图形显示原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机图形学,10/9/2024,深圳大学计算机系,傅向华,阴极射线管(CRT:Cathode-Ray Tube)是图形显示器的核心。,电视机中的显像管是CRT。,大多数视频监视器的操作都是基于标准CRT而设计。,阴极射线管,(CRT),CRT,的基本工作原理：,由电子枪发出的电子束,(,阴极射线,),，通过聚焦系统和偏转系统，射向涂覆荧光层的屏幕上指定位置。,在电子束冲击的每个位置，荧光层发出一个小亮点，而产生可见图形。,电子枪：,在控制栅极上的电压电平控制下，产生带负电荷的自由电子，通过聚焦、加速冲向荧火屏。,通过改变控制栅的电压可控制显示的光强。,聚焦系统：,用来强制电子束在轰击荧光屏时会聚到一个小点，保证电子束轰击荧光屏时产生的亮点足够小。,为了提高显示器的分辨率，聚焦系统是关键之一。,加速电极：,加速电极加有正的高电压，使经过聚焦的电子束高速运动。,偏转系统：,控制电子束使其在荧光屏的适当位置绘图。,最大偏转角,是衡量偏转系统的最重要指标。如果一个偏转系统所能产生的最大偏转角度较小，为获得较大的偏转距离就需要较长的管子，其结果是显示器的前后径长。,CRT,工作原理,用,CRT,产生彩色显示有两种技术：,电子束穿透法,荫罩法,黑白,CRT,和彩色,CRT,原理一致，区别在于：,黑白,CRT,的,荧光物质只有一种,，控制电子束的电压值就能得到,不同灰度层次,的黑白图形。,彩色,CRT,利用能,产生不同颜色光的荧光层,的组合来显示彩色图形，组合不同荧光层的发射光，便能生成,一定范围的彩色,。,彩色阴极射线管,电子束穿透,(beam-penetration),法通常是用,红,-,绿,两层荧光层涂覆在,CRT,荧光屏的内层，而,不同速度的电子束,能,穿透不同的荧光粉层,而发出不同颜色的光。,屏幕上光点的,颜色,依赖于,电子束穿透荧光粉层的深浅,；或者说，电子束的,速度,决定了屏幕上光点的,颜色,。例：,低速电子束只能激励外层的红色荧光粉而发出红光，,高速电子束则可穿透外层而激励内层发绿光的荧光粉层而发出绿光，,中速电子束则同时激励两层的荧光粉而发出两者的组合光,(,橙色光和黄色光,),。,电子束穿透法,电子束,荧光涂层,产生颜色,低速电子束,较低速电子束,较高速电子束,高速电子束,荫罩法的结构,荫罩法彩色,CRT,的传统结构是在荧光屏每个光点处,呈三角形排列着红、绿和蓝三种颜色的,三个荧光点。,由于三个荧光点很小，且靠得很近，所以每个光点所显示的是一个具有混合颜色的光点。,CRT,有,三支电子枪,，分别与三个荧光点对应,每支电子枪发出的电子束专用于轰击某一类荧光粉。,荫罩栅格,被安置在紧靠荧光涂层的地方,其上有很多与小孔，每个小孔对应于一个光点。,荧光屏上的荧光点、荫罩栅格上的小孔和电子枪被精确地安排处于一条直线上，使得由某一电子枪发出的电子束只能轰击到它所对应的荧光点。,三个电子束经聚焦偏转之后，穿过荫罩栅格上的小孔，激活该小孔对应的三个荧光点,。,另一种结构是,按线排列红、绿和蓝三种颜色,的荧光点,三支电子枪及屏幕上相应的红、绿、蓝彩色荧光点都沿扫描线模式排列。,这种电子枪容易保持对齐，常用于高分辨率的彩色,CRT,。,荫罩法结构示意,点状,大多数球面与柱面显像管,栅格式,Sony,的,Trinitron,显像管,Mitsubishi,的,Diamondtron,显像管,沟槽式,LG,的,Flatron,显像管,影孔板的类型,点状影孔板,代表：大多数球面与柱面显像管,栅格式影孔板,代表：,Sony,的,Trinitron(,单枪三束,),与,Mitsubishi,的,Diamondtron,显像管,(,三枪三束,),两大好处：一是把相互平行的垂直铁线阵形安装在一个铁框里，垂直部分没有任何东西阻挡，增强了电子流通量，也增强了纵向方向的透光度，透出的光线比荫罩式显像管多一倍，因而特丽珑显像管的明亮度和颜色饱和度要比其他的显像管都要好；二是间条式栅罩的阻碍光率十分少，长时间使用后也不会膨胀或变形，避免发生颜色突变或亮度变弱的情况。