1、1.11.2计算机图形学的应用计算机图形学的应用 计算机图形学的概念与研究内容计算机图形学的概念与研究内容 1.11.2计算机图形学的应用计算机图形学的应用 计算机图形学的概念与研究内容计算机图形学的概念与研究内容 凡是能够在人的视觉系统中形成凡是能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。视觉印象的客观对象都称为图形。如：如：(1)自然景物自然景物 (2)照片和图片照片和图片 (3)工程图、设计图和方框图工程图、设计图和方框图 (4)人工美术绘画、雕塑品人工美术绘画、雕塑品 (5)用数学方法描述的图形用数学方法描述的图形 （包括几何图形、代数方（包括几何图形、代数方 程、分析表达式
2、或列表所程、分析表达式或列表所 确定的图形）确定的图形）广义的图形概念广义的图形概念 是指由点、线、是指由点、线、面、体等面、体等几何要素几何要素和和明暗、灰度（亮明暗、灰度（亮度）、色彩等非几度）、色彩等非几何要素何要素构成的，从构成的，从现实世界中抽象出现实世界中抽象出来的带有灰度、色来的带有灰度、色彩及形状的图或形。彩及形状的图或形。计算机图形学中的图形概念计算机图形学中的图形概念计算机图形学计算机图形学(Computer Graphics,简称：简称：CG)是研究如何在是研究如何在计算机环境下生成、处理和显示图形的一门学科。计算机环境下生成、处理和显示图形的一门学科。计算机图形学的主要
3、研究对象计算机图形学的主要研究对象 在计算机环境下景物的在计算机环境下景物的几何建模方法几何建模方法(modeling)、对模、对模型的型的处理方法、处理方法、几何模型的几何模型的绘制技术绘制技术(rendering)、图形、图形输入和控制的输入和控制的人机交互界面人机交互界面(user interface)。例如，要研究如何在计算机上表示飞机和汽车外形、方便地例如，要研究如何在计算机上表示飞机和汽车外形、方便地对飞机和汽车外形进行修改、快速地绘制它们的真实感图形对飞机和汽车外形进行修改、快速地绘制它们的真实感图形计算机图形学产生真实感图形的过程计算机图形学产生真实感图形的过程绘制绘制处理处理
4、建模建模建立对物体完整的几何描述建立对物体完整的几何描述 对物体做一系列的变换，以对物体做一系列的变换，以反映观察者和物体的位置关系反映观察者和物体的位置关系 通过绘制过程生成物体通过绘制过程生成物体的真实感图形的真实感图形 图像处理（图像处理（Image Processing）它是用摄像机或扫描仪等手段将客观世界中原来存在的图形它是用摄像机或扫描仪等手段将客观世界中原来存在的图形摄制成数字化图像，对图像进行处理、分析和理解，从图像摄制成数字化图像，对图像进行处理、分析和理解，从图像中提取所关注的图形的二维或者三维几何信息。中提取所关注的图形的二维或者三维几何信息。图像图像 处理的研究内容处理
5、的研究内容图像增强、边缘提取和图像分割、图像压缩、纹理分析、形图像增强、边缘提取和图像分割、图像压缩、纹理分析、形状特征提取、模式识别和三维形体重建等。状特征提取、模式识别和三维形体重建等。计算机模拟和仿真计算机模拟和仿真计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造(computer aided design and manufactory，CAD/CAM)地理信息系统地理信息系统(geographical information system,GIS)计算机动画和艺术计算机动画和艺术科学计算可视化科学计算可视化(visualization in scientific computing，VS)虚
6、拟现实虚拟现实(virtual reality,VR)（1）计算机辅助设计与制造）计算机辅助设计与制造计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)已广泛应用已广泛应用于飞机、汽车、于飞机、汽车、船舶的外形设计船舶的外形设计、电路设计，以及建筑、电路设计，以及建筑、服装、服装、印染、玩具设计等领域。印染、玩具设计等领域。CAD技技术使得工程、产品设计和施工图术使得工程、产品设计和施工图纸不必再由人工绘制，可大大缩纸不必再由人工绘制，可大大缩短设计周期。短设计周期。雪佛莱敞篷轿车曲面造型雪佛莱敞篷轿车曲面造型应用应用CAD系统进行设计，可系统进行设计，可1）获得产品的精确表示和显示结果，）获得产品的精确
7、表示和显示结果，2）在计算）在计算机中建立对象的数据模型，机中建立对象的数据模型，3）进行各种性能分析计算，）进行各种性能分析计算，4）对设计做修改，）对设计做修改，5）制造过程和设计结果联系起来，设计结果直接传送至后续工艺进行加工。）制造过程和设计结果联系起来，设计结果直接传送至后续工艺进行加工。（2）科学计算可视化）科学计算可视化 可视化技术已广泛应用于流可视化技术已广泛应用于流体力学、有限元分析、医学、体力学、有限元分析、医学、天气预报、海洋和空间探测天气预报、海洋和空间探测等领域。等领域。科学计算可视化就是利用计算机图形生成技术，将科学及工程科学计算可视化就是利用计算机图形生成技术，将
