计算机图形学(计算机图形系统及硬件基础)
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计算机图形学
第2章 计算机图形系统 及硬件基础
本章内容
1 2 3 4
计算机图形系统的组成
计算机图形系统的功能
图形显示设备 图形绘制设备和输入设备*
2009-2010-2:CG:SCUEC
2
计算机图形系统的组成
计算机图形系统是指用来生成、处理和显示图形 的一整套硬件和软件。
图形应用数据结构 计 算 机 图 形 系 统 图形软件 图形应用软件 图形支撑软件 图形接口 中央处理机 图形硬件 图形输出设备 图形输入设备 图形绘制设备 图形显示设备
2009-2010-2:CG:SCUEC
3
中央处理机（CPU）
中央处理机完成对图形的描述、建立、修改等 各种计算，并对图形实现有效的存储。 许多外部设备增加了固化的图形处理功能（如 显卡、绘图机等），可以接受更高级的绘图命 令，不但能实现图形的缓冲，而且能完成大部 分图形函数的功能，从而大大减轻了中央处理 机的负担，提高了输出速度。
5
2009-2010-2:CG:SCUEC
图形输出设备
图形输出设备将计算机处理好的结果转换成可见 的图形 常用图形输出设备及其分类
设备类型 图形显示 设备 图形绘制 设备 设备名称 CRT显示器 平板显示器 绘图仪 打印机 典型设备 光栅扫描显示器、随机扫描显示器、 直视存储管显示器 液晶显示器(Liquid Crystal Display) 等离子显示器(Palsma Display Panel) 平板绘图仪、滚筒式绘图仪 点阵式打印机、喷墨打印机、激光打印机
蓝(0,0,1)
B
RGB颜色立方体
彩色CRT的荧光屏上涂有分别能发红、绿、蓝三种颜色 的荧光粉，同时彩色CRT装有三个电子枪能分别发出电 子束来激发这三种物质。荧光粉受到不同强度的电子束 激发使发出的色光产生混合，从而形成彩色图形。根据 三色荧光粉在荧光屏上的排列方式不同，彩色CRT可分 为荫罩式CRT和荫栅式CRT
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8
计算机图形系统的功能
存储功能
在计算机的内存、外存中能存放各种图形数 据，尤其是各种图形的几何数据及图形之间 的相互关系和各种属性信息，并可基于设计 人员的要求快速方便地实现对有关信息的实 时检索和对图形的删除、增加、修改等操作。
通过图形输入设备将基本的图形数据（如点、 线等），图形的形状、尺寸，必要的参数和 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。其中约束条件、属性参数 都是必不可少的。
N
寄存器
查找表
W N
0 0 1
2N 为总光强等级 2W 为每次可显示
光强等级
1
0
0
N
4
1 0 1 1
11
2W DAC
电子枪
N =3
2 表项
帧缓冲存储器
W =4
CRT光栅
实现光栅CRT图形 显示器的最常见方 法是使用帧缓存。
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 储容量称为位面(bit plane)。画 面就是由帧缓存中的这些位信息 组成的。 图形在计算机中是一位一位产生 的，每一个存储位只有0或1两个 状态，则一个位面的帧缓存只能 产生黑白图形。
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14
彩色CRT的显示原理
G
采用的是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。
绿(0,1,0) 青(0,1,1) 黑(0,0,0)
黄(1,1,0) 白(1,1,1) 红(1,0,0) R 品红(1,0,1)
20
随机扫描显示器
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 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易 修改
缺点：不能显示色彩逼真图形，有时会出现满屏 闪烁，价格昂贵
红枪电子束 绿枪电子束
蓝枪电子束 荫罩
屏幕
红 绿蓝
荧光点
彩色CRT电子枪和荫罩的排布
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17
荫栅式CRT
荫栅式显象管的红、绿、 蓝三色荧光点在屏幕上呈 垂直条形排列，并将荫罩 网改为条状荫栅，这种条 状荫栅由固定在一个拉力 极大的铁框中的互相平行 的垂直铁线阵列组成，且 整个栅栏从屏幕顶一直通 到屏幕底。电子枪发出的 三个电子束穿过栅条打在 荧光条上使其发光。
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28
带颜色查找表的光栅扫描显示器
颜色查找表必须有2N 项，每一项具有W位字宽。当W大于N时， 可以有2W个灰度等级，但一次只能同时使用其中的2N个。如果要使 用2N种以外的灰度等级，需要改变颜色查找表中的内容。下图中 ，W=4，N=3,通过设置颜色查找表可以产生16种灰度。
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21
直视存储管显示器
结构组成及工作原理
电子流 读出电子枪
屏 幕 写阴极 存储栅 收集栅 写电 子枪
直视存储管图形显示器的结构图
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22
