CG05-图形显示原理

– 绘图过程
图形显示设备(15/21)
– 逻辑部件：帧缓冲存储器（Frame Buffer)，视频控制器 （Video Controller)，显示处理器（Display Processor）， CRT – 帧缓冲存储器
• 作用：存储屏幕上像素的颜色值 • 简称帧缓冲器，俗称显存 • 工作原理
帧缓冲器中的单元数目与显示器上的像素数相同,单元与象素一一对 应,各单元的数值决定了其对应的像素的颜色.
光栅扫描显示的帧缓冲器
• 光栅扫描显示器显示图像或画面是由称为像素(pixel，picture element) 的小点组成；或者说，每条扫描线是由一系列象素组成。 • 图像所有像素的强度值都要存放在一个存储器中：
– 这 个存储 器称 为 帧缓 冲器 (frame buffer)或 刷新存储 器 (refresh buffer)，俗称显示存储器。
• 另一种结构是按线排列红、绿和蓝三种颜色的荧光点
– 三支电子枪及屏幕上相应的红、绿、蓝彩色荧光点都沿扫描线模式排列。 – 这种电子枪容易保持对齐，常用于高分辨率的彩色CRT。
荫罩法结构示意
电子枪 荧光点
光点
荫罩栅
荧光粉
点状
大多数球面与柱面显像管
栅格式
Sony的Trinitron显像管 Mitsubishi的Diamondtron显像管
沟槽式
LG的Flatron显像管
– 影孔板的类型
• 点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管
• 栅格式影孔板 代表：Sony的Trinitron (单枪三束)与Mitsubishi的 Diamondtron 显像管 (三枪三束) 两大好处：一是把相互平行的垂直铁线阵形安装在一个铁 框里，垂直部分没有任何东西阻挡，增强了电子流通量， 也增强了纵向方向的透光度，透出的光线比荫罩式显像管 多一倍，因而特丽珑显像管的明亮度和颜色饱和度要比其 他的显像管都要好；二是间条式栅罩的阻碍光率十分少， 长时间使用后也不会膨胀或变形，避免发生颜色突变或亮 度变弱的情况。
• 一帧图像是显示系统执行一次全屏幕循环扫描(一次屏幕刷新)所 产生的图像。 • 每帧终了，电子束返回到屏幕的左上角，开始下一帧。
• 在扫描过程中，只要在对应时 刻、对应位置控制电子束的强 度就能显示所要的图形。
光栅扫描的逐行扫描
• 扫描线在屏幕上自上而下一条一条地扫描。
– 当电子束从左到右到达屏幕的右边在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕 的左边，又开始显示下一条扫描线。
计算机图形学
深圳大学计算机系 傅向华
阴极射线管(CRT)
• 阴极射线管(CRT: Cathode-Ray Tube)是图形显示器的核心。 – 电视机中的显像管是CRT。
– 大多数视频监视器的操作都是基于标准CRT而设计。
荧光粉层 电子枪 控制栅 加速电极 偏转系统 导电涂层
玻璃屏 红 绿
电子束 灯丝 阴极 聚焦系统 水平偏转 垂直偏转
• 彩色CRT利用能产生不同颜色光的荧光层的组合来显示彩色图 形，组合不同荧光层的发射光，便能生成一定范围的彩色。
荧光粉层 电子枪 控制栅 加速电极 偏转系统 导电涂层
玻璃屏 红 绿
电子枪 荧光点 光点
电子束 灯丝 阴极 聚焦系统 水平偏转 垂直偏转
偏转距离
荫罩栅
阴极射线管（CRT）剖面图（穿透式）
• 若分辨率为640×480，则帧缓冲器每单元的位长就为24位；
• 若分辨率为1024×768，则帧缓冲器每单元的位长就为略多 于8位；
帧缓冲器的位平面
• 组合像素结构： – 每个像素的所有位均集中存储在单个存储器中。 • 位平面结构：
– 像素的每一位各自存放在不同的存储体，这样，一幅画面上所有象素 的相同位存储在同一存储体内，这就是位平面。
扫描显示原理 – 光栅扫描显示
– 随机扫描显示
光栅扫描显示的帧
• 在刷新式CRT光栅扫描方式中，电子束总是不断地从左到右、从 上到下反复扫描整个屏幕。 – 电子束从左到右(横向)扫描一次为一条扫描线。
• 在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下 一条扫描线。
