第2章计算机图形系统及硬件

第2章计算机图形系统及硬件

基础

Contents

•概述

,图形显示原理

•绘图设备

•图形输入设备

2.1概述

2.1.1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

常由以下三部分构成：

-中央处理器

-图形输出设备

-图形输入设备

中央处理器（CPU）

・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。

•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，实现图形的缓冲，以及

完成大部分图形函数的功能，从而大大减轻了

CPU的负担。

图形输入设备

­常用的图形输入设备

-键盘

-鼠标

•另外

-跟踪球、空间球

,-光笔、触摸板、图形扫描仪

-数字化仪、手写输入板

-语音输入

-数据手套

图形输出设备

•包括图形显示设备和图形绘制设备

-图形显示设备：用于在屏幕上输出图形

•基于阴极射线管的监视器

•液晶显示器

•等离子显示器

-图形绘制设备：用于把图形画在纸上，也称硬拷贝

・打印机

•绘图仪

2.1.2图形的输入输出处理流程

•一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输

入、输出、交互等基本功能，各功能关系如下：

图形系统基本功能框图

1.计算功能

计算功能包括：

1）图形的描述、分析和设计；

2）图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换;

3）曲线、曲面的生成；

4）图形之间相互关系的检测等。

2.存储功能和输入功能

•存储功能

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，并能快速方便地实现对图形的删除、

增加、修改等操作。

•输入功能

通过图形输入设备可将基本的图形数据（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。

3.输出功能和交互功能

•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。

•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

必要的提示和帮助。

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

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

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

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，直至产

生满意的结果。

2.2图形显示原理

图形显示设备主要有以下三种:

-CRT显示器

-液晶显示器

-等离子显示器

2.2.1CRT显示器

1.CRT显示器显示原理

CRT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

和阳极荧光粉涂层组成，这六

部分都在真空管内。

CRT显示器原理图

第一阳极第二阳极偏转线圈高压入口经石墨层接第二阳极

（磷粉涂层）

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。

2.彩色CRT显示器的显示原理

•RGB模型

由红、绿、蓝三种

颜色组成的原色系统称

为RGB模型。它是定义

于某个红绿蓝颜色坐标

系统中的单位立方体。

坐标原点代表黑色，坐

标点（1,1,1）代表白色。

坐标轴上的顶点代表三

个基色，余下的顶点则

代表每一个基色的补色。

彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，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。电子枪通常成三角形排列，与CRT

屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。

荫罩式CRT荧光点的排布方案

电子枪和对应的荧光点必

须在一条直线上。为保证红枪电子束绿枪电子束

每个电子枪都能击中对应

颜色的荧光点，在电子枪

和荧光屏之间放置一个有

孔的金属网格（即荫罩）。

调整彩色电子枪的排布方

式可让三个电子束都汇聚

于荫罩上。这样，某颜色

的电子束通过荫罩后，就

彩色CRT电子枪和荫罩的排布

可避免和另外两种颜色的

荧光点相交，而只能与自

己对应颜色的荧光点相交。

刷新频率

•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

程叫扫描转换。

•刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次，

只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。

大约达到每秒60帧，即60Hz时，人眼才能感觉到

屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有

85Hz以上的刷新频率。

隔行扫描技术

•每一帧分为两个场显示，每个场只包含一半画面。

两个场是交错的，一个场包含所有的奇数扫描行,

另一个场包含所有的偶数扫描行，两个场以1/60

秒的时间间隔交替显示。

•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

迅速返回屏幕左端。这个过程称为水平回扫。接

着下一奇数行重复这一过程。

.当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部a1

央。接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就

是奇数场垂直回扫。

•接着进行偶数场扫描，偶数场扫描第金彳町幕

右下角，垂直回归后电子束返回屏雅左上角。

一一一

2一—一一一一一一

一-》二「一

___.一一、、一一一

一一一一一J'一一一一一

一一一"L一

一一一一一一一二\二一

__一一1-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示

有7条扫描线的隔行扫描

3.光栅扫描式图形显示器

1）是画点设备，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。

2）发出的电于束的偏转方式是固定的，自上而下,

从左到右扫描在荧光屏上形成光栅形状。

3）图形是通过电子束扫描到光栅上的图形象素点

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，可形成多级灰度或颜色的图

像。

4）由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像

所需要的时间等于显示整个光栅所需的时间,

而与图像的复杂程度无关。

综上，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。除非特殊情况，

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素）画一条笔直的直

线，但可以用一系列的点（或像素）来近似地

表示这条直线。

显然，只有画水平、垂直或正方形的对角线

时，才能用点或像素画出一条真正的直线，其他

情况下的直线均呈阶梯状，这种现象称为走样或

锯齿（如下图所示）。采用反走样技术可适当减轻

阶梯效果。

(a)(b)

光栅化的直线

帧缓冲存储器（帧缓存）

实现光栅CRT图形显示器的最常见方法是使用帧缓存。

1）帧缓冲存储器是一块连续的存储空间。

2）光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1位

（bit）,每个像素1位的存储空间称为位面

（bitplane）o画面就是由帧缓存中的这些

位信息组成的。

3）图形在计算机中是一位一位产生的,,工

个存储彳立只看。或1两个状态,因此一个位

面的帧缓存只能产生黑白图形。

4）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

出必须经过数字/模拟转换，这个工作由DAC

（数模转换器）完成。

具有1位帧缓存的黑白光栅显示器结构图

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。

具有N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图

显示器上每个像素的亮度由N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的寄存

器中，该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等级，其范围在

0〜2"—1之间。

为避免帧缓存的增加，可采用颜色查找表来提高

灰度级别，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2N项，每一项具有W位

字宽。当W大于M寸，可有2皿灰度等级，但每次只有2"