8、科学及工程计算中的计算数据和测量数据等以图形的形式显示出来，使人计算中的计算数据和测量数据等以图形的形式显示出来，使人们能观察到用常规手段难以观察到的自然规律和自然现象。们能观察到用常规手段难以观察到的自然规律和自然现象。（3）计算机动画）计算机动画 计算机生成的场景可单独显示，也可以与演员及实际场景混合计算机生成的场景可单独显示，也可以与演员及实际场景混合显示，以生成各种逼真的虚拟场景画面和特技效果，从而为人显示，以生成各种逼真的虚拟场景画面和特技效果，从而为人们提供一个充分展示个人想象力和艺术才能的空间。们提供一个充分展示个人想象力和艺术才能的空间。（4）计算机模拟和仿真）计算机模拟和仿真
9、 计算机模拟和仿真是利用计算机产生真实（虚拟）场景，模拟场景中对象计算机模拟和仿真是利用计算机产生真实（虚拟）场景，模拟场景中对象随时间变化的行为和规律。通过虚拟对象的行为和规律，研究液体流动、随时间变化的行为和规律。通过虚拟对象的行为和规律，研究液体流动、热流、核反应、结构有负载时的变形、复杂产品的加工过程和大工程的完热流、核反应、结构有负载时的变形、复杂产品的加工过程和大工程的完工后的效果等。工后的效果等。（5）虚拟现实虚拟现实 虚拟现实（虚拟现实（Virtual Reality:VR）是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空是指由计算机实时生成一个虚拟的三维空间。用户可在其中自由的运动，随意
10、观察周围的景物，通过一些特殊的设间。用户可在其中自由的运动，随意观察周围的景物，通过一些特殊的设备与虚拟物体进行交互操作。在此环境中，用户看到的是全立体彩色景象，备与虚拟物体进行交互操作。在此环境中，用户看到的是全立体彩色景象，听到的是虚拟环境中的声响，手或脚可以感受到虚拟环境所反馈给它的作听到的是虚拟环境中的声响，手或脚可以感受到虚拟环境所反馈给它的作用力，从而使用户产生一种用力，从而使用户产生一种身临其境的感觉。身临其境的感觉。第2章 计算机图形系统及硬件基础本章内容2.1 概述12.2 图形显示设备22.3 图形绘制设备32.4 图形输入设备4 计算机图形系统是用来生成、处理和显示计算机
11、图形系统是用来生成、处理和显示图形的一整套硬件和软件，通常由以下三图形的一整套硬件和软件，通常由以下三部分构成：部分构成：中央处理机中央处理机 图形输入设备图形输入设备 图形输出设备图形输出设备2.1 概述2.1.1 计算机系统中的图形设备中央处理机（CPU）中央处理器完成对图形的描述、建立、中央处理器完成对图形的描述、建立、修改等各种计算，并对图形实现有效的修改等各种计算，并对图形实现有效的存储。存储。许多外部设备增加了固化的图形处理功许多外部设备增加了固化的图形处理功能（如显卡、绘图机等），可以接受更能（如显卡、绘图机等），可以接受更高级的绘图命令，不但能实现图形的缓高级的绘图命令，不但能
12、实现图形的缓冲，而且能完成大部分图形函数的功能，冲，而且能完成大部分图形函数的功能，从而大大减轻了中央处理机的负担，提从而大大减轻了中央处理机的负担，提高了输出速度。高了输出速度。1 图形输入设备将用户的图形数据、各种命令等转换成图形输入设备将用户的图形数据、各种命令等转换成电信号送给计算机电信号送给计算机 。常用的图形输入设备常用的图形输入设备 键盘键盘 鼠标鼠标 另外另外 跟踪球、空间球跟踪球、空间球 光笔、数字化仪、触摸板、光笔、数字化仪、触摸板、图形扫描仪、手图形扫描仪、手写输入板写输入板 语音输入语音输入 数据手套数据手套图形输入设备2 图形输出设备将计算机处理好的结果转换成可见的图
13、形图形输出设备将计算机处理好的结果转换成可见的图形 图形显示设备图形显示设备:用于在屏幕上输出图形用于在屏幕上输出图形 基于阴极射线管的监视器基于阴极射线管的监视器 液晶显示器液晶显示器 等离子显示器等离子显示器 图形绘制设备图形绘制设备:用于把图形画在纸上，也称硬拷贝用于把图形画在纸上，也称硬拷贝 打印机打印机 绘图仪绘图仪图形输出设备32.1.2 图形系统的基本功能一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出和交互等基本功能，各功能之间的关系如下：输入计算输出存储交互图形输入设备图形输出设备显示器数据库1.计算功能2.1.2 图形系统的基本功能1)图形的描述、分析和设计；2)点、线（
14、包括直线和曲线）、面（包括平面和曲面）的表示及其求交、分类（用于图形的集合运算）；3)图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换；4)曲线、曲面的生成；5)图形的交点、交线、交面的计算；6)光、色模型的建立和计算；7)图形之间相互关系的检测等。2.存储功能2.1.2 2.1.2 图形系统的基本功能图形系统的基本功能3.输入功能在计算机的内存、外存中能存放各种图形数据，尤其是各种图形的几何数据及图形之间的相互关系以及各种属性信息，并可基于设计人员的要求快速方便地实现对有关信息的实时检索和对图形的删除、增加、修改等操作。通过图形输入设备将基本的图形数据（如点、线等），图形的形状、尺寸，必要的参数和各种
