数字图像处理第三章

1第三章图像显示设备2第三章图像显示设备显示设备是最终产生图形图像显示效果的部件。目前常见的显示设备有：阴极射线管（CathodeRayTubeCRT）显示器，液晶显示器件LCD（LiquidCrystalDisplay）等离子板显示器（PlasmaPanel）电子发光显示器虽然已有各种各样的图形图像显示装置和许多新的显示技术和显示设备出现，但是目前占统治地位的仍是阴极射线管（CRT）显示器，它的核心部件是CRT，估计这种状况还要持续多年。液晶显示器件今年以来发展很快。3第三章图像显示设备阴极射线管（CRT）分为：单色CRT彩色CRT阴极射线管（CRT）显示器根据其原理分为：随机扫描显示器光栅扫描显示器4第三章图像显示设备随机扫描显示器在随机扫描显示器中，电子束根据需要可在荧光屏的任意方向上连续扫描，没有固定扫描线和规定扫描顺序的限制，也就是说，电子束的定位及偏转具有随机性，故称随机扫描。此时电子束像一支快速移动的画笔，实际勾划出要显示的图形。随机扫描所描绘的图形只能是单线条图形，故随机扫描又称为矢量扫描或轨迹扫描，随机扫描显示器又称为画线显示器，其显示的图形质量很好。随机扫描显示器不能用于图像显示。53.1光栅扫描显示原理3.1.1光栅扫描过程63.1光栅扫描显示原理3.1.1显示过程73.1光栅扫描显示原理3.1.3彩色CRT荫罩式彩色CRT显色原理CRT显示器的结构83.1光栅扫描显示原理3.1.3彩色CRT彩色CRT屏幕的内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出红、绿、蓝三个基色。这种类型的CRT有三个电子枪，分别与三基色相对应。紧挨屏幕后面放有荫罩（影孔板），上面有很多小孔，与屏幕上的三元组一一对应。三束电子经偏转聚焦成一组射线，穿过荫罩上的孔，激活屏幕上的一个三元组，出现一个色点。这些小孔与三元组和电子枪精确地排列成一条直线，使得三元组中每个点仅仅受到一个电子枪所发出的电子的作用。这样，每一电子束的电子数目就控制着三元组所产生的红、绿、蓝三种光的量。于是，可以根据混合色所需的各种成分，以不同的强度激发红、绿、蓝三个荧光点。因而可以在一个三元组上产生范围很宽的色彩等级，能产生多达几百万种的颜色。93.1光栅扫描显示原理3.1.3彩色CRT荫罩式（亦称影孔板）彩色CRT中的荫罩和三元组对其分辨率有较大的影响。一般高分辨显象管三元组的平均径距（pitch）约为0.24-0.28mm，家用电视显象管约为0.6mm。径距减小，分辨率会提高。但径距愈小，管子生产就愈困难。小径距的荫罩很脆，难于安装，也容易因电子束加热而弯曲。荫罩也限制了CRT的亮度。大多数荫罩式CRT的尺寸为14—21英寸，其表面有点弯曲，对观察者而言，会产生光学畸变。有些平面式CRT也能生产，包括29英寸径距为0.31mm的管子，当然，其价格也较高。CRT的刷新频率是指每秒重画图象的次数。为了得到稳定的画面，通常刷新频率应为60—100帧／秒。103.1光栅扫描显示原理3.1.4光栅扫描显示器工作原理113.1光栅扫描显示原理3.1.4光栅扫描显示器工作原理光栅扫描显示器的CRT屏面有m行扫描线，每行有n个点，称为象素（pixel）；整个屏面有mxn个象素；每个象素都对应帧缓冲存储器中的若干位，最简单的黑白图象每个象素只需要一位。若该位为0，表示该象素为暗；若该位为1，表示该象素为亮（反过来也可）。