图形系统综述

图形系统综述2023/4/51第1页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.1ComponentofGraphicsSystems主机显示器键盘、光笔硬盘等外设 绘图仪人OS图形软件包图形应用程序图形输入图形计算图形交互图形输出图形存储2023/4/52第2页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.2ArchitectureofgraphicssystemHardware(I/Odevices)HAL(硬件抽象层)OSGraphicsLibrary(图形软件包层)GraphicsApplicationDeviceDrivers2023/4/53第3页，共56页，2023年，2月20日，星期四最底层是硬件层；其次设备驱动程序层；再上是硬件抽象层（HardwareAbstractLayer）,实现OS的通用性；OS层的图形操作依赖于HAL层，可做到设备无关；OS层上是图形软件包层，该层以图形库函数的形式提供给应用程序，它的实现可分别基于OS的图形子模块、设备驱动程序和硬件实现；2023/4/54第4页，共56页，2023年，2月20日，星期四应用程序层通常直接调用图形软件包提供的函数实现图形的建立和管理，当然应用程序也可基于OS提供的图形API实现，或基于驱动程序提供的基本图形实现函数实现，甚至直接读写硬件端口、寄存器以及显存实现图形应用。2023/4/55第5页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.3VideoDisplayDevices(视频显示设备)RefreshCRT(刷新式CRT)RefreshCRTTypes(类型)ColorCRTMonitorsDVST（direct-viewstorgetube）直视存储管Flat-panelDisplays

平板显示器Comparison

对比2023/4/56第6页，共56页，2023年，2月20日，星期四Electrongun(heatedcathode+controlgrid)电子枪--加热阴极+控制栅极Focusingsystem

聚焦系统Acceleratingsystem

加速阳极Deflectionsystem

偏转系统Phosphor-coatedscreen

荧光屏A.RefreshCRTCRT--Cathode-RayTube

阴极射线管2023/4/57第7页，共56页，2023年，2月20日，星期四显示原理——电子枪发射的电子束经过聚焦系统和偏转系统的作用，打在荧光屏上某一位置，使涂于该处的荧光物质发光形成一个小光点。2023/4/58第8页，共56页，2023年，2月20日，星期四高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和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，2023/4/59第9页，共56页，2023年，2月20日，星期四由于荧光屏发射的光会很快衰减，要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束，在某处反复重画图像。在屏幕上重复画图的这个频率就叫做刷新频率。2023/4/510第10页，共56页，2023年，2月20日，星期四荧光屏亮度控制？在控制栅极上施加电压来控制电子束的强弱的，当加上正电压时，电子束就会大量通过，将会在屏幕上形成较亮的点，当控制电平加上负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗。++++++++++++ElectronGun2023/4/511第11页，共56页，2023年，2月20日，星期四聚焦系统作用？偏转系统作用？Focusingsystem&DeflectionSystem2023/4/512第12页，共56页，2023年，2月20日，星期四Phosphor-coatedscreen（荧光屏）荧光质两种状态:受激态和基本态

Persistence(余辉):定义为荧光质从发光开始到衰减到最大亮度的10%的这段时间。2023/4/513第13页，共56页，2023年，2月20日，星期四

Persistence(余辉):isdefinedasthetimeittakestheemittedlightfromthescreentodecaytoone-tenthofitsoriginalintensity.RefreshCRT:采用电子束周期性地回到同一点的方式来保持图象的CRT。2023/4/514第14页，共56页，2023年，2月20日，星期四

光点概念CRT屏幕上受激荧光点的能量分布图Def.光点电子束打在显示器的荧光屏，显示器能够显示的最小发光点--硬件最小图象点光点物理直径光点亮度下降到最大亮度的60%处的直径2023/4/515第15页，共56页，2023年，2月20日，星期四

Resolution屏幕分辨率Def.CRT上无覆盖显示的最大光点数表示方法：水平点数x垂直点数光点物理直径DPI（点每英寸）4影响因素荧光质类型、亮度大小以及聚焦和偏转系统2023/4/516第16页，共56页，2023年，2月20日，星期四Examplee.g.已知屏幕分辨率为1024x768，光点物理尺寸ø.28mm，需要购买多大的显示器？解：1inch=2.54cm

