉可显显示动画，长长余辉可显示示静态图象，，通常CRT荧光粉的余辉辉时间为5－40ms。刷新：为了让荧光光物质保持一一个稳定的亮亮度值。刷新频率：每秒钟重绘绘屏幕的次数数。分辨率：屏幕亮点无无重叠显示的的最多点数；；或垂直和水水平方向每厘厘米可绘制的的点数；或两两个方向的总总点数。两个个相邻亮点显显现的间隔应应大于具有约约60％亮点中心亮亮度的位置上上每个亮点的的直径。荧光屏的相关关概念：2.2：图形显示设设备阴极射线管（（CathodeRayTurbo）CRT屏幕上发光荧荧光层亮点的的亮度分布满满足高斯分布布当两个荧光发发光亮点间隔隔大于亮点亮亮度衰减到60％最大值的亮亮点的直径时时，两亮点是是可区分的2.2：图形显示设设备彩色阴极射线线管屏幕产生彩色色的常用方法法：射线穿透透法、影孔板板法影孔板法：利用三基色原原理（红、绿绿、蓝），将将三色影像同同时显示在一一个管屏上，，合成一副彩彩色图象。2.2：图形显示设设备彩色阴极射线线管影孔板法原理理：荧光屏上涂有有有序排列的的R，G，B三色荧光点，，荧光屏后面面1cm处安装荫罩板板，板上密排排小孔与一组组三色小点对对应，三支电电子枪的电子子束交汇于小小孔中心，再再各自打在对对应小点上。。2.2：图形显示设设备彩色阴极射线线管影孔板法原理理：调节各电子枪枪发射电子束束的强度，即即可控制各色色光点亮度。。若每支电子枪枪的电子束强强度有256个等级级，则则显示示器能能同时时显示示256*256*256种颜色色，称称为真真彩系系统。。2.2：图形形显示示设备备彩色阴阴极射射线管管影孔板板法原原理：：电子枪枪的安安装呈呈“品品”字字形，，其间间互成成120度，组组成一一个等等边三三角形形。为使三三只枪枪同时时击中中一组组荧光光点，，每支支枪略略向管管轴倾倾斜。。2.2：图形形显示示设备备彩色阴阴极射射线管管影孔板板法原原理：：为了避避免混混色，，荧光光点的的面积积比电电子束束截面面要大大些只有15%左右右的电电子到到达屏屏幕，，大部部分被被荫罩罩挡住住致其其发热热2.2：图形形显示示设备备彩色阴阴极射射线管管影孔板板法原原理：：为了改改进普普通荫荫罩管管的缺缺点，，研制制出了了黑底底荫罩罩管。。主要要是把把荧光光小点点的面面积缩缩小到到等于于实际际发光光面积积，且且小孔孔间隙隙用石石墨涂涂敷。。2.2：图形形显示示设备备彩色阴阴极射射线管管影孔板板类型型：a）点状状影孔孔板：：大多多数球球面与与柱面面显像像管b）荫栅栅式影影孔板板：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管管c）沟槽槽式影影孔板板：LG的Flatron显像管管外层玻玻璃荧光涂涂层影孔板板2.2：图形形显示示设备备影孔板板类型型：普通显显象管管采用用的都都是点点状影影孔板板显象象管，，显象象管的的表面面呈略略微凸凸起的的球面面状，，故称称之为为“球球面管管”。。柱面显显象管管采用用荫栅栅式结结构，，它的的表面面在水水平方方向仍仍然略略微凸凸起，，但是是在垂垂直方方向上上却是是笔直直的，，呈圆圆柱状状，故故称之之为““柱面面管””。RGB红绿兰荫栅荧光屏彩色阴阴极射射线管管2.2：图形形显示示设备备彩色阴阴极射射线管管射线穿穿透法法：由两层层荧光光涂层层：红红色光光和绿绿色光光两种种发光光物质质构成成，电电子束束轰击击穿透透荧光光层的的深浅浅，决决定所所产生生的颜颜色特点：主要要用于随机机扫描等画画线显示器器；成本低低；2.2：图形显示示设备彩色阴极射射线管射线穿透法法：当图形彩色色转换速度度很快时，，相应的高高压转换速速度亦迅速速，这对转转换速度、、精度、和和功耗都提出出了很高的的要求；另外它通常常只能产生有有限的几种种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2.2：图形显示示设备CRT图形显示器器随机扫描显显示器：图形显示器器中电子束束的定位和和偏转具有有随机性，，即电子束束的扫描轨轨迹随显示示内容而变变化，只在在需要的地地方扫描，，而不必全全屏扫描。。故也称其其为向量显显示器或笔笔划显示器器。2.2：图形显示示设备CRT图形显示器器随机扫描显显示器：随机扫描显显示器设计计成每秒30到60次画出图形形的所有线线缺点：只能能显示线画图图形不能显显示逼真场场景、和电电视标准不不一致、驱驱动系统也也较复杂。。处理100000条短线。