计算机图形学计算机图形系统及硬件课件.ppt

1、22.1 2.1 概述概述 2.1.1 2.1.1 计算机系统中的图形设备计算机系统中的图形设备计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通常由以下通常由以下三三部分构成：部分构成：中央中央处理处理器：图形计算及有效的存储；器：图形计算及有效的存储；图形图形输入输入设备：键盘和鼠标、跟踪球、空间球、设备：键盘和鼠标、跟踪球、空间球、光笔、数字化仪、触摸板、扫描仪、手写输入光笔、数字化仪、触摸板、扫描仪、手写输入板、语音输入、数据手套等；板、语音输入、数据手套等；图形图形输出输出设备：包括图形显示设备（显示器）设备：包括图形显示设备（显示器）和图形绘制设备（

2、打印机、绘图仪）。和图形绘制设备（打印机、绘图仪）。32.1.2 2.1.2 图形系统的基本功能图形系统的基本功能一个计算机图形系统至少应具有一个计算机图形系统至少应具有计算计算、存储存储、输入输入、输出输出、交互交互等基本功能。等基本功能。计算计算功能功能：1 1）图形的描述、分析和设计；图形的描述、分析和设计；2 2）点、线、面的表示及其求交、分类；点、线、面的表示及其求交、分类；3 3）图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；4 4）曲线、曲面的生成；曲线、曲面的生成；5 5）图形的交点、交线和交面的计算；图形的交点、交线和交面的计算；6 6）光、

3、色模型的建立和计算；光、色模型的建立和计算；7 7）图形之间相互关系的检测等。图形之间相互关系的检测等。4存储存储功能功能：图形数据库可以存放各种图形的图形数据库可以存放各种图形的几何数据几何数据及图及图形之间的形之间的相互关系相互关系以及各种以及各种属性信息属性信息，并能快，并能快速方便地实现对图形的删除、增加、修改等操速方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。作。输入输入功能功能：通过图形输入设备将基本的通过图形输入设备将基本的图形数据图形数据（如点、（如点、线等），必要的参数和各种线等），必要的参数和各种绘图命令绘图命令输入到计输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形。算机中，从而构造

4、更复杂的几何图形。5输出输出功能功能：图形数据经过计算后可在显示器上图形数据经过计算后可在显示器上显示显示当前的当前的状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝硬拷贝输出，以输出，以便长期保存。便长期保存。交互交互功能功能：设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行人机通信，对计算结果和图形利用接进行人机通信，对计算结果和图形利用定位、定位、拾取拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员等手段进行修改，同时对设计者或操作员输入的错误给以必要的提示和帮助。输入

5、的错误给以必要的提示和帮助。6图形的基本处理流程图形的基本处理流程 图形输入设备图形输入设备 输入输入 计算计算 输出输出 图形输出设备图形输出设备 存储存储 交互交互 显示器显示器 数据库数据库72.2 2.2 图形显示设备图形显示设备图形显示设备主要有以下图形显示设备主要有以下三三种：种：阴极射线管阴极射线管显示器（显示器（Cathode Ray Tube Cathode Ray Tube CRTCRT）液晶液晶显示器（显示器（Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display LCDLCD）等离子体平板等离子体平板显示器（显示器（PalsmaPal

6、sma Display Display Panel PDPPanel PDP）82.2.1 CRT2.2.1 CRT显示器显示器1.CRT1.CRT显示器显示原理显示器显示原理CRTCRT显示器显示器主要由主要由阴极阴极、电平控制器电平控制器（即控制（即控制极）、极）、聚焦系统聚焦系统、加速加速系统系统、偏转系统偏转系统和和阳极阳极荧光粉涂层荧光粉涂层组成，这组成，这六六部分都在真空管内。部分都在真空管内。9CRTCRT显示器原理图显示器原理图水平偏转板垂直偏转板灯丝阴极聚焦系统加速系统电平控制器石墨层吸收轰击磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,形成电流回路。荧光粉（磷粉涂层）电子

7、枪 偏转系统 荧光屏第一阳极第一阳极 第二阳极第二阳极 偏转线圈 高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统 用于静电偏转系统荧光屏偏转的电子束10刷新刷新 刷新刷新：刷新一次指电子束从上到下将荧光：刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次。屏扫描一次。扫描转换扫描转换：将图形的几何信息转换成存储：将图形的几何信息转换成存储在帧缓存中的光栅（点阵）图像并以一定在帧缓存中的光栅（点阵）图像并以一定格式的视频图像显示的过程叫格式的视频图像显示的过程叫扫描转换扫描转换。只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。大约达到每秒定显示。大约达到每秒6060帧，帧，即即

