图形系统显示原理

1. 图形系统显示原理

2. 阴极射线管(CRT) • ● 阴极射线管 • ◘ 工作原理 • ◘ 荧光屏 • ◘ 屏幕刷新 • ◘ 屏幕光点 • ◘ 光点亮度 • ◘ 屏幕性能 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。

3. CRT工作原理 • ● 阴极射线管 • ◘ 工作原理 • ◘ 荧光屏 • ◘ 屏幕刷新 • ◘ 屏幕光点 • ◘ 光点亮度 • ◘ 屏幕性能 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。

4. CRT的荧光屏 • ● 阴极射线管 • ◘ 工作原理 • ◘ 荧光屏 • ◘ 屏幕刷新 • ◘ 屏幕光点 • ◘ 光点亮度 • ◘ 屏幕性能 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 荧光屏是内壁涂有不同类型和颜色的荧光粉层的玻璃屏 • 不同颜色的荧光粉层提供图形的彩色显示。 • 不同类型的荧光粉层之间的主要差异是余辉时间： • 从屏幕发光到衰减为其光亮度十分之一的时间。 • CRT电子束能量转移到荧光层，就在屏幕上生成亮点。 • 电子束的一部分能量因摩擦而转换为热能，其它电子撞击到荧光层时，其动能被荧光层吸收导致荧光层原子的电子跃迁到较高能级而发光。 • 短暂时间后，被“激活”的荧光层电子开始回落到稳定状态，维持屏幕光亮。 • 在屏幕上看到的是所有的电子光发射的组合效应： • 荧光屏所产生的颜色取决于 • 电子束激活荧光粉层的颜色种类数和强度等级， • 与彩色显示原理类型相关 。

5. 荧光屏的刷新 • ● 阴极射线管 • ◘ 工作原理 • ◘ 荧光屏 • ◘ 屏幕刷新 • ◘ 屏幕光点 • ◘ 光点亮度 • ◘ 屏幕性能 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 荧光屏的发光点随所有被激活的荧光层电子转移到自身基本能级后，很快衰减。 • 由于荧光层发射的光亮度衰减很快，必须采用某种方法来保持屏幕图像。 • 维持荧光增长的办法之一是快速控制电子束反复重画图像，这类显示器称刷新式CRT。 • 余辉时间是决定产生稳定视觉画面所需刷新频率的主要因素。 • 较短余辉时间的荧光层，需要较高的刷新速率来保持屏幕图形不闪烁。 • 短余辉时间的荧光层用于动画， • 长余辉时间荧光层则用于显示高复杂程度的静态图形。 • 对图形监视器来说，通常采用余辉时间为10到60μS的材料构成。

6. 荧光屏的光点 • ● 阴极射线管 • ◘ 工作原理 • ◘ 荧光屏 • ◘ 屏幕刷新 • ◘ 屏幕光点 • ◘ 光点亮度 • ◘ 屏幕性能 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 电子束轰击荧光屏产生亮点的强度满足高斯分布： • 亮点中心位置的亮度最大，并向亮点的边缘衰减。 • 亮点尺寸依赖于强度，并引起相邻两亮点间产生相互覆盖： • 当每秒钟有更多的电子加速飞向荧光层时，CRT电子束直径及发光亮点增大； • 增大激活能量趋向于传播到邻接的荧光原子，就进一步加大亮点直径。 • 当两个荧光发光亮点间隔大于亮点亮度衰减到最大值的约60%直径时，两亮点是可区分的。此时，荧光屏在水平方向和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数称为分辨率。 • 发光点的直径越小，相邻光点亮度分布重叠部分越少，更容易分辨，CRT具有更高的分辨率。 • 两相邻亮点单独显现时的间隔长度应保证大于具有亮点中心强度约60%处每个亮点的直径。

7. 荧光屏亮点分布 • ● 阴极射线管 • ◘ 工作原理 • ◘ 荧光屏 • ◘ 屏幕刷新 • ◘ 屏幕光点 • ◘ 光点亮度 • ◘ 屏幕性能 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