这样的图象我们称为MASK图象，或M值图象；如果每个象素用i位表示它的灰度，也即有i个位平面的帧缓存，那么就能产生2i级灰度等级或颜色种类；光栅扫描显示器的帧缓存中，存放的不是显示指令，而是对应各个象素的亮度或色彩信息，这种信息常常称为位图（Bitmap）。123.1光栅扫描显示原理3.1.4光栅扫描显示器工作原理计算机将要显示的图形、图象转化为位图，经过接口电路送入帧缓存；图形控制器控制电子束依照固定的扫描线和规定的扫描顺序，自上而下，从左到右扫描整个屏面；与此同时，把一帧画面中每个象素的值从帧缓存中读出；读出的象素值可控制电子束的能量大小，并决定象素的亮度。每当扫描完一帧图象时，显示控制器向计算机申请中断，使计算机能利用帧回扫的时间（大约1.3ms）去修改帧缓存中的内容，以实现显示画面的修改。133.1光栅扫描显示原理3.1.4光栅扫描显示器工作原理为了得到稳定的画面，光栅扫描显示器每秒也要刷新30次或60次。为此，必须要有高速大容量的存储器。很多光栅扫描显示器采用隔行扫描方式。隔行扫描把一帧完整的画面分为两场显示，第一场含偶数扫描线，第二场含奇数扫描线，降低了闪烁效应。同时因为每一场从帧缓存中读出的信息量比逐行扫描降低一半，因而可降低对帧缓存存取速度及设备线路通频带的要求，从而使设备的复杂程度及成本都大大降低。近年来，由于硬件技术的发展，逐行扫描方式已基本替代了隔行扫描方式。143.1光栅扫描显示原理3.1.4光栅扫描显示器工作原理为了对彩色显示器要分别控制三个原色：红、绿、蓝。为了使三原色按不同的比例合成各种色彩，每种原色也要有不同的灰度，如果每象素的各原色要有256种灰度，则每一个原色就要在帧缓存单元中占据8位，及8个位面。因此帧缓存每个单元就要有24位（面），于是帧缓存就很大，相应的价格就比较高。153.1光栅扫描显示原理3.1.4光栅扫描显示器工作原理彩色表技术：不增加帧缓存每个单元的位数，却能具有在很大范围内挑选颜色的能力。如图，此时由帧缓存中读出来的值并不是相应象素的彩色值，而是彩色表中的一个编号（入口地址）按这个编号在彩色表中取出的数才是该象素的彩色值。彩色表也就是调色板。显示器所能显示的颜色都可被彩色表选用，所以灵活地建立、设置与修改彩色表，虽然没有增加彩色种类，但总的来说扩大了色彩的显示范围。163.1光栅扫描显示原理3.1.4光栅扫描显示器工作原理光栅扫描显示器最突出的优点是：不仅可以显示物体的轮廓线、特征线等所谓线框图形；而且由于其每一象素点的灰度或色彩可以控制，因而可以显示被多种灰度和色调的象素所填充的所谓面图形。这就使得输出具有真实感的立体图形成为可能。可以和电视兼容，价格远低于随机扫描显示器。80年代以来，得到了迅速发展，其应用领域也不断扩大，已成为显示器市场的主流。光栅扫描显示器的缺点是：从应用程序中将图形的描述转换成帧缓存中象素信息的过程—即扫描转换—比较费时，相应的软件比较复杂。在显示斜线时，还存在线条边缘的阶梯效应，解决起来比较麻烦。173.2液晶显示器3.2.1概述液晶显示器（LCDLiquidCrystalDisplay）的优点与特点：工作电压低且低辐射、低耗电，对人体健康的损害降至最低，完全平面，无闪烁无失真，用眼不会疲劳，重量轻、体积小，可视面积大、节省空间，适用于更多的应用领域，特别适合家庭使用。这些特点也正是LCD随着价格的逐渐下降而占领CRT显示器市场的原因。