15、绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形。其中约束条件、属性参数都是必不可少的。4.输出功能图形系统应具有文字、图形、图像信息的输出功能，以方便长期保存分析计算的结果或交互需要的图形和非图形信息。根据对输出结果的精度、形式和时间等的不同要求，相应的有多种不同的输出设备。5.交互功能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，通过观察屏幕上显示的计算结果和图形，利用选择、定位等手段对不满意的部分进行修改。另外，可以由系统追溯到以前的工作步骤，跟踪检索出出错的地方，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。2.1.2 2.1.2 图形系统的基本功能图形系统的基本功能2
16、.2 图形显示设备图形显示设备主要有以下三种：CRT显示器液晶显示器等离子显示器2.2.1 CRT显示器1.CRT显示原理CRT显示器主要由阴极、电 平 控 制 器（即 控 制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这6部分都在真空管内。CRT的原理图的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。荧光纷（磷粉涂层）电子枪 偏转系统 荧光屏第一阳极 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阴极被灯丝加热后，会发出电子（带负电荷）并形
17、成发散的电子云（由于电子带同种电荷相互排斥而形成）。在CRT表面的内侧是阳极荧光粉的涂层，如果不加控制，电子受到带正电荷的阳极（实际上是与加速极连通的CRT屏幕内侧的石墨粉涂层）的吸引轰击荧光粉涂层时，将漫射整个荧光屏，形成明亮的白光。但是在聚焦系统的作用下，电子云会聚焦成很细的电子束，在荧光屏的中心形成一个单一的亮点。亮点持续发光的时间一般在毫秒或微秒数量级之间，所以要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束。2.2.1 CRT显示器2.2.1 CRT显示器电平控制器用来控制电子束的强弱，加正电压时，电子束会大量通过，在屏幕上形成较亮的点，加负电压时，依据所加电压的大小，电子束被部分或全
18、部阻截，通过的电子很少，屏幕上的点也就比较暗。所以改变阴极和控制电平之间的电位差，就可调节电子束的电流密度，改变所形成亮点的明暗程度。聚焦后的电子束通过加速系统达到轰击荧光屏应有的速度后，利用偏转系统（包括水平方向和垂直方向的偏转板）可将电子束精确定位在屏幕的任意位置上。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角。屏幕越大，要求的最大偏转角度就越大。但是磁偏转系统的最大偏转角度有限，为达到大屏幕的要求，只能将显像管加长。2.2.1 CRT显示器要保持屏幕上有稳定的图像就必须不断地发射电子束。刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次。而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
19、格式的视频图像显示的过程就叫扫描转换。扫描格式和刷新频率是由视觉特性和电子学原理决定的（视觉残留）。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60帧，即60Hz时，人眼才能感觉不到屏幕闪烁，要使人眼觉得舒服，一般必须有85Hz以上的刷新频率。隔行扫描技术 每一帧分为两个场显示，每个场只包含一半画面。两个每一帧分为两个场显示，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扫描行，另一个场场是交错的，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，两个场以包含所有的偶数扫描行，两个场以1/601/60秒的时间间隔交秒的时间间隔交替显示。替显示。扫描从奇数场左上角
20、开始，每一行的扫描方向都是自左扫描从奇数场左上角开始，每一行的扫描方向都是自左向右。电子束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下向右。电子束在横向扫描的同时以一个较低的速率向下移动，当电子束到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返移动，当电子束到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左端，这个过程称为回屏幕左端，这个过程称为水平回扫水平回扫。接着下一奇数行。接着下一奇数行重复这一过程。重复这一过程。隔行扫描技术 当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着电当整场扫描完毕时，扫描线正好停在底部的中央。接着电子束迅速回到屏幕顶部中央，这就是子束迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直回扫奇数场垂直回扫
