1、2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-71第第2章章 图形设备图形设备 计算机图形系统包含哪些外部设备？图形输入设备：概念、特点图形显示设备：概念、结构原理、工作方式、特点图形绘制设备：概念、特点提出问题提出问题2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-722.1 图形输入设备图形输入设备2.1.1 键盘（键盘（keyboard）2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-732.1.2 鼠标器鼠标器(mouse)鼠标按测量位移可分为鼠标按测量位移可分为：用鼠标底部的转轮或滚轮来记录移动的总量和方向。采用光学感应器来检测鼠标运动。Z鼠标鼠标2022-7-2
2、2华中科技大学计算机学院 陆枫 99-742.1.3 光笔光笔(light pen)光笔光笔是一种检测装置，它靠检测荧光屏上的发光点来选择屏幕的位置坐标。光孔透镜组笔体触钮开关光导纤维导线图2-2 光笔的结构2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-752.1.4 触摸屏触摸屏(touch screen)这种装置以手指触摸的方式选择屏幕位置。触摸板(touch panel)2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-76 红外线式触摸屏 电阻式触摸屏 电容式触摸屏 声波触摸屏 2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-772.1.5 操纵杆操纵杆(joysti
3、ck)2.1.6 跟踪球（跟踪球（trackball）和空间球（和空间球（spacegall）跟踪球跟踪球用作两维定位设备。空间球空间球提供6个自由度。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-782.1.7 数据手套数据手套(data glove)数据手套数据手套是一种戴在手上的传感器，它能给出用户所有手指关节的角度变化，来自手套的输入，可用来给虚拟场景中的对象定位或操纵该场景。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-792.1.8 数字化仪数字化仪(digitizer)数字化仪数字化仪用来在所作的画或对象上扫描，并输入一组坐标位置，相互以直线段连接，以逼近曲线或表
4、面形状。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7102.1.10 图象扫描仪图象扫描仪(scaner)图象扫描仪图象扫描仪可直接把图纸、图表、照片、广告画等输入到计算机中，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。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7112.1.11 声频输入系统声频输入系统 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。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7122.1.12 视频输入系统视频输入系统视频信号采集板（卡）、视频信号输入卡、视频信号
5、处理装置视霸卡（video blunster）图形输入设备实例图形输入设备实例I、II2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7132.2.1 阴极射线管阴极射线管CRTCRT（Cathode Ray Tube）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。2.2 图形显示设备图形显示设备2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-714从外形上看，CRT为：管颈部分、锥体部分、屏幕部分管颈部分、锥体部分、屏幕部分 从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统电子枪、偏转系统、荧光屏、荧光屏灯丝阴极加速极控
6、制栅聚焦极加速极偏转系统荧光屏图2-3 CRT的构造（磁偏转）2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-715(1)电子枪电子枪电子枪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.在荧光屏上应能聚焦很小的光亮，以保证显示器有足够的分辨率。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-716电子枪的结构电子枪的结构 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)三极电子枪图2-4 电子
7、枪示意图 以上五个电极用玻璃绝缘柱支撑组装成一个坚实的整体，总称为电子枪电子枪。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-717(2)偏转系统偏转系统电子束偏转有电偏转电偏转和磁偏转磁偏转两种方法磁偏转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。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-718图2-5 显象管中电子束的偏转电子束荧光屏偏转线圈磁场2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-719造成枕形失真造成枕形失真可以导出，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。（b)枕形失真2022-7-22华中科技大学计算机学
8、院 陆枫 99-720校正的措施有二校正的措施有二：一是将产生偏转磁场的锯齿形电流预先产生一些失真；二是“桶形失真”（a)桶形失真2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-721电偏转电偏转灯丝阴极加速极控制栅聚焦极加速极荧光屏图2-7 CRT的构造（电偏转）水平偏转板垂直偏转板2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-722(3)CRT的荧光屏的荧光屏CRT荧光屏（Phosphor Screen）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对荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间
