CG第2章電子教案課件

第2章圖形設(shè)備計算機圖形系統(tǒng)包含哪些外部設(shè)備？

圖形輸入設(shè)備：概念、特點

圖形顯示設(shè)備：概念、結(jié)構(gòu)原理、工作方式、特點

圖形繪制設(shè)備：概念、特點提出問題2022/12/1212.1圖形輸入設(shè)備2.1.1鍵盤（keyboard）2022/12/1222.1.2鼠標器(mouse)鼠標按測量位移可分為：用鼠標底部的轉(zhuǎn)輪或滾輪來記錄移動的總量和方向。采用光學(xué)感應(yīng)器來檢測鼠標運動。2022/12/1232.1.4觸摸屏(touchscreen)這種裝置以手指觸摸的方式選擇屏幕位置。紅外線式觸摸屏(光學(xué)式)電阻式觸摸屏(電子式)電容式觸摸屏(電子式)聲波觸摸屏(聲學(xué)式)常見的幾種觸摸屏：2022/12/1251.電子觸摸屏將一個兩層導(dǎo)電和高透明度的物質(zhì)做的薄膜涂層涂在玻璃或塑料表面上，再裝到屏幕上，或直接涂到屏幕上。兩個透明涂層之間約有0.0025mm的距離，當手指觸到屏幕時，在接觸點產(chǎn)生一個電接觸，使該點處的電阻發(fā)生變化。通過測得電阻的改變量就能確定觸摸的位置。

2022/12/1261.電子觸摸屏2022/12/1272.光學(xué)觸摸屏利用紅外線和光電轉(zhuǎn)換原理制成。與屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直邊框上各安裝均勻密布的紅外線發(fā)送器和接收器。使用時把框架安裝在屏幕四周，用手指在屏幕上點一下，在指點處障礙物擋住了一條垂直紅外線和一條水平紅外線，相應(yīng)的兩個紅外線接收器發(fā)出電信號，根據(jù)發(fā)出信號的接收器所在位置可知障礙物所在點坐標，將坐標值送入計算機進行處理。2022/12/1283.聲學(xué)觸摸屏由發(fā)射器、反射器和觸摸屏等組成，其中發(fā)射器和反射器一起工作。聲源發(fā)射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地發(fā)射高頻聲波脈沖，當用手指觸摸屏幕時，有一部分聲波被反射回聲源處，通過計算聲波脈沖從發(fā)射到反射回聲源發(fā)射器的時間間隔，來確定手指的位置。

2022/12/12102.1.5操縱桿(joystick)2.1.6跟蹤球（trackball）和空間球（spacegall）

跟蹤球用作兩維定位設(shè)備2022/12/12122.1.7數(shù)據(jù)手套(dataglove)

數(shù)據(jù)手套是一種戴在手上的傳感器，它能給出用戶所有手指關(guān)節(jié)的角度變化，來自手套的輸入，可用來給虛擬場景中的對象定位或操縱該場景。2022/12/12142.1.8數(shù)字化儀(digitizer)數(shù)字化儀用來在所作的畫或?qū)ο笊蠏呙?，并輸入一組坐標位置，相互以直線段連接，以逼近曲線或表面形狀。2022/12/12152.1.10圖象掃描儀(scanner)圖象掃描儀可直接把圖紙、圖表、照片、廣告畫等輸入到計算機中，在將它們傳過一個光學(xué)掃描機構(gòu)時，灰度或彩色等級被記錄下來，并按圖象方式進行存儲。2022/12/1216圖象掃描儀的模塊框圖220V+5V-5V+12V-12V透鏡熒光燈被掃描的材料步進電機計算機打印機或繪圖儀熒光燈電源CCD驅(qū)動器電源信號處理器步進電機驅(qū)動控制器輸出接口存儲器微機系統(tǒng)2022/12/1217電荷耦合器件(CCD)掃描儀的工作原理用光源照射被掃描的材料，投射光線經(jīng)過一組光學(xué)鏡頭射到CCD器件上，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像數(shù)據(jù)暫存器等，最終輸入到計算機或圖形/文字輸出設(shè)備中。為了使投射在被掃描材料上的光線分布均勻，掃描儀中使用的是長條形光源。