显显示的线条条很少时候候，则延迟每个个刷新周期期，否则可可能烧坏荧荧光屏。优点：无冗余扫描描、速度快快、图象清清晰、比光光栅系统更更高的分辨辨率、生成成光滑线条条。条。高性能能的向量系系统在这样样的速度中中能2.2：图形显示示设备CRT图形显示器器直视存储管管显示器：：其工作原理理类似一个个有长余辉辉的荧光屏屏，一条线线一旦画在在屏幕上，，在一小时时之内都将将是可见的的。优点：缺点：不能显示彩彩色、不能能局部修改改、擦除和和重画过程程对复杂图图形来讲，，可能要几几秒钟无需刷新、、复杂图形形都能在极极高分辨率率下无闪烁烁显示；成成本低；2.2：图形显示示设备CRT图形显示器器光栅扫描显显示器：在该系统系系统中，电电子束横向向扫描屏幕幕，一次一一行，从顶顶到底顺次次进行。当当电子束横横向沿每一一行移动时时，电子束束的强度不不断变化来来建立亮点点的图案。。故称其为画画点设备2.2：图形显示示设备CRT图形显示器器光栅扫描显显示器：刷新速率：：每秒60到80帧帧，即60Hz或80Hz。水平回扫，行扫描：对对于每一行行，扫描线线扫过后，，返回屏幕幕左端。垂直回扫，，场扫描：：每帧终了，电子子束返回左左上端。逐行扫描和和隔行扫描描：隔行扫描是是先扫偶数数行扫描线线，再扫奇奇数行，主要用于较较慢的刷新新速率，以以避免闪烁烁。刷新缓冲存存储器（refreshbuffer）或称帧缓冲冲存储器（（framebuffer））2.2：图形显示示设备CRT图形显示器器光栅扫描显显示器：扫描转换过过程：象素素信息从应应用程序转转换并放入入帧缓冲区区的过程。帧频：又称称垂直扫描描频率，是是每秒钟屏屏幕重复绘绘制显示画画垂直回扫，，场扫描：：每帧终了，电子子束返回左左上端。面的次数，，即重绘率率。2.2：图形显示示设备平板图形显显示器CRT固有的物理理结构限制制了它向更更广的显示示领域发展展。屏幕的的加大必然然导致显象象管的加长长，显示器器的体积必必然要加大大，在使用用时候就会会受到空间间的限制；；CRT显示器利用用电子枪发发射电子束束，容易受受电磁波干干扰；长期电磁辐辐射会对人人们健康产产生不良影影响。平板显示器器是低电压、轻轻小型的数数字化显示示器件，一般分为两两类：非发发射显示器器和发射显显示器。非发射显示示器利用光光学效应，，主要指液液晶显示器器；发射显示器器主要包括括平板CRT、等离子显显示器、薄薄片光电显显示器、发发光二极管管等。2.2：图形显示示设备平板图形显显示器液晶显示器器：液晶的电光光效应：当当液晶分子子的某种排排列状态在在电场作用用下变为另另一种排列列状态时，，液晶的光光学性质随随之改变。。液晶显示的的机理是通通过能阻塞塞或传递光光的液晶材材料，传递递来自周围围的或内部部光源的偏偏振光。外观小巧精精致，厚度只有有6.5-8cm左右。不会会产生CRT那样的因为为刷新频率率低而出现现的闪烁现现象工作作电压低，，功耗小，，节约能源源,没有电磁辐辐射，对人人体健康没没有任何影影响。2.2：图形显示示设备平板图形显显示器等离子显示示器：采用空气等等离子体技技术，无须须刷新缓冲冲存储器。。空气等离子子体通常用用包括氖气气在内的混混合气体充充入两块玻玻璃板之间间。类似一一个个微型型霓虹灯，，红绿蓝三三种不同颜颜色的像素素。显示屏薄，，挂在墙上上。发光聚合物物技术，坚坚不可摧；；柔韧性好好，可以卷卷起来；显显示画面具具有无与伦伦比的清晰晰度，无锯锯齿现象。。真正的平平面直角。。2.2：图形显示示设备平板图形显显示器薄片光电显显示器：薄片光电显显示器有与与等离子体体显示板类类似的结构构。不同之之处在于：：它在玻璃璃板中填充充的是荧光光物，而不不是气体。。2.2：图形显示示设备平板图形显显示器发光二极管管显示器：：常用于设计计大型的室室内室外的的显示屏。。结构原理：：二极管以矩矩阵排列形形成显示器器的象素位位置缺点：暖色效应，，即多数LED大屏幕显示示器只具有有暖色：即即红色和绿绿色，以及及两色的混混合色“黄黄色”，整整个显示色色调偏黄。。2.2：图形显示示设备三维观察设设备显示三维场场景需要用用三维观察察设备。一种方式是采采用从变焦距距的柔性震动动镜面反射CRT图象。第二种方式是是利用不同的刷刷新周期交替替地显示两视视图，为不同的眼眼镜显示不同同的图象。第三种方式是是采用虚拟现现实中的头盔盔式结构。2.3：图形显示子子系统图形显示子系系统结构相关概念PC图形显示卡本节内容：2.3：图形显示子子系统图形显示子系系统结构常用的光栅图图形显示子系系统常用光栅图形形显示器结构构中，缓冲存存储器由显示示控制器直接接访问，它即即可以使用系系统主存的固固定区域，又又可以是专用用的显示内存存。