图形学课件第2章显示设备

1第2章

交互式计算机图形处理系统

苏小红

计算机科学与技术学院

哈尔滨工业大学

显示器分类CRT显示器平板显示器3CRT显示器分类阴极射线管（CathodeRayTube,

CRT）第一种分类方法单色CRT彩色CRT4阴极射线管(CRT)组成包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理电子枪发射电子束经过聚焦系统、加速电极、偏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结构5电子枪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6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

控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，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。偏转系统7荧光屏

荧光物质：吸收电子束而发光余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点的亮度

值衰减到初始值 刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒重绘屏幕次数，显示器更新图像的速率

60~120Hz之间（低于72Hz普遍会有闪烁感）视频电子标准协会(VESA)对显示器的时序进行了规范例如，75Hz时1280*1024分辨率显示的VESA标准是屏幕每13.33ms更新一次某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒/荧光物质的持续发光时间8

光点：电子束打在荧光屏上，显示器能显示的最小的发光点。像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素

图形显示在屏幕上时，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。像素点可看做光点的集合，其最小尺寸等于光点荧光屏

●图像的最小单位是像素9

屏幕分辨率(Resolution)：也称光栅分辨率，是物理分辨率，CRT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（dotsperinch)，决定了所能显示的最高分辨率。显示分辨率：计算机显示控制器所能提供的显示模式分辨率。显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同。对文本显示方式，用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。对图形显示方式，用水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。荧光屏

10第二种分类方法彩色CRT渗透型常用于随机扫描显示器射线穿透法多枪型常用于光栅扫描显示器影孔板法彩色阴极射线管11射线穿透法（beampenetration）原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的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应用：主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色12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置外层玻璃荧光涂层影孔板13影孔板（荫罩）的类型点阵式代表：球面显像管栅线式代表：柱面显像管

日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）

三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）

栅格式（沟槽式）代表：LG的Flatron显像管14点阵式荫罩（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15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，称为真彩色系统调节各电子枪发射电子束中所含电子的数目，可控制各色光点亮度16栅线式荫罩的优点原理的区别光线的选择方式和荧光点的排列不同点阵式的缺点球面荧光屏，几何失真大三角形的荧光点排列即使点很密很细也不会特别清晰栅线式的优点亮度更高，色彩也更鲜艳柱面和平面显示器电子束通过率有很大提高17荫罩式显示器的固有缺陷由合金钢板制成的荫罩易磁化受热受冲击时易变形显像管内射向荧光屏的电子束中有75％以上被荫罩阻挡，转变成热量浪费了屏幕尺寸越大或清晰度越高，就越难制造，生产成本高，成品率偏低，价格过高制约彩色显像管清晰度提高的技术瓶颈是彩色显像管中的荫罩18CRT显示器的新技术取消荫罩单枪单束利用时分复用技术依序轮流调制单个电子束的电流，只需一支电子束就能完成现有技术用三枪三束或单枪三束才能完成的任务电子束按同步顺序扫过G、R、B三色荧光粉条19CRT显示器分类第三种分类方法直视存储管式（Direct-ViewStorageTubes）利用管子本身存储信息，类似一个长余辉的CRT，不必刷新，不能显示动态图形——60年代后期刷新式随机扫描式（Random-Scan）——60年代中期光栅扫描式（Raster-Scan）——70年代中期20随机扫描的显示系统特点数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似显示图形：几何属性（geometricattribute）为主，线架图优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互性好，动态性能好缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域21光栅扫描的显示系统特点：数据表示：像素矩阵，像素数组扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理类似显示图形：几何属性+视觉属性（Visualattribute），真实感图形●图像的最小单位是像素22显示器的分辨率电子束按固定的扫描顺序扫描N条扫描线每条扫描线有M个像素显示器的分辨率M*N