直视存储管显示器
优点：无需刷新；很复杂的图形都可以在极 高的分辨率下无闪烁地显示；成本较低； 缺点：不能显示彩色；不能局部修改；擦除 和重画过程可能持续较长时间。
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19
随机扫描显示器
特点：电子束扫描没有固定的扫描路径和顺序，即电子 束的扫描轨迹随显示内容而变化，只扫描屏幕上要显示的 部分，故此得名 电子束形成的轨迹是由短矢量（类似于笔划）组成，又称 为矢量式或笔划式图形显示器 随机扫描显示器的逻辑图如下
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红 绿 蓝
荫栅 荧光屏 RGB
荫栅式CRT工作原理图
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18
荫罩式与荫栅式的区别
从原理来说，荫罩式显示器和荫栅式显示器只是 射线的选择方式和荧光点的排列不同而已。
从显示效果来说，荫栅式显示器的荫栅可以透过 更多的光线，从而可以达到更高的亮度和对比度， 令图像色彩更加鲜艳、逼真和自然；另外，其栅 距经过长时间使用也不会改变，就算使用多年也 不会出现画质的下降。
2009-2阳极 第二阳极 偏转线圈 高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统 电平控制器 聚焦系统 加速系统 荧光纷（磷粉涂层） 偏转的电子束 荧光屏 灯丝 阴极 水平偏转板 垂直偏转板 用于静电偏转系统 偏转系统 荧光屏
电子枪
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。
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13
隔行扫描技术
隔行扫描（见下图）将扫描分成两场，先扫描奇数行1、3、5、7…， 再扫描偶数行0、2、4、6…，顺序从顶部扫描到底部 。
奇数场垂直回扫（消隐）
1 2 3 4 5 6 7
水平回扫（消隐）
隔行扫描只需用逐行扫描一半的时间就能看见整个屏幕显示，因此 隔行扫描技术用于较慢的刷新频率。例如刷新频率为30帧/秒，如采 用逐行扫描显示，可注意到图形在闪烁，但采用隔行扫描，扫描一 帧的时间只用了原来一半，也就是说刷新频率接近60帧/秒，这时图 形显示质量提高，不再闪烁。
荫罩式CRT荧光点的排布方案
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16
荫罩式CRT
为保证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 金属控制网格（即荫罩）。控 制网格与荧光点排列成相同的 三角形或直线型。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 可避免和另外两种颜色的荧光 点相交，而只与自己对应颜色 的荧光点相交。
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4
图形输入设备
图形输入设备将用户的图形数据、各种命令 等转换成电信号送给计算机 常用图形输入设备及其分类
设备名称 定位设备 笔画设备 选择设备 拾取设备 数值设备 字符串设备 典型设备 鼠标、操作杆、数字化仪 数字化仪、图形输入板 功能键、光笔 鼠标、触摸屏 数值键盘 字符键盘
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26
光栅扫描显示器
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。
寄存器
1 DAC
电子枪
帧缓冲存储器
CRT光栅
单个位面黑白帧缓存组成的光栅CRT图形显示器
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15
荫罩式CRT
荫罩式CRT的荧光屏上涂满了成百万个能够分 别发出红、绿、蓝三色光的荧光小点，每个荧 光小点的三色荧光粉成等边三角形排列，同时 三支电子枪安装成“品”字形，与荧光屏上的 三角形红、绿、蓝三色荧光点相对应。
R B R B R G G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G B G
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10
交互功能
图形显示设备
主要介绍CRT(Cathode Ray Tube)显示器：
CRT的组成 CRT的显示原理
彩色CRT的显示原理
随机扫描CRT 直视存储管CRT 光栅扫描CRT
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11
CRT显示器的组成
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6 部分都在真空管内。
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23
光栅扫描显示器
是画点设备，屏幕可看成一个像素阵列，并可控制 每个点像素的亮度。 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。
扫描线 0 1 2 3
水平扫描（显示）