个不同灰度等级可用。若要使用2N种以外的灰度等级,

需改变颜色查找表中的内容（重装颜色查找表）。

CRT光栅

具有N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器结构图

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

示器，由分别对应红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的三个

位面的帧缓存，DAC,三个电子枪和CRT光栅组成。

一个简单的彩色帧缓冲存储器

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。如下图，每种原色电子枪有8

个位面的帧缓存和8位的DAC,每种原色有28种灰度等

级，三种原色的组合有224种颜色。这种显示器称为全

色光栅扫描图形显示器，其帧缓存称为全色帧缓存。

寄存器

-►I1iol111111olol-----►8位DAC

蓝172-------------

I蓝I

-1-L_II川()1()11111DI削----►8位DAC

绿12

/Ii绿

()1口()1()111()15J——►8位DAC

红36

彩色电子枪I红卜

帧缓冲存储器

CRT光栅

一个具有24位面的彩色帧缓冲存储器

若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找

表的地址索引，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。

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

光栅扫描显示器的主要性能参数

•分辨率

-指显示器在屏幕水平（垂直）方向可显示多少像素

-分辨率越高，显示的字符或图像越清晰

•亮度等级数目和色彩

-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

•点距

-指相邻像素点之间的距离（即像素的直径）

•显示速度

-指显示字符、图形，特别是动态图像的速度

4.随机扫描的图形显示器

•随机扫描的图形显示器是画线设备，在屏幕

上显示一条直线是从屏幕上的一个可编址点

直接画到另一个可编址点。

•电子束的定位和偏转具有随机性，在某一时

亥U,显示屏上只有一个光点发光，因而可画

出线很细的图形，故又称之为画线式显示器。

基本工作过程

•从显示文件存储器中取出画线指令或显示字符

指令、方式指令，送到显示控制器。

•显示控制器控制电子束的偏转，轰击荧光屏上

的荧光材料，从而呈现出一条发亮的图形轨迹。

•由于屏幕采用短余辉的荧光粉，因此，必须不

断地要复扫描显示文件（即刷新），以获得稳

定的画面。

2.2.2液晶显示器

液晶显示器（LCD）

依驱动方式分为静态

驱动、单纯矩阵驱动-1

和主动矩阵驱动3种。

1.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，

可象液体那样流动。

•液晶分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、

温度、应力等外部条件作用时会重新排列。

•当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的排

歹U,一种排列光线容易通过，而另一种排列阻

止光线通过。

2.单色液晶显示器的原理

•在液晶显示器中，液晶是灌入两个有细槽的平

面之间。

•液晶显示器依靠极化滤光器（片）影响光线穿

过液晶。

-自然光线是朝所有方向随机发散的。

-极化滤光器实际是一系列逐步变细的平行线，这些

线阻断不与它们平行的所有光线。

-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。

如下图所示，两个极化滤光器互相垂直，穿过第一

个极化滤光器的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲

90°,正好可以穿过第二个极化滤光器。

TwistedNematicCell

但若为液晶加一个电压，液晶分子又会重新排列

并完全平行，使光线不再扭转，将被第二个滤光器挡

住。总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出，

PolarizerTwistedNematicCellPolarizer

・液晶材料本身不发光，所以显示屏两边设有作为

光源的灯管。

■液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜，背光板

由荧光物质组成，可以发射光线，提供均匀的背

景光源。

•背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入

液晶层。液晶层中的水晶液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。

•玻璃板与液晶材料之间的透明电极分为行和列，

在行与列的交叉点上，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。

3.彩色液晶显示器的工作原理

•彩色LCD要具备专门处理彩色显示的色彩过

滤层。

•彩色LCD面板中的每一个像素由3个液晶单

元格构成，每一个单元格前面都分别有红色、

绿色或蓝色的过滤器。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。

4.液晶显示器的特点

・优点：

-工作电压低、功耗小；

-无辐射，对人体健康无损害；

-完全平面，无闪烁、失真，可视面积大，又

-薄又轻，能大量节省空间；

-抗干扰能力比CRT显示器强得多。

•缺点：--

-视角太小、亮度和对比度不够大

2.2,3等离子显示器

等离子显示器是

新一代显示设备，

它采用了近几年来

高速发展的等离子

平面屏幕技术。

1.等离子显示器的工作原理

•等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格

矩阵（光栅）组成，每个晶格充有低压气体。

•在高电压作用下，气体会电离解。电离解后

的气体称为等离子体，所以这种显示器称为

等离子显示器。

•当电子又重新与原子结合在一起时，能量就

会以光子的形式释放出来，这时气体就会释

放出具有特征的辉光。

等禺子显示器有交流(AC)激发的、直流(DC)激

发的、交直流(AC/DC)混合激发的三种类型。直流激

发的等离子显示器的基本结构如下图所示。

要点亮某个地址的气泡，开始要在相应行上加较高

的电压，气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮度。关

掉某个气泡，只要将相应的电压降低。改变控制电压，

可使等离子板显示不同灰度的图形。

2.等离子显示器的特点

•优点：

-重量较轻、完全无x射线辐射；

-屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区;

-不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病；

-屏幕更平展，观察视角更大。

•缺点：

-价格较高；

-显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。

2.2.43种显示技术的比较

性质阴极射线管液晶显不器寸।为JMk/J、名］

功耗大小中

屏幕大小大

厚度大小小

平面度一般好好

亮度好适中好

分辨率中一般好

对比度中差好

灰度等级好差好

视角大小大

色彩丰富中丰富

价格低中高

2.2.5显卡

•显卡根据CPU提供的指令和有关数据将程

序运行过程和结果进行相应的处理、并转

换成显示器能够接受的文字和图形显示信

号，通过屏幕显示出来。

•显示器必须依靠显卡提供的显示信号才能

显示出各种字符和图像。

常见显卡的结构中包括：显卡BIOS芯片、

图形处理芯片、显存、数模转换器(RAMDAC)