8、60Hz60Hz时，时，人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉人眼才能感觉到屏幕不闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须得舒服，一般必须有有85Hz85Hz以上的刷新频率。以上的刷新频率。11隔行扫描技术隔行扫描技术 每一帧分为每一帧分为两个场两个场显示，每个场只包含一半画显示，每个场只包含一半画面。两个场是交错的，一个场包含所有的奇数面。两个场是交错的，一个场包含所有的奇数扫描行，另一个场包含所有的偶数扫描行，两扫描行，另一个场包含所有的偶数扫描行，两个场以个场以1/601/60秒的时间间隔交替显示。秒的时间间隔交替显示。扫描从扫描从奇数场奇数场左上角开始，每一行都是自左向左上角开始，每一行都是自左

9、向右。电子束在横向扫描的同时以一个较低的速右。电子束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下移动，当扫描线到达屏幕右端时，就将率向下移动，当扫描线到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左端。这个过程称为其隐去并迅速返回屏幕左端。这个过程称为水水平回扫平回扫。接着下一奇数行重复这一过程。接着下一奇数行重复这一过程。12当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就央。接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场是奇数场垂直回扫垂直回扫。接着进行接着进行偶数场偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角，垂

10、直回归后电子束返回屏幕左上角。右下角，垂直回归后电子束返回屏幕左上角。奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示奇数场从第一行开始，水平回扫用虚线表示1234567 有有7 7条扫描线的隔行扫描条扫描线的隔行扫描132.2.彩色彩色CRTCRT显示器的显示原理显示器的显示原理颜色模型颜色模型：所谓颜色模型就是指某个三维颜色所谓颜色模型就是指某个三维颜色空间中的一个空间中的一个可见光子集可见光子集，它包含某，它包含某个颜色域的所有颜色。采用颜色模型个颜色域的所有颜色。采用颜色模型的目的是在某个颜色域中方便地制定的目的是在某个颜色域中方便地制定颜色。颜色。14RGBRGB模型模型R绿(0,1,0)黄(

11、1,1,0)白(1,1,1)品红(1,0,1)青(0,1,1)黑(0,0,0)蓝(0,0,1)红(1,0,0)GBRGBRGB颜色立方体颜色立方体 由由红红、绿绿、蓝蓝三种颜三种颜色组成的原色系统称为色组成的原色系统称为RGBRGB模型。它是定义于某模型。它是定义于某个红绿蓝颜色坐标系统个红绿蓝颜色坐标系统中的单位立方体。坐标中的单位立方体。坐标原点代表黑色，坐标点原点代表黑色，坐标点(1,1,1)(1,1,1)代表白色。坐标代表白色。坐标轴上的顶点代表三个基轴上的顶点代表三个基色，余下的顶点则代表色，余下的顶点则代表每一个基色的补色。每一个基色的补色。RGB颜色模型所覆盖的颜色域取颜色模型所

12、覆盖的颜色域取决于显示设备荧光点的颜色特性，决于显示设备荧光点的颜色特性，是与硬件相关的是与硬件相关的 15 电子枪和对应的荧光电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。为点必须在一条直线上。为保证每个电子枪都能击中保证每个电子枪都能击中对应颜色的荧光点，在电对应颜色的荧光点，在电子枪和荧光屏之间放置一子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属网格（即荫个有孔的金属网格（即荫罩）。调整彩色电子枪的罩）。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束排布方式可让三个电子束都汇聚于荫罩上。这样，都汇聚于荫罩上。这样，某颜色的电子束通过荫罩某颜色的电子束通过荫罩后，就可后，就可避免和另外两种避免和另外两种颜色的荧光点相

13、交颜色的荧光点相交，而只，而只能与自己对应颜色的荧光能与自己对应颜色的荧光点相交。点相交。彩色彩色CRTCRT电子枪和荫罩的排布电子枪和荫罩的排布绿枪电子束绿枪电子束蓝枪电子束蓝枪电子束红枪电子束红枪电子束荫罩荫罩屏幕屏幕红绿蓝荧光点荧光点如果每一个电子枪都有如果每一个电子枪都有256256级级（8 8位位）的强度控制，那么这个）的强度控制，那么这个显象管所能产生的颜色就是我显象管所能产生的颜色就是我们平时所说的们平时所说的2424位真彩色了位真彩色了 1)1)荫罩显示器荫罩显示器16 彩色彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪（最早是三枪光栅扫描显示器有三个电子枪（最早是三枪三束，现在有一枪三

