第2章图形系统的组成

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2.1显示设备

阴极射线管(CRT)


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。 荧光物质的主要特性是余辉。余辉是指电子束移去后 荧光屏可继续发光的时间。一般将余辉定义为发光减 小到原有亮度的1/10所需的时间。
下图表示了一个荫栅式与荫罩式的荧光屏的点排列, 其 中距离d 就是人们平常所说的点距。
柱面和球面显示器点距定义示意图
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2.1显示设备

随机扫描式图形显示器
随机扫描图形显示器中, 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, 而不是全屏 扫描。 这种扫描方式免除了全屏扫描中无图形处 的冗余扫描, 因此速度快, 图像清晰。
2. 荫罩式彩色CRT 目前应用较广的彩色显像管是将红、绿、蓝 三种彩色同时显示在一个管屏上, 合成一幅彩色 图形。彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光 物质, 它们分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。 而电子枪也发出三个电子束来激发这三种物质, 中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位 置。 根据屏幕上荧光点的排列不同, 控制栅格也 就不一样。 普通的监视器一般用三角形的排列 方式, 这种显像管被称为荫罩式显像管。
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2.2光栅扫描显示系统
下图是一个具有24位面的帧缓冲存储器,红、绿、 蓝各8个位面,其值经数模转换控制红、绿、蓝电 子枪的强度,每支电子枪的强度有256(8位)个等级, 则能显示256*256*256=16兆种颜色,16兆种颜色也 称作(24位)真彩色。
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帧缓存容量计算 1024×768,24位颜色深度,则帧缓存容 量为 1024×768×24/8≈2.3M 可见当显示分辩率较高且颜色数较多时, 帧缓存将急剧地变大。帧缓存大,对视频 控制器的存取速度要求变高。 为此提出了颜色查阅表概念。
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2.2光栅扫描显示系统
帧缓存
0
CLT
到红电子枪
y
到绿电子枪 到蓝电子枪 356
40
40
0001 0110 0100
255
x
注意:十进制356等于二进制000101100100
40
图2.6 彩色查阅表的工作原理
2.2光栅扫描显示系统

显示处理器
用于图形处理的处理器,早期一般采用CPU, 现在大多有专有的处理器 显示处理器的一般任务是是扫描转换,即把 图形命令转换为像素亮度值。
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2.1显示设备

阴极射线管(CRT)



要保持荧光屏上有稳定的图像就必须不断地发 射电子束。 刷新一次是指电子束从上到下将荧光屏重新扫 描一次, 其扫描过程如图2.4所示。 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60 Hz时, 人眼才能感觉到 屏幕不闪烁, 但要使人眼觉得舒服, 一般必须有 85 Hz 以上的刷新频率。
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2.1显示设备
LCD显示器的原理 是利用液晶的物理 特性,通电时导通, 晶体在电场作用下, 排列变得有秩序, 通过它的光的折射 角度会发生变化, 使光线容易通过; 不通电时,晶体排 列变得混乱,光被 遮挡,不能通过。
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液晶显示器原理示意图

2.1显示设备

液晶显示器的主要基本技术指标有:


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2.2光栅扫描显示系统

随机扫描显示器存在的缺点:


不易绘制填充图形,因此难以在像素级表示丰 富多彩的图形; 刷新过程取决于显示文件的大小与复杂程度。 易于进行图形填充; 具有固定的光栅扫描及刷新次序及周期; 控制部件简单,成本低。
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光栅显示器的优点:


2.2光栅扫描显示系统

光栅扫描显示系统的基本工作原理
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2.2光栅扫描显示系统

帧缓冲存储器 颜色查阅表(Color Lookup Table,CLT)
例如:帧缓存的每单元有8位,可组合出 28=256个地址,则CLT的长度为256。若CLT存放 的颜色代码R、G、B均为4位,则总的颜色数为 212=4096种。在显示时,只要从4096种颜色中选 出256种放在CLT中,就可同时显示256种颜色了; 若要改变或增加显示的颜色数,只需要改变CLT 中存储的颜色代码即可。
光栅扫描方式下, 电子束从屏幕的顶部 开始,自左而右,自 上而下,形成一帧。 光栅扫描有两种: 1. 隔行扫描; 2. 逐行扫描。 适用于电视图像。
电子束扫描过程示意图
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2.1显示设备
图2.4 光栅扫描显示器绘图过程示意图
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2.1显示设备
三角形的扫描转换 示意图
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2.1显示设备

