2图形设备与系统.

2020/1/12CUGB1第二章图形设备与系统2.1图形显示设备2.2图形系统及其标准2020/1/12CUGB2持续发光时间刷新像素CRT的分辨率阴极射线管的组成部分及其功能射线穿透法及影孔板法产生彩色的工作原理随机扫描显示系统的逻辑部件及工作机理光栅扫描显示系统的逻辑部件及工作机理查色表及其工作原理显存大小、屏幕分辨率及可同时显示的颜色数目之间的关系图形系统及其标准概念与术语2020/1/12CUGB3图形输出设备图形输出包括图形的显示和图形的绘制图形显示指的是在屏幕上输出图形图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝设备2.1图形显示设备2020/1/12CUGB4图形显示器2.1.1阴极射线管2.1.2彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法2.1.3随机扫描显示系统2.1.4光栅扫描系统2020/1/12CUGB5阴极射线管(CRT-CathodeRayTube)–组成(图1-7)：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏2.1.1阴极射线管（CRT)2020/1/12CUGB6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。2020/1/12CUGB7电子枪电灯丝，阴极和控制栅组成。阴极：由灯丝加热发出电子束控制栅：调节负电压高低，控制电子束的强弱(电子数量)，控制荧光屏上相应点的亮度。2020/1/12CUGB8聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。2020/1/12CUGB9偏转系统控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角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CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长2020/1/12CUGB10荧光屏荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光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1/10所需的时间刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值。刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数某种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小常识2020/1/12CUGB11像素(Pixel:PictureCell)：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（dotsperinch)。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，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等2020/1/12CUGB12基本概念：最大偏转角、刷新频率、分辨率阴极射线管(CRT)组成：电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏小结2020/1/12CUGB13产生彩色的常用方法：1、射线穿透法2、影孔板法2.1.2彩色阴极射线管2020/1/12CUGB142.1.2彩色阴极射线管-射线穿透法•原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色电子束荧光涂层产生颜色低速电子束较低速电子束较高速电子束高速电子束2020/1/12CUGB15彩色阴极射线管-射线穿透法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2020/1/12CUGB162.1.2彩色阴极射线管-影孔板法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外层玻璃荧光涂层影孔板2020/1/12CUGB17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与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LG的Flatron显像管2020/1/12CUGB18点状影孔板工作原理三支电子枪红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）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2020/1/12CUGB19显示器能同时显示的颜色个数如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统调节各电子枪发出的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。2020/1/12CUGB20球面显示器与柱面显示器普通的显像管采用的都是点状影孔板显像管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。而柱面显象管采用荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，呈圆柱状，故称之为“柱面管”常用的点状影孔板显象管有日本索尼公司的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻石珑管（Diamondtron）2020/1/12CUGB21RGB红绿兰荫栅荧光屏荫栅式彩色CRT显色原理2020/1/12CUGB22RGGBB0.25mmd=0.28mm0.22mm0.31mmRGBG点距为.25的柱面显示器点距为.28的球面显示器柱面和球面显示器点距定义示意图2020/1/12CUGB232.1.3随机扫描的显示系统特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。逻辑部件：刷新存储器(RefreshingBuffer),显示处理器（DPU:DisplayProcessingUnit）和CRT2020/1/12CUGB24应用程序发出绘图命令，→解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解释执行(刷新)，→驱动电子枪在屏幕上绘图修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。工作原理2020/1/12CUGB252.1.4光栅扫描的显示系统1、光栅扫描显示系统特点：光栅扫描扫描线水平回扫期帧垂直回扫期2020/1/12CUGB262、几个概念行频、帧频水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。逐行扫描、隔行扫描隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。2020/1/12CUGB27象素整个屏幕被扫描线分成n行，每行有m个点，每个点为一个象素。整个屏幕有m×n个象素。分辨率是指CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光点（像素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上象素的数目来表示。比如上述的n行，每行m点的屏幕分辨率为m×n。2020/1/12CUGB28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。分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符或图像也就越清晰。分辨率受显示器生产工艺、扫描频率以及显示存储器容量的限制。2020/1/12CUGB29点距相邻象素点之间的距离，与分辨率指标相关。显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽来表示。最大带宽=水平象素数×垂直象素数×最大帧频2020/1/12CUGB30色彩与亮度等级亮度等级又称灰度，主要指单色显示器的亮度变化。色彩包括可选择显示器颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器RAM容量的影响。图像刷新不断进行刷新才能有稳定的视觉效果，因此刷新是指以固定的频率反复扫描屏幕，以不断地显示每一帧图像。图像的刷新频率等于帧扫描的频率（帧频），用每秒刷新的帧数表示。目前刷新频率标准为每秒50~120帧。2020/1/12CUGB31逻辑部件：帧缓冲存储器（FrameBuffer)，视频控制器（VideoController)，显示处理器（DisplayProcessor），CRT3、光栅扫描显示系统组成2020/1/12CUGB32帧缓冲存储器的大小通常用X方向（行）和Y方向（列）可寻址的地址数的乘积来表示，称为帧缓冲存储器的分辨率。作用：存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓冲器，俗称显存一、帧缓冲存储器（显示存储器）2020/1/12CUGB33帧缓存单元与显示器上像素一一对应，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（图示帧缓冲器的每个单元只有一位）。2020/1/12CUGB34逻辑框图如上帧缓存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个1024×1024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220，只有一个位面。一个位面的缓存只能存储黑白图形。黑白光栅扫描显示器2020/1/12CUGB35要显示多种颜色和灰度等级，则需要足够位面的显存。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N个位面中对应于每个象素位置的二进制位控制的。该存储器的中灰度等级的范围是0到2N-1之间。2020/1/12CUGB36彩色光栅扫描显示器下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存和三个电子枪。2020/1/12CUGB37每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色电子枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256种灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。(真彩24位)2020/1/12CUGB38若每个单元有24个二进制位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系KNMV2log2020/1/12CUGB39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。若显存大小固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。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。屏幕分辨率与颜色数的关系2020/1/12CUGB40显存问题高分辨率和真彩要求有大的显存；曾经是个问题！解决方法：采用查色表(LookupTable）或称彩色表(ColorTable)查色表工作原理1024*768真彩模式需要3M显存2020/1/12CUGB41查色表（lookupTable）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：2020/1/12CUGB42存放方式颜色信息在帧缓存中两种存放方式：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。单色系统：查色表固化彩显：可修改、创建查色表。2020/1/12CUGB43•带宽T与分辨率、帧频F的关系带宽问题–高分辨率和高的刷新频率要求有高带宽--依然是个问题！–解决方法：隔行扫描（现在已经基本不用，主流显示器都采用逐行扫描方式）–隔行扫描的：把一帧分两场，即奇数场与偶数场FNMT2020/1/12CUGB44隔行扫描工作原理一帧完整的画面分成两场。一场1／60秒，（场频60HZ），（帧频30HZ）画面更新频率仍为60HZ，降低了闪烁效应，每一场1／60秒内，帧缓存中数据量比逐行扫描少一半。降低了视频控制器存取帧缓存的速度及传输带宽的要求。2020/1/12CUGB45作用：建立帧缓存与屏幕像素