帧23隔行扫描（Interlacedscan）工作原理场频=帧频*2一帧1／30秒，一场1／60秒帧频30HZ，场频60HZ一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场优点：降低了闪烁效应；只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率的要求，也降低了成本；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。24带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系带宽问题高分辨率和高刷新频率要求高带宽解决方法：隔行扫描（现在已基本不用，主流显示器都用逐行扫描）对Z缓冲器内容进行压缩和快速清除电视机仍采用隔行扫描，将计算机动画用于电视机并不容易带宽问题25计算机图形处理系统绘图仪printerComputer显示处理器输入设备显示控制器display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帧缓冲存储器（FrameBuffer)——存储像素颜色（灰度）值显示控制器（DisplayController）——视频控制器（VideoController)，读取帧缓存中的图像点阵数据，控制驱动电子枪按设定的扫描方式刷新屏幕显示处理器（DisplayProcessor）——图形控制器（GraphicsController）或显示协处理器（DisplayCoprocessor），扫描转换待显示的图形以及某些附加的操作26光栅扫描显示子系统的结构把CPU从图形显示处理的事务中解脱出来27图形子系统常采用流水线（Pipeline）结构绘制图形，或称为管线绘制。绘制流水线的基本结构从概念上包括三个阶段应用程序阶段几何阶段光栅阶段绘制流水线28图形显示处理器俗称图形显示卡，简称显卡CGAEGAVGATVGASVGAXGASXGA现在开发新型显卡把注意力都集中在散热上，同时寻找散热性能更好的材料29XGA扩展图形模式逐行扫描、更强的色彩表现力、更高的分辨率（如1024×768）、实质性的图形加速能力、总线支配、硬件光标等。高彩色显示一个像素，两个字节，16bit，65536色5-6-5分割方式，绿色使用更高的颜色分辨率5-5-5-1分割方式，剩下的一位不用或做为alpha通道眼睛对绿色调的变化相对于其他两种原色更敏感30显示主芯片显卡的心脏，俗称GPU

代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等各图形函数基本上都集成在这里减少了CPU对显卡的控制，使CPU能更专注于其他任务早期没有GPUGPU的体系结构决定了它更擅长计算而非控制31CPUGPU流程控制大部分为控制器和缓存矩阵运算、运算密集型任务有更多的计算运算单元，能用来平行执行数据处理任务GPU通用计算技术并行计算能力相对于单机多核编程，GPU具有更好的并行计算能力，相对于集群，环境容易搭建，与图形处理无直接关系GPUNIVDIA公司提出了CPU和GPU的混合架构CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture）CUDA的基本思想：将不同特点的计算任务分别分配给CPU和GPUCPU被称作主机（Host），用来做整个计算任务流程的控制，在主机端运行的代码串行执行GPU被称作设备（Device），用来处理计算密集的任务，设备端执行的任务通常并行执行通过CUDA对于C语言的扩展（CUDAC）来编写运行在GPU端的代码3233RAMDAC视频存储数字模拟转换器在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号显存存储将要显示的图形信息保存图形运算的中间数据它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存之于CPU一样34帧缓冲存储器（FrameBuffer)作用：存储屏幕上像素的颜色值也称刷新存储器(RefreshingBuffer)简称帧缓冲器，俗称显存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35视频控制器（显示控制器）作用：控制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系，负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形逻辑结构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。光栅图形中点的表示(1/2)地址=(xmax-xmin)*(y-ymin)+(x-xmin)+基地址xyxmaxxminymaxymin每行像素点数行数行中位置(x,y)光栅图形中点的表示(2/2)Address(x,y)=(xmax-xmin)*(y-ymin)+(x-xmin)+基地址

=k1+k2y+xAddress(x±1,y)=k1+k2y+(x±1)=Address(x,y)±1Address(x,y±1)=k1+k2(y±1)+x=Address(x,y)±k2Address(x±1,y±1)=k1+k2(y±1)