183.2液晶显示器3.2.2液晶显示原理液晶显示器就是使用了“液晶”作为材料的显示器，“液晶”是一种介于固态和液态之间的物质，加热时会呈现透明状态（透明的液态），而冷却后又会结晶（混乱的固态），是具有规则性分子排列的有机化合物；从化学的角度来看，液晶是一种有机复合物，由长棒状的分子构成，在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。液晶显示器的显示原理就是利用液晶的物理特性，在液晶面板中包含了两片无钠玻璃素材，中间夹有液晶，当液晶板后面的背光光线在通过这层液晶时，如果有电场，液晶层就会显示黑色将光线遮住，反之光线就能通过，光线经过液晶层后，再通过排列、彩色显示过滤并最终显示出我们看到的图像。

193.2液晶显示器3.2.2液晶显示原理203.2液晶显示器3.2.2液晶显示原理液晶显示器件LCD按照物理结构，可以分为：扭曲向列TN-LCD(TwistedNematic-LCD)；超扭曲向列

STN-LCD(SuperTN-LCD)；双扫描无源扭曲阵列显示器(DoublelayerDSTN-LCD)；快速DSTN（HPA）；薄膜晶体管有源阵列显示器(TFT-LCD)。具体参数比较见下表。

类型反应时间（ms）对比度视角DSTN30025:120度HPA15035:125度TFT80100:145度213.2液晶显示器3.2.2液晶显示原理双扫描无源扭曲阵列显示器(DSTN-LCD)DSTN-LCD通过双扫描方式完成显示的。扫描屏幕被分为上下两部分，同时并行对这两部分进行刷新扫描，这样的刷新频率重绘整个屏幕快一倍，它提高了占空率，改善了显示效果。

由于DSTN显示屏上每个点的像素信息是由屏幕左右两侧的晶体管控制一整行像素来显示，每个像素点不能自身发光，是无源像点。亮度和对比度不能独立控制，以至于显示效果欠佳，且对比度和亮度较差、屏幕观察范围较小、色彩欠丰富，特别是反应速度慢，不适于高速全动图像、视频播放等应用，一般只用于文字、表格和静态图像处理，但是它结构简单并且价格相对低廉（其价格一般要比同等配置下的TFT笔记本电脑低3千元左右），耗能也比TFT-LCD少。DSTN-LCD只能显示一定的颜色深度，因而又称为“伪彩显”。HPA（高性能定址）显示器亦称快速DSTN：是DSTN的改良型，能提供比DSTN更快的反应时间、更高的对比度和更大的视角，成本较低，因此在低端笔记本电脑市场具有一定的优势。

223.2液晶显示器3.2.2液晶显示原理薄膜晶体管有源阵列显示器(TFT-LCD)液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。在彩色显示器中不能采用双扫描形式。这样就出现了将薄膜晶体管（TFT）、或薄膜二极管、或金属－绝缘体－金属（MIM）等非线性有源元件集成到显示组件中的有源技术，用来驱动每个像素点。TFT属有源矩阵液晶显示器（AM-LCD），TFT-LCD的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但反应时间可以极大地提高，起码可以到80ms左右，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了空前程度。因其具有比其他两种显示器更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，俗称“真彩”。

233.2液晶显示器3.2.2液晶显示原理三种类型的对比与DSTN-LCD和HPA相比，TFT的主要特点是在每个像素配置一个半导体开关器件，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可通过点脉冲直接控制，因而每个节点相对独立，并可连续控制，这样不仅提高了反应时间，同时在灰度控制上可以做到非常精确，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。TFT-LCD是目前面型

LCD显示器和笔记本电脑LCD显示屏的主流显示设备。在色彩显示性能方面与CRT显示器相当，凡CRT显示器所能显示的各种信息都能同样显示，其效果已经接近CRT显示器。在有源矩阵LCD中，除了TFT-LCD外，还有一种黑矩阵LCD，是当前的高品质显示技术产品。它的原理是将有源矩阵技术与特殊镀膜技术相结合，既可以充分利用LCD的有源显示特点，又可以利用特殊镀膜技术，在减少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高对比度的同时，可减小在日常明亮工作环境下的眩光现象。

243.2液晶显示器3.2.2液晶显示原理LCD显示器的特有指标观察屏幕视角与可视角度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。可视角度左右对称，上下则不然。常常是上下角度小于左右角度。可视角是愈大愈好。

响应时间响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各象素点对输入信号反应的速度，即pixel由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。

253.2液晶显示器3.2.3液晶显示数字接口（DigitalVisualInterface）LCD需要数字信号（将模拟信号输入到TFT-LCD显示设备上来显示本身就是很可笑的一件事情）。数字接口的标准有LVDS,TDMS,GVIF,P&D,DVI和DFP等许多，现已趋向于DVI（DigitalVisualInterface）接口。DVI能输出1280*1024的解析度，新出品的LCD一都提供这种接口。优点：不存在模数转换，数模转换过程中的信号衰减；不需要进行时钟频率，向量的调整；价格便宜，减少了相应的电路和元件。缺点目前存在至少三种接口标准(P&D,DFP和DVI)；需要带有数字视频的显示卡来配合使用。