2.3：图形显示子子系统相关概念光点：指电子束打在在屏幕上，显显示器所能显显示的最小发发亮点，一般般用其直径来来标明光点的的大小。象素点：指图形显示在在屏幕上的时时候，按当前前的图形显示示分辨率所能能提供的最小小元素点。图形分辨率：：图形系统具有有的实际屏幕幕图形精度称称为图形分辨辨率图形显示中的的分辨率有三三种：屏幕分分辨率、显示示分辨率和存存储分辨率。。2.3：图形显示子子系统相关概念屏幕分辨率：：也称光栅分辨辨率，它决定定了显示系统统最大可能的的分辨率，任任何显示控制制器所提供的的分辨率均不不能超过该物物理分辨率。。通常用水平平方向与垂直直方向上的光光点数的乘积积来表示。显示分辨率：：计算机显示控控制器所能够够提供的显示示模式分辨率率，实际应用用中简称为显显示模式。对于文本显示示方式，显示示分辨率用水水平和垂直方方向上所能显显示的字符总总数的乘积表表示。对于图形显示示方式，则用用水平和垂直直方向上所能能显示的象素素点总数的乘乘积表示。显示分辨率不不同，它所对对应的象素点点大小也不同同。2.3：图形显示子子系统相关概念存储分辨率：：指帧缓冲区的的大小，一般般用缓冲区的的字节数表示。存储分辨率不不仅与显示分分辨率有关，，还与象素点点色彩有关。。帧缓存大小的的计算＝：x方向的象素点点数*y方向的象素点点数*（log2n）/8其中：n为颜色数或灰灰度等级数。。三种分辨率的的关系：屏幕分辨率决决定了所能显显示的最高分分辨率；显示分辨率和和存储分辨率率对所能显示示的图形分辨辨率也有控制制作用；存储分辨率必必须大于显示示分辨率，否否则不能显示示应有的显示示模式；2.3：图形显示子子系统相关概念文本方式：屏幕显示的工工作方式为字字符方式称为为文本方式。。文本方式下下，屏幕分辨辨率表示了该该显示器显示示字符的能力力。图形方式：屏幕显示的工工作方式为绘绘图方式。只只有在图形方方式下才能执执行各种图形形的输入输出出和操作功能能。图形方式式下也能显示示字符，这时时的字符可以以作为图案（（点阵字模））或图形（矢矢量字）处理理，字符的大大小和方向都都是可变的。。图形模式：图形方式下具具体的显示方方式称为图形形模式。图形形模式包括显显示分辨率、、同时能显示示的色彩数目目和页面个数数。2.3：图形显示子子系统相关概念象素和帧缓存存：屏幕上一个象象素点就对应帧缓存中的一一组信息。如何对应，，通常采用两两种方式：组组合象素法，，和颜色位面面法。组合象素法：：在这种方式中中，图形显示中一一个图形象素素点的全部信信息被编码成成一个数据字字节，按照一一定方式存储储到帧缓存中中，编码字节节的长度与点点的属性（如如颜色、灰度度等）有关。。2.3：图形显示子子系统相关概念颜色位面法：：在这种方法中中，帧缓存被被分成若干独独立的存储区区域，每一个个区域称为一一个位面（BitPlane），每个位面面控制一种颜颜色或者灰度度，每一个图图形象素点在在每个位面中中占一位，通通过几个位面面中的同一位位组合成一个个象素。2.3：图形显示子子系统相关概念颜色位面法：：在光栅图形显显示器中需要要足够的位面面和帧缓存结结合起来才能能反映图形的的颜色和灰度度等级。例如如N位面灰度等级级的帧缓存，，其灰度等级级范围是0到2N-1之间。对于黑白单灰灰度显示器每每一象素需要要一位存储器器，对一个1024×1024象素组成的黑黑白单灰度显显示器所需要要的最小缓存存为1024×1024，并在一个位位面上。2.3：图形显示子子系统相关概念颜色位面法：：对于彩色帧缓缓存，每个原原色电子枪有有8个位面，每种种原色有256种颜色数（灰灰度），三种种原色组合可可产生256×256×256种颜色，称为为全彩色（真真彩色），其其帧缓存称为为全色帧缓存存，这类帧缓缓存中每个象象素点需要3个字节保存。。2.3：图形显示子子系统相关概念颜色查找表：：如果颜色值直直接存储在帧帧缓存中，那那么对一些高分辨率和真真彩要求的显显存，如：1024×768真彩模式需要要3M字节的帧缓存存（显存）！！而通常应用用中只取256或512个颜色（灰度度）等级。为为降低帧缓存存的负荷，可可采用颜色查找表的的方法，即把颜色码放在在一个独立的的表中，帧缓缓存存放的是是颜色表中各各项的索引值值。2.3：图形显示子子系统相关概念颜色查找表：：颜色查找表中中每一项的内内容对应一