14、束，即三个阴极），它的荧光屏三束，现在有一枪三束，即三个阴极），它的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。电子枪通常成三角形排列或水平排列，与的光。电子枪通常成三角形排列或水平排列，与CRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。电子枪水平排列电子枪水平排列孔状荫罩孔状荫罩沟槽状荫罩沟槽状荫罩 172 2）荫栅显示器）荫栅显示器荫栅式显示器其工作原理如下图所示荫栅式显示器其工作原理如下图所示 :荫栅工作原理原理示意图荫栅工作原理原理示意图 18如果我们说某个品牌的显示器的分辨率为如果我们说某个

15、品牌的显示器的分辨率为80DPI80DPI，是指在显示器的有效显，是指在显示器的有效显示范围内，显示器的的显像设备可以在每英寸荧光屏上产生示范围内，显示器的的显像设备可以在每英寸荧光屏上产生8080个光点。个光点。举个例子来说，一台举个例子来说，一台1414英寸的显示器（荧光屏对角线长度为英寸的显示器（荧光屏对角线长度为1414英寸），英寸），其点距为其点距为0.28mm0.28mm，那么：，那么：显示器分辨率显示器分辨率=25.3995mm/inch=25.3995mm/inch0.28mm/Dot90DPI0.28mm/Dot90DPI。（1 inch=25.3995mm1 inch=25

16、.3995mm）显示器出厂时一般并不标出表征显示器分辨率的）显示器出厂时一般并不标出表征显示器分辨率的DPIDPI值，只给出点距，我们根据上述公式即可算出显示器的分辨率。根据值，只给出点距，我们根据上述公式即可算出显示器的分辨率。根据我们算出的我们算出的DPIDPI值，进而可以推算出显示器支持的最高显示模式。值，进而可以推算出显示器支持的最高显示模式。Dpi-Dpi-每英寸的像素点数每英寸的像素点数R R G GB BB B0.25mm0.25mmd=0.28mmd=0.28mm0.24mm0.24mm0.31mm0.31mmR R G GB BG G点距为点距为0.250.25的柱面显示器的

17、柱面显示器点距为点距为0.280.28的球面显示器的球面显示器193.3.光栅扫描式图形显示器光栅扫描式图形显示器1)1)光栅扫描式图形显示器是光栅扫描式图形显示器是画点设备画点设备，可看成，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。元的亮度。2)2)发出的电子束的偏转方式是固定的，发出的电子束的偏转方式是固定的，自上而自上而下，从左到右下，从左到右扫描在荧光屏上形成光栅形状。扫描在荧光屏上形成光栅形状。3)3)图形是通过电子束扫描到光栅上的图形像素图形是通过电子束扫描到光栅上的图形像素点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或点时呈现的亮度或颜色

18、与光栅背景的亮度或颜色不同而衬托出的，可形成多级灰度或颜颜色不同而衬托出的，可形成多级灰度或颜色的实面积自然图像。色的实面积自然图像。204)4)由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像所需要的时间等于显示整个光栅所需的时间，所需要的时间等于显示整个光栅所需的时间，而与而与图像的复杂程度无关图像的复杂程度无关。综上，可把光栅图形显示器看做许多综上，可把光栅图形显示器看做许多离散点离散点组成的矩阵，每个点都可以发光。除非特殊组成的矩阵，每个点都可以发光。除非特殊情况，一般在矩阵中是情况，一般在矩阵中是不能直接从一个点到不能直接从一个点到另一个点另一个点（或一个

19、像素到另一个像素）画一（或一个像素到另一个像素）画一条笔直的直线，但可以条笔直的直线，但可以用一系列的点用一系列的点（或像（或像素）来素）来近似地表示近似地表示这条直线。这条直线。21 显然，只有画水平、垂直或正方形的对角显然，只有画水平、垂直或正方形的对角线时，才能用点或像素画出一条真正的直线，线时，才能用点或像素画出一条真正的直线，其他情况下的直线均呈阶梯状，这种现象称为其他情况下的直线均呈阶梯状，这种现象称为走样或锯齿走样或锯齿(如下图所示如下图所示)。采用反走样技术可。采用反走样技术可适当减轻阶梯效果。适当减轻阶梯效果。光栅化的直线光栅化的直线(b)ABCD(a)图像元素图像元素或像素