屏幕长：a=1024*0.28mm=286.72mm

屏幕宽：b=768*0.28mm=215.04mm

对角线长：sqrt(a2+b2)=358.4mm

结果:about14inch.2023/4/517第17页，共56页，2023年，2月20日，星期四Def.在屏幕的两个方向产生相等长度的线段所需的垂直点数和水平点数之比。如：3/4表示？也可以解释为水平点数和垂直点数的比值如：640X480,800X600,1024X768

显示纵横比Aspectratio2023/4/518第18页，共56页，2023年，2月20日，星期四Raster-ScanDisplays光栅扫描显示设备电子束扫描方式图形信息存储适用范围2023/4/519第19页，共56页，2023年，2月20日，星期四电子束扫描方式

光栅系统中电子束自顶向下全屏扫描,一次一行。电子束在每一行中移动时，根据图形定义变换强度，由屏幕亮点构成图案。(P.29)2023/4/520第20页，共56页，2023年，2月20日，星期四

RefreshRate刷新率

Concept行频--电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线数，以KHz为单位，水平扫描频率；r(y)帧频--每秒钟重复绘制显示画面的次数，即重绘率，以Hz为单位，垂直扫描频率；v点频--单位时间内在每条扫描线上显示的频点数总和，以MHz为单位。2023/4/521第21页，共56页，2023年，2月20日，星期四

Flicker闪烁Definition：电子束击打荧光物质不及时，到亮度消失后再刷新，就会产生闪烁现象。Howtoeliminate?如何消除？延长余辉减小亮度提高刷新率2023/4/522第22页，共56页，2023年，2月20日，星期四图形信息存储图形定义存储在被称作帧缓冲区(FrameBuffer)的内存区域中，FB存储一组对应屏幕所有点的强度值。视频控制器(P.29~31)FrameBufferVideoController

monitor

2023/4/523第23页，共56页，2023年，2月20日，星期四2023/4/524第24页，共56页，2023年，2月20日，星期四帧缓冲区位于内存固定区域2023/4/525第25页，共56页，2023年，2月20日，星期四像素与显示分辨率Pixel(Pictureelement)像素点 软件规定的最小图象点显示分辨率计算机显示控制器所能提供的分辨率，通常称为显示模式（图形模式、文本模式）

度量方法：像素、字符表示方法：水平像素数X垂直像素数xxx色水平字符数X垂直字符数2023/4/526第26页，共56页，2023年，2月20日，星期四帧缓冲区容量=显示分辨率x色深ColorDepth

色深：存储每个象素点信息所需要的位数。如某点颜色是黑白的，则只需要1位就可以了。帧缓冲区容量计算2023/4/527第27页，共56页，2023年，2月20日，星期四Examplee.g.已知显示分辨率为1024x768,支持truecolor真彩，试问需要预留多大的帧缓冲区？解：1024x768x24bits=1024x768x3bytes16colors?256colors?16位色？

1024x768x4bits,1024x768x1bytes,1024x768x16bits2023/4/528第28页，共56页，2023年，2月20日，星期四适于逼真显示包含细微阴影和色彩模式的场景适用范围2023/4/529第29页，共56页，2023年，2月20日，星期四Random-ScanDisplays电子束扫描方式图形信息存储适用范围2023/4/530第30页，共56页，2023年，2月20日，星期四电子束扫描方式在随机扫描系统中电子束只扫向图形所在的屏幕位置。一次画出图形的一条线。(P.23)2023/4/531第31页，共56页，2023年，2月20日，星期四图形信息存储图形定义为一组画线命令，这些命令存储在被称为刷新显示文件(RefreshDisplayFile)的内存区域。为了显示指定的图形，系统周期性的按显示文件中的一组命令，依次画出其组成线条。RefreshdisplayfileDisplayProcessor

monitor

2023/4/532第32页，共56页，2023年，2月20日，星期四Random-Scansystemsaredesignedforline-drawingapplications适于画线应用适用范围2023/4/533第33页，共56页，2023年，2月20日，星期四随机扫描显示器

光栅扫描显示器

电子束扫描方式

电子束只扫向图形所在的屏幕位置。一次一条线。随机系统的刷新速率依赖于显示的线数；30~60HZ；电子束自顶向下全屏扫描逐行扫描/隔行扫描刷新率、闪烁图形定义

图形定义为一组画线命令，存储在被称为刷新显示文件的内存区域。图形定义为一组屏幕点信息，存储在被称作帧缓冲区的内存区域。Pixel(Pictureelement)像素点帧缓冲区容量=显示分辨率x色深适用范围

