2图形输入输出设备

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
29
位面技术（1/3）
显存分成若干颜色的位平面（bit plane） 各平面上相同位置的每一位和屏幕上的一个像素对应 同一像素点在各位面占同一地址 不同位面上同一像素地址中的内容决定像素的颜色
32
显存容量
分辨率M*N、颜色个数K与显存容量V的关系
V M N log 2 K
– 3个位面分辩率是1024×1024的显示器
需要3×1024×1024（3145728）位的存储器
33
显存容量问题
若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比 – 1兆字节的帧缓存 – 若设分辩率为640×480，则帧缓存每个单元可有24位，可能 同时显示224种颜色 – 若设分辩率为1024×768，则每个单元分得的位数仅略多于8， 只能工作于256色显示模式下
刷新式
– 随机扫描式（Random-Scan） – 光栅扫描式（Raster-Scan）
21
随机扫描的显示系统
特点
– 数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点 – 扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只 扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似 – 显示图形：几何属性（geometric attribute）为主，线架图 – 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互 性好，动态性能好 – 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域
于一身，可配置大容量的内存和硬盘，I/O和网络 功能完善，使用多任务多用户操作系统的小型通
用个人化计算机系统。
1983年美国APOLLO公司推出第一台适合计算机
辅助设计(CAD)的工作站。
现在全球最有名的图形工作站属SGI工作站。
3
虚拟现实系统
除了具有常规的高性能计算机系统的硬件和软件
外，还必须对下列关键技术提供强有力的支持。 能以实时的速度生成具有逼真感的景物图形（三 维全彩色的、有明暗、纹理和阴影的图像） 能高精度的实时跟踪用户的头和手。 头戴显示器能产生高分辨率图像和较大的视角。
10
聚焦系统
通过电场和磁场控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辩率
加速电极
加正的高压电（几万伏） 使电子束高速运动
偏转系统
控制静电场或磁场，使电子束产生偏转，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。
11
荧光屏
荧光物质：吸收电子束而发光 余辉时间：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 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

如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等
12
彩色阴极射线管
彩色CRT
– 渗透型
常用于随机扫描显示器 射线穿透法
– 多枪型
常用于光栅扫描显示器 影孔板法
13
射线穿透法（beam penetration）
– 原理： – 两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速 度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色
8
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，图像才能稳定显 示
9
电子枪
电灯丝的组成
– 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
工作原理—刷新周期开始，光栅扫描发生器置X地址寄存器为0，置Y地
址寄存器为N-1，首先取出对应像素（0，N-1）的帧缓存单元的数值, 放 入像素值寄存器，用来控制像素的颜色，然后X的地址寄存器的地址加一， 如此重复，直到该扫描线上的最后一个像素。
40
显示处理器
作用：代替CPU完成部分图形处理功能， 扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、 纹理映射等等。
单色显示系统
– 查色表固化
彩显
– 可修改、创建查色表
35
查色表（LUT）工作原理
是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色 它的长度由帧缓存单元的位数决定
– 例如：每单元有8位，则查色表的长度为28＝256
目的
– 在帧缓存单元的位数不增加的情况下 – 具有大范围内挑选颜色的能力
36
带宽问题
•带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系

某种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
像素(Pixel)：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（dots per inch)。 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
色平面越多，可表达的色彩越丰富 增加一个位面，色彩就增加一倍 而存储器写操作程序无需重新计算新地址 程序兼容性好
30
位面技术（2/3）
0 1 0
N位寄存器
0 1 0 2NDAC 电子枪 CRT光栅
红色枪 绿色枪 蓝色枪
有N个位面的帧缓存
0~2N-1灰度等级
寄存器
0 1 0
0 1 0
DAC DAC DAC
– 视频存储数字模拟转换器 – 在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号
27
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。
28
帧缓冲存储器（Frame Buffer)
– 作用：存储屏幕上像素的颜色值 – 也称刷新存储器(Refreshing Buffer) – 简称帧缓冲器，俗称显存
38
简单的光栅扫描图形显示系统的结构 帧缓存为系统内存任一块区域 视频控制器能直接存取该区域 以刷新屏幕
较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构 帧缓存可以是专用的存储器 也可是系统内存中的一块固定区域
39
视频控制器（显示控制器）
作用：控制图形的显示，建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应关系， 负责按固定刷新频率和扫描顺序刷新屏幕图形 逻辑结构
最近几年
– 荫栅式显示器逐渐流行起来
19
原理的区别
– 光线的选择方式和荧光点的排列不同
荫栅式显象管的优点
– 亮度更高，色彩也更鲜艳 – 柱面和平面显示器
20
CRT显示器分类
直视存储管式（Direct-View Storage Tubes）
– 利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT， 不必刷新
4
图形输出(显示、打印）设备：
阴极射线管显示器（CRT），液晶显示器（LCD）等 绘图仪，打印机，
双监视器图形工作站 MediaWall多屏幕系统——监视器阵列
交易展示、大型会议、博物馆、旅客候机厅等
5
CRT显示器分类
阴极射线管（CRT）
– Cathode Ray Tube – 单色CRT – 彩色CRT
栅格式影孔板（荫栅式） 代表：柱面显像管 日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron） 三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）
沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管
16
荫罩式（点状）影孔板工作原理
– 红、绿、兰三基色 – 三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） – 三支电子枪
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
荧光涂层 产生颜色 低速电子束 电子束 较低速电子束 较高速电子束
高速电子束
应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：只能产生有限几种颜色
14
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
荧光涂层
15
– 影孔板的类型
点状影孔板（荫罩式） 代表：球面与柱面显像管
工作原理
显示主芯片
– 显卡的核心，俗称GPU – 代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅 操作、纹理映射等等 – 各图形函数基本上都集成在这里 早期没有
显存
– 存储将要显示的图形信息 – 保存图形运算的中间数据 – 它与显示主芯片的关系，就像计算机的内存之于CPU一样
RAMDAC
6
阴极射线管(CRT)
–组成 –包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏 –工作原理 –电子枪发射电子束 –经过聚焦系统、加速电极、偏转系统 –轰击到荧光屏的不同部位 –被其内表面的荧光物质吸收 –发光产生可见的图形 –结构
7
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
第2章 图形系统
1
交互式计算机图形处理系统
Computer + 人 = 交互式
要求主机性能更高（强大的浮点运算 能力），速度更快，存储容量更大， 外设种类更齐全 图形加速卡，大屏幕显示器
Personel Computer图形处理系统 workstation图形处理系统
2
图形工作站
具有完整人机交互界面，集高性能的计算和图形
22
工作原理
应用程序发出绘图命令→解析成显示器可接受命令格式， 存放在刷新存储器中。刷新存储器中所有的绘图命令组成