21、。接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角，垂接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角，垂直回扫后电子束返回屏幕左上角。直回扫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1234567有七条扫描线的隔行扫描2.2.1 CRT显示器2.2.彩色彩色CRTCRT的显示原理的显示原理彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，分别能发红、绿、蓝三种颜色的光，而三个电子枪（每个电子枪都由一个加热器、一个金属阴极和一个电平控制器组成）也发出三束电子束来激发这三种物质。电子枪通常成三角形排列，与CRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。RBGRBGRBGRBGBRBGRGR
22、BGRBGRBGRBGRBGRBGRBGBRBGRG荫罩式CRT荧光点的排布方案2.2.1 CRT显示器荫罩式显示器电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。为保证每个电子枪都能击中对应颜色的荧光点，在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属控制网格（即荫罩）。控制网格与荧光点排列成相同的三角形或直线型。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束都汇聚于荫罩上。这样，某颜色的电子束通过荫罩后，就可避免和另外两种颜色的荧光点相交，而只与自己对应颜色的荧光点相交。彩色CRT电子枪和荫罩的排布绿枪电子束蓝枪电子束红枪电子束荫罩屏幕红绿蓝荧光点荫栅式显示器2.2.1 CRT显示器荫栅式显象管的红、绿、蓝三色荧光点
23、在屏幕上呈垂直条形排列，并将荫罩网改为条状荫栅，这种条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的互相平行的垂直铁线阵列组成，且整个栅栏从屏幕顶一直通到屏幕底。电子枪发出的三个电子束穿过栅条打在荧光条上使其发光。荫栅式CRT工作原理图荫栅荧光屏BGR蓝绿红荫罩式与荫栅式的区别2.2.1 CRT显示器从原理来说，荫罩式显示器和荫栅式显示器只是射线的选择方式和荧光点的排列不同而已。从显示效果来说，荫栅式显示器的荫栅可以透过更多的光线，从而可以达到更高的亮度和对比度，令图像色彩更加鲜艳、逼真和自然；另外，其栅距经过长时间使用也不会改变，就算使用多年也不会出现画质的下降。l 荫栅式显示器：也称栅距，是指显示器
24、平行的光栅之间的距离，一般都在0.25mm以下；l 荫罩式显示器：指屏幕上两个相邻的相同颜色荧光点之间的对角线距离(或水平距离)，称为对角点距(或水平点距)。l 屏幕大小一定的前提下，点（栅）距越小，则屏幕上的象素排列越紧密，图像就越清晰细腻。显然，荫栅式显象管比荫罩式的要精细的多。2.2.1 CRT显示器点距GGGBBBRRd=0.25mm(a)点距(栅距)为0.25mm的柱面显示器0.24mmd=0.28mm(b)点距为0.28的球面显示器柱面和球面显示器的点距定义示意图 是画点设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每个是画点设备，可看成一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元的亮度。点
25、阵单元的亮度。发出的电于束的偏转方式是固定的，自上而下，从左到右发出的电于束的偏转方式是固定的，自上而下，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。图形是通过电子束扫描到光栅上的图形象素点时呈现的亮图形是通过电子束扫描到光栅上的图形象素点时呈现的亮度或颜色与光栅背景的亮度或颜色不同而衬托出的，可形度或颜色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色的实面积自然图像。成多级灰度或颜色的实面积自然图像。由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像所需的时间等由于图像是由像素阵列组成，显示一幅图像所需的时间等于显示整个光栅所需的时间，而与图像的复杂程度无关。于显示整个光
