圖形輸入輸出設(shè)備課件

1、第二講 圖形輸入輸出設(shè)備第二章 圖形輸入輸出設(shè)備 圖形設(shè)備 圖形軟件及其標(biāo)準(zhǔn)第二章 圖形輸入輸出設(shè)備 圖形設(shè)備 圖形軟件及其標(biāo)準(zhǔn) 圖形設(shè)備圖形顯示設(shè)備圖形輸出包括圖形的顯示和圖形的繪制，圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形圖形繪制通常指把圖形畫(huà)在紙上，也稱(chēng)硬拷貝，打印機(jī)和繪圖儀是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備1 圖形顯示器1.1 陰極射線管1.2 彩色陰極射線管 射線穿透法 影孔板法1.3 隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)1.4 光柵掃描系統(tǒng)1 圖形顯示器1.1 陰極射線管1.2 彩色陰極射線管 射線穿透法 影孔板法1.3 隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)1.4 光柵掃描系統(tǒng)陰極射線管(CRT)工作原理高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過(guò)聚焦系

2、統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會(huì)到達(dá)熒光屏的特定位置。由于熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下會(huì)發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。由于高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時(shí)間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會(huì)從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時(shí)將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會(huì)亮了幾個(gè)問(wèn)題？1.如何控制電子束的發(fā)射和亮度？答：使用電子槍發(fā)射電子束。利用控制柵調(diào)節(jié)電子槍發(fā)射的電子束，從而控制電子書(shū)的亮度。注意：當(dāng)控制柵加負(fù)電時(shí)，可以使發(fā)射出的電子減少電子槍電燈絲，陰極和控制柵組成。陰極：由燈絲加熱發(fā)出電子束，控制柵：加上負(fù)電壓后，能夠控制通過(guò)其中小孔的帶負(fù)電的電子束的強(qiáng)弱。通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)電壓高低來(lái)控制電子數(shù)量，即控制熒光屏上相應(yīng)點(diǎn)的亮度

3、。幾個(gè)問(wèn)題？2.為什么要用聚焦系統(tǒng)和加速電極？答：電子束在發(fā)射途中要相互排斥。利用電位形成的電場(chǎng)可以把電子束聚焦成一細(xì)束。 加速電極可以使電子束高速運(yùn)動(dòng)聚焦系統(tǒng)保證電子束在轟擊屏幕時(shí)，匯聚成很細(xì)的點(diǎn)。加速電極加正的高壓電（幾萬(wàn)伏），使電子束高速運(yùn)動(dòng)。 幾個(gè)問(wèn)題？3.電子束的位置是否可控，如何控制？答：可以利用偏轉(zhuǎn)板控制電子束的位置。 偏轉(zhuǎn)板中包括垂直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板。每對(duì)板上加有與電子束在該方向上的偏轉(zhuǎn)量成正比例的電位差。注意：電子束會(huì)偏向點(diǎn)位高還是低的極板哪？幾個(gè)問(wèn)題？4.如何使熒光屏上的畫(huà)面穩(wěn)定？答：要保持顯示一幅穩(wěn)定的畫(huà)面，必須不斷地發(fā)射電子束刷新頻率刷新一次是指電子束從上到下掃描一次

4、的過(guò)程刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示熒光屏 熒光物質(zhì)：當(dāng)它被電子轟擊時(shí)發(fā)出亮光余輝：電子束移去后熒光屏可繼續(xù)發(fā)光的時(shí)間（熒光物質(zhì)的主要特性）一般定義余輝：電子束離開(kāi)某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值1/10所需的時(shí)間。那么余輝越長(zhǎng)還是越短越好呢？熒光屏的兩個(gè)參數(shù)像素(Pixel:Picture Cell)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長(zhǎng)度上能識(shí)別的最大像素個(gè)數(shù)，單位通常為dpi（dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個(gè)屏幕所能容納的像素個(gè)數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768，1280