20、或像素可寻址点可寻址点BA22帧缓冲存储器（帧缓存）帧缓冲存储器（帧缓存）1)1)帧缓冲存储器是一块帧缓冲存储器是一块连续连续的存储空间。的存储空间。2)2)光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1 1位（位（bitbit）,每个像素每个像素1 1位的存储容量称为位的存储容量称为位面位面（bit planebit plane）。画面就是由帧缓存）。画面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。中的这些位信息组成的。3)3)图形在计算机中是一位一位产生的，每一图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有个存储位只有0 0或或1 1两个状态，因此一个位两个状态，因此一个位

21、面的帧缓存只能产生黑白图形面的帧缓存只能产生黑白图形。实现光栅实现光栅CRTCRT图形显示器的最常见方法是使用图形显示器的最常见方法是使用帧缓存帧缓存。234)4)帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须经过出必须经过数字数字/模拟转换模拟转换，这个工作由，这个工作由DACDAC（数模转换器（数模转换器 digital/analog convertordigital/analog convertor）完成。完成。具有具有1 1位帧缓存的黑白光栅显示器结构图位帧缓存的黑白光栅

22、显示器结构图帧缓冲存储器CRT光栅电子枪寄存器1DAC24 光栅图形显示器中需要有光栅图形显示器中需要有足够的位面和帧缓足够的位面和帧缓存存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如图，显示器上每个像素的亮度由如图，显示器上每个像素的亮度由N N个位面中对应的每个位面中对应的每个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定的寄存器中的寄存器中,该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等级，其该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等级，其范围在范围在0 02 2N N1 1之间。之间。N00帧缓冲存储器1N=3 2N

23、级1004 2N DAC寄存器N电子枪CRT光栅具有具有N N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图图25 为避免帧缓存的增加，可采用为避免帧缓存的增加，可采用颜色查找表颜色查找表来提高来提高灰度级别，如下图所示，帧缓存中的位面号为颜色查灰度级别，如下图所示，帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，颜色查找表必须有找的索引，颜色查找表必须有2 2N N项，每一项具有项，每一项具有W W位字位字宽。当宽。当W W大于大于N N时，可有时，可有2 2W W灰度等级，但每次只有灰度等级，但每次只有2 2N N个不个不同灰度等级可用。若要使用同灰度等级可用。若要使用2 2N N种

24、以外的灰度等级，需种以外的灰度等级，需改变颜色查找表中的内容（重装颜色查找表）。改变颜色查找表中的内容（重装颜色查找表）。具有具有N N位帧缓存和位帧缓存和W W位颜色查找表的光栅显示器结构图位颜色查找表的光栅显示器结构图N=3 2N表项N00帧缓冲存储器11004寄存器N2N为总光强等级2W为每次可显示 光强等级电子枪11W查找表 2W DAC1011W=4CRT光栅26 由于只有三种原色，所以可用三个位面实现一个由于只有三种原色，所以可用三个位面实现一个简单的简单的彩色帧缓冲存储器彩色帧缓冲存储器。下图为简单的彩色光栅显。下图为简单的彩色光栅显示器，由分别对应红示器，由分别对应红(R)(R

25、)、绿、绿(G)(G)、蓝、蓝(B)(B)三原色的三三原色的三个位面的帧缓存，个位面的帧缓存，DACDAC，三个电子枪和，三个电子枪和CRTCRT光栅组成。光栅组成。CRT光栅300帧缓冲存储器1寄存器彩色电子枪0DAC蓝0DAC绿1DAC红一个简单的彩色帧缓冲存储器一个简单的彩色帧缓冲存储器27 对每个颜色的电子枪可通过对每个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面增加帧缓存位面来提来提高颜色种类的灰度等级。如下图，每种原色电子枪有高颜色种类的灰度等级。如下图，每种原色电子枪有8 8个位面的帧缓存和个位面的帧缓存和8 8位的位的DACDAC，每种原色有，每种原色有2 28 8种灰度等种灰度等级，三种

26、原色的组合有级，三种原色的组合有2 22424种颜色。这种显示器称为种颜色。这种显示器称为全全色光栅扫描图形显示器色光栅扫描图形显示器，其帧缓存称为，其帧缓存称为全色帧缓存全色帧缓存。28 若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找表的表的地址索引地址索引，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。彩色电子枪8N8寄存器帧缓冲存储器8W位DAC红W位DAC绿W位DAC蓝CRT光栅2N表项颜色查找表W=10一个具有一个具有2424位面的彩色帧缓存和位面的彩色帧缓存和1010位颜色查找表的结构位颜色查找表的结构图图291 1）