8. 荧光屏的性能 • ● 阴极射线管 • ◘ 工作原理 • ◘ 荧光屏 • ◘ 屏幕刷新 • ◘ 屏幕光点 • ◘ 光点亮度 • ◘ 屏幕性能 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • CRT的分辨率常常简述为每个方向的总点数 • 更精确的分辨率的定义是：在水平和垂直方向单位长度上可绘制的点数(水平分辨率和垂直分辨率)。 • CRT的分辨率取决于荧光层的类型、被显示的亮度、聚焦系统及偏转系统等。 • 典型的高质量系统分辨率为1280×1024，在许多系统中还要用更高的分辨率。高分辨率系统常常被称为高清晰度系统(high-definition System)。 • CRT可实际绘制的屏幕点数依赖于它相接系统的能力。 • CRT的纵横比(aspect ratio)。 • 几何图形视错觉：垂直线比水平线要长些。 • 通常，屏幕设计成水平尺寸大于垂直尺寸。 • 屏幕两个方向生成同等长度的线段所需垂直点数对水平点数的比值。 • CRT的物理尺寸是由屏幕对角线的长度给定的。

9. 彩色阴极射线管 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ◘ 电子穿透法 • ◘ 荫罩法结构 • ◘荫罩法示意 • ◘荫罩法原理 • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。

10. 产生颜色 荧光涂层 低速电子束 较低速电子束 电子束 较高速电子束 高速电子束 电子束穿透法 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ◘ 电子穿透法 • ◘ 荫罩法结构 • ◘荫罩法示意 • ◘荫罩法原理 • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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)。

11. 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。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。 荫罩法的结构 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ◘ 电子穿透法 • ◘ 荫罩法结构 • ◘荫罩法示意 • ◘荫罩法原理 • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

12. 荫罩法结构示意 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ◘ 电子穿透法 • ◘ 荫罩法结构 • ◘荫罩法示意 • ◘荫罩法原理 • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 栅格式 Sony的Trinitron显像管 Mitsubishi的Diamondtron显像管 点状 大多数球面与柱面显像管 沟槽式 LG的Flatron显像管

13. 荫罩法彩色原理 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ◘ 电子穿透法 • ◘ 荫罩法结构 • ◘荫罩法示意 • ◘荫罩法原理 • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。

14. 计算机硬件的发展十分迅猛，迄今，通用计算机乃至许多掌式计算器支持二维及三维应用的图形功能已很普遍。计算机硬件的发展十分迅猛，迄今，通用计算机乃至许多掌式计算器支持二维及三维应用的图形功能已很普遍。 对于高性能应用，也有不少复杂的、专用图形硬件系统和技术可供选择。 我们仅介绍两种主流的显示方式： 光栅扫描显示 随机扫描显示 扫描显示原理 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 逐行扫描 • ◘ 隔行扫描 • ◘ 刷新频率 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

15. 光栅扫描显示的帧 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 逐行扫描 • ◘ 隔行扫描 • ◘ 刷新频率 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。

16. 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 光栅扫描的逐行扫描 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 逐行扫描 • ◘ 隔行扫描 • ◘ 刷新频率 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

17. 光栅扫描的隔行扫描 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 逐行扫描 • ◘ 隔行扫描 • ◘ 刷新频率 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。 偶场 奇场 • 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。

18. 光栅扫描刷新频率 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 逐行扫描 • ◘ 隔行扫描 • ◘ 刷新频率 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。 • 实际上，所有的显示设备都包含不止一个处理器：进行显示刷新的指令是由一专用硬件得到的，用户所提供的物体描述则由其它处理器装入存储器。 • 这样，循环长度是固定的，因此，显示的质量与显示物体的复杂度无关。

19. 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。 光栅扫描显示的帧缓冲器 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

20. 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。 光栅扫描显示的过程 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

21. 帧缓冲器与屏幕象素 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。 • 光栅扫描系统能较好地适用于包含细微阴影和彩色模式的场景的逼真显示，因此，光栅扫描显示器具有丰富的灰度和色彩，能产生真实感很强的复杂图形。 • 在每像素一位(二值)系统中，每个屏幕点或亮或暗，只需一个二进位来控制屏幕位置亮度，这时的帧缓冲器通常叫做位图(bitmap)。 • 彩色显示和单色多灰度显示时，要能显示彩色并且强度可变，就需附加位，每个像素需要使用多个二进位表示，此时，帧缓冲器常常视为像素图(pix-map)。