水平回扫（消隐）
垂直回扫（消隐）
n
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2009-2010-2:CG:SCUEC
9
输入功能
计算机图形系统的功能
输出功能
图形系统应具有文字、图形、图像信息的输 出功能，以方便长期保存分析计算的结果或 交互需要的图形和非图形信息。根据对输出 结果的精度、形式和时间等的不同要求，相 应的有多种不同的输出设备。 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，通过观察屏幕上显示的 计算结果和图形，利用选择、定位等手段对 不满意的部分进行修改。另外，可以由系统 追溯到以前的工作步骤，跟踪检索出出错的 地方，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。
6
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计算机图形系统的功能
一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、
输出和交互等基本功能，各功能之间的关系如下：
图形输入设备 输入 显示器 交互 计算 输出 图形输出设备
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7
存储
数据库
计算机图形系统的功能
计算功能
1) 图形的描述、分析和设计； 2) 点、线（包括直线和曲线）、面（包 括平面和曲面）的表示及其求交、分 类（用于图形的集合运算）； 3) 图形的平移、旋转、投影、透视等几 何变换； 4) 曲线、曲面的生成； 5) 图形的交点、交线、交面的计算； 6) 光、色模型的建立和计算； 7) 图形之间相互关系的检测等。
24
光栅扫描显示器
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实面积自 然图像。
光栅扫描显示器的逻辑部件及工作原理
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25
光栅扫描显示器
帧缓存是一块连续的存储空间。
帧缓冲存储器 （帧缓存）
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27
光栅扫描显示器
如果增加 帧缓存的 位面数， 光栅显示 器可以表 示彩色或 不同的灰 度等级。
N
寄存器 N
0
0
1
1 0 0
4
电子枪
帧缓冲存储器
N=3
2 N DAC
2
N
级
CRT光栅
由N个位面组成的灰度帧缓冲存储器
显示器上每个像素的亮度由它在各个位面中对应的值共同决定， 把各个位面上与当前像素对应的0，1值读入寄存器相应的位,最终 得到的二进制数就是像素的灰度等级，其范围在0～2N－1之间。
第2章 计算机图形系统 及硬件基础
本章内容
1 2 3 4
计算机图形系统的组成
计算机图形系统的功能
图形显示设备 图形绘制设备和输入设备*
2009-2010-2:CG:SCUEC
2
计算机图形系统的组成
计算机图形系统是指用来生成、处理和显示图形 的一整套硬件和软件。
图形应用数据结构 计 算 机 图 形 系 统 图形软件 图形应用软件 图形支撑软件 图形接口 中央处理机 图形硬件 图形输出设备 图形输入设备 图形绘制设备 图形显示设备
2009-2010-2:CG:SCUEC
3
中央处理机（CPU）
中央处理机完成对图形的描述、建立、修改等 各种计算，并对图形实现有效的存储。 许多外部设备增加了固化的图形处理功能（如 显卡、绘图机等），可以接受更高级的绘图命 令，不但能实现图形的缓冲，而且能完成大部 分图形函数的功能，从而大大减轻了中央处理 机的负担，提高了输出速度。
5
2009-2010-2:CG:SCUEC
图形输出设备
图形输出设备将计算机处理好的结果转换成可见 的图形 常用图形输出设备及其分类
设备类型 图形显示 设备 图形绘制 设备 设备名称 CRT显示器 平板显示器 绘图仪 打印机 典型设备 光栅扫描显示器、随机扫描显示器、 直视存储管显示器 液晶显示器(Liquid Crystal Display) 等离子显示器(Palsma Display Panel) 平板绘图仪、滚筒式绘图仪 点阵式打印机、喷墨打印机、激光打印机
蓝(0,0,1)
B
RGB颜色立方体
彩色CRT的荧光屏上涂有分别能发红、绿、蓝三种颜色 的荧光粉，同时彩色CRT装有三个电子枪能分别发出电 子束来激发这三种物质。荧光粉受到不同强度的电子束 激发使发出的色光产生混合，从而形成彩色图形。根据 三色荧光粉在荧光屏上的排列方式不同，彩色CRT可分 为荫罩式CRT和荫栅式CRT
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计算机图形系统的功能
存储功能
在计算机的内存、外存中能存放各种图形数 据，尤其是各种图形的几何数据及图形之间 的相互关系和各种属性信息，并可基于设计 人员的要求快速方便地实现对有关信息的实 时检索和对图形的删除、增加、修改等操作。
通过图形输入设备将基本的图形数据（如点、 线等），图形的形状、尺寸，必要的参数和 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。其中约束条件、属性参数 都是必不可少的。
N
寄存器
查找表
W N
0 0 1
2N 为总光强等级 2W 为每次可显示
光强等级
1
0
0