5、*1024等等1 圖形顯示器1.1 陰極射線管1.2 彩色陰極射線管 射線穿透法 影孔板法1.3 隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)1.4 光柵掃描系統(tǒng)產(chǎn)生彩色的常用方法：射線穿透法影孔板法1.2 彩色陰極射線管1.2.1 彩色陰極射線管-射線穿透法書(shū)中也叫電子透入法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色電子束熒光涂層產(chǎn)生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束彩色陰極射線管-射線穿透法應(yīng)用：主要用于畫(huà)線顯示器優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生有限幾種顏色 圖形質(zhì)量比較差1.2.2 彩色陰極射線管-影孔板法影孔板法（書(shū)中也叫蔭罩法）原理：通常用于光柵掃描顯示

6、器中，顏色范圍廣，每個(gè)像素有三個(gè)熒光點(diǎn)（紅、綠、藍(lán)三基色）。影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板1.2.2 彩色陰極射線管-影孔板法點(diǎn)狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點(diǎn)（很小并充分靠近-像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個(gè)小孔和熒光點(diǎn)呈一直線；每個(gè)小孔與一個(gè)像素（即三個(gè)熒光點(diǎn)）對(duì)應(yīng)顯示的顏色個(gè)數(shù)如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個(gè)等級(jí)，則顯示器能同時(shí)顯示256*256*256=16M種顏色，稱(chēng)為真彩系統(tǒng)（顏色位數(shù)為24位）調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)生的電子束中所含電子的數(shù)目（通過(guò)控制柵完成），即可控制各色光點(diǎn)亮度，并最終控制各點(diǎn)的顏色。1 圖形顯示器1

7、.1 陰極射線管1.2 彩色陰極射線管 射線穿透法 影孔板法1.3 隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)1.4 光柵掃描系統(tǒng)1.3 隨機(jī)掃描的顯示系統(tǒng)隨即掃描顯示器又稱(chēng)矢量顯示器。特點(diǎn)：電子束可隨意移動(dòng)，只掃描熒屏上要顯示的部分。 邏輯部件：刷新存儲(chǔ)器(Refreshing Buffer),顯示處理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令解析成顯示處理器可接受命令格式，存放在刷新存儲(chǔ)器中。刷新存儲(chǔ)器中所有的繪圖命令組成一個(gè)顯示文件，由顯示處理器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行(刷新) 驅(qū)動(dòng)電子槍在屏幕上繪圖。修改圖形，實(shí)際是修改顯示文件中的某些繪圖命令。 工作原理1 圖形顯示器1.1

8、陰極射線管1.2 彩色陰極射線管 射線穿透法 影孔板法1.3 隨機(jī)掃描顯示系統(tǒng)1.4 光柵掃描系統(tǒng)CRT中的水平和垂直偏轉(zhuǎn)線圈分別產(chǎn)生水平和垂直磁場(chǎng)，電子束則在不同方向磁場(chǎng)力作用下進(jìn)行和列掃描，將屏幕分成由像素構(gòu)成的光柵網(wǎng)格，光柵掃描顯示系統(tǒng)可以看作是點(diǎn)陣單元發(fā)生器，可以控制每個(gè)點(diǎn)陣單元的亮度。*1.4 光柵掃描的顯示系統(tǒng)描點(diǎn)法把屏幕分為有限個(gè)發(fā)亮的離散點(diǎn)（每點(diǎn)為一個(gè)像素），屏幕上的像素點(diǎn)陣列稱(chēng)為光柵。光柵掃描：電子束按照固定的掃描線和掃描順序從左到右、自上而下進(jìn)行掃描；像素點(diǎn)具有多種色彩和灰度等級(jí)。A1.4.1光柵掃描顯示器圖形顯示方法CPU系統(tǒng)存儲(chǔ)器幀緩沖器視頻控制器CRT系統(tǒng)總線邏輯部件