9、合适以及寿命长等。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7232.彩色阴极射线管彩色阴极射线管三基色原则三基色原则荫罩式彩色显象管荫罩式彩色显象管主要结构：三色荧光屏、三支电子枪、荫罩板2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-724三色荧光屏 RGBRGBRGBRGBRGBRRGBGRBRBGB三色荧光屏荫罩三色荧光屏RGBRGBRGBRGBRGBRRGBGRBRBGBRGB图2-9 荫罩及彩色显象管上荧光小点的排列荫罩板2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-725显示原理显示原理 三支电子抢电子束小孔荫罩三色荧光屏图2-8 荫罩式彩色显象管原理三
10、支电子枪2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-726缺点缺点 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 管子的亮度低 要提高管子的亮度，则需提高第二阳极的高压 荫罩三色荧光屏RGBRBRGRGBR2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-727黑底荫罩管黑底荫罩管GRBRGGRBBRGRB彩色显象管必须满足色纯色纯度、会聚会聚和白色平衡白色平衡的要求2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-728穿透式彩色显示原理穿透式彩色显示原理结构结构v0绿色荧光粉红色荧光粉2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-72
11、9缺点缺点：当图形彩色转换速度很快时，相应的高压转换速度亦迅速，这要求转换速度精度功耗2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7302.2.2 CRT图形显示器图形显示器1.随机扫描的图形显示器随机扫描的图形显示器 向量（vector）显示器、笔划（Stroke writing）显示器 随机扫描（随机扫描（random-scan）的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。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-731随机扫描工作原理图：123XY1231123t图2-13 随机扫描工作原理图2
12、022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-732随机扫描显示器的基本工作过程图 应用程序DFT显示文件DPUCRTDFT：显示文件转换器DPU：显示处理单元图2-14 随机扫描显示器的逻辑框图特点特点：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 不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7332.直视存储管图形显示器直视存储管图形显示器直视存储管直视存储管DVST（direct-view storage tube）从表面上看直视存储管的特性极象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
13、内都将是可见的。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-734屏幕存储栅收集栅写电子抢电子流读出电子抢写阴极2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-735特点特点：无需刷新、很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示、成本较低 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2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7363.光栅扫描的图形显示器光栅扫描的图形显示器 在光栅扫描光栅扫描系统中，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。2022-7-22华中科
14、技大学计算机学院 陆枫 99-737扫描线0123n水平扫描(显示)水平回扫(消隐)垂直回扫(消隐)图2-16光栅扫描示意图2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-738刷新速率：刷新速率：每秒60到80帧，即60Hz或80Hz。水平回扫（水平回扫（horizontal retrace），），行扫描行扫描垂直回扫（垂直回扫（verticle retrace），），场扫描场扫描逐行扫描和隔行（逐行扫描和隔行（interlaced）扫描：扫描：隔行扫描技术主要用于较慢的刷新速率，以避免闪烁2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-739工作原理：工作原理：光栅扫描是控制电
15、子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图象是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。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CRTyxz2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-740 刷新缓冲存储器（刷新缓冲存储器（refresh buffer）或称帧缓冲存或称帧缓冲存储器（储器（frame buffer）象素（象素（pixel或或pel，是是picture element的简写）的简写）象素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转换过程扫描转换过程2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-741走样走样2022-7-2
16、2华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7422.2.3 平板显示器平板显示器（flat-panel display）低电压、轻小型、数字化显示器件平板显示器（平板显示器（flat-panel display）非发射显示器（非发射显示器（none-missive display）发射显示器（发射显示器（emissive display）2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7431.液晶显示器（液晶显示器（Liquid Crystal Display）液晶的电光效应液晶的电光效应：当液晶分子的某种排列状态在电场作用下变为另一种排列状态时，液晶的光学性质随之改变。液晶显示的机理是通