2022/12/12182.2.1陰極射線管(CRT)CRT（CathodeRayTube）是一種真空器件，它利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電子束，偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置轟擊屏幕表面的熒光材料而產(chǎn)生可見圖形。2.2圖形顯示設(shè)備1.陰極射線管德國物理學(xué)家布勞恩發(fā)明(1897)2022/12/1220從外形上看，CRT為：管頸部分、錐體部分、屏幕部分

從結(jié)構(gòu)上看，CRT為：電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏水平偏轉(zhuǎn)板垂直偏轉(zhuǎn)板燈絲陰極聚焦系統(tǒng)加速系統(tǒng)電平控制器石墨層吸收轟擊磷粉涂層后逃逸在熒光屏內(nèi)的雜撒電子送至第二陽極,形成電流回路。熒光紛（磷粉涂層）電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏第一陽極第二陽極

偏轉(zhuǎn)線圈

高壓入口經(jīng)石墨層接第二陽極

用于磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)用于靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏偏轉(zhuǎn)的電子束2022/12/1221三色熒光屏圖2-9蔭罩及彩色顯象管上熒光小點的排列蔭罩板RGBRGBRGBRGBRGBRRGBGRBRBGBRGBRGBRGBRGBRGBRB蔭罩三色熒光屏RGBRRGBRGBGBRGBRRGBGRBRBGBGBR2022/12/1223三支電子槍2022/12/1224隨機掃描顯示器的基本工作過程圖特點：無冗余掃描、速度快、圖象清晰、比光柵系統(tǒng)更高的分辨率、生成光滑線條不能顯示逼真場景、和電視標準不一致、驅(qū)動系統(tǒng)也較復(fù)雜2022/12/12262.直視存儲管圖形顯示器 直視存儲管DVST（direct-viewstoragetube）從表面上看直視存儲管的特性極象一個有長余輝的熒光屏，一條線一旦畫在屏幕上，在一小時之內(nèi)都將是可見的。2022/12/1227存儲管顯示器結(jié)構(gòu)示意圖2022/12/12283.光柵掃描的圖形顯示器在光柵掃描系統(tǒng)中，電子束橫向掃描屏幕，一次一行，從頂?shù)降醉槾芜M行。當電子束橫向沿每一行移動時，電子束的強度不斷變化來建立亮點的圖案。只有刷新頻率高到一定值后，圖象才能穩(wěn)定顯示。大約達到每秒60幀即60Hz時，人眼才能感覺到屏幕不閃爍，要使人眼覺得舒服，一般必須有85Hz以上的刷新頻率。2022/12/1230逐行掃描技術(shù)2022/12/1231隔行掃描技術(shù)每一幀分為兩個場顯示，每個場只包含一半畫面。兩個場是交錯的，一個場包含所有的奇數(shù)掃描行，另一個場包含所有的偶數(shù)掃描行，兩個場以1/60秒的時間間隔交替顯示。掃描從奇數(shù)場左上角開始，每一行都是自左向右。電子束在橫向掃描的同時以一個較低的速率向下移動，當掃描線到達屏幕右端時，就將其隱去并迅速返回屏幕左端。這個過程稱為水平回掃。接著下一奇數(shù)行重復(fù)這一過程。2022/12/1232當整場掃描完畢時，掃描線正好停在底部的中央。接著掃描線迅速回到屏幕頂部中央，這就是奇數(shù)場垂直回掃。接著進行偶數(shù)場掃描，偶數(shù)場掃描結(jié)束于屏幕右下角，垂直回歸后電子束返回屏幕左上角。奇數(shù)場從第一行開始，水平回掃用虛線表示1234567有7條掃描線的隔行掃描2022/12/1233光柵掃描圖形顯示器特點是畫點設(shè)備，可看成一個點陣單元發(fā)生器，并可控制每個點陣單元的亮度。發(fā)出的電于束的偏轉(zhuǎn)方式是固定的，自上而下，從左到右掃描在熒光屏上形成光柵形狀。圖形是通過電子束掃描到光柵上的圖形象素點時呈現(xiàn)的亮度或顏色與光柵背景的亮度或顏色不同而襯托出的，可形成多級灰度或顏色的實面積自然圖像。2022/12/1234由于圖像是由像素陣列組成，顯示一幅圖像所需要的時間等于顯示整個光柵所需的時間，而與圖像的復(fù)雜程度無關(guān)。