N
4
1 0 1 1
11
2W DAC
电子枪
N =3
2 表项
帧缓冲存储器
W =4
CRT光栅
实现光栅CRT图形 显示器的最常见方 法是使用帧缓存。
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 储容量称为位面(bit plane)。画 面就是由帧缓存中的这些位信息 组成的。 图形在计算机中是一位一位产生 的，每一个存储位只有0或1两个 状态，则一个位面的帧缓存只能 产生黑白图形。
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彩色CRT的显示原理
G
采用的是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。
绿(0,1,0) 青(0,1,1) 黑(0,0,0)
黄(1,1,0) 白(1,1,1) 红(1,0,0) R 品红(1,0,1)
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随机扫描显示器
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 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易 修改
缺点：不能显示色彩逼真图形，有时会出现满屏 闪烁，价格昂贵
红枪电子束 绿枪电子束
蓝枪电子束 荫罩
屏幕
红 绿蓝
荧光点
彩色CRT电子枪和荫罩的排布
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荫栅式CRT
荫栅式显象管的红、绿、 蓝三色荧光点在屏幕上呈 垂直条形排列，并将荫罩 网改为条状荫栅，这种条 状荫栅由固定在一个拉力 极大的铁框中的互相平行 的垂直铁线阵列组成，且 整个栅栏从屏幕顶一直通 到屏幕底。电子枪发出的 三个电子束穿过栅条打在 荧光条上使其发光。
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带颜色查找表的光栅扫描显示器
颜色查找表必须有2N 项，每一项具有W位字宽。当W大于N时， 可以有2W个灰度等级，但一次只能同时使用其中的2N个。如果要使 用2N种以外的灰度等级，需要改变颜色查找表中的内容。下图中 ，W=4，N=3,通过设置颜色查找表可以产生16种灰度。
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直视存储管显示器
结构组成及工作原理
电子流 读出电子枪
屏 幕 写阴极 存储栅 收集栅 写电 子枪
直视存储管图形显示器的结构图
2009-2010-2:CG:SCUEC
22
直视存储管显示器
优点：无需刷新；很复杂的图形都可以在极 高的分辨率下无闪烁地显示；成本较低； 缺点：不能显示彩色；不能局部修改；擦除 和重画过程可能持续较长时间。
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随机扫描显示器
特点：电子束扫描没有固定的扫描路径和顺序，即电子 束的扫描轨迹随显示内容而变化，只扫描屏幕上要显示的 部分，故此得名 电子束形成的轨迹是由短矢量（类似于笔划）组成，又称 为矢量式或笔划式图形显示器 随机扫描显示器的逻辑图如下
2009-2010-2:CG:SCUEC
红 绿 蓝
荫栅 荧光屏 RGB
荫栅式CRT工作原理图
2009-2010-2:CG:SCUEC
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荫罩式与荫栅式的区别
从原理来说，荫罩式显示器和荫栅式显示器只是 射线的选择方式和荧光点的排列不同而已。
从显示效果来说，荫栅式显示器的荫栅可以透过 更多的光线，从而可以达到更高的亮度和对比度， 令图像色彩更加鲜艳、逼真和自然；另外，其栅 距经过长时间使用也不会改变，就算使用多年也 不会出现画质的下降。
2009-2阳极 第二阳极 偏转线圈 高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统 电平控制器 聚焦系统 加速系统 荧光纷（磷粉涂层） 偏转的电子束 荧光屏 灯丝 阴极 水平偏转板 垂直偏转板 用于静电偏转系统 偏转系统 荧光屏
电子枪
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。
2009-2010-2:CG:SCUEC
13
隔行扫描技术
隔行扫描（见下图）将扫描分成两场，先扫描奇数行1、3、5、7…， 再扫描偶数行0、2、4、6…，顺序从顶部扫描到底部 。
奇数场垂直回扫（消隐）
1 2 3 4 5 6 7
水平回扫（消隐）
隔行扫描只需用逐行扫描一半的时间就能看见整个屏幕显示，因此 隔行扫描技术用于较慢的刷新频率。例如刷新频率为30帧/秒，如采 用逐行扫描显示，可注意到图形在闪烁，但采用隔行扫描，扫描一 帧的时间只用了原来一半，也就是说刷新频率接近60帧/秒，这时图 形显示质量提高，不再闪烁。
荫罩式CRT荧光点的排布方案
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16
荫罩式CRT
为保证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 金属控制网格（即荫罩）。控 制网格与荧光点排列成相同的 三角形或直线型。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 可避免和另外两种颜色的荧光 点相交，而只与自己对应颜色 的荧光点相交。
