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第二章图形输入输出设备图形设备图形软件及其标准第二章图形输入输出设备图形设备图形软件及其标准图形显示设备◦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1.1阴极射线管1.2彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法1.3随机扫描显示系统1.4光栅扫描系统1.1阴极射线管1.2彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法1.3随机扫描显示系统1.4光栅扫描系统1.1阴极射线管1.2彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法1.3随机扫描显示系统1.4光栅扫描系统阴极射线管(CRT-CathodeRayTube)–组成:包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏◦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1.如何控制电子束的发射和亮度?答:使用电子枪发射电子束。利用控制栅调节电子枪发射的电子束,从而控制电子书的亮度。◦注意:当控制栅加负电时,可以使发射出的电子减少电灯丝,阴极和控制栅组成。阴极:由灯丝加热发出电子束,控制栅: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。2.为什么要用聚焦系统和加速电极?答:电子束在发射途中要相互排斥。利用电位形成的电场可以把电子束聚焦成一细束。加速电极可以使电子束高速运动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。3.电子束的位置是否可控,如何控制?答:可以利用偏转板控制电子束的位置。偏转板中包括垂直偏转板和水平偏转板。每对板上加有与电子束在该方向上的偏转量成正比例的电位差。◦注意:电子束会偏向点位高还是低的极板哪?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4.如何使荧光屏上的画面稳定?答: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,图象才能稳定显示荧光物质:当它被电子轰击时发出亮光余辉:电子束移去后荧光屏可继续发光的时间(荧光物质的主要特性)一般定义余辉: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。那么余辉越长还是越短越好呢?定义: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:一种荧光物质持续光时间40毫秒,刷新频率为1000/40=25帧/秒,发光时间短,适用于动态图形显示。发光时间长,适用于静态图形显示像素(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1.1阴极射线管1.2彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法1.3随机扫描显示系统1.4光栅扫描系统产生彩色的常用方法:射线穿透法影孔板法书中也叫电子透入法•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图形质量比较差◦影孔板法(书中也叫荫罩法)原理:通常用于光栅扫描显示器中,颜色范围广,每个像素有三个荧光点(红、绿、蓝三基色)。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◦影孔板的类型点状影孔板代表:大多数球面与柱面显像管荫栅式影孔板代表:Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表:LG的Flatron显像管◦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(颜色位数为24位)调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目(通过控制栅完成),即可控制各色光点亮度,并最终控制各点的颜色。普通的显象管采用的都是点状影孔板显象管,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”常用的柱面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)1.1阴极射线管1.2彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法1.3随机扫描显示系统1.4光栅扫描系统随即扫描显示器又称矢量显示器。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:DisplayProcessingUuit)和CRT→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。1.1阴极射线管1.2彩色阴极射线管射线穿透法影孔板法1.3随机扫描显示系统1.4光栅扫描系统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和列扫描,将屏幕分成由像素构成的光栅网格,光栅扫描显示系统可以看作是点阵单元发生器,可以控制每个点阵单元的亮度。2013年9月7日8时27分1.4光栅扫描的显示系统描点法◦把屏幕分为有限个发亮的离散点(每点为一个像素),屏幕上的像素点阵列称为光栅。◦光栅扫描:电子束按照固定的扫描线和扫描顺序从左到右、自上而下进行扫描;◦像素点具有多种色彩和灰度等级。A1.4.1光栅扫描显示器图形显示方法CPU系统存储器帧缓冲器视频控制器CRT系统总线逻辑部件:帧缓冲存储器(FrameBuffer)视频控制器(VideoController)显示处理器(DisplayProcessor)CRT1.4.2简单光栅扫描显示器结构作用:存储屏幕上像素的颜色值简称帧缓冲器,俗称显存1.4.3逻辑器件——帧缓冲存储器黑白光栅显示器的逻辑框图如上:其中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像素需要一位存储器,对一个1024×1024像素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220,并在一个位面上。一个位面的缓存只能存储黑白图形,帧缓存是数字设备,光栅显示器是模拟设备,因而还需要数模转换器(DAC)。在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。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位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级,范围是0到2N-1之间。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。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中灰度,三种原色的组合将是(28)3=224。若每个单元有24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字节显存图形系统为更灵活控制图形和颜色的变化,往往不直接将帧缓冲器中的数值作图显示的亮度值,而是先经过颜色查找表(又称调色板)结构产生变换值来控制光点的亮度。◦查色表是一维线性表,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。工作方式:显存中某位值颜色表地址屏幕上的亮度作用:建立帧缓存与屏幕像素之间的一一对应,负责刷新逻辑结构普通显卡=视频控制器+显存1.4.3逻辑器件——视频控制器低档图形显示系统,扫描转换工作直接由CPU类完成。任务:扫描转换待显示的图形。简单的:直线、圆弧、多边形等,复杂的:光栅操作(像素块的移动、拷贝),几何变换、裁剪、消隐,…1.4.3逻辑器件——显示处理器具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器◦CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展屏幕的加大必然导致显象管的加长,显示器的体积必然要加大,在使用时候就会受到空间的限制CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像,容易受电磁波干扰长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)是由六层薄板组成的平板式显示器观察方向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。可视角度视线与屏幕中心法向成一定角度时,人们就不能清晰地看到屏幕图象,而那个能看到清晰图象的最大角度被我们称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。工业上有CR10(ContrastRatio)、CR5两种标准来判断液晶显示器的可视角度点距与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0.28~0.32mm就能得到较好的显示效果通常所说的液晶显示器的分辨率是指其真实分辨率,表示水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积性质CRT等离子LCD性质CRT等离子LCD功耗大中小对比度中好差屏幕大中小灰度等级好差差厚度大小小视角大中一般平面度一般中好色彩丰富中中亮度好好适中价格低中低分辨率中好一般几种显示技术的比较如表所示:图形设备图形软件及其标准图形系统中的硬件设备要在图形软件的驱动下才能工作。分类:◦基本图形软件---支撑软件◦应用图形软件---专用软件第一层次面向系统的•主要解决图形设备与计算机的通讯接口等问题,称为设备驱动程序,包括一些最基本的输入、输出程序。事实上,设备驱动程序现在已被作为操作系统一部分,由操作系统或设备硬件厂商开发;第二层次建立在驱动程序之上•完成图元的生成、设备的管理等功能,目前这个层次上的图形支撑软件已经标准化,如GKS、PHIGS、CGI等;第三层次在中间层基础上编写的•其主要任务是建立图形数据结构,定义、修改和输出图形,它是面向用户的,要求具有较强的交互功能,使用方便,风格好,概念明确,容易阅读,便于维护和移植,OpenGL、DirectX便属于这一层次的软件。图形软件的功能:◦输出图元◦图元属性◦图形结构◦输入操作◦几何变换及取景变换◦其他控制操作应用程序与图形软件包的接口CORE图形标准:具有三维图形处理能力GKS图形核心系统:图形核心系统PHIGS:程序员层次结构交互式图形标准图形软件包与硬件设备之间
本文标题:图形输入输出设备
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