9、：幀緩沖存儲(chǔ)器（Frame Buffer)視頻控制器（Video Controller)顯示處理器（Display Processor）CRT1.4.2 簡(jiǎn)單光柵掃描顯示器結(jié)構(gòu)作用：存儲(chǔ)屏幕上像素的顏色值簡(jiǎn)稱(chēng)幀緩沖器，俗稱(chēng)顯存1.4.3 邏輯器件幀緩沖存儲(chǔ)器黑白光柵掃描顯示器黑白光柵顯示器的邏輯框圖如上：其中幀緩存是一塊連續(xù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。對(duì)于黑白單灰度顯示器每一像素需要一位存儲(chǔ)器，對(duì)一個(gè)10241024像素組成的黑白單灰度顯示器所需要的最小緩存為220，并在一個(gè)位面上。一個(gè)位面的緩存只能存儲(chǔ)黑白圖形，幀緩存是數(shù)字設(shè)備，光柵顯示器是模擬設(shè)備，因而還需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。彩色光柵掃描顯示器在

10、光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結(jié)合起來(lái)才能反映圖形的顏色和灰度等級(jí)。如下圖是一個(gè)具有N位面灰度等級(jí)的幀緩存。顯示器上每個(gè)象素的亮度是由N位面中對(duì)應(yīng)的每個(gè)象素位置的內(nèi)容控制的。該存儲(chǔ)器的中的二進(jìn)制的數(shù)被翻譯成灰度等級(jí)，范圍是0到2N-1之間。彩色光柵掃描顯示器下圖是彩色光柵顯示器的邏輯圖，對(duì)于紅、綠、藍(lán)三原色有三個(gè)位面的幀緩存和三個(gè)電子槍。彩色光柵掃描顯示器每個(gè)顏色的電子槍可以通過(guò)增加幀緩存位面來(lái)提高顏色種類(lèi)的灰度等級(jí)。如上圖，每種原色電子槍有8個(gè)位位面的幀緩存和8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，每種原色可有256中灰度，三種原色的組合將是(28)3=224。彩色光柵掃描顯示器若每個(gè)單元有24位（每種基

11、色占8位）即顯示系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生224種顏色（24位真彩色）。分辨率MN、顏色個(gè)數(shù)K與顯存大小V的關(guān)系彩色光柵掃描顯示器顯存問(wèn)題高分辨率和真彩要求有大的顯存；曾經(jīng)是個(gè)問(wèn)題！解決方法：采用查色表(Lookup Table）或稱(chēng)彩色表(Color Table)查色表工作原理1024*768真彩模式需要3M字節(jié)顯存查色表（look up Table） 圖形系統(tǒng)為更靈活控制圖形和顏色的變化，往往不直接將幀緩沖器中的數(shù)值作圖顯示的亮度值，而是先經(jīng)過(guò)顏色查找表（又稱(chēng)調(diào)色板)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變換值來(lái)控制光點(diǎn)的亮度。查色表是一維線性表，其每一項(xiàng)的內(nèi)容對(duì)應(yīng)一種顏色，它的長(zhǎng)度由幀緩存單元的位數(shù)決定，例如：每單元有8位，則查

12、色表的長(zhǎng)度為28256目的：在幀緩存單元的位數(shù)不增加的情況下，具有大范圍內(nèi)挑選顏色的能力。查色表工作方式：顯存中某位值顏色表地址 屏幕上的亮度作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對(duì)應(yīng)，負(fù)責(zé)刷新邏輯結(jié)構(gòu)普通顯卡=視頻控制器+顯存1.4.3 邏輯器件視頻控制器低檔圖形顯示系統(tǒng)，掃描轉(zhuǎn)換工作直接由CPU類(lèi)完成。任務(wù)：掃描轉(zhuǎn)換待顯示的圖形。簡(jiǎn)單的：直線、圓弧、多邊形等，復(fù)雜的：光柵操作（像素塊的移動(dòng)、拷貝），幾何變換、裁剪、消隱，1.4.3 邏輯器件顯示處理器顯示處理器具有專(zhuān)用顯示處理器的光柵顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖形加速卡=視頻控制器+顯存+顯示處理器LCD顯示器CRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它向更廣的顯示領(lǐng)域