+(x±1)=Address(x,y)±k2±1对像素连续寻址时，如何减少计算量？增量法38光栅图形中点的存储（1/6）屏幕上一个象素点就对应帧缓存中的一组信息组合像素法（PackedPixelMethod）颜色位面法（ColorPlaneMethod）组合像素法一个象素点的全部信息被编码成一个数据字节，按照一定方式存储到帧缓存中，编码字节的长度与点的属性（如颜色、灰度等）有关39光栅图形中点的存储（2/6）颜色位平面法帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（BitPlane）每个位面控制一种颜色或灰度，每个象素点在每个位面中占一位，几个位面中的同一位组合成一个象素同一像素点在各位面占同一地址不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色各位面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应40光栅图形中点的存储（3/6）为什么要将显存分成若干颜色的位平面？位平面越多，可表达的色彩或灰度越丰富增加一个位面，色彩或灰度就增加一倍而存储器写操作程序无需重新计算新地址程序兼容性好光栅图形中点的存储（4/6）41N位寄存器电子枪CRT光栅有N个位面的帧缓存2NDAC0100010~2N-1灰度等级寄存器蓝色枪帧缓存DAC0001CRT光栅01DACDAC红色枪绿色枪42红绿蓝三个位面，组合成8种颜色增加一个亮度位面，形成16种颜色光栅图形中点的存储（5/6）43光栅图形中点的存储（6/6）24个位面，24位真彩色每种基色8个位面RGB每个颜色通道，一个字节24bit，(28)3=224=16777216（约1.68千万）色RGBA，32bit，用于加速目的剩下的8位存储alpha通道，描述给定像素处的物体透明度，1.0表示物体不透明，0表示像素不会被任何物体遮挡。利用over操作实现像素颜色与像素处物体颜色的线性混合。44颜色信息的存放方式颜色信息的两种存放方式颜色值直接存储在帧缓存中把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的不再是该象素的颜色值，而是颜色表中各项的地址索引，索引色颜色查找表，也称调色板由高速随机存储器组成，用来储存表达象素颜色的代码单显查色表固化彩显可修改、创建查色表45查色表（LUT）工作原理是一维线性表，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46双缓存技术(DoubleBuffering)高性能的光栅扫描显示系统，为解决反复刷新得到稳定画面和图形频繁修改（或重绘）引起闪烁之间的矛盾，常设置两个帧缓冲器前缓存（FrontBuffer）：显示绘制完成的场景离屏后缓存（BackBuffer）：保存当前正在绘制的场景图形驱动器控制对其进行交换，避免图像撕裂（Tearing）现象47三缓存技术等待缓冲器：对缓冲器进行清除并开始绘制前前前前单缓冲缓冲器0帧0帧1帧2帧3前后前后后前后前双缓冲缓冲器0缓冲器1帧0帧1帧2帧3等待后等待等待前等待后前后前等待后三缓冲缓冲器0缓冲器1缓冲器2帧0帧1帧2帧3DirectX支持，但OpenGL不支持48显存容量分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系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49显存容量若存储器位长固定，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1024*768真彩模式需要3M字节显存高分辨率和真彩要求有大的显存解决方法采用查色表(Look-upTable）或称彩色表(ColorTable)50光栅显示系统的特点优点：成本低易于绘制填充图形灰度和色彩丰富，图像逼真可以和电视机兼容刷新频率一定，与图形的复杂程度无关缺点：需要扫描转换扫描转换速度偏低，交互操作响应慢分辨率偏低，有阶梯效应51衡量CRT的指标屏幕尺寸大小显像管种类点距分辨率画面刷新频率带宽

52显像管种类球面显象管表面：球面的一部分时间：~90年代初柱面显象管表面：柱面的一部分，垂直方向上平直，水平方向上有弯曲时间：90年代中期平面直角显象管表面：球面的一部分，接近于平面，曲率相对比球面柱状管小，反光及四角失真现象减少时间：90年代中后期纯平显象管表面：纯平面，水平和垂直方向平面如镜，色彩和亮度对比鲜明更高清晰度，适合影像处理、多媒体展示、影片欣赏时间：90年代后期市场上的主流显象管53CRT的现在和未来90年代初，有人说是“夕阳工业”，有公司宣布停止CRT的研究与开发但事实并非如此，每年都有CRT新技术发表CRT的每个象素的性能／价格比相对于其他显示器高得多，中屏幕显示器仍有市场，每当CRT采用新技术，就能提高其附加值和赚钱短期内不会消失，但在小尺寸和小体积应用中将不断损失市场给平板显示器更高分辨率、更低成本、更平屏面、更宽偏转角、更长寿命设计出电子束电流更强、光点更小的电子枪54CRT显示器的优缺点优点可视角度大主动发光型，色彩艳丽缺点屏幕的加大导致显象管的加长，体积加大，使用时受到空间的限制利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用对健康不利55平板显示器的优点薄、轻、省电（功耗小）、辐射低、无闪烁、无干扰重量仅为CRT的1／6耗电量约为CRT的1/3色彩清晰，图像失真小不受磁场影响等无闪烁效应，长时间观看眼睛不易疲劳目前，全球销售额已超过CRT56平板显示器

主动发光显示器显示媒质本身发光等离子显示器（PDP）真空荧光显示器（VFD）场发射显示器（FED）电致发光显示器（LED）有机发光二极管显示器（OLED）被动发光显示器本身不发光，利用显示媒质被电信号调制后，其光学特性发生变化，对环境光和外加光源（背光源、投影光源）发出的光进行调制，在显示屏上进行显示液晶显示器（LCD）微机电系统显示器（DMD）电子油墨（EL）显示器——电纸书57LCD显示器（1/9）