,沟槽式影孔板,代表,：,LG,的,Flatron,显像,管,(,未来窗,),可以得到更大的电子流通量，也使荫罩网面的受力即稳定情况比较好。,三支电子束的强度等级可控制荫罩,CRT,显示的彩色。,调节各电子枪发出的电子束强度，即可控制各光点中三个荧光点所发出的红、绿和蓝三色光的亮度。,彩色取决于红、绿、蓝荧光层激活的总量。,在某些低价格系统中，电子束只能置为开或关，就限定显示八种颜色。,较复杂的系统可为电子束设置中间强度等级，这就容许生成几兆不同的彩色。,荫罩法常用于光栅扫描系统,(,包括彩色,TV),它能产生的彩色范围比电子束穿透法宽广得多。,图形系统的彩色,CRT,设计成,RGB,监视器,这些监视器采用荫罩法，且不经任何中间处理，直接从计算机系统取得每支电子枪,(,红、绿和蓝,),的强度等级。,荫罩法彩色原理,扫描显示原理,光栅扫描显示,随机扫描显示,光栅扫描显示的帧,在,刷新式,CRT,光栅扫描方式中，电子束总是不断地,从左到右,、,从上到下,反复扫描整个屏幕。,电子束,从左到右,(,横向,),扫描一次为一条,扫描线,。,在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。,从屏幕顶部到屏幕底部,(,纵向,),的扫描线构成,一帧图像,。,一帧图像是显示系统执行一次全屏幕循环扫描,(,一次屏幕刷新,),所产生的图像。,每帧终了，电子束返回到屏幕的左上角，开始下一帧。,在扫描过程中，只要,在对应时刻、对应位置控制电子束的强度就能显示所要的图形,。,光栅扫描的逐行扫描,扫描线在屏幕上,自上而下一条一条,地扫描。,当电子束从左到右到达屏幕的右边在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，又开始显示下一条扫描线。,在回扫过程中，电子束几乎不发射出电子，而且速度也很快。,水平回扫,(horizontal retrace),：,每条扫描线扫过后，返回到屏幕左端,。,垂直回扫,(vertical retrace),：,当电子束到达屏幕底部时，又返回到屏幕左上角。,然后，从头开始扫描下一帧。,水平回扫,垂直回扫,光栅扫描的隔行扫描,某些系统采用,隔行,(interlaced),刷新方式，每帧显示分为两趟：,第一趟：,电子束从顶到底，,一行隔一行,地扫描。,第二趟：,垂直回扫后，电子束则再扫描,另一半,扫描线。,以这种方式的隔行扫描使在逐行扫描所需时间的,一半时,就能看到整个屏幕显示。,奇场,偶场,隔行扫描技术主要用于,较慢的刷新速率,。,例如，对一个较老的每秒,30,帧的非隔行扫描显示，可注意到它的闪烁。采用隔行扫描，两趟中的每一趟可以,1/60,秒完成，也就是说，刷新速率接近每秒,60,帧。,这是,避免闪烁且提供相邻扫描线包含类似的显示信息的有效技术,，也是,降低成本而不增加闪烁感的有效办法,。,光栅扫描刷新频率,光栅扫描显示器每秒刷新的循环数称,CRT,的,刷新频率,。,一般，光栅扫描显示器的刷新是按每秒,60,到,80,帧的速率进行的，但有些系统设计成更高的刷新速率。,刷新频率以每秒多少周期或赫兹,(HZ),为单位来描述：,一个周期对应于一帧。,每秒,60,帧的刷新频率为,60HZ,。,注意：,刷新频率与物体的复杂度无关，也不会因物体的复杂度而影响其显示的质量,。,绘图过程,图形显示设备,(15/21),逻辑部件：,帧缓冲存储器,（,Frame Buffer),，,视频控制器,（,Video Controller),，,显示处理器,（,Display Processor,），,CRT,帧缓冲存储器,作用：存储屏幕上像素的颜色值,简称帧缓冲器，俗称,显存,工作原理,帧,缓冲器中的单元数目与显示器上的像素数相同,单元与象素一一对应,各单元的数值决定了其对应的像素的颜色,.,光栅扫描显示的帧缓冲器,光栅扫描显示器显示图像或画面是由称为,像素,(pixel,，,picture element),的小点组成；或者说，每条扫描线是由一系列象素组成。