263.2液晶显示器

273.3微机显卡显卡是计算机系统与显示器之间的接口。283.3微机显卡293.3微机显卡3.3.1显卡的基本结构和主要器件显卡上主要的部件有：显示芯片、RAMDAC、显存、BIOS、VGA插座、特性连接器等。有的显卡上还有可以连接电视的TV端子或S端子。一些近期出现的显卡在主芯片上用导热性能较好的硅胶粘上了一个散热风扇（有的是散热片）。303.3微机显卡3.3.1显卡的基本结构和主要器件1.显示芯片：显示芯片是显卡的“心脏”，决定了显卡的档次和大部分性能，同时也是2D显卡和3D显卡区分的依据。

2D显示芯片在处理3D图像和特效时主要依赖CPU的处理能力，称为“软加速”。如果将三维图像和特效处理功能集中在显示芯片内，也即所谓的“硬件加速”功能，就构成了3D显示芯片。显示芯片通常是显卡上最大的芯片（也是引脚最多的），中高档芯片一般都有散热片或散热风扇。显示芯片上有商标、生产日期、编号和厂商名称，例如“ATi”、“nVidia”、“S3”等。每个厂商都有不同档次的芯片。313.3微机显卡3.3.1显卡的基本结构和主要器件2.RAMDAC：其含义是"数模转换器"，它的作用是将显存中的数字信号转换为能够用于显示的模拟信号。RAMDAC的转换速率以MHz表示，决定了刷新频率的高低（与显示器的"带宽"意义近似）。该数值决定了在足够的显存下，显卡最高支持的分辨率和刷新率。如果要在1024×768的分辨率下达到85Hz的分辨率，RAMDAC的速率至少是90MHz。现在显卡的RAMDAC至少是170MHz，高档显卡的多在230MHz以上，第四、五代3D显卡大多采用了300MHz以上的RAMDAC。为了降低成本，有些厂商将RAMDAC做到了显示芯片内，在这些显卡上找不到单独的RAMDAC芯片。323.3微机显卡3.3.1显卡的基本结构和主要器件3.显存：与主板上的内存一样，显存也是用于存放数据的，只不过它存放的是显示芯片处理后的数据。3D显卡的显存较一般显卡的显存不同之处在于：3D显卡上还有专门存放纹理数据或Z－Buffer数据的显存。4.BIOS：又称“VGABIOS”，主要用于存放显示芯片与驱动程序之间的控制程序，另外还存放有显卡型号、规格、生产厂家、出厂时间等信息。早期显卡BIOS是固化在ROM中的，不可以修改，而现在多数显卡则采用了大容量的EEPROM，可以通过专用的程序进行改写升级。333.3微机显卡3.3.1显卡的基本结构和主要器件5.总线接口：显卡要插在主板上才能与主板互相交换数据。与主板连接的接口主要有ISA、EISA、VESA、PCI、AGP和PCI-E等几种。ISA和EISA总线带宽窄、速度慢，VESA总线扩展能力差，这三种总线已经被市场淘汰。现在常见的是AGP和PCI-E接口。AGP接口最初定义了66MHz的工作频率，现已有AGP8x的扩展标准。PCI-E接口是一种新的显示总线接口，有更宽的带宽，现在多见的是PCI-E16x。6.VGA插座：它是一个有15个插孔的插座，外型有点像大写的“D”（防止插反了）。与声卡上的MIDI连接器不同的是，VGA插座的插孔分三排设置，每排5个孔，MIDI连接器有9个孔，两排设置，比前者长一点，扁一点。VGA插座是显卡的输出接口，与显示器的D形插头相连，用于模拟信号的输出。7.数字接口:用于连接LCD显示器的接口。343.3微机显卡3.3.23D显卡的3D基本功能1.AlphaBlending：Alpha混合。Alpha是3D纹理元素颜色特性中的特殊通道，利用它可