光栅扫描式图形显示器 与电视机不同的是, 光栅扫描显示器的显 示内容不是来自天线所接收的信号, 而是来 自一个专门的内存区, 称为帧缓存寄存器 (Frame Buffer)。
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2.1显示设备

等离子显示器特点


根据工作方式的不同,大致可分为两类: 交流型和直流型。 目前研究较多以交流型为主,并可依据电 极的安排区分为二电极对向放电(Column Discharge)和三电极表面放电(Surface Discharge)两种结构。
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2.1显示设备

等离子显示器特点
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2.2光栅扫描显示系统

帧缓冲存储器

颜色深度
图像的每个像素的颜色(或灰度)信息被量化后,将用若 干位二进制数表示,这个数的位数就是颜色深度,记作位/像 素( bpp:bits per pixel)。 颜色深度反映图像所用的颜色的总数。
颜色深度 1 4 8 24 颜色总数 21=2 24=16 28=256 224=16772216(16M) 图像名称 单色图像 16色(或灰度)图像 256色(或灰度)图像(伪彩色) 真彩色图像 (RGB8:8:8)
在这种情况下, 人们推出了液晶显示器(LCD-Liquid Crystal Display)。
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2.1显示设备
LCD显示器
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液晶显示器


液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质,它具有 液体的流态性质和固体的光学性质。 当液晶受到电压的影响时,就会改变它的物理性质而 发生形变,此时通过它的光的折射角度就会发生变化, 而产生色彩。 液晶屏幕后面有一个背光,这个光源先穿过第一层偏 光板,再来到液晶体上,而当光线透过液晶体时,就 会产生光线的色泽改变,从液晶体射出来的光线,还 得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板。
图形 命令
显示处 理器
帧缓存
视频 控制器
CRT
图2.5光栅扫描显示的组成
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2.2光栅扫描显示系统

帧缓冲存储器(Frame Buffer) 简称帧缓存或者显存,又称位映射图(Bit Map)或光栅 每个存储单元对应屏幕上的一个像素,整 个帧缓存对应一幅图像。 光栅中的存储单元总数称为光栅扫描显示 的分辨率。 二个分辨率:显示器分辩率;帧缓存分辩 率。 显示器分辩率>帧缓存分辩率



它是一个真空器件, 由电子枪发出电子束, 经 过聚焦系统和加速系统产生高速的经过聚焦 的电子束, 经过磁偏转系统到达荧光屏的特定 位置, 轰击荧光屏表面的荧光物质。 在荧光屏上产生足够小的光点,光点称为像 素(pixel)。 阴极射线管在水平和垂直方向能识别的最大 光点数称为分辨率,分辨率越高,显示的画 面越清晰。
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2.1显示设备
随机扫描显示器显示过程示意图
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2.1显示设备
随机扫描显示 器的基本工作 原理是从显示 文件存储器得 到指令, 送到显 示控制器控制 电子束的偏移, 从而在屏幕上 产生图形。 适用于计算机 图形处理。
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随机扫描显示器工作原理示意图
2.1显示设备

光栅扫描式图形显示器 目前使用得最广泛的CRT图形显示器是 基于电视技术的光栅扫描显示器。 如前所述, CRT中的水平和垂直偏转线 圈分别产生水平和垂直磁场, 电子束则在不 同方向磁场力作用下进行行和列扫描, 将屏 幕分成由像素构成的光栅网格, 由多个具有 灰度和颜色的像素点便可构成所需要的图形。
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2.2光栅扫描显示系统