17、过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-744 2.等离子体显示板等离子体显示板（气体放电显示器）图2-20 等离子体显示板的基本结构玻璃板玻璃板导体气体2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7453.薄片光电显示器薄片光电显示器图2-20 薄片光电显示器的基本结构玻璃板玻璃板导体荧光层2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7464.发光二极管显示器（发光二极管显示器（Liquid-Emitting Diode）它常用于设计大型的室内室外的显示屏。结构原理结构原理：二极管以矩阵排列形成显
18、示器的象素位置 特点特点：暖色效应2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-747平板平板CRT显示器显示器：基本原理是电子束以平行于屏幕的方向加速，尔后，偏转90，冲击屏幕。但是，还未证实平板CRT同其余发射设备一样地成功。5.激光显示器激光显示器特点：可以在非常短的时间内显示很复杂的图象，不能擦除 2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7482.2.4 三维观察设备三维观察设备一是采用从变焦距的柔性震动镜面反射一是采用从变焦距的柔性震动镜面反射CRT图象图象时钟和控制系统观察者震动柔性镜面投影的三维物体 CRT图2-22 采用震动镜面的三维显示系统2022-7-
19、22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-749二是显示具立体感的视图二是显示具立体感的视图 利用不同的刷新周期交替地显示两视图 将屏幕分半 使用头盔式结构图形输出设备演示图形输出设备演示实例实例2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7502.3 图形显示子系统图形显示子系统系统主存CPU显示控制器显示器图2-23 简单光栅图形显示子系统结构系统总线简单的光栅图形显示子系统简单的光栅图形显示子系统2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-751系统主存CPU显示控制器显示器图2-24 常用的光栅图形显示子系统结构帧缓存系统总线常用的光栅图形显示子系统常用的光栅图形显示
20、子系统2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-752发展的光栅图形显示子系统发展的光栅图形显示子系统显示处理器存储器CPU显示控制器显示器图2-25 高级光栅图形显示子系统结构帧缓存显示处理器系统主存系统总线2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-753 独立的显示处理器存储区域 显示处理器（display processor），又称图形控制器（graphics controller）或显示协处理器（display coprocessor）帧缓存2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7542.3.1 显示子系统结构显示子系统结构ROMBIOS系统总线
21、（PCI或）VL总线VSYNC14.318MHz帧缓冲存储器(1,2或4MB)系统总线接口及FIFO时空控制电路调色板CLUT(256*24)控制寄存器模式寄存器位、块传送,画线,区域填充,颜色扩充,颜色空间转换等专门功能帧缓存接口点时钟和存储器时钟发生器硬件光标R,G,BDACVFC端口图2-26 图形显示子系统结构图HSYNCRGB主板与视频卡等连接至显示器显示控制器显示子系统2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-755目前常用的PC图形显示子系统主要由三个部件组成：帧缓冲存储器（帧缓存）帧缓冲存储器（帧缓存）显示控制器（显示控制器（display controller），
22、又称视频控制器（video controller）ROM BIOS注意：注意：通常将PC中的图形显示子系统简称为图形显示卡（显卡）2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7562.3.2 相关概念相关概念1.分辨率分辨率光点光点一般是指电子束打在显示器的荧光屏上，显示器能够显示的最小的发光点象素点象素点是指图形显示在屏幕上时候，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-757三种分辨率：屏幕分辨率屏幕分辨率，也称为光栅分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率，任何显示控制器所提供的分辨率也不能超过这个物理分辨率 通常用水平方
23、向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-758显示分辨率显示分辨率是计算机显示控制器所能够提供的显示模式分辨率，实际应用中简称为显示模式。对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。对于图形显示方式，则用水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-759图形的存储分辨率存储分辨率是指帧缓冲区的大小，一般用缓冲区的字节数表示。存储分辨率不仅与显示分辨率有关，还与象素点的色彩有关。帧缓存大小的计算：x方向的
24、象素点数*y方向的象素点数*log2n/8 其中：n为颜色数或灰度等级数2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-760屏幕分辨率决定了所能显示的最高分辨率。显示分辨率和存储分辨率对所能显示的图形分辨率也有控制作用。2.象素与帧缓存屏幕上一个象素点就对应帧缓存中的一组信息。组合象素法（Packed Pixel Method）颜色位面法（Color Plane Method）2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-761在组合象素法组合象素法中，一个图形象素点的全部信息被编码成一个数据字节，按照一定方式存储到帧缓存中，编码字节的长度与点的属性（如颜色、灰度等）有关。20