26、栅所需的时间，而与图像的复杂程度无关。3.3.光栅扫描式的图形显示器光栅扫描式的图形显示器2.2.1 CRT显示器一般在像素矩阵中不能直接从一个点到另一个点（或一个像素到另一个像素）画一条笔直的直线，但可以用一系列的点（或像素）来近似地表示这条直线。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，其他情况下的直线均呈阶梯状，这种现象称为走样或锯齿。2.2.1 CRT显示器光栅化的直线(b)ABCD图像元素或像素可寻址点B(a)A帧缓存是一块连续的存储空间。帧缓存是一块连续的存储空间。光栅中的每个像素在帧缓存中至光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有少要有1位位(bit)
27、,每个像素每个像素1位的存位的存储容量称为储容量称为位面位面(bit plane)。画。画面就是由帧缓存中的这些位信息面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。组成的。图形在计算机中是一位一位产生图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有的，每一个存储位只有0或或1两个两个状态，则一个位面的帧缓存只能状态，则一个位面的帧缓存只能产生黑白图形。产生黑白图形。帧缓冲存储器（帧缓存）实现光栅CRT图形显示器的最常见方法是使用帧缓存。2.2.1 CRT显示器 帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，要把帧缓存帧缓存是数字设备，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出，必须经过中的
28、信息在光栅显示器屏幕上输出，必须经过数字数字/模拟模拟转换转换，这个工作由，这个工作由DAC（数（数/模转换器）完成。模转换器）完成。2.2.1 CRT显示器单个位面黑白帧缓存组成的光栅CRT图形显示器帧缓冲存储器CRT光栅电子枪寄存器1DAC2.2.1 CRT显示器N00帧缓冲存储器1N=3 2N级1004 2N DAC寄存器N电子枪CRT光栅 由N个位面组成的灰度帧缓冲存储器显示器上每个像素的亮度由它在各个位面中对应的值共同决定，把各个位面上与当前像素对应的0，1值读入寄存器相应的位,最终得到的二进制数就是像素的灰度等级，其范围在02N1之间。如果增加帧缓存的位面数，光栅显示器可以表示彩色
29、或不同的灰度等级。为避免帧缓存的增加，可使用颜色查找表来获得更多的灰度级别，下表是三个帧缓存位面对应的颜色表。从帧缓存位面中读出的数是颜色查找表的索引，通过该索引值从颜色表中取得真正的颜色值。红（R）绿（G）蓝（B）黑000红100绿010蓝001黄110青011紫101白1112.2.1 CRT显示器2.2.1 CRT显示器 具有N位帧缓存和W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 DAC1 0 1 1W=4CRT光栅颜色查找表必须有2N 项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可以有
30、2W个灰度等级，但一次只能同时使用其中的2N个。如果要使用2N种以外的灰度等级，需要改变颜色查找表中的内容。下图中，W=4，N=3,通过设置颜色查找表可以产生16种灰度。2.2.1 CRT显示器由于只有三种原色，所以可以用三个位面实现一个简单的彩色帧缓冲存储器。下图为简单的彩色光栅显示器，由分别对应红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色的三个位面的帧缓存、DAC，三个电子枪和CRT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红一个简单的彩色光栅显示器可通过增加每个颜色的电子枪所对应的帧缓存位面，来提高颜色种类的灰度等级。如下图，每种原色电子枪有8个位面的帧缓
31、存和8位的DAC，每种原色有28种灰度等级，三种原色的组合有224种颜色。这种显示器称为全色光栅扫描图形显示器，其帧缓存称为全色帧缓存。2.2.1 CRT显示器彩色电子枪蓝8位DAC8位DAC8位DAC绿红8寄存器蓝 17210011001N8绿 1200011000帧缓冲存储器8红 3600010001CRT光栅一个具有24个位面的彩色帧缓存若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找表的地址索引，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。2.2.1 CRT显示器彩色电子枪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24个位面的彩色帧缓