22. 帧缓冲器与颜色种类 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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2n： • 高质量的光栅图形系统的帧缓冲器中每个象素对应24位，即每个电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则该显示器能显示28 ×28×28 = 224 =16兆种颜色。 • 每个光点具有24个存贮位的RGB彩色系统通常称为全彩色系统或真彩色系统。 • 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。

23. 帧缓冲器、分辨率与颜色种类 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 假定显示器的分辨率为m×n，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： • 或者，假定显示器的分辨率为m×n，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640×480，则帧缓冲器每单元的位长就为24位； • 若分辨率为1024×768，则帧缓冲器每单元的位长就为略多于8位；

24. 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2n。 帧缓冲器的位平面 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

25. 多灰度显示的位平面 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

26. 彩色显示的位平面 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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1024×1024的系统需要1024×1024 ×24 ÷ 8≈ 3MB存贮量作帧缓冲器。

27. 帧缓冲器的分页 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 显示过程 • ◘ 屏幕象素 • ◘ 颜色种类 • ◘ 分辨率 • ◘ 位平面 • ◘ 位平面示例 • ◘ 位平面示例 • ◘ 分页 • ◘ 彩色查找表 • ● 随机扫描原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 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。 • 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。 • 通过上下滚动(Scroll)和左右移屏(Pan)功能，用户可以看到帧缓冲器中的整个画面。

28. 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(Color Lookup Table，又称调色板)，对显示的颜色进行索引。 不增加帧缓冲器存储容量而得到更多颜色。 彩色查找表技术 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ◘ 查找表结构 • ◘ 查找表示例 • ◘ 查找表功用 • ◘ 查找表标注 • ◘ 其它功能 • ● 随机扫描原理 • ◘ 显示原理比较 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

29. 彩色查找表(彩色表)可看成是一维线性表。 每一项(元素)对应于一种颜色； 帧缓冲器中每个单元存储的是对应于某一像素颜色的地址，而不是颜色值。 0 彩色表地址 （象素颜色种类） 196 255 彩色表元素 (帧缓冲器单元位长) 彩色查找表的结构 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ◘ 查找表结构 • ◘ 查找表示例 • ◘ 查找表功用 • ◘ 查找表标注 • ◘ 其它功能 • ● 随机扫描原理 • ◘ 显示原理比较 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 彩色表的地址长度由帧缓冲器每个存储单元的位数决定。 • 这确定一幅画面能同时显示的颜色种类数。 • 彩色表的元素位长由帧缓冲器每个存储单元的基色数决定。 • 这决定显示器可选择显示的颜色种类总数。

30. 如：帧缓冲器单元位长为每像素8位，帧缓冲器每个元素(红、绿、蓝三种颜色)存储单元是4位，如：帧缓冲器单元位长为每像素8位，帧缓冲器每个元素(红、绿、蓝三种颜色)存储单元是4位， 彩色表共有28=256个地址 这限制一幅画面能同时显示的颜色种类 彩色表的元素位长则为3×4=12位 这决定显示器可显示的颜色种类数或灰度等级数 彩色查找表示例 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ◘ 查找表结构 • ◘ 查找表示例 • ◘ 查找表功用 • ◘ 查找表标注 • ◘ 其它功能 • ● 随机扫描原理 • ◘ 显示原理比较 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理

31. 彩色查找表功用 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ◘ 查找表结构 • ◘ 查找表示例 • ◘ 查找表功用 • ◘ 查找表标注 • ◘ 其它功能 • ● 随机扫描原理 • ◘ 显示原理比较 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 彩色表中元素的位数可取得很大， • 每一种独立颜色成分可定义为更高的精度。 • 颜色可以变化得更细致，扩大了可选择显示的颜色范围。 • 每幅画面上同时出现颜色的种类仍然是由帧缓冲器每一单元的位长决定，但其内容可以自由设置。 • 对一幅图像来说，所用的彩色种类数并没有增加，但可方便地修改彩色表，使广泛的颜色出现在画面上，从而扩大了色彩的范围。 • 使用彩色查找表技术，使得显示器可以显示的颜色种类数目大于一幅画面允许同时显示的颜色种类数目。 • 即使帧缓冲器每个存储单元的位数不增加，也能具有在很大范围内挑选颜色的能力。