适于画线应用适于逼真显示包含细微阴影和色彩模式的场景2023/4/534第34页，共56页，2023年，2月20日，星期四C.ColorCRTMonitors彩色CRT监视器Beam-penetration电子渗透法Shadow-mask荫罩法2023/4/535第35页，共56页，2023年，2月20日，星期四电子渗透法工作原理：在屏幕上涂上多层不同的荧光粉。发射颜色由电子束在荧光粉中的穿透深度决定。一般涂两层荧光质，通常红色或绿色荧光质涂于CRT屏幕的内层，显示的色彩取决于电子束穿入荧光层的深度。电子束2023/4/536第36页，共56页，2023年，2月20日，星期四summary随机扫描显示器产生彩色的廉价方法仅能获得4种颜色（红绿黄橙）图片质量差2023/4/537第37页，共56页，2023年，2月20日，星期四荫罩技术ThreeElectronGuns三枪ShadowMask荫罩2023/4/538第38页，共56页，2023年，2月20日，星期四ElectronGuns&ShadowMask2023/4/539第39页，共56页，2023年，2月20日，星期四summary光栅显示器产生彩色的方法通过变换三个电子枪发出的电子束的强度获得色彩变化图片质量好2023/4/540第40页，共56页，2023年，2月20日，星期四D.Direct-ViewStorageTubesIdea:ADVST将图片信息以电荷分布存储在荧光屏后。主电子枪聚焦与偏转系统从电子枪屏幕存储栅收集栅2023/4/541第41页，共56页，2023年，2月20日，星期四D.Direct-ViewStorageTubesDVSTvs.RefreshCRT不需要刷新,可以用很高的分辨率来显示复杂的图形，无闪烁不显示彩色察除（一部分图形）和重画要花费较长的时间largelyreplacedbyrastersystem2023/4/542第42页，共56页，2023年，2月20日，星期四E.Flat-PanelDisplaysDefinitionClassesEmissivedisplays发射显示器Nonemissivedisplays非发射显示器2023/4/543第43页，共56页，2023年，2月20日，星期四DefinitionReferstoaclassofvideodevicesthathavereducedvolumeweight,andpowerrequirementscomparedtoaCRT.指一类和CRT比起来具有更小的体积，更轻的重量和更低的功耗的一类视频设备。

P332023/4/544第44页，共56页，2023年，2月20日，星期四Classes类型Emissivedisplays发射显示器–

转换电能为光,例如LED（发光二极管）,等离子板(气体放电显示器),薄膜光电显示器；Nonemissivedisplays非发射显示器–利用光学效应将太阳光或其他光源转换为图形模式,例如LCD（液晶显示器）2023/4/545第45页，共56页，2023年，2月20日，星期四LCD液晶显示器

Liquid-crystaldisplays液晶的概念 物质的三种状态：固态、液态和气态。固态物质的分子之间的方向和位置总是保持不变。而液态物质的分子正好相反。方向和位置总是不停变换。但是液晶介于液态和固态之间：既可以象固体中的分子保持方向又可象液体中的分子自由移动。 液晶是在1888年，由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。

2023/4/546第46页，共56页，2023年，2月20日，星期四F.Comparisonofdifferentmonitortypes2023/4/547第47页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3HardwarePlatform输入设备:键盘,鼠标,跟踪球和空间球,Joysticks,数字化仪,Scanner,Lightpens,数据手套,TouchPanels…(P.44~51)Outputdevices:CRTmonitor,LCD,LED,printerStoragesubsystem:disk,tape,CD，etcNetworksubsystem:modem,networkadapter,router,hub...2023/4/548第48页，共56页，2023年，2月20日，星期四Def.tokeepscreenimageeternally（永久地）,weneedhardcopydevices.Suchasprinter,plotter(绘图仪).

Printertypeimpact击打式nonimpact非击打式2.3.1Hard-CopyDevices2023/4/549第49页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.3.2硬件性能需求Processingspeed(hardwareperformance,graphalgorithm)处理速度Storagecapacity(displaybuffer)存储容量Processingprecision(I/Oquality,DPI:DotsPerInch)处理精度2023/4/550第50页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.4SoftwarePlatform软件平台定义图形软件类型图形软件标准图形编程2023/4/551第51页，共56页，2023年，2月20日，星期四2.4.1软件平台是指：两大类OperatingSystemEnvi