32、存和10位颜色查找表的结构图2.2.1 CRT显示器光栅扫描显示器的主要性能参数：12分辨率：指显示器在屏幕水平(垂直)方向可显示多少像素。分辨率越高，显示的字符或图像越清晰。刷新频率：即屏幕刷新的速度。刷新频率越低，图像闪烁和抖动的就越厉害，眼睛疲劳的就越快。过低的刷新频率，会产生令人难受的频闪效应。3水平扫描频率：又称为行频，是指电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平点数，以KHz为单位。行频越大越好，至少要达到50KHz。456亮度等级数目和色彩：亮度等级数目主要指单种颜色亮度可变化的数目，亮度等级范围的提升可以使图像看上去更加柔和自然。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颜色数
33、，与荧光屏的质量有关，并受显示存储器VRAM大小的影响。2.2.1 CRT显示器点距：指同一像素中两个颜色相近的荧光体间的距离，与图像分辨率有关。点距越小，显示出来的图像越细腻，当然其成本也越高。显示速度：显示字符、图形，特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。可用最大带宽(即水平像素数垂直像素数最大刷新频率)来表示。2.2.2 液晶显示器v 液晶即液态晶体，是一种介于固态和液态之间，具有线状结晶结构的分子及规则性分子排列的有机化合物，可像液体那样流动。v 液晶分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、温度和应力等外部条件作用时会重新排列。1.液晶的物理特性v 当通电和不通电时液晶分子
34、处于两种不同的排列，通电时，排列变得有秩序，光线容易通过；不通电时，排列变得混乱，阻止光线通过。在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有沟槽的上下夹层之在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有沟槽的上下夹层之间的。这两个夹层上的槽互相垂直（相交成间的。这两个夹层上的槽互相垂直（相交成9090）。）。接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列，而接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列，而接近下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向来排列，因接近下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向来排列，因此位于两个夹层之间的液晶分子被强迫处入一种此位于两个夹层之间的液晶分子被强迫处入一种9090扭转扭转的状态。的状
35、态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时最终也被扭转最终也被扭转9090。但当液晶上加一个电压时，分子不再。但当液晶上加一个电压时，分子不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态，使光线不发生按照正常的方式排列，而变成竖立的状态，使光线不发生任何扭转而无法通过。任何扭转而无法通过。2.2.2 液晶显示器2.单色液晶显示器的原理 液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，偏光板上是一系列液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，偏光板上是一系列逐步变细的平行线，这些线形成一张网，阻断不与它们平逐步变细的平行线，这些线形成一张网，阻断不与它们平行的所有
36、光线。行的所有光线。两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。自然光线是朝所有方向随机发散的，在正常情况下光线从自然光线是朝所有方向随机发散的，在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，然后光线经过液晶通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，然后光线经过液晶分子的扭转通路，到达下偏光板时正好被扭转分子的扭转通路，到达下偏光板时正好被扭转90，与下，与下偏光板的平行线相匹配，从而可以通过下偏光板形成一条偏光板的平行线相匹配，从而可以
37、通过下偏光板形成一条完整的光线穿透路径，结果在显示屏上出现白色，如图完整的光线穿透路径，结果在显示屏上出现白色，如图2.15(a)所示。所示。2.2.2 液晶显示器 若为液晶加一个电压，液晶分子会重新排列，变成竖立状若为液晶加一个电压，液晶分子会重新排列，变成竖立状态，使光线不再扭转，从而无法通过下偏光板，结果在屏态，使光线不再扭转，从而无法通过下偏光板，结果在屏幕上出现黑色，如图幕上出现黑色，如图2.15(b)所示。所示。2.2.2 液晶显示器偏光板偏光板光线光线液晶分子图2.15 液晶显示器原理示意图(a)(b)彩色彩色LCD具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。具备专门处理彩色显示的色彩过滤
