第2章计算机图形系统

第2章计算机图形系统

学习目的和要求

了解计算机图形外部设备；了解计算机图形软件；掌握图形标准；掌握阴极射线管的结构及工作原理；掌握彩色阴极射线管的工作原理；掌握Windows图形环境及在Windows环境下开发OpenGL绘图程序。

学习重难点

重点：阴极射线管的结构及工作原理；彩色阴极射线管的工作原理；持续发光时间；刷新、像素、分辨率的概念；计算机图形软件和图形标准。

难点：位平面概念的理解和掌握。

教学活动的组织形式

本章内容以讲授为主，辅助以课堂程序演示。

课内外教学安排

课内讲授注意突出重点内容，

课外完成本章作业和相关实验。

教学方法与手段

以集中讲授方式为主，再加以一定数量的实验，辅助以课堂幻灯片，程序、动画演示。

教学过程的时间分配

本章占用学时。

教学过程

2.1 计算机图形系统概述

一、计算机图形外部设备

图形输入设备

计算机图形外部设备

图形输出设备：图形显示设备是基本输出设备

1．图形显示设备

基于阴极射线管(CRT)的刷新光栅扫描显示器是显示器市场的主流。

①阴极射线管

阴极射线管(CRT)的结构如图所示，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。

偏转系统

聚焦系统

阴极射线管(CRT)的结构

电子枪：由灯丝、阴极和控制栅组成。如果对阴极(带负电的一极)加热，电子就会“沸腾”并形成发散的电子云(电子之间由于带有同种电荷而互相排斥)。在CRT表面的内侧有一层荧光粉。电子受到带有很多电荷的阳极的吸引，如果不加控制，将漫射整个荧光屏，形成明亮的白光。但是，在电子透镜的聚焦作用下，电子云会聚成很细的电子束，并在CRT的中心形成一个单一的亮点，

该亮点称为像素（Pixel）。如果使用水平方向和垂直方向的偏转放大器，就可以将电子束精确定位在屏幕的任意位置上。控制栅是靠近阴极的前方，是一个柱状的金属杆，加上负电压后，能够控制通过其中间小孔的带负电的电子束的强弱。由于电子束轰击荧光屏所产生的发光点的亮度决定于该电子束中电子的数量，所以通过调节控制栅上负电压的高低，可以控制通过的电子的数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。当控制栅上的负电压足够大时，它可以截止电子束，此时，对应的荧光屏上的点是黑色。

聚焦系统：聚焦系统通过电场或磁场控制电子束，使电子束“变细”，保证轰击荧光屏时产生的亮点足够小。为了提高显示系统的分辨率，聚焦系统是关键之一。

加速电极：加有正的高电压（达几万伏），使经过聚焦的电子束高速运动。

偏转系统：用来控制电子束，使其在荧光屏的适当位置绘图，是阴极射线管比较关键的部件。

现象：最大偏转角度是衡量偏转系统性能的最重要指标。如果一个偏转系统所能产生的最大偏转角较小，为了获得较大的偏转距离（电子束轰击点距离屏幕中心的距离），就需要较长的管子，其结果是显示器前后径长，非常笨重。由此可以解释为什么大屏幕显示器的前后径比小屏幕显示器的前后径长。

荧光屏：是最终显示图形的部件。它的内表面涂有荧光物质，高速运动的电子束打在荧光屏上，它的动能除了一小部分转化为热量外，其余为荧光物质吸收转化为光能，产生光点。

持续发光时间：指的是电子束离开某点后，该点亮度值衰减到初始值的1/10所需的时间。

用于图形显示设备的大多数荧光物质的持续发光时间为10到60毫秒。

刷新：为了获得稳定的画面，要不断重复绘制图形，即刷新。

如果刷新的频率足够快，图形上各点的亮度值对观察者来说就近似为一个常数，显示的画面为一个稳定的不闪烁的画面。持续发光时间是决定产生稳定

画面所需刷新频率的主要因素，它的值越大，所需的刷新频率越低。一般持续发光时间短的荧光物质适用于动态图形的显示，而持续发光时间长的荧光物质适用于静态图形的显示。

分辨率：一个CRT在水平和竖直方向单位长度上能识别的最大光点数称为分辨率。光点也称为像素（Pixel）。

分辨率主要取决于CRT所用的荧光物质的类型、聚焦系统和偏转系统。分辨率越高，显示的图形也就越精细。

②彩色阴极射线管

彩色阴极射线管是通过将能发不同颜色的光的荧光物质进行组合而产生彩色的。

实现彩色显示的基本方法有射线穿透法和影孔板法

射线穿透法：

♣主要用于画线显示器中

♣基本原理：在荧光屏的内侧涂有两层荧光物质，通常是发红色光和绿色光的荧光物质。电子束轰击荧光屏所产生的颜色依赖于该电子束穿透荧光层的深浅。低速电子束只能激励外层的发红色光的荧光物质，高速电子束则可以穿透外层而激励内层的发绿色光的荧光物质而发出绿色光，中速电子束则可以同时激励两层荧光物质发出红色光与绿色光的组合光，即橙色光和黄色光。

♣电子束的速度决定了屏幕上光点的颜色。

♣只能产生四种颜色(红、橙、黄、绿)

影孔板法：

♣通常用于光栅扫描显示器

♣基本原理：每个像素处分布着呈三角排列的三个荧光点，以两者排列方式在同一扫描行上交替采用。这三个荧光点分别为发红、绿和蓝色光的三种荧光物质(红、绿、蓝三种颜色称为三基色)，有三支电子枪分别与这三个

荧光点相对应，即每支电子枪发出的电子束专门用于轰击某一类荧光物质。影孔板被安置在紧靠荧光涂层的地方，其上有很多小孔，每一个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应。三个电子束经聚焦偏转后，穿过影孔板上的小孔，激活该小孔对应的三个荧光点。因为荧光点非常小而且充分靠近，所以我们看到的是具有它们混合颜色的一个光点，即像素。荧光屏上的荧光点，影孔板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。通过调节电子枪发出的电子束中所含电子的多少，可以控制击中的相应荧光点的亮度，因此以不同的强度击中荧光点，就能够在像素点上生成极其丰富的颜色。

荧光点的排列方式

影孔板法产生彩色的原理

从左向右，从上向下扫描荧光屏。

一帧：每一条从左向右的直线称扫描线，每一幅光栅称为一帧。