32. 彩色查找表标注 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ◘ 查找表结构 • ◘ 查找表示例 • ◘ 查找表功用 • ◘ 查找表标注 • ◘ 其它功能 • ● 随机扫描原理 • ◘ 显示原理比较 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 例：帧缓冲器单元位长为8，彩色表的元素位长为24位(每一个基色位长为8位)，这样，一幅画面上能同时显示256种颜色，而可得到1600多万种颜色的可能性。 • 这称为：1600多万种颜色中同屏显示256种颜色， • 记为：256/16777216。

33. 彩色查找表其它功用 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ◘ 帧缓冲器 • ◘ 彩色查找表 • ◘ 查找表结构 • ◘ 查找表示例 • ◘ 查找表功用 • ◘ 查找表标注 • ◘ 其它功能 • ● 随机扫描原理 • ◘ 显示原理比较 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 彩色表的使用还增加了一些附加功能。如： • 彩色表内容全部置成背景色可快速清除屏幕画面； • 假如帧缓冲器中的三个位平面中存放着三幅不同的单色图像，可通过彩色表来选择其中的任意一幅进行显示，也可将其中的两幅或三幅叠加显示。 • 彩色表在动画中应用更加广泛。

34. 随机扫描显示 ● 阴极射线管 ● 彩色CRT ● 光栅扫描原理 ● 随机扫描原理 ◘ 特点 ◘ 显示刷新 ◘ 显示原理比较 ● 图形显示系统 ● 液晶显示原理 ● 数字墨水原理 • 随机扫描(random-scan)显示的基本指令通常包含下列形式： • P(X,Y) 将电子束定位在点(X,Y)位置上； • S(Z) 置电子束的亮度值为Z。 • 为显示一个物体，必须产生指令序列来表示物体形状。 • 假设：S1、S2、S3、……、Sn为相应于形成一特定显示的n个物体的序列。 Si一般以线段为单位。 • 那么，控制显示的处理机就不断执行下列循环序列： S1；S2；……；Sn • 当需要修改第i个物体的形状时，仅仅需要修改相应的序列Si。 • 修改的结果在下一次刷新时得到体现。

35. 随机扫描显示特点 ● 阴极射线管 ● 彩色CRT ● 光栅扫描原理 ● 随机扫描原理 ◘ 特点 ◘ 显示刷新 ◘ 显示原理比较 ● 图形显示系统 ● 液晶显示原理 ● 数字墨水原理 • 随机扫描显示的图形定义存放在称为刷新显示文件存储区的一组画线命令，供显示处理器解释和控制显示。 • 刷新显示文件称为显示列表、显示程序或刷新缓存。 • 为显示指定的图形 • 系统周期地按显示文件中的一组命令，依次画出其组成线条； • 当所有画线命令处理完后，系统周期地返回到该列表的第一条画线命令。 • 也称向量(vector)显示器/笔划(stoke-writing)显示器/笔迹(calligraphic)显示器。 • 随机扫描(random-scan)显示的电子束扫描过程随产生的图形不同而不同。 • CRT的电子束只在屏幕的图形部分移动； • 图形的组成线条由随机扫描按任意指定的顺序一条线一条线地绘出并刷新。

36. 随机扫描显示刷新 ● 阴极射线管 ● 彩色CRT ● 光栅扫描原理 ● 随机扫描原理 ◘ 特点 ◘ 显示刷新 ◘ 显示原理比较 ● 图形显示系统 ● 液晶显示原理 ● 数字墨水原理 • 随机扫描的刷新频率依赖于图形组成的线数 • 随机扫描显示常设计成每秒30到60次画出图形的所有线条。 • 高性能的随机扫描在这样的刷新速率中能处理约100,000条短线。 • 当显示的线条很少时，则需延迟每个刷新周期，以避免刷新速率超过每秒60帧。否则，线条的刷新过快，可能烧坏荧光层。 • 随机扫描系统是为画线应用设计的，并不能显示逼真的有阴影场景。 • 由于图形定义是作为一组画线命令来存储而非所有屏幕点的强度值，所以向量显示器一般具有比光栅系统更高的分辨率。 • 随机扫描CRT电子束直接按线条路径画线，能生成光滑线条。 • 光栅扫描通过显示一组离散点来画线，线条呈锯齿状