綜上，可把光柵圖形顯示器看做許多離散點組成的矩陣，每個點都可以發(fā)光。除非特殊情況，一般在矩陣中是不能直接從一個點到另一個點（或一個像素到另一個像素）畫一條筆直的直線，但可以用一系列的點（或像素）來近似地表示這條直線。2022/12/1235顯然，只有畫水平、垂直或正方形的對角線時，才能用點或像素畫出一條真正的直線，其他情況下的直線均呈階梯狀，這種現(xiàn)象稱為走樣或鋸齒(如下圖所示)。采用反走樣技術(shù)可適當減輕階梯效果。光柵化的直線(a)ABCD圖像元素或象素可尋址點B(b)A2022/12/1236光柵掃描顯示器的主要性能參數(shù)分辨率指顯示器在屏幕水平(垂直)方向可顯示多少像素分辨率越高，顯示的字符或圖像越清晰亮度等級數(shù)目和色彩指單種顏色亮度可變化的數(shù)目亮度等級范圍的提升可使圖像看上去更柔和自然點距指相鄰像素點之間的距離（即像素的直徑）顯示速度指顯示字符、圖形，特別是動態(tài)圖像的速度2022/12/12372.2.3平板顯示器（flat-paneldisplay）低電壓、輕小型、數(shù)字化顯示器件平板顯示器（flat-paneldisplay）非發(fā)射顯示器（none-missivedisplay）發(fā)射顯示器（emissivedisplay）2022/12/1238液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay）2022/12/1239液晶：即液態(tài)晶體，具有線狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的分子，可象液體那樣流動。把它加熱時它會呈現(xiàn)透明的液體狀態(tài)，把它冷卻時它則會出現(xiàn)結(jié)晶顆粒的混濁固體狀態(tài)。液晶的電光效應(yīng)：當液晶分子受電場、磁場、溫度、應(yīng)力等外部條件作用時會從某種排列狀態(tài)變?yōu)榱硪环N排列狀態(tài)。一種排列光線容易通過，而另一種排列阻止光線通過。液晶顯示的機理:通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光。2022/12/1240單色液晶顯示器原理:1.將液晶置于兩片導(dǎo)電玻璃之間，靠兩個電極間電場的驅(qū)動，引起液晶分子扭曲向列的電場效應(yīng)，以控制光源透射或遮蔽功能，在電源關(guān)開之間產(chǎn)生明暗而將影像顯示出來，若加上彩色濾光片，則可顯示彩色影像。2.如下圖所示，兩個極化濾光器互相垂直，穿過第一個極化濾光器的光線，經(jīng)過扭曲的液晶后，光線被扭曲90°，正好可以穿過第二個極化濾光器。光線方向光線穿透示意圖2022/12/12413.如果為液晶加一個電壓，液晶分子又會重新排列并完全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，將被第二個濾光器擋住。如下圖所示光線阻斷示意圖總之，加電光線將被阻斷，不加電光線將射出。2022/12/1242彩色液晶顯示器原理:彩色LCD要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。彩色LCD面板中的每一個像素由3個液晶單元格構(gòu)成，每一個單元格前面都分別有紅色、綠色或藍色的過濾器。這樣，通過不同單元格的光線可在屏幕上顯示出不同的顏色。液晶顯示器的特點:優(yōu)點：工作電壓低、功耗??；無輻射，對人體健康無損害；完全平面，無閃爍、失真，可視面積大，又薄又輕；抗干擾能力比CRT顯示器強得多。