液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）液晶的性质液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质液晶分子具有液体的流动性，兼具晶体的各向异性液晶分子的排列在微弱的外部电场、磁场或应力、温度变化等作用下极易改变液晶的电光效应当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种状态时，液晶的光学性质随之改变，这种产生光被电场调制的现象，称为液晶的电光效应58LCD显示器（2/9）

显示原理通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光当液晶受到电压的作用时，物理性质就会发生改变导致形变，使穿过它的偏振光的偏振方向旋转90o59LCD显示器（3/9）

显示原理在水平网线和垂直网线上施加控制电压，可以控制相应像素的透光特性当液晶层在电场作用下，所有晶粒被极化按同一方向呈线性排列时，就失去了旋转作用。观察者在显示器上看到的就是一个暗点通过垂直偏振板到达液晶层的光是垂直偏振的光，当它穿过液晶层时，其偏振方向旋转了90o，变成水平光，该水平光能穿过水平偏振板到达反射层，然后原路返回从而产生亮点60LCD显示器（4/9）

液晶显示器分类NW（NormalWhite）型LCD：在液晶面板不施加电压时，我们所看到的面板是透光的画面，即亮的画面。NB（NormalBlack）型LCD：当对液晶面板不施加电压时，面板无法透光。背光板提供一个亮度高且分布均匀的光源61LCD显示器（5/9）

液晶显示器分类DSTN（dual-scantwistednematic）型LCD

双扫描交错液晶显示——被动矩阵（无源矩阵）对比度、亮度较差、可视角度小、色彩欠丰富TFT（thinfilmtransistor）型LCD薄膜晶体管显示——主动矩阵（有源矩阵）屏幕反应速度快、对比度和亮度较高、屏幕可视角度大、色彩丰富逼真、分辨率高62LCD显示器（6/9）TFT-LCD在每个像素上放置三个薄膜晶体管（TFT元器件），用来控制象素位置的电压，并阻止液晶单元慢性漏电每个像素有3个亚像素（对应RGB3原色），每个亚像素由一个TFT元器件控制，可通过点脉冲直接控制，使每个节点相对独立，并可连续控制，提高了反应时间（像素由亮转暗并由暗转亮所需的时间），在灰度控制上也可做到非常精确63LCD显示器（7/9）如何显示彩色？利用在一侧的玻璃基板上加上一个彩色滤光片（CF，ColorFilter）实现彩色。彩色滤光片上均匀分布着红、绿、蓝色小点，每个小点有各自不同的灰度，相邻的一组RGB小点构成一个基本的彩色显示单元，即一个像素。条状排列适合桌面和便携式，马赛克或三角形适合电视机64LCD显示器（8/9）基本技术指标可视角度指左右两边的可视最大角度相加点距两个液晶颗粒（光点）之间的距离分辨率

指其真实分辨率比如1024×768的含义就是指该液晶显示器含有1024×768个液晶颗粒65LCD显示器（9/9）优点外观小巧精致，厚度只有6.5~8cm左右响应速度快、无闪烁、无干扰工作电压低，功耗小，省电没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响缺点成品率偏低导致成本偏高，冷阴极荧光灯的使用寿命并不算太长，可视角度有限液晶显示屏的背光源冷阴极荧光管（LED？）LED显示器（1/2）发光二极管（Liquid-EmittingDiode,LED）笔记本电脑的各种红、绿色指示灯都是LED蓝色LED使得LED能制作成全彩色高亮度显示屏超高亮度LED使得LED阵列显示亮度可达1万cd/m2以上，成为世界上最亮的显示器显示原理采用二极管激发发光来显示图像二极管以矩阵排列形成显示器的像素位置图形的定义存储在刷新缓冲器中信息从刷新缓冲器读出，并转换为电压施于二极管，在显示器上产生发光图案66LED显示器（2/2）优点高亮度、高效率、长寿命、视角大、可视距离远机身更轻更薄，屏幕耐压性能更好更高的刷新频率使用寿命长达10万小时，即使每天连续使用10小时，也可以连续使用27年LED使用6~40V的低压进行扫描驱动，因此功耗更低，电池续航时间更长，同时不含对身体健康、环境有害的重金属汞，更加环保特别适合作室外用的大屏幕显示屏，强光照看不误但相对于LCD价格高6768等离子体显示器（1/2）等离子体显示器（PlasmaDisplayPanel,PDP）显示原理采用气体放电原理实现的自发光显示技术水平和垂直方向的两组电极在其交点处形成“小氖灯”当两电极间施加电压后，引起其交点处的氖气电离放电，发射紫外光，激发玻璃基板上的红、绿、蓝三原色荧光体，从而产生各种色彩。通过改变控制电