,图像所有像素的强度值都要存放在一个存储器中：,这个存储器称为,帧缓冲器,(frame buffer),或刷新存储器,(refresh buffer),，,俗称显示存储器。,光栅扫描显示的过程,光栅扫描显示是通过读取,帧缓冲器,的强度值，并在屏幕的适当位置显示图像。,光栅显示的基本指令如下形式：,read(,I,x,y,z),读存储器,的位置,I,中,z,的内容,x,和,y,是由,I,的地址确定的；,z,中是颜色值或灰度等级值。,write(x,y,z),指令完成屏幕上对应位置的显示。,主要的显示循环是：,对所有,存储器存储单元,I,，,执行：,read(I,x,y,z),；,write(x,y,z),。,每执行一次循环称为屏幕刷新。,如果,N,是刷新存储器的大小，那么显示控制器总是执行,N,对指令。,帧缓冲器与屏幕象素,光栅扫描的,帧缓冲器,对屏幕每一点都有存储强度,/,颜色信息的能力。,帧缓冲器的,单元个数,至少与显示器能显示的,像素总数,相同，且,存储单元,一一对应于,可寻址的屏幕像素位置,。,帧缓冲器,每一个存储单元的位长,决定了一幅画面上能,同时显示,的不同灰度的数目或颜色的种类，,若帧缓冲器存储单元的位长为,n,，,那么，,帧缓冲器能支持,一幅画面上,同时显示,的灰度等级或颜色种类数为,2,n,：,在采用彩色表之前，,由帧缓冲器决定的,一幅画面上能,同时显示,的灰度等级数或颜色种类与显示器,能显示,的灰度等级数或颜色种类数相同,。,物理屏幕一幅画面上可以同时显示的颜色种类数小于或等于物理屏幕象素总数。,帧缓冲器与颜色种类,帧缓冲器、分辨率与颜色种类,或者，假定显示器的分辨率为,mn,，,帧缓冲器的容量为,v,，,那么，可以同时显示颜色种类数,k,可表示为：,通俗地讲：,帧缓冲器的容量一定时，分辨率越大，帧缓冲器中每个单元可分配的位长越小，可同时显示的颜色种类也越少。,例如：具有,1M,字节的帧缓冲器：,若分辨率为,640480,，则帧缓冲器每单元的位长就为,24,位；,若分辨率为,1024768,，则帧缓冲器每单元的位长就为略多于,8,位；,假定显示器的分辨率为,mn,，,需要同时显示,k,种颜色，那么帧缓冲器的容量,v,至少要求为：,帧缓冲器的位平面,组合像素结构：,每个像素的所有位均集中存储在单个存储器中。,位平面结构：,像素的每一位各自存放在不同的存储体，这样，一幅画面上所有象素的相同位存储在同一存储体内，这就是位平面。,由于使用多个存储体，可一次同时读出更多的像素信息，降低了对帧缓冲器工作速度的要求，在中、高性能的图形显示器中得到广泛采用。,一般情况下，帧缓冲器的每个单元有多少位就可分成多少个位平面。,位平面的数目就是帧缓冲器的深度，也就是颜色的深度（灰度等级或颜色种类）。,即：,若帧缓冲器的位平面的数目为,n,，,则屏幕上一次可同时显示的颜色种类,/,灰度等级数是,2,n,。,多灰度显示的位平面,彩色显示的位平面,用于高分辨率彩色显示时所需要的帧缓冲器的开销是相当高的。,作为帧缓冲器可能要求几兆字节存贮量，这由该系统的分辨率决定。,每个像素,24,位，而屏幕分辨率为,10241024,的系统需要,10241024 24 8 3MB,存贮量作帧缓冲器,。,帧缓冲器的分页,帧缓冲器的容量往往设计得比屏幕画面的位图大得多。,这时，帧缓冲器区域分成若干页面，,每个页面存放一幅屏幕画面,。,帧缓冲器可以同时存放多幅画面的位图,通过控制器实现不同画面的切换。,页面的大小可以划分得比屏幕位图大得多，甚至是整个帧缓冲器。,从程序员的角度来看，,可输出显示的画面将远大于实际的物理屏幕,，此时，,物理屏幕仅是一个窗口,，,它显示的不过是全部画面的一部分,。,彩色查找表技术,彩色查找表,或,颜色索引技术：,在帧缓冲器与显示屏的数模转换器之间增加一个,查色表,(,