计算机图形学

➢ 当行频锯齿波电流流过一对水平线圈时，电子束由 于受到垂直方向的偏转磁场的作用，将从左至右在 屏面上形成水平扫描线。
➢ 当帧频锯齿电流流过一对垂直线圈时，电子束由于 受到水平方向的偏转磁场的作用，将从上至下在屏 面上形成垂直扫描线。
➢ 当水平、垂直线圈中同时流过扫描电流时便形成从 左至右、从上至下的满屏扫描光栅
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2.1.3 光笔(light pen)
光笔是一种检测装置，它靠检测荧光屏上的发光点来选 择屏幕的位置坐标。
透镜组
光 孔
触钮开关
导线
笔体 光导纤维 图2-2 光笔的结构
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2.1.4 触摸屏(touch screen)
这种装置以手指触摸的方式选择屏幕位置。 触摸板(touch panel)
13
27
荧光粉的余辉特性：电子束轰击荧光粉时，荧光粉的分子受激而发 光，当电子束的轰击停止后，荧光粉的光亮并非立即消失，而是按 指数规律衰减。
余辉时间——从电子束停止轰击到发光亮度下降到初始值的1％所 经历的时间。
按余辉时间的长短，把荧光粉分为三类：
短余辉时间荧光粉（ <1ms ）
中余辉时间荧光粉（ 1—100ms ）
描荧光屏产生字符或图形。
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偏转线圈
磁场
电子束
荧光屏
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图2-5 显象管中电子束的偏转
偏转线圈小资料
➢偏转线圈由一对水平、垂直线圈组成，被安装 在显像管锥部管颈上。
➢它的作用是产生偏转磁场，使电子束得到偏转。 ➢在显像管系统中，电子枪发射和聚焦的电子束
打到荧光屏上，只能在屏中心产生一个亮点
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偏转线圈小资料
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➢光栅扫描的图形显示器是典型的画点设备，可看作是 一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。 ➢在画点时，它不能直接从单元阵列中的一个可编址的 像素画一条直线到另一个可编址的 像素，只可能用尽 可能靠近这条直线路径的像素点集来近似地表示这条直 线。
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除画水平线、垂直线及正方形的对角线外，其它情 况下的直线均呈台阶状、锯齿状。
显示器件
机械式器件、白炽灯、示波器 黑白显像管、彩色显像管 CRT、液晶、等离子、激光
显示控制（器）卡 控制显示器件和图形处理、
转换、信号传输等
承担某些图形计算功能，解 放CPU
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2.2.1 阴极射线管CRT
CRT（Cathode Ray Tube）是一种真空器件，它利用电磁场产生 高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表 面的荧光材料而产生可见图形。
长余辉时间荧光粉（ 100ms－几分钟 ）
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2. 彩色阴极射线管 三基色原则：任何颜色都是由R、G、B三种荧光粉发出的色光相 混而得 按电子枪和电子束数目分：
三枪三束 单枪单束
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⑴荫罩式彩色显象管 ——三支电子枪
三色荧光屏
小孔
电子束
荫罩
三支电子抢
图2-8 荫罩式彩色显象管原理
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三色荧光屏
从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏
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(1)电子枪
电子枪的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束 轰击荧光屏
电子束应满足下列要求：
a.具有足够的电流强度。
b.电流的大小和有无必须是可控的。
c.具有很高的速度。
d.在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分 辨率。
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主要内容
第2章 图形设备
➢计算机图形系统包含哪些外部设备？
图形输入设备：概念、特点
图形显示设备：概念、结构原理、工作方式、特点
图形绘制设备：概念、特点
1
2
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
调节各电子枪发出 的电子束中所含电 子的数目，即可控 制各色光点亮度。
➢管子的亮度低
➢要提高管子的亮度，则需提高第二阳极的高压 32
黑底荫罩管
R
G
G
B
R
G
B
R
G
B
R
B
R
彩色显象管必须满足色纯度、会聚和白色平衡的要求
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⑵穿透式彩色显示原理
v0 绿色荧光粉 红色荧光粉
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缺点： 当图形彩色转换速度很快时，相应的高压转换速度亦
迅速，这要求 ①转换速度 ②精度 ③功耗
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工作原理：光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺 序扫描，而字符、图像是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。
D/A转换
视频信号
z
辉亮放大器
CRT
水平同步 垂直同步
水平振荡 垂直振荡
水平驱动 垂直驱动
x 水平输出
高压 垂直输出
y 46
➢刷新缓冲存储器（refresh buffer）或称帧缓冲存储器（frame buffer）：被显示的线段、字符、图形及其背景色都按像素一一 存储在此。 ➢像素（pixel或pel，是picture element的简写）：屏幕上的一个 点 ➢像素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转 换过程，系统再垂直回扫期内把亮度信息放入帧缓存。
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随机扫描工作原理图：
2
Y 2
3
1
1
3
t
1
X
2
3
1
图2-13 随机扫描工作原理图
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随机扫描显示器的基本工作过程图
应用程序
DFT 显示文件 DPU
CRT
DFT：显示文件转换器 DPU：显示处理单元
图2-14 随机扫描显示器的逻辑框图
特点：
无冗余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系统更高 的分辨率、生成光滑线条
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➢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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➢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。色彩包括显示器可选择颜色的数目以及一 帧画面可同时显示的颜色数，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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电子流
读出电子抢
屏 幕
存储栅 收集栅
写电 子抢
写阴极
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特点： ➢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 ➢不能显示彩色、 ➢不能局部修改、 ➢擦除和重画过程对复杂图形来讲，可能要几秒钟