25、22-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-762在颜色位面法颜色位面法中，帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（Bit Plane），每个位面控制一种颜色或者灰度，每一个图形象素点在每个位面中占一位，通过几个位面中的同一位组合成一个象素。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-763CRT光栅8888位DAC8位DAC8位DAC红绿蓝图2-27 具有24位面彩色帧缓存的显示器2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7643.颜色查找表颜色查找表颜色查找表颜色查找表也称调色板，是由高速的随机存储器组成，用来储存表达象素色彩的代码。此时帧缓冲存
26、储器中每一象素对应单元的代码不再代表该象素的色彩值，而是作为查色表的地址索引。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7652w级DAC帧缓冲存储器CRT光栅电子抢nw位查找表2n表项2w为总光强等级2n为每次可显示的光强等级图2-28 具有N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-766CRT光栅8W位DACW位DACW位DAC红绿蓝88W位W位W位8位8位8位图2-29 具有24位面彩色帧缓存和10位颜色查找表的显示器W=102022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7674.显示长宽比显示长宽比 显示长宽比显示长
27、宽比，即水平点数与垂直点数之比。要求在屏幕两个方向上相同象素点数产生同样长度的线段，以使图形不至发生畸变。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7685.屏幕坐标系xy(0,0)ymaxxmaxxy(0,0)ymaxxmax(X,Y)XY(X,Y)XY图2-30 不同显示器的坐标2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7692.3.3 PC图形显示卡（自学）图形显示卡（自学）MDA198119821984198919901993CGAHGAEGAMCGAVGAXGASVGAAVGAPGA图2-31 PC显示卡发展的情况2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫
28、 99-7701.MDA（Monochrome Display Adapter）2.CGA（Color Graphics Adapter）3.EGA（Extended Graphics Array）/VGA（Video Graphics Array）显示模式4.高性能图形显示卡高性能图形显示卡SVAG、AVGA、TVGA、显示存储器的带宽 刷新带宽2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-771显示卡与系统总线的接口成为新的系统瓶颈。处理？AGP在主存与显卡之间提供了一条直接通道。AGP的功能特点有：(1)采用流水线技术进行主存读写(2)采用双泵技术(3)采用DIME技术（允许显示
29、卡直接操作主存的技术称为DIME（Direct Memory Excute）。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7722.4 图形绘制设备图形绘制设备 撞击式撞击式（impact）打印机打印机 非撞击式非撞击式（Nonimpact）打印机打印机2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-773形成彩色：撞击式打印机 非撞击式打印设备绘图仪绘图仪喷墨、笔式绘图仪笔式绘图仪又分为平板式绘图仪和滚筒式绘图仪。图形输出设备演示实例2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-774习题习题1.名词解释：鼠标、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、空间球、数据手套、数字化仪
30、、图象扫描仪、声频输入系统、视频输入系统、平板显示器、发射显示器、非发射显示器、等离子体显示板、薄片光电显示器、激光显示器、LCD、LED、随机扫描、光栅扫描、刷新、刷新频率、图形显示子系统、显示控制器、属性控制器、象素点、光点、屏幕分辨率、显示分辨率、存储分辨率、组合象素法、颜色位面法、位平面、颜色查找表、显示长宽比、屏幕坐标系、MDA、CGA、EGA、VGA、SVGA、TVGA、AVGA、AGP端口、刷新带宽、显示存储器带宽。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7752.PC图形显示卡有 、等。3.在VGA卡中，使用模式10H工作，已知屏幕坐标为（60,80），显存中该点
31、的字节地址为_，位地址为_。4.试列举出你所知道的图形输入与输出设备。5.说明三维输入设备的种类以及应用范围。6.阴极射线管由哪几部分组成？它们的功能分别是什么？7.简述什么叫桶形失真，如何校正。8.CRT的荧光屏在发光颜色、发光效率和余辉时间方面有何特点？2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-7769.简述荫罩式彩色阴极射线管的结构和工作原理。10.比较荫罩式彩色阴极射线管和穿透式彩色阴极射线管的异同。11.简述黑底荫罩式彩色阴极射线管的结构和特点。12.简述光栅扫描图形显示器的工作逻辑。13.液晶显示器的原理是什么？适用于哪些方面？14.说明三维观察设备的种类以及应用范围。
32、15.基于光栅扫描的图形显示子系统由哪几个逻辑部件组成？它们的功能分别是什么？2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-77716.什么是象素点？什么是显示器的分辨率？17.某些显示卡为什么要采用颜色查找表？采用颜色查找表的系统的工作原理是什么？18.确定用你的系统中的视频显示器x和y方向的分辨率，确定其纵横比，并说明你的系统怎样保持图形对象的相对比例。19.试画出MDA卡的显示逻辑图，并简述其工作过程。20.简述CGA卡中控制寄存器的功能。21.试画出EGA/VGA卡的逻辑结构图，并简述其工作过程。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-77822.简述VGA卡在文字模式下的显存组织。23.简述VGA卡在图形模式下的显存组织。24.如何根据显示器的指标计算显示存储器的容量和刷新带宽。25.为什么说图形显示卡与系统总线的接口仍会成为系统瓶颈？26.图形的硬拷贝设备有哪些，简述其各自的特点。2022-7-22华中科技大学计算机学院 陆枫 99-779
