第2章图形系统的组成

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。
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图 2.2 荫罩式彩色CRT显色原理
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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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第二章 图形系统的组成
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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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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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阴极射线管(CRT)



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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随机扫描显示器显示过程示意图
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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
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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
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)
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
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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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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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等离子显示器特点
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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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
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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。
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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。



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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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。
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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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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
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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
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。
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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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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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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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
在这种情况下, 人们推出了液晶显示器(LCD-Liquid Crystal Display)。
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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。
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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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彩色CRT
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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液晶显示器分辨率
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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图2.4 光栅扫描显示器绘图过程示意图
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三角形的扫描转换 示意图
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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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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。