第二章图形设备

第二章：图形设备2.1图形输入设备2.2图形显示设备2.3图形显示子系统2.4图形绘制设备2.1：图形输入设备键盘鼠标器光笔触摸屏操作杆跟踪球本节内容：数据手套数字化仪图象扫描仪声频输入系统视频输入系统2.1：图形输入设备键盘（Keyboard）有ASCII编码键、命令控制键和功能键，是计算机的一种最基本的输入设备，用于输入非图形数据。2.1：图形输入设备鼠标（Mouse）将移动距离及方向的信息变成数字脉冲信息，由计算机转换成光标的坐标数据，或采用光学感应器检测鼠标的运动；2.1：图形输入设备光笔（LightPen）利用笔尖处的孔，荧光屏上的光透过透镜聚集到光导纤维，传至光电倍增器，形成电信号，以此来选择屏幕的位置坐标缺陷：遮挡住屏幕，操作不便；容易疲劳；所有屏幕象素都要具有非零亮度；受环境光影响，有可能误读2.1：图形输入设备触摸屏（TouchScreen）用手指触摸屏幕的位置进行选择：装置检测光线的遮挡情况导致的电平变化，或通过测量投射屏幕两边的阴影范围来确定手指的位置。离的两块透明板构成，其中一块涂有导电材料另一块涂有电阻材料。利用两涂层间的电阻和电容的变化确定触摸位置。衰减，从而转换为X，Y坐标的。2.1：图形输入设备操纵杆（Joystick）提供对屏幕光标的环绕操作，系统对操纵杆的移动和压力做出响应2.1：图形输入设备跟踪球（Trackball）跟踪球用作两维定位设备，利用附加的电压计量器测量球的旋转量和方向，通常安装在键盘和鼠标上；空间球则提供六个自由度。2.1：图形输入设备数据手套（DataGlove）由一系列检测手和手指运动的传感器组成，发送天线和接收天线之间的电磁耦合，可以提供关于手位置和方向的信息2.1：图形输入设备数字化仪（Digitizer）用来给物体作画，或交互选择坐标位置的常用设备，可以输入二维或三维物体的坐标值，一般，数字化仪通过对物体的扫描，并输入一组坐标位置，相互连接后，以逼近曲线或表面形状2.1：图形输入设备图象扫描仪（Scanner）可直接把图纸、图表、照片等输入到计算机中，在将它们传过一个光学扫描机构时，灰度或彩色等级被记录下来，并按图象方式进行存储，目前绝大多数采用的固态器件是电荷耦合器件，常用的分辨率是300－1000dpi（DotPerInch）2.1：图形输入设备声频输入系统（VoiceInputSystem）也称为声音输入系统，在某些图形工作站中，采用话音识别器作为输入设备，以接收操作者的命令。2.1：图形输入设备视频输入系统（VideoInputSystem）用于输入视频图形和图象信息。视频信号采集板（卡）、视频信号输入卡、视频信号处理装置，其中大量采用了数字信号处理芯片（DSP）。目前微机流行采用视霸卡（videoblaster）采集图形图象，经过编码和压缩后，存储在计算机中，以后可读出送到计算机显示器或电视机中。2.2：图形显示设备阴极射线管彩色阴极射线管CRT图形显示器平板显示器三维观察设备本节内容：2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）目前图形显示设备大多数是基于阴极射线管CRT的监视器。CRT是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料，而产生可见图形。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，屏幕上的对应点就辉亮，不同象素的辉亮状态就产生了可见图形。2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）CRT由电子枪、偏转系统、荧光屏三个基本部分组成：电子枪：由加热器，金属阴极、电平控制器组成；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；CRT它的主要功能是产生一个沿管轴（Z轴）方向前进的细电子束轰击荧光屏，电子束应满足下列要求：a.具有足够的电流强度b.电流的大小和有无必须是可控的c.具有很高的速度d.在屏幕上能聚焦很小的光亮，以保证显示器足够的分辨率2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）电子枪结构：灯丝阴极栅极加速极第二阳极第三阳极石墨层玻璃灯丝阴极栅极加速极聚焦极第二、四阳极石墨层玻璃（b)四极电子枪（a)三极电子枪聚焦系统是一个电透镜，保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极：加正高压电（几万伏），使电子束高速运动。2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）偏转系统：主要作用是控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束偏转有电偏转和磁偏转两种方法：a.磁偏转磁偏转系统是利用磁场使电子束产生偏转，扫描荧光屏产生字符或图形。b.电偏转电子束通过两对金属偏转板，电子朝正电压的极板偏转2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）磁偏转电偏转2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）偏转系统：由于偏转系统的作用，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2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）枕形失真桶形失真注意：电子穿出偏转磁场后，是沿着圆周运动的切线的方向射向屏幕的，可以导出，当偏转线圈的匝数一定时，偏转电流I与偏转角的正弦成正比。由于屏幕四角距中心最远，会造成光栅的枕形失真。对此，可将产生偏转磁场的锯齿形电流预先产生一些失真；或是通过“桶形失真”抵消“枕形失真”2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）荧光屏：荧光屏是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。玻璃底壁要求无气泡，表面光学抛光。对荧光粉的性能要求是：a.具发光颜色满足标准白色b.发光效率高的c.余辉时间合适d.