芯片、接口等。下图为显卡的工作原理。

显卡工作原理图

1.显卡BlOS芯片

•显卡BIOS芯片主要用于保存VGA（Video

GraphicsArray,视频图形阵列）BIOS程序。

•VGABIOS是视频图形卡基本输入、输出

系统，主要用于显卡上各器件之间正常运

行时的控制和管理，BIOS程序的技术性

能对整个显卡的性能有很大影响。

2.图形处理芯片

•图形处理芯片是显卡的核心，可将它看作是完

成图像生成与操纵的、独立于CPU的一个本地

处理器，它管理与系统总线的接口，这个接口

应具有零等待的猝发式传送能力。

•图形处理芯片的主要作用是依据设定的显示工

作方式，自主地、反复不断地读取显示存储器

中的图像点阵数据，将它们转换成R、G、B三

色信号并配以同步信号送至显示器，即刷新屏

幕。

图形处理芯片应具有:

1）一个由系统总线至显示存储器总线的通

路，以支持屏幕的修改或更新。

2）颜色查找表的功能

3）图形加速功能

3.显示存储器

•显存（也称为“帧缓存”）的用途

-主要用来保存由图形芯片处理好的各帧图形显示数

据，然后由数模转换器读取并逐帧转换为模拟视频

信号再提供给显示器使用。

-显存的大小直接影响到显卡可以显示的颜色多少和

可以支持的最高分辨率。

•衡量显存的技术性能的指标

-数据存取速度（可通过工作时钟频率体现）

-显存容量

显存的种类

•单端口显存：从显示芯片读取数据以及向

RAMDAC传输数据都是经过同一个端口，这

样数据的读写和传输就无法同时进行。

•双端口显存：可以同时进行数据的“读”和

“写”，从而提高了显存的效率，满足了高

分辨图形显示的需要。

4.数模转换器

•数模转换器将数字信号转换为模拟信号，

使显示器能够显示图像。

•数模转换器的另一个重要作用是提供显卡

能够达到的刷新率，它也影响着显卡输出

的图像质量。

•数模转换器的技术指标主要是工作时钟频

率。

2.2.6显卡对OpenGL的支持

•OpenGL为图形设备的软件接口，只要操作系

统安装了支持OpenGL的显卡以及对OpenGL支

持的应用程序就可以使用。

•OpenGL的主要目的是把二维和三维的图形图

像绘制到帧缓存中。

•OpenGL的功能由主CPU转移到加速卡上实现,

大大加速了图形的处理速度。

2.3绘图设备

2.3.1喷墨绘图机

喷墨绘图机

是一种光栅类型

的图形输出设备,

基本原理是将小

墨点喷射到介质

上。

喷墨装置多数情况安装在类似打印机的机头上，

纸绕在滚筒上快速旋转，喷墨头则在滚筒上缓慢水平

运动。绘图机的墨水泵将黄、品红、青三种颜色的墨

水分别注入3支很细的喷笔中。在高压下，墨水通过

喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。

喷墨绘图机的结构

•喷墨绘图机的分辨率取决于墨滴的大小,

也就是喷嘴的大小。

•某些喷墨绘图机可以接收视频及数字信

号，因此可用于光栅显示屏幕的硬拷贝,

此时图像分辨率受到视频输入分辨率的

限制。

2.3.2激光打印机

激光打印

机是一种既可

用于打印字符

又可用于绘图

的设备。

激光打印机的工作原理

1）激光打印机主要由感光鼓、粉盒、打底电

晕丝和转移电晕丝等组成，如图（a）所示。

厩

光鼓

碳粉

岂

/

前

£

>

忠

滚筒

器口打麻

(a)

2）激光打印机开始工作时，感光鼓旋转通过

打底电晕丝，使整个感光鼓的表面带上电

荷，如图（b）所示。

(b)

3）打印机处理器将打印数据转换成可以驱动打印

引擎动作的类似数据表的信号组，并送至激光

发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜

上，反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依

照打印数据来决定

激光的发射或停止。

每个光点打在反射

镜上，随着反射镜

的转动，不断变换

角度，将激光点反

射到感光鼓上，如

图（c）所示。

（C）

4)感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，在感光

鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化现象。感光

鼓旋转到上粉盒，其表面被磁化的点将吸附碳

粉，从而在感光鼓上形成将要打印的碳粉图像,

如图（d）所示。

(d)