27、分辨率）分辨率指显示器在屏幕水平指显示器在屏幕水平(垂直垂直)方向显示多少像素方向显示多少像素分辨率越高，显示的字符或图像越清晰分辨率越高，显示的字符或图像越清晰分辨率以像素点为基本单位，表示方法为分辨率以像素点为基本单位，表示方法为640640480480、10241024768768、1280128010241024等。等。显示分辨率与显卡上的缓冲存储器的容量有关，显示分辨率与显卡上的缓冲存储器的容量有关，容量越大，显示分辨率越高。容量越大，显示分辨率越高。2 2）刷新频率刷新频率指屏幕刷新的速度指屏幕刷新的速度刷新频率越低，图像闪烁和抖动现象就越严重；刷新频率越低，图像闪烁和抖动现象就越

28、严重；光栅扫描显示器的主要性能参数光栅扫描显示器的主要性能参数303 3）水平扫描频率）水平扫描频率 水平扫描频率又称为水平扫描频率又称为行频行频，是指电子枪每秒在屏幕上扫描过，是指电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平点数；的水平点数；4 4）亮度等级数目和色彩）亮度等级数目和色彩 亮度等级数目亮度等级数目指单种颜色亮度可变化的数目指单种颜色亮度可变化的数目 亮度亮度等级等级范围的提升可使图像看上去更柔和自然范围的提升可使图像看上去更柔和自然 色彩色彩包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面可同时显示的包括可选择显示颜色的数目以及一帧画面可同时显示的颜色数；颜色数；5 5）点距点距“点距点距”指相邻像素

29、点之间的距离（即像素的直径）指相邻像素点之间的距离（即像素的直径）“点距点距”决定了每英寸最多能产生多少个点。决定了每英寸最多能产生多少个点。6 6）显示速度）显示速度指显示字符、图形，特别是动态图像的速度，与显示器的指显示字符、图形，特别是动态图像的速度，与显示器的分分辨率辨率及及扫描频率扫描频率有关有关-可用可用最大带宽最大带宽表示：表示：水平像素数水平像素数*垂直像素数垂直像素数*最大刷新率最大刷新率312.2.2 2.2.2 液晶显示器液晶显示器1.1.液晶的物理特性液晶的物理特性 液晶即液态晶体，是具液晶即液态晶体，是具有有线状结晶结构线状结晶结构的分子，的分子，可象液体那样流动。可

30、象液体那样流动。液晶分子的排列液晶分子的排列柔软易柔软易变形变形，受电场、磁场、温，受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用度、应力等外部条件作用时会重新排列。时会重新排列。极化性：极化性：当通电和不通电时液晶分子处于当通电和不通电时液晶分子处于两种两种不同的排列，一种排列光线容易通过，不同的排列，一种排列光线容易通过，而另一种排列阻止光线通过。而另一种排列阻止光线通过。32332.2.单色液晶显示器的原理单色液晶显示器的原理1)1)玻璃板玻璃板：在液晶显示器中，液晶是灌入两：在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之间，也就是两片涂有个列有细槽的平面之间，也就是两片涂有配向膜配向膜（PIP

31、I，polyimidepolyimide聚酰亚胺聚酰亚胺）的玻）的玻璃板，用来夹住液晶。液晶分子顺着开槽璃板，用来夹住液晶。液晶分子顺着开槽均匀排列。均匀排列。2)2)偏光板偏光板：一系列逐步变细的平行线，或称：一系列逐步变细的平行线，或称栅栏，用来阻隔掉不与栅栏平行的光线。栅栏，用来阻隔掉不与栅栏平行的光线。34偏光板的光透过图：偏光板的光透过图：35液晶显示器依靠液晶显示器依靠偏光板偏光板(极化滤光片极化滤光片)影响光线穿过液晶。影响光线穿过液晶。自然光线是朝所有方向随机发散的。只有两个自然光线是朝所有方向随机发散的。只有两个偏光板偏光板的线的线完全平行，或者通过第一个完全平行，或者通过第

32、一个偏光板偏光板的光线本身已扭转到与的光线本身已扭转到与第二个第二个偏光板偏光板相匹配，光线才得以穿过第二个相匹配，光线才得以穿过第二个偏光板偏光板。如如下图所示，两个下图所示，两个偏光板偏光板互相垂直，穿过第一个互相垂直，穿过第一个偏光板偏光板的光的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲9090，正好可以穿过，正好可以穿过第二个第二个偏光板偏光板。光线方向光线穿透示意图光线穿透示意图36 但若为液晶加一个但若为液晶加一个电压电压，液晶分子又会重新排列并完全平，液晶分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，将被第二个行，使光线不再扭转，将被第二个偏光板偏光板挡住。