– 从屏幕顶部到屏幕底部(纵向)的扫描线构成一帧图像。
多灰度显示的位平面
位平面 3
数模转换
位平面 2
黑白两种颜色 8 个灰度等级
位平面 1
帧缓冲器、位平面与多灰度显示
彩色显示的位平面
• 用于高分辨率彩色显示时所需要的帧缓冲器的开销是相当高的。 • 作为帧缓冲器可能要求几兆字节存贮量，这由该系统的分辨率决定。 • 每个像素24位，而屏幕分辨率为1024×1024的系统需要1024×1024 ×24 ÷ 8≈ 3MB存贮量作帧缓冲器。
光栅扫描刷新频率
• 光栅扫描显示器每秒刷新的循环数称CRT的刷新频率。 – 一般，光栅扫描显示器的刷新是按每秒60到80帧的速 率进行的，但有些系统设计成更高的刷新速率。 • 刷新频率以每秒多少周期或赫兹(HZ)为单位来描述： – 一个周期对应于一帧。 • 每秒60帧的刷新频率为60HZ。 • 注意：刷新频率与物体的复杂度无关，也不会因物体的 复杂度而影响其显示的质量。
• 在某些低价格系统中，电子束只能置为开或关， 就限定显示八种颜色。
• 较复杂的系统可为电子束设置中间强度等级，这 就容许生成几兆不同的彩色。
• 荫罩法常用于光栅扫描系统(包括彩色TV)
– 它能产生的彩色范围比电子束穿透法宽广得多。
• 图形系统的彩色CRT设计成RGB监视器
– 这些监视器采用荫罩法，且不经任何中间处理，直 接从计算机系统取得每支电子枪(红、绿和蓝)的强度 等级。
• 某些系统采用隔行(interlaced)刷新方式，每帧显示分为两趟：
– 第一趟：电子束从顶到底，一行隔一行地扫描。 – 第二趟：垂直回扫后，电子束则再扫描另一半扫描线。
•
以这种方式的隔行扫描使在逐行扫描所需时间的一半时就能看到整个屏幕显示。
奇场
偶场
• 隔行扫描技术主要用于较慢的刷新速率。
– 例如，对一个较老的每秒30帧的非隔行扫描显示，可注意到它的闪烁。采用 隔行扫描，两趟中的每一趟可以1/60秒完成，也就是说，刷新速率接近每秒 60帧。 – 这是避免闪烁且提供相邻扫描线包含类似的显示信息的有效技术，也是降低 成本而不增加闪烁感的有效办法。
• 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管 (未来窗) 可以得到更大的电子流通量，也使荫罩网面的受力即稳定 情况比较好。
荫罩法彩色原理
• 三支电子束的强度等级可控制荫罩CRT显示的彩色。 – 调节各电子枪发出的电子束强度，即可控制各光点 中三个荧光点所发出的红、绿和蓝三色光的亮度。
– 彩色取决于红、绿、蓝荧光层激活的总量。
• 由于使用多个存储体，可一次同时读出更多的像素信息，降低了对帧缓 冲器工作速度的要求，在中、高性能的图形显示器中得到广泛采用。
– 一般情况下，帧缓冲器的每个单元有多少位就可分成多少个位平面。 • 位平面的数目就是帧缓冲器的深度，也就是颜色的深度（灰度等 级或颜色种类）。
• 即：若帧缓冲器的位平面的数目为n，则屏幕上一次可同时显示的 颜色种类/灰度等级数是2n。
– 最大偏转角是衡量偏转系统的最重要指标。如果一个偏转系统所能产 生的最大偏转角度较小，为获得较大的偏转距离就需要较长的管子， 其结果是显示器的前后径长。
彩色阴极射线管
• 用CRT产生彩色显示有两种技术：
– 电子束穿透法 – 荫罩法 – 黑白CRT和彩色CRT原理一致，区别在于：
• 黑白CRT的荧光物质只有一种，控制电子束的电压值就能得到 不同灰度层次的黑白图形。
荧光粉
电子束穿透法
• 电子束穿透(beam-penetration)法通常是用红-绿两层荧光层涂覆在 CRT荧光屏的内层，而不同速度的电子束能穿透不同的荧光粉层而 发出不同颜色的光。
• 屏幕上光点的颜色依赖于电子束穿透荧光粉层的深浅；或者说，电 子束的速度决定了屏幕上光点的颜色。例：
– 低速电子束只能激励外层的红色荧光粉而发出红光， – 高速电子束则可穿透外层而激励内层发绿光的荧光粉层而发出绿光， – 中速电子束则同时激励两层的荧光粉而发出两者的组合光(橙色光和黄 色光)。
• 在回扫过程中，电子束几乎不发射出电子，而且速度也很快。