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3. 光栅扫描的图形显示器 目前使用最广泛的基于电视技术的CRT图形显示器
电子枪的结构
栅极
第二阳 极
玻璃 石墨层
栅极
Baidu Nhomakorabea
聚焦极
玻璃 石墨层
灯丝
灯丝
阴极 加速极 第三阳极
阴极 加速极 第二、四阳极
（a)三极电子枪 图2-4 电子枪示意图
（b)四极电子枪
以上五个电极用玻璃绝缘柱支撑组装成一个坚实的
整体，总称为电子枪。
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(2)偏转系统 电子束偏转有电偏转和磁偏转两种方法 磁偏转 磁偏转系统是利用磁场使电子束产生偏转，扫
聚 焦 极
加 速 极
平 偏 转
直 偏 转
板
板
图2-7 CRT的构造（电偏转）
荧 光 屏
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(3)CRT的荧光屏 CRT荧光屏（Phosphor Screen）是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上 制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无气泡，表面 光学抛光。 对荧光粉的性能要求是：
发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以及寿 命长等。
3
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。
➢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
5
➢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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2.2.2 CRT图形显示器
❖ 随机扫描的图形显示器 ❖直视存储管图形显示器 ❖光栅扫描的图形显示器
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1. 随机扫描的图形显示器 又称向量（vector）显示器、笔划（Stroke writing）显示器 随机扫描（random-scan）的图形显示器中电子束的定位和偏转
具有随机性， 即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描， 而不必全屏扫描。
2.1.5 操纵杆(joystick)
2.1.6 跟踪球（trackball）和空间球（spacegall）
2.1.7 数据手套(data glove) 2.1.8 数字化仪(digitizer) 2.1.9 图象扫描仪(scaner) 2.1.10 声频输入系统 2.1.11 视频输入系统
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2.2 图形显示设备
➢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。
要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电 子束，保持一定的刷新频率
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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灯阴控 加 聚 加 偏
丝极制 速 焦 速 转 栅极极极系 统
荧 光 屏
图2-3 CRT的构造（磁偏转）
从外形上看，CRT为：管颈部分、锥体部分、屏幕部分
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造成枕形失真 可以导出，当偏转线圈的匝数一定时，偏转电流I与偏转 角的正弦成正比。
（b)枕形失真
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校正的措施有二： 一是将产生偏转磁场的锯齿形电流预先产生一些失真； 二是“桶形失真”——故意将偏转磁场做成略有不均匀性，中央 稍强，周围略弱
（a)桶形失真
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电偏转
水
垂
灯 丝
阴 极
控加 制速 栅极
走 样
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2.2.3 平板显示器（flat-panel display）
低电压、轻小型、数字化显示器件 平板显示器（flat-panel display） ➢非发射显示器（none-missive display）
如液晶显示器 ➢发射显示器（emissive display）
如平板CRT、等离子显示器、薄片光电显示器、发光 二极管显示器（Liquid-Emitting Diode） 。
在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到 底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不 断变化来建立亮点的图案。
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扫描线 0 1 2 3
n
水平扫描(显示)
水平回扫(消隐) 垂直回扫(消隐)
图2-16光栅扫描示意图
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基本概念 刷新速率：每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。 水平回扫（horizontal retrace），行扫描 垂直回扫（verticle retrace），场扫描 逐行扫描和隔行（interlaced）扫描：隔行扫描技术主要用于较 慢的刷新速率，以避免闪烁
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➢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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2.1 图形输入设备
2.1.1 键盘（keyboard）
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2.1.2 鼠标器(mouse)
鼠标按测量位移可分为： ➢用鼠标底部的转轮或滚轮来记录移动的总量和方向。 ➢采用光学感应器来检测鼠标运动。 Z鼠标:Multipoint Technology公司,3个按钮—侧轮、顶球、底球。
RGBRGBRGB BRGBRGBR
RGBRGBRGB
三色荧光屏
荫罩板
RGBRGBRGB
BRGBRGBR
R B G
荫罩
RGBRGBRGB 三色荧光屏
图2-9 荫罩及彩色显象管上荧光小点的排列
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RGBR BRG
RGBR
缺点
荫罩
三色荧光屏
➢为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面要大些
➢只有15%左右的电子到达屏幕
不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统 也较复杂
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2. 直视存储管图形显示器 直视存储管DVST（direct-view storage tube）通过紧
贴在屏幕荧光层后的电荷分布来把图形信息存储在CRT 内，不用再刷新屏幕 从表面上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光 屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见 的。
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液晶显示器（Liquid Crystal Display） ➢液晶的电光效应：当液晶分子的某种排列状态在电场作 用下变为另一种排列状态时，液晶的光学性质随之改变。 ➢与CRT不同，液晶显示器件本身不发光，而是利用液晶 的光电效应，通过施加电压改变液晶的光学特性，从而造 成对入射光的调制，使通过液晶的透射光或反射光受所加 电压的控制，达到显示的目的。 ➢液晶显示的机理是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。