38、层。通常，彩色通常，彩色LCD面板中，每一个像素都由面板中，每一个像素都由3个液个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。2.2.2 液晶显示器3.彩色液晶显示器的工作原理彩色LCD具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，彩色LCD面板中，每一个像素都由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。
39、彩色LCD具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，彩色LCD面板中，每一个像素都由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。彩色LCD具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，彩色LCD面板中，每一个像素都由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。单色的单色的TN（Twisted Nematic）液晶显示器本身只有明暗）液晶显示器本身只有明暗两种情形，并不能做到色彩的变化；两种情形，并不能做到色彩的变化；STN（Su
40、per Twisted Nematic）液晶显示器由于受液晶材）液晶显示器由于受液晶材料和光线干涉现象的影响，显示的色调都以淡绿色与橘色料和光线干涉现象的影响，显示的色调都以淡绿色与橘色为主，如果在单色的为主，如果在单色的STN显示器上加一彩色滤光片，并将显示器上加一彩色滤光片，并将单色显示矩阵的任一像素分成三个子像素，分别通过彩色单色显示矩阵的任一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经过三原色比例的调和，滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经过三原色比例的调和，也可以显示出全彩模式的色彩。也可以显示出全彩模式的色彩。DSTN（Double-layer Super Twis
41、ted Nematic）显示器与）显示器与STN的原理相同，只不过采用双扫描技术，扫描屏幕被分的原理相同，只不过采用双扫描技术，扫描屏幕被分成两部分，成两部分，CPU同时对这两部分进行刷新，刷新频率比单同时对这两部分进行刷新，刷新频率比单扫描（扫描（STN）快一倍，提高了占空率，改善了显示效果。）快一倍，提高了占空率，改善了显示效果。2.2.2 液晶显示器TFT（Thin Film Transistor）型显示器）型显示器 主要包括：荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻主要包括：荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等等。璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等
42、等。工作过程：液晶显示器先利用背光源，即荧光灯管工作过程：液晶显示器先利用背光源，即荧光灯管投射出光线，这些光线先经过一个偏光板然后再经过液投射出光线，这些光线先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式改变了穿透液晶的光线角晶，这时液晶分子的排列方式改变了穿透液晶的光线角度。然后这些光线经过前方的彩色滤光膜与另一块偏光度。然后这些光线经过前方的彩色滤光膜与另一块偏光板。因此，只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后板。因此，只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，进而能在液晶面板上变化出有出现的光线强度与色彩，进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合。不同深浅
43、的颜色组合。2.2.2 液晶显示器2.2.2 2.2.2 液晶显示器液晶显示器4.液晶显示器的特点优点：工作电压低、功耗小；无辐射，对人体健康无损害，且利于信息保密；完全平面，无闪烁、无失真，可视面积大，又薄又轻，能大量节省空间，适应更多的应用领域；易于色彩化，因为在色谱上可以非常准确的复现；抗干扰能力也比CRT显示器强得多。缺点：视角太小、亮度和对比度不够大。可视角是指站在始于屏幕法线的某个角度的位置时仍可清晰看见屏幕图像所构成的最大角度，对显示器来说，可视角愈大愈好。等离子显示器是一种利用气体放电的显示装置，由晶格等离子显示器是一种利用气体放电的显示装置，由晶格矩阵（光栅）组成，每个晶格充
