图形设备与系统课程(PPT 97页)

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阴极射线管(CRT)工作原理
• 高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、 加速系统和磁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， 这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了
• 帧缓冲存储器 作用：存储屏幕上像素的颜色值 简称帧缓冲器，俗称显存
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• 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（上图帧缓冲器的每个单元只 有一位）
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偏转系统
• 控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。
• 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度 就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度 被称为最大偏转角
• 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
• CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长
辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的数 目来表示。比如上述的 n 行，每行 m 点的 屏幕分辨率为 m × n 。分辨率越高，相邻 象素点之间的距离越小，显示的字符或图像 也就越清晰。
分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显 示存储器容量的限制。
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Lec2图形设备与系统
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主要内容
• 计算机图形系统概述 • Windows操作系统下图形程序的开发介
绍
• OpenGL介绍 • 实验:一个OpenGL基础实验
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2.1 计算机图形系统概述
同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显 示存储器VRAM容量的影响。
• 图像刷新
由于CRT内侧的荧光粉在接受电子束的轰击时，只 能维持短暂的发光，根据人眼视觉暂留的特性，需
要不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新 是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每
一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧
• 计算机图形系统外部设备
图形输入设备 图形输出设备:重点讲解图形显示设备
• 计算机图形软件 • 图形标准
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2.1 计算机图形系统概述
计算机图形系统由硬件系统和软件系统组成 。
计算机图形系统的主要硬件：计算机、打印机、绘
图机。
计算机
幅面受限制， 精度高
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Graphics 黑白光栅扫描显示器逻辑框图
• 在光栅图形显示器中需要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。如下图 是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上 每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位 置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被 翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。
几个概念
• 点距
相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。
• 显示速度
指显示字符、图形特别是动态图像的速度， 与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最 大带宽（水平象素数 × 垂直象素数 × 最大
帧频）来表示。
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几个概念
• 色彩与亮度等级
亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。 色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可
幅面不受限 制，精度低
台式绘图机
激光打印机
喷墨打印机
滚筒绘图机
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图形输出设备
• 图形输出包括图形的显示和图形的绘制， 图形显示指的是在屏幕上输出图形
• 图形绘制通常指把图形画在纸上，也称 硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用 的硬拷贝设备
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• 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。
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聚焦系统
保证电子束在轰 击屏幕时，汇聚成 很细的点
加速电极 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。
• 修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘 图命令。
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2.1.4 光栅扫描的显示系统
• 光栅扫描显示系统
特点：光栅扫描 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期
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几个概念
• 行频、帧频
水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧 频。
• 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 为真彩系统
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• 球面显示器与柱面显示器
普通的显象管采用的都是点状影孔板显象 管，显象管的表面呈略微凸起的球面状， 故称之为“球面管”。而柱面显象管采用 荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略 微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的， 呈圆柱状，故称之为“柱面管”
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2.1.2 彩色阴极射线管
• 产生彩色的常用方法:
射线穿透法 影孔板法
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彩色阴极射线管-射线穿透法
• 原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光 两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层 的深浅，决定所产生的颜色
• 逐行扫描、隔行扫描
隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫 奇数行扫描线
• 象素
整个屏幕被扫描线分成 n 行，每行有 m 个 点，每个点为一个象素。整个屏幕有 m × n 个象素。
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几个概念
• 分辨率
是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能 分辨出的最大光点（象素）数，分为水平分
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涉及屏幕的两个术语
• 像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图 像）的最小元素
• 分辨率(Resolution)：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.
在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整 个屏幕所能容纳的像素个数描述，如 640*480，800*600，1024*768， 1280*1024等等
柱面和球面显示器点距定义示意 图
0.25mm
G B R G B R G GB
d=0.28mm
0.31mm
µã ¾à Ϊ .25µÄ Öù Ãæ ÏÔ Ê¾ Æ÷
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0.22mm
µã ¾à Ϊ .28µÄ Çò Ãæ ÏÔ Ê¾ Æ÷
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2.1.3 随机扫描的显示系统
常用的点状影孔板显象管有日本索尼公司 的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石 珑管（Diamondtron）
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荫栅式彩色CRT显色原理
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Ó« ¹â ÆÁ RGB
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荧光涂层
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影孔板的类型
• 点状影孔板
代表：大多数球面与柱面 显像管
• 栅格式影孔板
代表：Sony的Trinitron与 Mitsubishi的Diamondtron 显像管
• 沟槽式影孔板
代表：LG的Flatron显像管
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计算机图形外部设备
• 阴极射线管 • 彩色阴极射线管
射线穿透法 影孔板法 • 随机扫描显示系统 • 光栅扫描系统
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阴极射线管（CRT)
• 阴极射线管(CRT- Cathode Ray Tube)
组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、 偏转系统、荧光屏
频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准 为每秒50~120帧。
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30Computer Gr源自phics几个概念• 帧缓冲存储器（显示存储器）
存储用于刷新的图像信息的存储器。帧缓 冲存储器的大小通常用X方向（行）和Y方 向（列）可寻址的地址数的乘积来表示， 称为帧缓冲存储器的分辨率。
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显示器的分辨率
• 电子束按固定的扫描顺序进行扫描N条 扫描线，每条扫描线有M个像素，M * N 显示器的分辨率。
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• 逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)，视频控制 器（Video Controller)，显示处理器（Display Processor），CRT
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荧光屏
• 荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光
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1/10所需的时间
刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个 稳定的亮度值
刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数
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 （例如）=1000/40=25Hz
• 特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要 显示的部分
• 逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显 示处理器（DPU:Display Processing Unit）和 CRT
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工作原理
• 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，存放在刷新存储器中。 刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示 文件，由显示处理器负责解释执行(刷新)， → 驱动电子枪在屏幕上绘图。
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黑白光栅扫描显示器逻辑框图
其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。对 于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储 器，对一个1024×1024象素组成的黑白单灰 度显示器所需要的最小缓存为220，并在一 个位面上。一个位面的缓存只能存储黑白图 形，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟 设备，因而还需要数模转换器(DAC)。
荧光涂层 电子束
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
主要用 于画线显 示器 成本低 只能产 生有限几 种颜色
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彩色阴极射线管-影孔板法
• 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
影孔板
外层玻璃
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彩色光栅扫描显示器
• 下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于 红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存 和三个电子枪。
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彩色光栅扫描显示器
• 每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来 提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色 电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换 器，每种原色可有256中灰度，三种原色的组 合将是(28)3=224。
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点状影孔板工作原理
• 三支电子枪 • 三色荧光点（很小并充分
靠近--〉像素） • 红、绿、兰三基色
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
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调节各电子枪发生的电子 束中所含电子的数目，即可 控制各色光点亮度。
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刷新
• 要保持显示一幅稳定的画面，必须不断 地发射电子束
• 刷新频率 刷新一次是指电子束从上到下扫描一 次的过程 刷新频率高到一定值后，图象才能稳 定显示
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电子枪
• 电灯丝，阴极和控制栅组成。