37. 两种扫描显示原理比较 ● 阴极射线管 ● 彩色CRT ● 光栅扫描原理 ● 随机扫描原理 ◘ 特点 ◘ 显示刷新 ◘ 显示原理比较 ● 图形显示系统 ● 液晶显示原理 ● 数字墨水原理 随机扫描与光栅扫描

38. 图形显示系统 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ● 随机扫描原理 • ● 光栅扫描系统 • ◘ 视频控制器 • ◘ 视频控制器 • ◘ 显示处理器 • ● 随机扫描系统 • ◘ 两种系统比较 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 根据图形显示方式的不同，图形显示系统主要有两类： • 光栅扫描系统 • 随机扫描系统。 • 由于两者显示原理不同，因而系统的构成部件和方式也有很大不同。

39. 光栅扫描系统 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ● 随机扫描原理 • ● 光栅扫描系统 • ◘ 视频控制器 • ◘ 视频控制器 • ◘ 显示处理器 • ● 随机扫描系统 • ◘ 两种系统比较 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 下图示出了常用的光栅系统组织： • 帧缓冲器使用系统存储器的固定区域且由视频控制器直接访问。 • 帧缓冲器、视频控制器和视频监视器是扫描显示系统必须具备的部件。 • 视频控制器(video controller)或显示控制器(display controller)来控制显示设备的操作。 • 帧缓冲器可在系统存储器的任意位置， • 视频控制器访问帧缓冲器，以刷新屏幕。

40. 视频控制器基本操作 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ● 随机扫描原理 • ● 光栅扫描系统 • ◘ 视频控制器 • ◘ 视频控制器 • ◘ 显示处理器 • ● 随机扫描系统 • ◘ 两种系统比较 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 视频控制器主要用于屏幕的基本刷新操作： • 两个寄存器用来存放屏幕像素的坐标。 • 开始时，X寄存器置为0，Y寄存器置为Ymax。 • X=X+1 → X=Xmax，Y=Y+1； • 存储在帧缓冲器中该像素对应位置的值被取出，并用来设置CRT电子束的强度值。

41. 视频控制器其它操作 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ● 随机扫描原理 • ● 光栅扫描系统 • ◘ 视频控制器 • ◘ 视频控制器 • ◘ 显示处理器 • ● 随机扫描系统 • ◘ 两种系统比较 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 对于多类应用，视频控制器在不同刷新周期内可从不同存储区取出像素强度值。 • 在高性能系统中，常常提供两个帧缓冲器： • 一个用来刷新， • 另一个以强度值填充； • 而后，这两个缓冲可互换角色， • 这提供了生成实时动画的快速机构。 • 视频控制器可完成某些变换： • 在一个刷新周期内屏幕区域可以放大、缩小或平移。 • 视频控制器常常包含一个查找表： • 其中的像素值用来访问查找表，而不是直接控制CRT电子束强度。 • 某些系统设计成允许视频控制器将来自电视摄像器或其它输入设备的输入图像与帧缓冲器图像混合。

42. 显示处理器 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 光栅扫描原理 • ● 随机扫描原理 • ● 光栅扫描系统 • ◘ 视频控制器 • ◘ 视频控制器 • ◘ 显示处理器 • ● 随机扫描系统 • ◘ 两种系统比较 • ● 液晶显示原理 • ● 数字墨水原理 • 除了视频控制器，更复杂的光栅系统运用其它处理器作协处理器和加速器，并执行各种图形操作。 • 显示处理器或显示协处理器(display coprocessor)的用途是使CPU从图形杂务中解脱出来。（Geometric Engine） • 其主要任务是将应用程序给出的图形定义转化为一组像素强度值，存放在帧缓冲器(扫描转换)。 • 也能执行某些附加的操作：生成各种线型(虚线、点线或实线)，显示彩色区域及对显示对象执行某些变换和管理。 • 除系统存储器外，还提供独立的显示处理器存储区域。