缺點：視角太小、亮度和對比度不夠大。2022/12/1243

2.等離子體顯示板（氣體放電顯示器）2022/12/1244等離子體顯示原理：等離子顯示器由密封在玻璃膜夾層中的晶格矩陣（光柵）組成，每個晶格充有低壓氣體。在高電壓作用下，氣體會電離解。電離解后的氣體稱為等離子體，所以這種顯示器稱為等離子顯示器。當電子又重新與原子結(jié)合在一起時，能量就會以光子的形式釋放出來，這時氣體就會釋放出具有特征的輝光。2022/12/1245基本構(gòu)造:1.三塊平板玻璃:中間稱為孔板，緊貼著夾在兩側(cè)的二塊玻璃中間．2.孔板中的小孔被抽成真空，再裝入一定壓強的氣體(比如氖和氮的混合氣體)．3.兩側(cè)玻璃板的外表面都有平行透明的導(dǎo)電電極．一塊玻璃上的電極與另一塊上的電極相垂直，并且都正好蓋在小孔上面．因而每個充氣小孔與兩邊的電極一起構(gòu)成一個放電單元．2022/12/1246等離子顯示器的特點:優(yōu)點：重量較輕、完全無X射線輻射；屏幕亮度非常均勻，不存在明顯的亮區(qū)和暗區(qū)；不存在某些區(qū)域聚焦不良或散焦的毛?。黄聊桓秸梗^察視角更大

。

缺點：價格較高；顯示屏上的玻璃較薄使屏幕較脆弱。2022/12/1247它常用于設(shè)計大型的室內(nèi)室外的顯示屏。結(jié)構(gòu)原理： 二極管以矩陣排列形成顯示器的象素位置特點： 暖色效應(yīng)3.發(fā)光二極管顯示器（Liquid-EmittingDiode）2022/12/12482.2.43種顯示技術(shù)的比較性質(zhì)CRT顯示器液晶顯示器等離子顯示器功耗大小中屏幕大小大厚度大小小平面度一般好好亮度好適中好分辨率中一般好對比度中差好灰度等級好差好視角大小大色彩豐富中豐富價格低中高2022/12/12492.2.5圖形顯示子系統(tǒng)（顯卡）顯卡根據(jù)CPU提供的指令和有關(guān)數(shù)據(jù)將程序運行過程和結(jié)果進行相應(yīng)的處理、并轉(zhuǎn)換成顯示器能夠接受的文字和圖形顯示信號，通過屏幕顯示出來。顯示器必須依靠顯卡提供的顯示信號才能顯示出各種字符和圖像。2022/12/1250圖2-23簡單光柵圖形顯示子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CPU系統(tǒng)主存顯示控制器顯示器系統(tǒng)總線簡單光柵圖形顯示子系統(tǒng)2022/12/1251常用的光柵圖形顯示子系統(tǒng)2022/12/1252發(fā)展的光柵圖形顯示子系統(tǒng)2022/12/1253獨立的顯示處理器存儲區(qū)域顯示處理器（displayprocessor），又稱圖形控制器（graphicscontroller）或顯示協(xié)處理器（displaycoprocessor）幀緩存特點：2022/12/1254目前常用的PC顯卡主要由三個部件組成：幀緩沖存儲器（幀緩存）顯示控制器（displaycontroller），又稱視頻控制器（videocontroller）ROMBIOS2.2.6顯卡結(jié)構(gòu)2022/12/1255顯卡BIOS芯片主要用于保存VGA(VideoGraphicsArray，視頻圖形陣列)BIOS程序。VGABIOS是視頻圖形卡基本輸入、輸出系統(tǒng)，主要用于顯卡上各器件之間正常運行時的控制和管理，BIOS程序的技術(shù)性能對整個顯卡的性能有很大影響。依據(jù)設(shè)定的顯示工作方式，自主地、反復(fù)不斷地讀取顯示存儲器中的圖像點陣數(shù)據(jù)，將它們轉(zhuǎn)換成R、G、B三色信號并配以同步信號送至顯示器，即刷新屏幕。保存由圖形芯片處理好的各幀圖形顯示數(shù)據(jù)，然后由數(shù)模轉(zhuǎn)換器讀取并逐幀轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號再提供給顯示器使用。顯存的大小直接影響到顯卡可以顯示的顏色多少和可以支持的最高分辨率。2022/12/12562.2.7相關(guān)概念1.分辨率光點一般是指電子束打在顯示器的熒光屏上，顯示器能夠顯示的最小的發(fā)光點象素點:Pixel,是pictureelement（圖片要素）的縮寫。指圖形顯示在屏幕上時候，按當前的圖形顯示分辨率所能提供的最小可視單位。沿行和列的方向安排像素，而且分別設(shè)置為適當?shù)念伾?，以渲染任意給定的圖像。2022/12/1257三種分辨率：屏幕分辨率，也稱為光柵分辨率，它決定了顯示系統(tǒng)最大可能的分辨率，任何顯示控制器所提供的分辨率也不能超過這個物理分辨率。通常用水平方向上的光點數(shù)與垂直方向上的光點數(shù)的乘積來表示。2022/12/1258顯示分辨率是計算機顯示控制器所能夠提供的顯示模式分辨率，實際應(yīng)用中簡稱為顯示模式。對于文本顯示方式，顯示分辨率用水平和垂直方向上所能顯示的字符總數(shù)的乘積表示。對于圖形顯示方式，則用水平和垂直方向上所能顯示的象素點總數(shù)的乘積表示。顯示分辨率不同，它所對應(yīng)的象素點大小也不同。2022/12/1259圖形的存儲分辨率是指幀緩沖區(qū)的大小，一般用緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)表示。存儲分辨率不僅與顯示分辨率有關(guān)，還與象素點的色彩有關(guān)。幀緩存大小的計算：