33、总之，加电光挡住。总之，加电光线将被阻断，不加电光线将射出，如下图所示线将被阻断，不加电光线将射出，如下图所示光线阻断示意图光线阻断示意图3)3)电极：电极：玻璃板和液晶材料之间是透明电极，电极分为行电极玻璃板和液晶材料之间是透明电极，电极分为行电极和列电极，在行和列和列电极，在行和列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度。旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度。37 综上可得像素综上可得像素点亮点亮过程：过程：背光板背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。液晶层液晶层

34、中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格一个或多个单元格 构成屏幕上的一个像素。构成屏幕上的一个像素。通过电极上电压的改变，通过电极上电压的改变，改变液晶的改变液晶的扭转状态扭转状态，相应改变光线的相应改变光线的行进方行进方 向向，从而决定相应像素，从而决定相应像素 的亮度。液晶材料在这的亮度。液晶材料在这 里作用类似一个小的里作用类似一个小的光阀光阀。4)4)背光板：背光板：由荧光物质组成，可以发射光线，提供一个高由荧光物质组成，可以发射光线，提供一个高亮度，且亮度分布均匀的亮度，且亮度分布均匀的光源光源。由显示屏两边作为光源。由显

35、示屏两边作为光源的灯管，反射板，导光板等等组成。的灯管，反射板，导光板等等组成。偏光板偏光板偏光板偏光板光线光线光线光线液晶液晶分子分子图图 液晶显示器原理示意图液晶显示器原理示意图(a)(b)383.3.彩色液晶显示器的工作原理彩色液晶显示器的工作原理 彩色彩色LCDLCD要具备专门处理彩色显示的要具备专门处理彩色显示的色色彩过滤层彩过滤层（滤光板）。（滤光板）。彩彩色色LCDLCD面板中的每一个像素由面板中的每一个像素由3 3个个液液晶单元格晶单元格构成，其中每一个单元格前构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线

36、可器。这样，通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。在屏幕上显示出不同的颜色。39液晶的分类液晶的分类 液晶显示器（液晶显示器（LCDLCD）依驱动方式分为）依驱动方式分为静态驱动、单纯静态驱动、单纯 矩阵驱动和主动矩阵驱动矩阵驱动和主动矩阵驱动3 3种。种。液晶显示的液晶显示的驱动驱动就是用来调整加在液晶显示器件电极就是用来调整加在液晶显示器件电极上的电位信号的相位，峰值等，建立上的电位信号的相位，峰值等，建立驱动电场驱动电场，以实现液，以实现液晶器件的显示效果。晶器件的显示效果。单纯驱动分为：单纯驱动分为：扭转式向列型（扭转式向列型（Twisted Nematic,TN）和）和超扭

37、转式向列型（超扭转式向列型（Super Twisted Nematic,STN ）主动矩阵驱动分为：主动矩阵驱动分为：薄膜晶体管液晶显示器薄膜晶体管液晶显示器（TFT LCD，Thin film transistor liquid crystal display)和二端子二级和二端子二级管型（管型（metal/insulator/metal,MIM）40TFTTFT液晶显示器的构造液晶显示器的构造414.4.液晶显示器的特点液晶显示器的特点 优点优点：工作电压低、功耗小；工作电压低、功耗小；无辐射，对人体健康无损害；无辐射，对人体健康无损害；完全平面，无闪烁、失真，可视面积大，完全平面，无闪烁

38、、失真，可视面积大，又薄又轻，能大量节省空间；又薄又轻，能大量节省空间；抗干扰能力比抗干扰能力比CRTCRT显示器强得多。显示器强得多。缺点缺点：视角太小、亮度和对比度不够大视角太小、亮度和对比度不够大 422.2.3 2.2.3 等离子显示器等离子显示器 等离子显示器是等离子显示器是新一代显示设备，新一代显示设备，它采用了近几年来它采用了近几年来高速发展的高速发展的等离子等离子平面屏幕技术平面屏幕技术。431.1.等离子显示器的工作原理等离子显示器的工作原理 等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格晶格矩阵矩阵（光栅）组成，每个晶格充有（光栅）组成，每个晶格充