43. 随机扫描系统 ● 阴极射线管 ● 彩色CRT ● 光栅扫描原理 ● 随机扫描原理 ● 光栅扫描系统 ● 随机扫描系统 ◘ 两种系统比较 ● 液晶显示原理 ● 数字墨水原理 • 简单的随机扫描系统的组织示于下图中。 • 应用程序输入并与图形软件一起存放在系统存储器内。 • 应用程序的图形命令由图形软件包翻译成显示文件并存入帧缓冲器(显示缓存)； • 由显示处理器访问这个显示文件以刷新屏幕。 • 在每个刷新周期内，显示处理器遍历一次显示文件程序中的每条命令。 • 在随机扫描系统中以沿着图形组成直接导向电子束的方式来绘出图形的图案： • 线段由其端点坐标值定义，而这些输入坐标值转换为X和Y偏转电压。通过在指定端点之间的线段上定位并移动电子束，每一次画一条线来实现场景绘制。

44. 光栅扫描系统的优缺点 ● 阴极射线管 ● 彩色CRT ● 光栅扫描原理 ● 随机扫描原理 ● 光栅扫描系统 ● 随机扫描系统 ◘ 两种系统比较 ● 液晶显示原理 ● 数字墨水原理 • 光栅扫描系统一问世就迅速占据了该领域的主导地位，主要由于它具有如下优于随机扫描显示系统的特点： • 刷新频率固定，与图形的复杂度无关：光栅扫描显示器的刷新过程有固定顺序，刷新控制部件简单。 • 对于随机扫描显示系统来说，当显示文件较小时，刷新频率会很高；但显示文件很大时，刷新频率就会降低，从而导致显示复杂图形时出现闪烁效应。 • 易于绘制填充图形，具有丰富的颜色：光栅显示系统中构成图形的最小图形元素为像素，只要计算出屏幕位于给定区域以内的所有像素，并赋予一定的颜色，就能完成图形的填充。 • 光栅系统的主要缺点 • 一是图形显示时需要扫描转换，这个过程相当费时； • 二是会出现直线段不直、图形边界呈阶梯状等走样现象。但随着显示器分辨率的提高和计算机性能的增强，这些缺点正逐渐被克服。

45. 虽然CRT显示器的技术已处于稳定的成熟期，但大屏幕和新技术的显示器也不甘示弱地跨入了主流行列。虽然CRT显示器的技术已处于稳定的成熟期，但大屏幕和新技术的显示器也不甘示弱地跨入了主流行列。 随着显示器各种新技术的引入，CRT不可避免地会产生一些负面影响，如体积加大、功耗增加等。 由于这种物理结构上的限制，CRT显示器的应用范围会有一定的局限性。 随着液晶显示器技术的不断提高和逐步成熟，它已经成为了显示器市场的新热点。 液晶显示器 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ◘ 液晶特性 • ◘ 显示原理 • ◘ 显示器结构 • ◘ 显示器类型 • ◘ TFT显示器 • ◘ 可视范围 • ◘ 亮度对比度 • ◘ 响应时间 • ◘ 辐射抗干扰 • ◘ 显示品质 • ● 数字墨水原理 • LCD显示器的优点与特点显而易： • 工作电压低，且低辐射、低耗电，对人体健康损害降至最低； • 完全平面、无闪烁无失真，用眼不会疲劳； • 重量轻、体积小，可视面积大、节省空间，适用于更多的应用领域。 • 这些特点也正是LCD随着价格的逐渐冻结而占领CRT显示器市场的原因。