(x方向的象素點數(shù))*(y方向的象素點數(shù))*(log2n/8)其中：n為顏色數(shù)或灰度等級數(shù)2022/12/1260屏幕分辨率決定了所能顯示的最高分辨率。顯示分辨率和存儲分辨率對所能顯示的圖形分辨率也有控制作用。2.象素與幀緩存屏幕上一個象素點就對應(yīng)幀緩存中的一組信息。組合象素法（PackedPixelMethod）顏色位面法（ColorPlaneMethod）2022/12/1261

在組合象素法中，一個圖形象素點的全部信息被編碼成一個數(shù)據(jù)字節(jié)，按照一定方式存儲到幀緩存中，編碼字節(jié)的長度與點的屬性（如顏色、灰度等）有關(guān)。2022/12/1262

在顏色位面法中，幀緩存被分成若干獨立的存儲區(qū)域，每一個區(qū)域稱為一個位面（BitPlane），每個位面控制一種顏色或者灰度，每一個圖形象素點在每個位面中占一位，通過幾個位面中的同一位組合成一個象素。2022/12/12632022/12/12643.顏色查找表

顏色查找表也稱調(diào)色板，是由高速的隨機存儲器組成，用來儲存表達象素色彩的代碼。此時幀緩沖存儲器中每一象素對應(yīng)單元的代碼不再代表該象素的色彩值，而是作為查色表的地址索引。2022/12/12652022/12/12662022/12/12674.顯示長寬比

