目錄
1 計算機圖形系統
1.1 組成
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硬件：
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輸入設備
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輸出設備
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存儲設備
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圖形處理設備
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- 軟件：
- 軟件包
- 應用程序
- 應用模型
1.2 基本功能
- 計算：圖形處理
- 存儲：遠程和本機
- 輸入：人機交互及數據文件等
- 輸出：顯示器、打印機等
- 對話圖形：人機交互
2 圖形顯示設備
2.1 彩色CRT顯示器
工作原理：如上圖所示，
- 電子槍由一個加熱器、一個金屬陰極和一個電平控制器組成，當加熱器加到一定溫度時，金屬陰極上的電子就會擺脫束縛，發射出去。電平控制器用來控制電子束的強弱（①正電壓：大量電子束通過，會在屏幕上形成較亮的點；②負電壓：電子束被阻截，通過的數目減少，在屏幕上形成較暗的點）
- 電子槍發射出來的電子束是發散的，需要通過聚焦系統進行聚焦，使電子束變“細”，保證亮點足夠小，提高分辨率。（聚焦系統是一個電透鏡，能使衆多電子聚集於一點）
- 通過加速系統進行加速。
- 通過水平偏轉板和垂直偏轉板進行偏轉。
- 最後射在熒光屏上，熒光屏上有熒光物質，會吸收電子束而發光。
對於熒光屏：
- 持續發光時間：電子束離開某點後，該點的亮度值衰減到初始值1/10所需的時間。
- 刷新：爲了讓熒光物質保持在一個穩定的亮度值，需要不斷刷新。
- 刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數。只有刷新頻率達到一定值後，圖像才能穩定顯示。（每秒60幀時，人眼才能感覺不到屏幕閃爍）
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CRT產生穩定圖像所需要的最小刷新頻率=1秒/熒光物質的持續發光時間。
（例如）熒光物質的持續發光時間40毫秒，刷新頻率就是 1000/40=25Hz
CRT優缺點：
- 顯示亮度高，色彩鮮豔，分辨率高
- 功耗大，尺寸有限（越大越厚），有磁場，環境有限，對人體有害。
2.2 LCD液晶顯示器
液晶的電光效應：當液晶分子的某種排列狀態在電場作用下變爲另一種排列狀態時，液晶的光學性質隨之改變。
液晶顯示的機理：通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內部光源的偏振光。
結構：六層薄板
液晶層：液晶是一種介於液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發生形變，此時通過它的光的折射角度就會發生變化，而產生色彩。
- 液晶可以被光穿透，並影響光的偏振性；
- 在液晶分子兩端所加電壓的不同，液晶分子的翻轉程 度不同，根據液晶角度的不同透過光的偏振性也不同；
LCD優缺點：
- LCD體積小，厚度薄，重量輕，耗能少，輻射低。
- 色彩比CRT暗淡，分辨率較低。（現在的技術應該可以克服了）
2.3 性能指標
- 像素：構成圖像（屏幕）的最小元素。
- 分辨率：
- CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數，單位通常爲dpi（dots per inch)。
- 在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024 ，3840*2160等等。
- 分辨率越高顯示的圖形就越精細。
3 顯示系統
3.1 主要組成
- 顯示設備：顯示器
- 視頻控制器：控制顯示設備（有的含圖形加速處理器），通過訪問幀緩存來刷新屏幕。
- 顯示緩存存儲器（幀緩存）：可以在內存或顯示控制器中。
3.2 隨機掃描顯示系統
電子束可以隨意移動。
特點：
- 電子束可以隨意移動，只掃描熒屏上要顯示的部分像素。
- 對應的顯示器爲畫線設備。
工作原理：
- 應用程序發出繪圖命令 → 繪圖命令被解析成顯示處理器可接受的命令格式，存放在刷新存儲器中 → 刷新存儲器中所有的繪圖命令組成一個顯示文件，由顯示處理器負責解釋執行（刷新） → 驅動電子槍在屏幕上繪圖。
- 修改圖形，實際上是修改顯示文件中的某些繪圖命令。
- DPU每秒必須至少執行30次，即刷新頻率爲30Hz。
3.3 光柵掃描顯示系統
基本原理：電子束按照固定的掃描線和掃描順序，從左到右，自上而下進行掃描，根據像素的值控制發光。（如上左圖）
基本概念：（如上右圖）
- 掃描線：一條水平線（從左到右）
- 幀：1次掃描生成的圖像
- 水平回掃期：水平線間的回掃期
- 垂直回掃期：幀間的回掃期
分辨率：電子束按固定的掃描順序進行掃描N條掃描線，每條掃描線有M個像素，M*N爲顯示器的分辨率。
3.4 其它知識
幀緩衝存儲器（幀緩存）
- 作用：存儲屏幕上像素的顏色值。
- 幀緩存中單元數目與顯示器上像素的數目相同，單元與像素一一對應，各單元的數值決定了其對應像素的顏色。
- 顯示顏色的種類與幀緩存中每個單元的位數有關。（例：黑白→兩種顏色→每個單元只需一位→一位就是0或者1）
幀緩存容量
- 分辨率M*N、顏色個數K與緩存大小V的關係：
- 說明：
- 一般像素顏色用RGB三基色表示，三個分量的值範圍0-255
- 若每個幀緩存中每個存儲單元有24位（每種基色佔8位）即顯示系統最多可表示產生
種顏色（24位真彩色）
- 例：顏色爲24位真彩色、分辨率是1024×1024的顯示器，需要
兆字節。
- 若存儲器容量固定，則屏幕分辨率與可用的顏色種數成反比關係，例：1兆字節的幀緩存：
- 若設分辨率爲640×480，則幀緩存每個單元可有24位，可表示224種顏色；
- 若設分辨率爲1024×768，則每個單元分得的位數僅略多於8，只能工作於256色顯示模式。
兆字節。視頻控制器
- 作用：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應關係，負責刷新
- 工作原理: 刷新週期開始，依掃描次序取出幀緩存單元的數值, 放入像素值寄存器，用來控制像素的顏色，然後X的地址寄存器的地址加一，如此重複，直到該掃描線上的最後一個像素，轉下行，X置0，Y加1。
- 邏輯結構
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顯示處理器
- 作用：代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等
- 具有專用顯示處理器的光柵顯示系統的結構
4 習題
1. 簡述光柵掃描顯示系統的組成及各部分作用。
- 幀緩衝存儲器：存儲屏幕上像素的顏色值。
- 視頻控制器：建立幀緩存與屏幕像素之間的一一對應關係，負責刷新。
- 顯示處理器：代替CPU完成部分圖形處理功能，掃描轉換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等等。
- 顯示器：CRT、LCD。
2. 全高清指支持1080P輸出顯示的顯示器，分辨率爲1920×1080 或更高。設一全高清顯示器分辨率爲1920×1080 ，每個像素的顏色值用24位表示，回答下列問題：
（1）幀緩存的大小爲多少？
（2）目前PC機的顯存大小爲什麼要比所求值大很多？
- 顯存還包括深度緩存、紋理內存等
（3）一個16×16的窗口中的圖形，最多同時可顯示多少種顏色？
【標清：720X576 PAL制，720X480 NTSC制；高清720P，1280X720 ；2K，2048X1556；4K，4096X3112】
3. 選擇一個正確答案
（1）顯示設備一般採用下列 顏色模型；
A. CMY B. RGB C. HSV D. 都可以
（2）下列物質中， 不是LCD需要的。
A. 熒光物質 B. 光源 C. 液晶 D. 水平偏光板