46. 液晶： 液晶(Liquid Crystal)是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物。 其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，液晶分子会重新排列。 如果把它加热会呈现透明的液体状态， 把它冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。 液晶按照分子结构排列的不同分为三种： 类似粘土状的Smectic液晶； 类似细火柴棒的Nematic液晶； 类似胆固醇状的Cholestic液晶。 三种液晶的物理特性各不相同， 用于液晶显示器的是第二类的Nematic液晶。采用此类液晶制造的液晶显示器被称为了LCD(Liquid Crystal Display)。 液晶特性 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ◘ 液晶特性 • ◘ 显示原理 • ◘ 显示器结构 • ◘ 显示器类型 • ◘ TFT显示器 • ◘ 可视范围 • ◘ 亮度对比度 • ◘ 响应时间 • ◘ 辐射抗干扰 • ◘ 显示品质 • ● 数字墨水原理

47. 液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性： 通电时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过； 不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。 与CRT设备相同，图形定义存储在刷新缓冲器中，以每秒60帧的速度刷新屏幕，以满足图像的更新和动画显示。 LCD是基于液晶电光效应的显示器件，主要包括： 段显示方式的字符段显示器件； 矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件； 矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。 液晶显示原理 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ◘ 液晶特性 • ◘ 显示原理 • ◘ 显示器结构 • ◘ 显示器类型 • ◘ TFT显示器 • ◘ 可视范围 • ◘ 亮度对比度 • ◘ 响应时间 • ◘ 辐射抗干扰 • ◘ 显示品质 • ● 数字墨水原理

48. 液晶显示器结构 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ◘ 液晶特性 • ◘ 显示原理 • ◘ 显示器结构 • ◘ 显示器类型 • ◘ TFT显示器 • ◘ 可视范围 • ◘ 亮度对比度 • ◘ 响应时间 • ◘ 辐射抗干扰 • ◘ 显示品质 • ● 数字墨水原理 • 液晶显示器采用两夹层间填充液晶分子： • 用两块玻璃基板：每块有一个光偏振器，与另一块成合适角度，内夹液晶材料。 • 一块板上排放水平透明导体行， • 另一块板上则放置垂直导体列。 • 两行、列导体交叉处定义一个象素位置。 • 彩色显示可采用不同的材料，并在每个象素位置放置一个三合一的彩色象素。

49. 按应用范围分类 笔记本电脑(Notebook) 液晶显示器： 桌面计算机(Desk top) 液晶显示器： 无源矩阵LCD(扭曲向列型)： 扭曲向列型（TN－Twisted Nematic）； 超扭曲向列型（STN－Super TN）； 双层超扭曲向列型（DSTN-Dual Scan TN）； 三种类型在名称上有细微的差别，它们的显示原理具有很多共性。 当液晶呈“开态”排列时，经该材料的偏振光被扭曲，使之通过对面的偏振器，从而将光反射给观察者。 当液晶呈“闭态”排列时，使分子对齐，光不再扭曲，该象素呈现黑色。 不同之处是液晶分子的扭曲角度各异。其中，DSTN是这三种的“杰出”代表。 这种液晶显示器对比度和亮度比较差，可视角度较小，色彩也欠丰富。结构简单、价格低廉。 液晶显示器类型 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ◘ 液晶特性 • ◘ 显示原理 • ◘ 显示器结构 • ◘ 显示器类型 • ◘ TFT显示器 • ◘ 可视范围 • ◘ 亮度对比度 • ◘ 响应时间 • ◘ 辐射抗干扰 • ◘ 显示品质 • ● 数字墨水原理

50. 激活矩阵显示器： 薄膜晶体管型TFT(Thin Film Transistor)是现在最为常用的类型。 液晶显示器上的每一液晶像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。 每个象素位置放置一个晶体管，晶体管用来控制象素位置的电压，并阻止液晶单元慢性漏电。 TFT液晶显示器具有屏幕反应速度快，对比度好、亮度高，可视角度大，色彩丰富等特点。 是当前液晶显示器的主流设备。 TFT液晶显示器 • ● 阴极射线管 • ● 彩色CRT • ● 扫描显示原理 • ● 图形显示系统 • ● 液晶显示原理 • ◘ 液晶特性 • ◘ 显示原理 • ◘ 显示器结构 • ◘ 显示器类型 • ◘ TFT显示器 • ◘ 可视范围 • ◘ 亮度对比度 • ◘ 响应时间 • ◘ 辐射抗干扰 • ◘ 显示品质 • ● 数字墨水原理