帧缓冲存储器 颜色查阅表(Color Lookup Table,CLT)
CLT表中存放的是256个颜色值(RGB) (24位真 彩色值集合的一个子集) ,帧缓冲存储各单元 所存的不再是颜色值而是CLT表中的序号,这样 经CLT表就可以将较少的颜色位数(8bit)变换映射 到较大的颜色空间上。
第二章 图形系统的组成
1
2.1 显示设备 2.2 光栅扫描显示系统 2.3 硬拷贝设备 2.4 图形软件及其标准
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2.1显示设备
阴极射线管(CRT)
图 2.1 CRT监视器的简易结构图 CRT主要由电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统 和荧光屏五部分组成。
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2.1显示设备

阴极射线管(CRT)
通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实 分辨率,比如1024×768的含义就是指该液晶显 示含有1024×768液晶颗粒。 LCD只有在其真实分辨率下才能达到最佳 的显示效果。
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2.1显示设备

等离子显示器


等离子体显示(Plasma Display Plate,简称 PDP),自1964年发明以来,经过40年的迅速 发展,相关技术已日趋成熟。等离子显示器是 继CRT、LCD后的最新一代显示器,其厚度极 薄,分辨率佳,大屏幕壁挂式平板彩电已经商 品化,作为信息处理终端装置的多媒体显示板 也已开始普及。 优点:可以制造出超大尺寸的平面显示器(50 英寸甚至更大);没有弯曲的视觉表面,从而 使视角扩大到160o以上
可视角度 由于液晶的成像原理是通过光的折射而不是像 CRT那样由荧光点直接发光来实现的, 因此在不 同的角度看液晶显示屏必然会有不同的效果。 点距和分辨率 液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒(光点)之间 的距离, 一般点距为0.28~0.32 mm就能得到较 好的显示效果。
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2.1显示设备

液晶显示器分辨率
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图 2.2 荫罩式彩色CRT显色原理
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2.1显示设备

彩色CRT
3. 荫栅式彩色CRT
由于荫罩式显示器荧光屏是球面的, 其 几何失真较大, 而且三角形的荧光点排列造 成即使点很密很细也不会特别清晰, 因此, 最近几年荫栅式显示器逐渐流行起来了。
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荫栅式彩色CRT工作原理示意图
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2.1显示设备
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2.1显示设备

等离子显示器


等离子显示器(Plasma Display Panel,简称 PDP)是一种利用氖、氙气体放电激发荧光 粉发光的显示装置。 等离子管作为等离子显示器的发光元件,大 量的等离子管排列在一起构成屏幕。 显示时,电流激发氖、氙气体,使其发出肉 眼看不见的紫外光,这种紫外光碰击后面的 玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体,它们再发 出我们在显示器上所看到的可见光。



等离子体显示器与CRT相比,没有聚焦问题, 显示器表面平直; 与LCD相比,亮度更高,色彩还原性更好,灰 度丰富,响应速度高,视角宽达160°。 但缺点是每一个像素都是一个独立的发光管, 耗电量大到300瓦,发热量大,显示器背板上 装有多组风扇用于散热。 尽管如此,它仍被认为是目前最具发展前途的 显示器。
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彩色CRT
三种类型: 电子透入法、 荫罩式和荫栅式彩色 CRT。
1.电子透入法彩色CRT
采用多层不同的荧光粉。 在绿色荧光粉层 上再沉积一层红色荧光粉, 当电子束按不同的 速度轰击荧光屏时可显示红、 橙、 黄、 绿四 种颜色。 主要用于随机扫描显示器。
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2.1显示设备

彩色CRT
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2.1显示设备

液晶显示器 CRT的弱点


CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展。 如屏幕尺寸的加大必然导致显像管的加长, 显示器的 体积必然要加大, 在使用的时候就会受到空间的限制。 另外, 由于CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产 生图像的, 因此产生辐射与电磁波干扰便成为其最大 的弱点, 而且长期使用会对人的健康产生不良影响。
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光栅扫描式图形显示器 光栅扫描显示器的显示方式类似于电视 机, 电子束按固定的扫描顺序进行扫描, 产生 N条扫描线, 而每条扫描线具有M个点, 在荧 光屏上形成M × N的点矩阵, 并由显示内容 来控制所扫描的点是否发亮从而形成图形, 每 扫描一遍称为一帧。
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