顯示長寬比，即水平點數(shù)與垂直點數(shù)之比。要求在屏幕兩個方向上相同象素點數(shù)產(chǎn)生同樣長度的線段，以使圖形不至發(fā)生畸變。4:3640x480;800x600;1024x768;1280x960…2022/12/12685.屏幕坐標系2022/12/12692.2.8PC圖形顯示卡的發(fā)展2022/12/12701.MDA（MonochromeDisplayAdapter）2.CGA（ColorGraphicsAdapter）3. EGA（ExtendedGraphicsArray）/VGA（VideoGraphicsArray）顯示模式4.高性能圖形顯示卡SVAG、AVGA、TVGA、顯示存儲器的帶寬刷新帶寬2022/12/1271打印機撞擊式打印機非撞擊式打印設(shè)備繪圖儀噴墨、筆式繪圖儀筆式繪圖儀又分為平板式繪圖儀和滾筒式繪圖儀。2.3圖形輸出設(shè)備2022/12/12722.3.1激光打印機激光打印機是一種既可用于打印字符又可用于繪圖的設(shè)備。2022/12/1273激光打印機的工作原理激光打印機主要由感光鼓、粉盒、打底電暈絲和轉(zhuǎn)移電暈絲等組成，如圖（a）所示。

滾筒轉(zhuǎn)移電暈絲打印紙打底電暈絲感光鼓碳粉(a)2022/12/1274激光打印機開始工作時，感光鼓旋轉(zhuǎn)通過打底電暈絲，使整個感光鼓的表面帶上電荷，如圖（b）所示。

打底電暈絲(b)+++++++++++鼓表面未帶電荷感光鼓旋轉(zhuǎn)方向鼓表面帶電荷2022/12/1275打印機處理器將打印數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動打印引擎動作的類似數(shù)據(jù)表的信號組，并送至激光發(fā)射器。發(fā)射器發(fā)射的激光照射在多棱反射鏡上，反射鏡的旋轉(zhuǎn)和激光的發(fā)射同時進行，依照打印數(shù)據(jù)來決定激光的發(fā)射或停止。每個光點打在反射鏡上，隨著反射鏡的轉(zhuǎn)動，不斷變換角度，將激光點反射到感光鼓上，如圖（c）所示。(c)多棱反射鏡激光發(fā)射器2022/12/1276感光鼓上被激光照到的點將失去電荷，在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化現(xiàn)象。感光鼓旋轉(zhuǎn)到上粉盒，其表面被磁化的點將吸附碳粉，從而在感光鼓上形成將要打印的碳粉圖像，如圖（d）所示。

(d)碳粉滾筒感光鼓旋轉(zhuǎn)方向2022/12/1277打印紙從感光鼓和轉(zhuǎn)移電暈絲之間通過，轉(zhuǎn)移電暈絲將產(chǎn)生比感光鼓上更強的磁場，碳粉受吸引從感光鼓上脫離，向轉(zhuǎn)移電暈絲方向移動，結(jié)果是在不斷向前運動的打印紙上形成碳粉圖像。打印紙繼續(xù)向前運動，通過高溫的溶凝部件，定型在打印紙上，產(chǎn)生永久圖像，如圖（e）所示。(e)感光鼓碳粉轉(zhuǎn)移電暈絲2022/12/1278激光打印機的優(yōu)點有效利用了激光定向性、單色性和能量密集性，并結(jié)合了電子掃描技術(shù)的高靈敏度和快速存取等特性。輸出圖形圖像的質(zhì)量非常高，分辨率可達300～600點/英寸。圖形及文本質(zhì)量非常高，可直接作為制版的原稿。

2022/12/12792.3.2噴墨繪圖機噴墨繪圖機是一種光柵類型的圖形輸出設(shè)備，基本原理是將小墨點噴射到介質(zhì)上。2022/12/1280如下圖所示，噴墨裝置多數(shù)情況安裝在類似打印機的機頭上，紙繞在滾筒上快速旋轉(zhuǎn)，噴墨頭則在滾筒上緩慢水平運動。繪圖機的墨水泵將黃、品紅、青三種顏色的墨水分別注入3支很細的噴筆中。在高壓下，墨水通過噴筆內(nèi)細而長的玻璃毛細管噴到紙上。