– 水平回扫(horizontal retrace)： 每条扫描线扫过后，返回到屏幕左端。 – 垂直回扫(vertical retrace)： 当电子束到达屏幕底部时，又返回到屏幕左上角。
– 然后，从头开始扫描下一帧。
水平回扫
垂直回扫
光栅扫描的隔行扫描
光栅扫描显示的过程
• 光栅扫描显示是通过读取帧缓冲器的强度值，并在屏幕的适当 位置显示图像。
– 光栅显示的基本指令如下形式： • read(I,x,y,z)读存储器的位置I中z的内容
– x和y是由I的地址确定的；
– z中是颜色值或灰度等级值。
• write(x,y,z)指令完成屏幕上对应位置的显示。 – 主要的显示循环是： • 对所有存储器存储单元I，执行： – read(I,x,y,z)； – write(x,y,z)。 • 每执行一次循环称为屏幕刷新。
• 如果N是刷新存储器的大小，那么显示控制器总是执行N对指令。
帧缓冲器与屏幕象素
• 光栅扫描的帧缓冲器对屏幕每一点都有存储强度/颜色信息 的能力。
– 帧缓冲器的单元个数至少与显示器能显示的像素总数相同，且存 储单元一一对应于可寻址的屏幕像素位置。
帧缓冲器与颜色种类
• 帧缓冲器每一个存储单元的位长决定了一幅画面上能同时显示的不同 灰度的数目或颜色的种类， – 若帧缓冲器存储单元的位长为n，那么，帧缓冲器能支持一幅画面 上同时显示的灰度等级或颜色种类数为2n： – 在采用彩色表之前，由帧缓冲器决定的一幅画面上能同时显示的 灰度等级数或颜色种类与显示器能显示的灰度等级数或颜色种类 数相同。 • 物理屏幕一幅画面上可以同时显示的颜色种类数小于或等于物 理屏幕象素总数。
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
荫罩法的结构
• 荫罩法彩色CRT的传统结构是在荧光屏每个光点处呈三角形排列着红、 绿和蓝三种颜色的三个荧光点。
• 由于三个荧光点很小，且靠得很近，所以每个光点所显示的是一个具 有混合颜色的光点。
– CRT有三支电子枪，分别与三个荧光点对应
• 每支电子枪发出的电子束专用于轰击某一类荧光粉。
– 荫罩栅格被安置在紧靠荧光涂层的地方
• 其上有很多与小孔，每个小孔对应于一个光点。 – 荧光屏上的荧光点、荫罩栅格上的小孔和电子枪被精确地安排处于一条直 线上，使得由某一电子枪发出的电子束只能轰击到它所对应的荧光点。三 个电子束经聚焦偏转之后，穿过荫罩栅格上的小孔，激活该小孔对应的三 个荧光点。
偏转距离
阴极射线管（CRT）剖面图（穿透式）
CRT工作原理
• CRT的基本工作原理：
– 由电子枪发出的电子束(阴极射线)，通过聚焦系统和偏转系统， 射向涂覆荧光层的屏幕上指定位置。 – 在电子束冲击的每个位置，荧光层发出一个小亮点，而产生可 见图形。
• 电子枪： 在控制栅极上的电压电平控制下，产生带负电荷的自由
蓝 蓝 绿 红 绿
8位 24 位
位平面
8位
位平面
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数模转换
红
8位
位平面
1024X1024X24=25165824 位
帧缓冲器与彩色显示
帧缓冲器的分页
• 帧缓冲器的容量往往设计得比屏幕画面的位图大得多。 – 这时，帧缓冲器区域分成若干页面，每个页面存放一 幅屏幕画面。 • 帧缓冲器可以同时存放多幅画面的位图 • 通过控制器实现不同画面的切换。
电子，通过聚焦、加速冲向荧火屏。
– 通过改变控制栅的电压可控制显示的光强。
• 聚焦系统： 用来强制电子束在轰击荧光屏时会聚到一个小点，保
证电子束轰击荧光屏时产生的亮点足够小。 – 为了提高显示器的分辨率，聚焦系统是关键之一。
• 加速电极：加速电极加有正的高电压，使经过聚焦的电子束高速
运动。
• 偏转系统：控制电子束使其在荧光屏的适当位置绘图。
帧缓冲器、分辨率与颜色种类
• 假定显示器的分辨率为m×n，需要同时显示k种颜色，那么帧缓冲 器的容量v至少要求为：
v m n lg k
• 或者，假定显示器的分辨率为m×n，帧缓冲器的容量为v，那么， 可以同时显示颜色种类数k可表示为：
k
v 2 m n
• 通俗地讲：帧缓冲器的容量一定时，分辨率越大，帧缓冲器中每个 单元可分配的位长越小，可同时显示的颜色种类也越少。 • 例如：具有1M字节的帧缓冲器：