2009-2010-2:CG:SCUEC
4
图形输入设备
图形输入设备将用户的图形数据、各种命令 等转换成电信号送给计算机 常用图形输入设备及其分类
设备名称 定位设备 笔画设备 选择设备 拾取设备 数值设备 字符串设备 典型设备 鼠标、操作杆、数字化仪 数字化仪、图形输入板 功能键、光笔 鼠标、触摸屏 数值键盘 字符键盘
2009-2010-2:CG:SCUEC
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光栅扫描显示器
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。
寄存器
1 DAC
电子枪
帧缓冲存储器
CRT光栅
单个位面黑白帧缓存组成的光栅CRT图形显示器
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15
荫罩式CRT
荫罩式CRT的荧光屏上涂满了成百万个能够分 别发出红、绿、蓝三色光的荧光小点，每个荧 光小点的三色荧光粉成等边三角形排列，同时 三支电子枪安装成“品”字形，与荧光屏上的 三角形红、绿、蓝三色荧光点相对应。
R B R B R G G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G R B G B G
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交互功能
图形显示设备
主要介绍CRT(Cathode Ray Tube)显示器：
CRT的组成 CRT的显示原理
彩色CRT的显示原理
随机扫描CRT 直视存储管CRT 光栅扫描CRT
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11
CRT显示器的组成
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6 部分都在真空管内。
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光栅扫描显示器
是画点设备，屏幕可看成一个像素阵列，并可控制 每个点像素的亮度。 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。
扫描线 0 1 2 3
水平扫描（显示）
水平回扫（消隐）
垂直回扫（消隐）
n
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输入功能
计算机图形系统的功能
输出功能
图形系统应具有文字、图形、图像信息的输 出功能，以方便长期保存分析计算的结果或 交互需要的图形和非图形信息。根据对输出 结果的精度、形式和时间等的不同要求，相 应的有多种不同的输出设备。 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，通过观察屏幕上显示的 计算结果和图形，利用选择、定位等手段对 不满意的部分进行修改。另外，可以由系统 追溯到以前的工作步骤，跟踪检索出出错的 地方，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。
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计算机图形系统的功能
一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、
输出和交互等基本功能，各功能之间的关系如下：
图形输入设备 输入 显示器 交互 计算 输出 图形输出设备
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7
存储
数据库
计算机图形系统的功能
计算功能
1) 图形的描述、分析和设计； 2) 点、线（包括直线和曲线）、面（包 括平面和曲面）的表示及其求交、分 类（用于图形的集合运算）； 3) 图形的平移、旋转、投影、透视等几 何变换； 4) 曲线、曲面的生成； 5) 图形的交点、交线、交面的计算； 6) 光、色模型的建立和计算； 7) 图形之间相互关系的检测等。
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光栅扫描显示器
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实面积自 然图像。
光栅扫描显示器的逻辑部件及工作原理
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光栅扫描显示器
帧缓存是一块连续的存储空间。
帧缓冲存储器 （帧缓存）
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光栅扫描显示器
如果增加 帧缓存的 位面数， 光栅显示 器可以表 示彩色或 不同的灰 度等级。
N
寄存器 N
0
0
1
1 0 0
4
电子枪
帧缓冲存储器
N=3
2 N DAC
2
N
级
CRT光栅
由N个位面组成的灰度帧缓冲存储器
显示器上每个像素的亮度由它在各个位面中对应的值共同决定， 把各个位面上与当前像素对应的0，1值读入寄存器相应的位,最终 得到的二进制数就是像素的灰度等级，其范围在0～2N－1之间。