13、發(fā)展屏幕的加大必然導(dǎo)致顯象管的加長(zhǎng)，顯示器的體積必然要加大，在使用時(shí)候就會(huì)受到空間的限制CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來(lái)產(chǎn)生圖像，容易受電磁波干擾長(zhǎng)期電磁輻射會(huì)對(duì)人們健康產(chǎn)生不良影響LCD顯示器的構(gòu)成液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六層薄板組成的平板式顯示器反射層水平極板水平網(wǎng)格線液晶層垂直網(wǎng)格線垂直極板觀察方向LCD顯示器基本原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。LCD顯示器的基本指標(biāo)可視角度視線與屏幕中

14、心法向成一定角度時(shí)，人們就不能清晰地看到屏幕圖象，而那個(gè)能看到清晰圖象的最大角度被我們稱(chēng)為可視角度。一般所說(shuō)的可視角度是指左右兩邊的最大角度相加。工業(yè)上有CR10（Contrast Ratio）、CR5兩種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷液晶顯示器的可視角度LCD顯示器的基本指標(biāo)點(diǎn)距與分辨率液晶屏幕的點(diǎn)距就是兩個(gè)液晶顆粒（光點(diǎn)）之間的距離，一般0.280.32mm就能得到較好的顯示效果通常所說(shuō)的液晶顯示器的分辨率是指其真實(shí)分辨率，表示水平方向的像素點(diǎn)數(shù)與垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)的乘積性質(zhì)CRT等離子LCD性質(zhì)CRT等離子LCD功耗大中小對(duì)比度中好差屏幕大中小灰度等級(jí)好差差厚度大小小視角大中一般平面度一般中好色彩豐富中中亮

15、度好好適中價(jià)格低中低分辨率中好一般幾種顯示技術(shù)的比較如表所示: 圖形設(shè)備 圖形軟件及其標(biāo)準(zhǔn)圖形軟件 圖形系統(tǒng)中的硬件設(shè)備要在圖形軟件的驅(qū)動(dòng)下才能工作。分類(lèi)：基本圖形軟件-支撐軟件應(yīng)用圖形軟件-專(zhuān)用軟件圖形支撐軟件第一層次 面向系統(tǒng)的主要解決圖形設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通訊接口等問(wèn)題，稱(chēng)為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，包括一些最基本的輸入、輸出程序。事實(shí)上，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序現(xiàn)在已被作為操作系統(tǒng)一部分，由操作系統(tǒng)或設(shè)備硬件廠商開(kāi)發(fā)； 第二層次 建立在驅(qū)動(dòng)程序之上完成圖元的生成、設(shè)備的管理等功能，目前這個(gè)層次上的圖形支撐軟件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，如GKS、PHIGS、CGI等； 第三層次 在中間層基礎(chǔ)上編寫(xiě)的其主要任務(wù)是建立圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，

16、定義、修改和輸出圖形，它是面向用戶(hù)的，要求具有較強(qiáng)的交互功能，使用方便，風(fēng)格好，概念明確，容易閱讀，便于維護(hù)和移植，OpenGL、DirectX便屬于這一層次的軟件。圖形軟件的功能：輸出圖元圖元屬性圖形結(jié)構(gòu)輸入操作幾何變換及取景變換其他控制操作圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序與圖形軟件包的接口 CORE圖形標(biāo)準(zhǔn)：具有三維圖形處理能力 GKS圖形核心系統(tǒng)：圖形核心系統(tǒng) PHIGS：程序員層次結(jié)構(gòu)交互式圖形標(biāo)準(zhǔn)圖形軟件包與硬件設(shè)備之間的接口 CGI：實(shí)現(xiàn)與設(shè)備無(wú)關(guān)的核心軟件圖形數(shù)據(jù)接口 CGM：計(jì)算機(jī)圖形中介件 STEP：產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)了解、掌握以下內(nèi)容 持續(xù)發(fā)光時(shí)間 刷新率 像素 CRT的分辨率 陰極射線管的