39、有低压气体低压气体(氖或氖氩混合气体氖或氖氩混合气体)。在高电压作用下，气体会在高电压作用下，气体会电离解电离解。电离解后。电离解后的气体称为的气体称为等离子体等离子体，所以这种显示器称为，所以这种显示器称为等离子显示器。等离子显示器。当电子又重新与原子结合在一起时，能量就当电子又重新与原子结合在一起时，能量就会以会以光子光子的形式释放出来，这时气体就会释的形式释放出来，这时气体就会释放出具有特征的放出具有特征的橙红色辉光橙红色辉光。44 等离子显示器有等离子显示器有交流交流(ACAC)激发激发的、的、直流直流(DC)(DC)激发激发的、的、交直流交直流(AC/DC)(AC/DC)混合激发混合

40、激发的三种类型。直流激发的三种类型。直流激发的等离子显示器的基本结构如下图所示。的等离子显示器的基本结构如下图所示。阴极阴极玻璃玻璃电介质隔板电介质隔板透明阳极透明阳极玻璃玻璃气泡气泡工作过程：工作过程：要要点亮某个地址的气泡，开始要在相应行上点亮某个地址的气泡，开始要在相应行上加较高的加较高的电压电压，气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮，气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮度。关掉某个气泡，只要将相应的电压降低。度。关掉某个气泡，只要将相应的电压降低。改变控制改变控制电压电压，可使等离子板显示不同灰度的图形。，可使等离子板显示不同灰度的图形。45彩色等离子显示器彩色等离子显示器46 PDPPD

41、P成像过程成像过程是：利用惰性气体放电产生是：利用惰性气体放电产生紫外线紫外线来激发彩色来激发彩色荧光粉发光，再转换成人眼可见的光。采用等离子管作为发荧光粉发光，再转换成人眼可见的光。采用等离子管作为发光元件，大量的光元件，大量的等离子管等离子管排列在一起构成屏幕排列在一起构成屏幕(如图所示如图所示)，每个等离子对应的每个小室内都充有每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体氖氙气体。在等离子管。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光，并激励平板显示屏上的红绿蓝三基色气体会产生紫外光，并激励平板显示屏上的

42、红绿蓝三基色荧荧光粉光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和色彩的图像，类的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和色彩的图像，类似显像管发光。似显像管发光。472.2.等离子显示器的特点等离子显示器的特点 优点优点：重量较轻、完全无重量较轻、完全无X X射线辐射；射线辐射；屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病；不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病；屏幕更平展，观察视角更大屏幕更平展，观察视角更大 。缺点缺点：价格较高；价

43、格较高；显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱显示屏上的玻璃较薄使屏幕较脆弱。482.2.4 32.2.4 3种显示技术的比较种显示技术的比较性质性质阴极射线管阴极射线管液晶显示器液晶显示器等离子显示器等离子显示器功耗功耗大大小小中中屏幕屏幕大大小小大大厚度厚度大大小小小小平面度平面度一般一般好好好好亮度亮度好好适中适中好好分辨率分辨率中中一般一般好好对比度对比度中中差差好好灰度等级灰度等级好好差差好好视角视角大大小小大大色彩色彩丰富丰富中中丰富丰富价格价格低低中中高高492.3 2.3 绘图设备绘图设备2.3.1 2.3.1 喷墨打印机喷墨打印机 喷墨打印机喷墨打印机是一种是一种光栅光栅类型类型的图

44、形输出设备，的图形输出设备，基本原理是基本原理是将小将小墨点喷射到介质墨点喷射到介质上。上。50 如下图所示，喷墨装置多数情况安装在类似打印机的如下图所示，喷墨装置多数情况安装在类似打印机的机头机头上，纸绕在上，纸绕在滚筒滚筒上快速旋转，上快速旋转，喷墨头喷墨头则在滚筒上缓则在滚筒上缓慢水平运动。打印机的墨水泵将黄、品红、青三种颜色慢水平运动。打印机的墨水泵将黄、品红、青三种颜色的墨水分别注入的墨水分别注入3 3支很细的支很细的喷笔喷笔中。在高压下，墨水通中。在高压下，墨水通过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。喷墨绘图机的结构喷墨绘图机的结构打印机打印机控制部

45、件控制部件墨水泵墨水泵滚筒滚筒喷笔喷笔笔架笔架丝杠丝杠电机电机步进电机步进电机纸或胶片纸或胶片 喷墨打印机的喷墨打印机的分辨率分辨率取决于墨滴也就是取决于墨滴也就是喷嘴喷嘴的大小。的大小。某些喷墨打印机可以接收视频及数字信号，因此可用于某些喷墨打印机可以接收视频及数字信号，因此可用于光栅显示屏幕的光栅显示屏幕的硬拷贝硬拷贝，此时图像分辨率受到视频输入，此时图像分辨率受到视频输入分辨率的限制。分辨率的限制。512.3.2 2.3.2 笔式绘图笔式绘图机机 笔 式 绘 图 机笔 式 绘 图 机是是矢量型矢量型设备，设备，在操作过程中，在操作过程中，绘图笔相对纸绘图笔相对纸作随意移动。作随意移动。笔