寿命长2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）荧光物质：被电子轰击时发出亮光，如硫化锌和硅酸锌的混合物。余辉时间：电子停止轰击到亮度值衰减到初始值1/10所需的时间。短余辉可显示动画，长余辉可显示静态图象，通常CRT荧光粉的余辉时间为5－40ms。刷新：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。分辨率：屏幕亮点无重叠显示的最多点数；或垂直和水平方向每厘米可绘制的点数；或两个方向的总点数。两个相邻亮点显现的间隔应大于具有约60％亮点中心亮度的位置上每个亮点的直径。荧光屏的相关概念：2.2：图形显示设备阴极射线管（CathodeRayTurbo）CRT屏幕上发光荧光层亮点的亮度分布满足高斯分布当两个荧光发光亮点间隔大于亮点亮度衰减到60％最大值的亮点的直径时，两亮点是可区分的2.2：图形显示设备彩色阴极射线管屏幕产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法影孔板法：利用三基色原理（红、绿、蓝），将三色影像同时显示在一个管屏上，合成一副彩色图象。三支电子抢电子束小孔荫罩三色荧光屏2.2：图形显示设备彩色阴极射线管影孔板法原理：荧光屏上涂有有序排列的R，G，B三色荧光点，荧光屏后面1cm处安装荫罩板，板上密排小孔与一组三色小点对应，三支电子枪的电子束交汇于小孔中心，再各自打在对应小点上。RGBRGBRGBRGBRGBRRGBGRBRBGBRGBRGBRGBRGBRGBRRGBGRBRBGBRGB2.2：图形显示设备彩色阴极射线管影孔板法原理：调节各电子枪发射电子束的强度，即可控制各色光点亮度。若每支电子枪的电子束强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256种颜色，称为真彩系统。2.2：图形显示设备彩色阴极射线管影孔板法原理：电子枪的安装呈“品”字形，其间互成120度，组成一个等边三角形。为使三只枪同时击中一组荧光点，每支枪略向管轴倾斜。2.2：图形显示设备彩色阴极射线管影孔板法原理：为了避免混色，荧光点的面积比电子束截面要大些只有15%左右的电子到达屏幕，大部分被荫罩挡住致其发热荫罩三色荧光屏RGBRBRGRGBR2.2：图形显示设备彩色阴极射线管影孔板法原理：为了改进普通荫罩管的缺点，研制出了黑底荫罩管。主要是把荧光小点的面积缩小到等于实际发光面积，且小孔间隙用石墨涂敷。GRBRGGRBBRGRB2.2：图形显示设备彩色阴极射线管影孔板类型：a）点状影孔板：大多数球面与柱面显像管b）荫栅式影孔板：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管c）沟槽式影孔板：LG的Flatron显像管外层玻璃荧光涂层影孔板2.2：图形显示设备影孔板类型：普通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”。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”。RGB红绿兰荫栅荧光屏彩色阴极射线管2.2：图形显示设备彩色阴极射线管射线穿透法：由两层荧光涂层：红色光和绿色光两种发光物质构成，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色特点：主要用于随机扫描等画线显示器；成本低；v0绿色荧光粉红色荧光粉2.2：图形显示设备彩色阴极射线管射线穿透法：当图形彩色转换速度很快时，相应的高压转换速度亦迅速，这对转换速度、精度、和功耗都提出了很高的要求；另外它通常只能产生有限的几种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2.2：图形显示设备CRT图形显示器随机扫描显示器：图形显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。故也称其为向量显示器或笔划显示器。123XY12311232.2：图形显示设备CRT图形显示器随机扫描显示器：随机扫描显示器设计成每秒30到60次画出图形的所有线应用程序DFT显示文件DPUCRTDFT：显示文件转换器DPU：显示处理单元缺点：只能显示线画图形不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂。处理100000条短线。显示的线条很少时候，则延迟每个刷新周期，否则可能烧坏荧光屏。优点：无冗余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条。条。高性能的向量系统在这样的速度中能2.2：图形显示设备CRT图形显示器直视存储管显示器：其工作原理类似一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。优点：屏幕存储栅收集栅写电子抢电子流读出电子抢写阴极缺点：不能显示彩色、不能局部修改、擦除和重画过程对复杂图形来讲，可能要几秒钟无需刷新、复杂图形都能在极高分辨率下无闪烁显示；成本低；2.2：图形显示设备CRT图形显示器光栅扫描显示器：在该系统系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化来建立亮点的图案。故称其为画点设备2.2：图形显示设备CRT图形显示器光栅扫描显示器：刷新速率：每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。水平回扫，行扫描：对于每一行，扫描线扫过后，返回屏幕左端。辉亮放大器视频信号水平同步垂直同步水平振荡垂直振荡水平驱动垂直驱动水平输出垂直输出高压CRTyxz垂直回扫，场扫描：每帧终了，电子束返回左上端。逐行扫描和隔行扫描：隔行扫描是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行，主要用于较慢的刷新速率，以避免闪烁。刷新缓冲存储器（refreshbuffer）或称帧缓冲存储器（framebuffer）2.2：图形显示设备CRT图形显示器光栅扫描显示器：扫描转换过程：象素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程。帧频：又称垂直扫描频率，是每秒钟屏幕重复绘制显示画垂直回扫，场扫描：每帧终了，电子束返回左上端。面