5)打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间通过，转移

电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受

吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝方向移动,

结果是在不断向前运动的打印纸上形成碳粉图

像。打印纸继续向感光鼓

前运动，通过高温

的溶凝部件，定型

在打印纸上，产生

永久图像，如图

(e)所示。

激光打印机的优点

•有效利用了激光定向性、单色性和能量密集

性，并结合了电子扫描技术的高灵敏度和快

速存取等特性。

•输出图形图像的质量非常高，分辨率可达

300〜600点/英寸。

•图形及文本质量非常高，可直接作为制版的

原稿。

2.3.3笔式绘图机

笔式绘图机

是矢量型设备,

在操作过程中,滚筒式绘图机

绘图笔相对纸

作随意移动。

笔式绘图机分

为滚筒式和平

板式。

平板式绘图机

1.滚筒式绘图机

笔和纸都是运动的。绘图纸卷在滚筒上，步进电机

带动链轮作正向和反向旋转，带动图纸作X方向的正向

和负向运动，滚筒上方的笔架可存放多支画笔，画笔由

另一个步进电机带动作y方向的正负向往返运动，两种

运动的结合使画笔画出各种图形。

滚筒式绘图机结构

2.平板式绘图机

绘图笔在纸上沿x和丫两个方向运动，图纸通常静止

不动，装有笔架的导轨作x方向移动，笔架在导轨上作

丫方向移动，两种运动配合画出多种图形。

平板式绘图机结构

平板式绘图机的分类

,机械传动

-驱动装置一般为钢丝绳或齿轮条箱。

-速度低、精度低、寿命短，价格相对便宜。

・平面电机驱动

-绘图台有两块平板，上面的平板称为滑动导

板，即电机定子。

-画笔装在电机动子的下部，画笔之下是绘图

台板。

2.4图形输入设备

•各种图形模型的建立、操作和修改都离不开

图形输入设备。

­常用的图形输入设备有：

--键盘、鼠标

-光笔、数字化仪

-触摸板、图形扫描仪、手写输入板

-语音输入、数据手套

2.4.1光笔

・光笔有选图和跟踪

两种基本功能。

-选图（又称标定或

指点）是对显示器

上已显示的图形或字符进行加工处理。

-跟踪是用光笔拖动光标实现定位，可

用于图形编辑。

光笔的形状和普通钢笔相似，它由透镜、

光导纤维、光电元件、放大整形电路和接

触开关组成（如下图）。

透镜组光导纤维

光笔结构示意图

光笔的优缺点

•优点

-不需要特殊的显示屏幕，与触摸屏的设备相比较,

价格便宜许多；

-在一些不适宜使用鼠标的地方，可起到替代作用。

,缺点

-手和笔迹可能将遮挡屏幕图像的一部分；

—会造成手腕的疲劳；

-光笔不能检测黑暗区域内的位置；

-会因房间背景光的影响产生误读现象。

2.4.2数字化仪和手写输入板

1.数字化仪

数字化仪是一种

把图形转变为计算机

能接受的数字形式的

专用设备，它可以采

样几何图形上的关键

数据点，然后由程序

进行处理。

数字化仪的工作原理:

•米用电磁感应技术，在一块布满金属栅格的绝

缘平面板上放置一个可移动的定位设备；

•当电流通过定位设备上的电感线圈时，产生相

应的磁场，从而使其正下方的金属栅格上产生

相应的感应电流；

•根据已产生电流的金属栅格的位置，判断出定

位设备当前所处的坐标位置。将这种位置信息

传送给计算机，就实现了图形的数字化。

数字化仪的主要技术指标:

•最大有效幅面

-指能够有效地进行数字化操作的最大面积，一般按

照工程图纸的规格来划分。

•数字化的速率

-每秒几点到几百点，多采用可变方式，由用户选择。

­最高分辨率

-指输出坐标显示值增加1的最小可能距离，一般每

毫米几十线到几百线。最高分辨率取决于电磁技术。

2.手写输入板

手写输入板是

最常见的定位设备,

工作原理与数字化

仪基本相同，不同

之处是前者的台面

较小，分辨率也低;

而后者的台面较大,

分辨率和精度也高。

2.4.3触摸屏