46、式绘图机分笔式绘图机分为为滚筒式滚筒式和和平平板式板式。滚筒式绘图机滚筒式绘图机平板式绘图机平板式绘图机521.1.滚筒式绘图机滚筒式绘图机 笔和纸都是运动的。笔和纸都是运动的。绘图纸绘图纸卷在卷在滚筒滚筒上，步进电机上，步进电机带动链轮作正向和反向旋转，带动带动链轮作正向和反向旋转，带动图纸图纸作作X X方向方向的正向的正向和负向运动，滚筒上方的和负向运动，滚筒上方的笔架笔架可存放多支画笔，画笔可存放多支画笔，画笔由另一个步进电机带动由另一个步进电机带动作作Y Y方向方向的正负向往返运动，两的正负向往返运动，两种运动的结合使画笔画出各种图形。种运动的结合使画笔画出各种图形。方向步进电机滚筒式

47、绘图机结构滚筒式绘图机结构Y方向步进电机X笔架落笔抬笔+X+Y532.2.平板式绘图机平板式绘图机 绘图笔在纸上绘图笔在纸上沿沿X X和和Y Y两个方向运动，两个方向运动，图纸通常静止图纸通常静止不动，装有不动，装有笔架笔架的导轨作的导轨作X X方向方向移动，笔架在导轨上作移动，笔架在导轨上作Y Y方向方向移动，两种运动配合画出多种图形。移动，两种运动配合画出多种图形。平板式绘图机结构平板式绘图机结构X方向步进电机Y方向步进电机+Y抬笔落笔+X54 平板式绘图机的分类平板式绘图机的分类 机械传动机械传动 驱动装置一般为钢丝绳或齿轮条箱；驱动装置一般为钢丝绳或齿轮条箱；速度低、精度低、寿命短，价

48、格相对便宜速度低、精度低、寿命短，价格相对便宜。平面电机驱动平面电机驱动绘图台有两块平板，上面的平板称为绘图台有两块平板，上面的平板称为滑动导板滑动导板，即电机定子，下面的平板称为绘图台板；即电机定子，下面的平板称为绘图台板；两块平板之间是电机动子，画笔装在电机动子两块平板之间是电机动子，画笔装在电机动子的下部，画笔之下是绘图台的下部，画笔之下是绘图台板。板。552.3.3 2.3.3 激光打印机激光打印机激光打印机是一种既可激光打印机是一种既可用于打印用于打印字符字符又可用又可用于于绘图绘图的设备的设备。激光打印机的工作原理激光打印机的工作原理1)1)激光打印机主要由激光打印机主要由感光鼓感

49、光鼓、粉盒粉盒、打打底电晕丝底电晕丝和和转移电转移电晕丝晕丝等组成，如图等组成，如图（a a）所示。）所示。滚筒转移电晕丝打印纸打底电晕丝感光鼓碳粉(a)(a)562)2)激光打印机开始工作时，感光鼓旋转通过激光打印机开始工作时，感光鼓旋转通过打底电晕丝，使整个打底电晕丝，使整个感光鼓的表面带感光鼓的表面带上上电电荷荷，如图（，如图（b b）所示。）所示。打底电晕丝(b)(b)+鼓表面未带电荷感光鼓旋转方向鼓表面带电荷573)3)打印机处理器将打印数据转换成可以驱动打印打印机处理器将打印数据转换成可以驱动打印引擎动作的引擎动作的信号信号组组(类似数据表类似数据表)，并送至激光，并送至激光发射器

50、。发射器。发射器发射器发射的激光照射在发射的激光照射在多棱反射镜多棱反射镜上，反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依上，反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依照打印数据来决定照打印数据来决定激光的发射或停止。激光的发射或停止。每个光点打在反射每个光点打在反射镜上，随着反射镜镜上，随着反射镜的转动，不断变换的转动，不断变换角度，将激光点反角度，将激光点反射到射到感光鼓感光鼓上，如上，如图（图（c c）所示。）所示。(c)(c)多棱反射镜激光发射器584)4)感光鼓上被激光照到的点将感光鼓上被激光照到的点将失去电荷失去电荷，在感光，在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化现象磁化