44、有低压气体。矩阵（光栅）组成，每个晶格充有低压气体。2.2.3 等离子显示器1.等离子显示器的原理v 在高压电作用下，气体会电离解，即电子从原子中游离出来。电离解后的气体称为等离子体，所以将这种显示器称为等离子显示器。当电子又重新与原子结合在一起时，能量就会以光子的形式释放出来，这时气体就会释放出具有特征的橙红色辉光。2.2.3 2.2.3 等离子显示器等离子显示器*等离子显示器类型：交流（AC）激发的、直流（DC）激发的、交直流（AC/DC）混合激发的。阴极玻璃电介质隔板透明阳极玻璃气泡要点亮某个地址的气泡，开始要在相应行上加较高的电压，等该气泡点亮后，可用低电压维持气泡的亮度。要关掉某个气
45、泡，只需将相应的电压降低。直流激发的等离子显示器的结构图2.2.3 2.2.3 等离子显示器等离子显示器交流激发的等离子显示器电介质层夹在导体和气体中间，气体和导体之间的电耦合是电容性的，要用交流电压离解气体。使用双稳态存储器，无须连续刷新屏幕。混合式等离子显示器用交流电激活像素前先用直流电压激活气体，这样气体更容易被交流电压激活。省去了驱动电路，使制造大尺寸高分辨率的等离子显示器成为可能。2.2.3 2.2.3 等离子显示器等离子显示器2.等离子显示器的特点优点：重量较轻、完全无X射线辐射；屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；对比度高，可达到500:1，；各个发光单元的结构完全相同，不
46、会出现某些区域聚焦不良或因使用时间过长出现散焦的毛病；屏幕更平展，图像无扭曲变形；具有良好的防电磁干扰功能；散热性能好，无噪音困扰；具有超宽视角，可达到60英寸。缺点：价格较高，显示屏上的玻璃较薄，屏幕较脆弱。2.2.4 2.2.4 三种显示技术的比较三种显示技术的比较好好一般平面度小小大厚度好一般中分辨率好适中好亮度大小大屏幕中小大功耗等离子显示器液晶显示器丰富中丰富色彩大小大视角高中低价格好差好灰度等级好差中对比度阴极射线管性 质2.3 2.3 图形绘制设备图形绘制设备2.3.1 2.3.1 喷墨打印机喷墨打印机 是一种光栅设备，特别适合于是一种光栅设备，特别适合于低开销的彩色打印输出，基
47、本低开销的彩色打印输出，基本原理是将小墨点喷射到介质上，原理是将小墨点喷射到介质上，形成文字和图形。形成文字和图形。分为连续喷墨和即用即喷两种分为连续喷墨和即用即喷两种类型。前者的墨汁是连续喷射类型。前者的墨汁是连续喷射的，射速较快，但需要墨水泵的，射速较快，但需要墨水泵和墨水回收装置，结构比较复和墨水回收装置，结构比较复杂。后者只有在需要写点的时杂。后者只有在需要写点的时候才喷射墨汁，射速较低，不候才喷射墨汁，射速较低，不需墨水瓶和墨水回收装置。需墨水瓶和墨水回收装置。2.3.1 2.3.1 喷墨打印机喷墨打印机喷墨装置多数情况安装在类似打印机的机头上，纸或胶片绕在滚筒上快速旋转，喷墨头在滚
48、筒上缓慢水平运动。墨水泵将黄、品红、青三种颜色的墨水分别注入3支很细的喷笔中。在高压下，墨水通过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。喷墨打印机的结构绘图机控制部件墨水泵滚筒喷笔笔架丝杠电机步进电机纸或胶片喷墨打印机的分辨率取决于墨滴的大小，也就是喷嘴的大小。由于喷嘴极小，所以喷嘴堵塞、墨水玷污、墨水带气泡都是严重的问题。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硬拷贝，此时图像分辨率受到视频输入分辨率的限制。2.3.1 2.3.1 喷墨打印机喷墨打印机2.3.2 2.3.2 笔式绘图机笔式绘图机滚筒式绘图机平板式绘图机笔式绘图机是矢量型设备，绘图笔相对纸作随意移动。笔式绘图机
49、分为滚筒式和平板式两种。2.3.2 2.3.2 笔式绘图机笔式绘图机1.滚筒式绘图机滚筒式绘图机结构Y方向步进电机X 方向步进电机笔架落笔抬笔+X+Y绘图纸卷在滚筒上，筒两边有链轮，步进电机带动链轮作正向和反向旋转，使图纸产生X方向的正向和负向运动，滚筒上方有笔架，笔架上的画笔由另一个步进电机带动作Y方向的正负向往返运动，两种运动的结合使画笔画出各种图形。另外，Y方向上的笔架可翻转一个小角度，这一翻转可实现抬笔、落笔。笔架上可存放各种颜色和粗细的画笔，当向绘图机发出更换笔的命令时，绘图机可自动换笔，绘出更令人满意的图案。2.3.2 2.3.2 笔式绘图机笔式绘图机滚筒式绘图机的特点结构简单，价
50、格便宜，但绘图精度比平板式绘图机低，而且所绘的图形卷在滚筒上面，绘图过程不易看清，并对纸张的大小有一定的要求。滚筒式绘图机可与计算机联机工作，也可脱机工作。脱机方式是利用计算机先将计算好的绘图信息记入磁带，再通过磁带阅读机把信息读出去控制滚筒式绘图机自动绘图。脱机绘图不占用计算机的时间。2.3.2 2.3.2 笔式绘图机笔式绘图机2.平板式绘图机绘图台面为一块固定平板，图纸以静电方式、真空方式或直接铺在台面上。绘图笔在纸上可沿X和Y两个方向运动，而图纸通常静止不动，装有笔架的导轨在平面上作X方向移动，笔架在导轨上作Y方向移动，两种运动相配合可画出多种图形。平板式绘图机结构X方向步进电机Y方向步
