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第 2章 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
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2.1 图形输入设备
2.1.1 键盘 （ keyboard）
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2.1.2 鼠标器 (mouse)
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
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2.1.3 光笔 (light pen)
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
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2.1.4 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)
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? 红外线式触摸屏
? 电阻式触摸屏
? 电容式触摸屏
? 声波触摸屏
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2.1.5 操纵杆 (joystick)
2.1.6 跟踪球（ trackball） 和空间球（ spacegall）
跟踪球 用作两维定位设备 。
空间球 提供 6个自由度 。
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2.1.7 数据手套 (data glove)
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。
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2.1.8 数字化仪 (digitizer)
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
面形状。
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2.1.10 图象扫描仪 (scaner)
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 。
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2.1.11 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。
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2.1.12 视频输入系统
视频信号采集板 （ 卡 ）, 视频信号输入卡, 视频信号处
理装置
视霸卡 （ video blunster）
图形输入设备实例 I,II
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2.2.1 阴极射线管 CRT
CRT（ 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
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从外形上看,CRT为, 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,荧光屏
灯
丝
阴
极
加
速
极
控
制
栅
聚
焦
极
加
速
极
偏
转
系
统
荧
光
屏
图2 - 3 C RT 的构造（磁偏转）
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(1)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 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。
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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 。
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(2)偏转系统
电子束偏转有 电偏转 和 磁偏转 两种方法
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 。
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18 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
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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
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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
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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 C RT 的构造（电偏转）
水
平
偏
转
板
垂
直
偏
转
板
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(3)CRT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,
发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合
适以及寿命长等。
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2,彩色阴极射线管
三基色原则
⑴ 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
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三色荧光屏
R G B R G B R G
B R G B R G B R
R G B G R BR B G
B
三色荧光屏
荫罩
三色荧光屏
R G B R G B R G
B R G B R G B R
R G B G R BR B G
B
R
G
B
图2 - 9 荫罩及彩色显象管上荧光小点的排列
荫罩板
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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
三支电子枪
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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
R G B R
B R G
R G B R
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黑底荫罩管
GR
B R G
G
RB
B
R
G
RB
彩色显象管必须满足 色纯 度, 会聚 和 白色平衡 的要求
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⑵ 穿透式彩色显示原理
结构
v0
绿色荧光粉
红色荧光粉
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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
① 转换速度
② 精度
③ 功耗
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2.2.2 CRT图形显示器
1,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（ 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。
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随机扫描工作原理图,
1
2
3
X
Y
1
2
3
1
1
2
3
t
图2 - 1 3 随 机扫描工作原理图
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随机扫描显示器的基本工作过程图 应用程序 D FT 显示文件 D PU C RT
D FT：显 示文件转换器
D PU：显 示处理单元
图2 - 1 4 随机扫 描显示器的逻辑框图
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
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2,直视存储管图形显示器
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
之内都将是可见的 。
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屏
幕
存储栅 收集栅
写电
子抢
电子流 读出电子抢
写阴极
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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
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3,光栅扫描的图形显示器
在 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。
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扫描线
0
1
2
3
n
水平扫描( 显示)
水平回扫( 消隐)
垂直回扫( 消隐)
图2 - 1 6 光栅扫描示意图
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刷新速率,每秒 60到 80帧, 即 60Hz或 80Hz。
水平回扫 （ horizontal retrace）, 行扫描
垂直回扫 （ verticle retrace）, 场扫描
逐行扫描和隔行 （ interlaced） 扫描,隔行扫描技术主
要用于较慢的刷新速率, 以避免闪烁
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工作原理,光栅扫描是控制电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
C RT
y
x
z
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? 刷新缓冲存储器 （ refresh buffer） 或称帧缓冲存
储器 （ frame buffer）
? 象素 （ pixel或 pel,是 picture element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
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走样
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2.2.3 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 （ flat-panel display）
? 非发射显示器 （ none-missive display）
? 发射显示器 （ emissive display）
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1,液晶显示器 （ Liquid Crystal Display）
? 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 。
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2,等离子体显示板 （气体放电显示器 ）
图2-2 0 等离子体显示板的基本结构
玻璃板
玻璃板
导体
气体
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3,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
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4,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,
二极管以矩阵排列形成显示器的象素位置
? 特点,
暖色效应
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平板 CRT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 90o,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
特点,可以在非常短的时间内显示很复杂的图象,
不能擦除
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2.2.4 三维观察设备
一是采用从变焦距的柔性震动镜面反射 CRT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 - 2 2 采用震动镜面的
三维显示系统
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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 实例
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2.3 图形显示子系统
系统
主存
C P U
显示
控制器 显示器
图2 - 2 3 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
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系统
主存
C P U
显示
控制器 显示器
图2 - 2 4 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
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发展的光栅图形显示子系统
显示处理
器存储器
C PU
显示
控制器
显示器
图2 - 2 5 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
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? 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
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2.3.1 显示子系统结构
R O M
B I O S
系统总线
（P C I 或）
V L 总线
V S Y N C
1 4, 3 1 8 M H z
帧缓冲存储器( 1,2 或4 M B )
系统
总线
接口
及
F I F O
时空控制电路
调色板
C L U T
( 2 5 6 * 2 4 )
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,B
D AC
V F C 端
口
图2 - 2 6 图形显示子系统结构图
H S Y N C
R
G
B
主板
与视频卡
等连接
至显
示器
显示控制器
显示
子系统
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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 ）
? 显示控制器 （ display controller）, 又称视频控制
器 （ video controller）
? ROM BIOS
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 ）
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2.3.2 相关概念
1,分辨率
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 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 。
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三种分辨率,
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
通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数
的乘积来表示 。
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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 。
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图形的 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
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?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）
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在 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 。
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在 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 。
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C R T 光栅
8
8
8
8 位D AC
8 位D AC
8 位D AC
红
绿
蓝
图2 - 2 7 具 有2 4位 面彩色帧缓存的显示器
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3,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 。
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`2
w
级D AC
帧缓冲存储器
C R T 光栅
电子抢
n
w 位查找表
2
n
表项
2
w
为总光强等级
2
n
为每次可显示的光强等级
图2 - 2 8 具 有N 位帧缓存和W 位颜色查找表的光栅显示器
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C R T 光栅
8
W 位D AC
W 位D AC
W 位D AC
红
绿
蓝
8
8
W位
W位
W位
8位
8位
8位
图2 - 2 9 具 有2 4位 面彩色帧缓存和1 0位 颜色查找表的显示器
W =1 0
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4,显示长宽比
显示长宽比, 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 。
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5,屏幕坐标系
x
y
( 0,0 )
y m a x
x m a x
x
y
( 0,0 )
y m a x
x m a x
( X,Y )
X
Y
( X,Y )
X
Y
图2 - 3 0 不同显示器的坐标
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2.3.3 PC图形显示卡（自学）
MDA
1 9 8 1 1 9 8 2 1 9 8 4 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 3
CGA
HGA
EGA
M C G A
VGA
XGA
S V G A A V G A
PGA
图2 - 3 1 P C 显示卡发展的情况
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1,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
SVAG,AVGA,TVGA,
? 显示存储器的带宽
? 刷新带宽
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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 （ 允许显示卡直接操作主存的技术
称为 DIME（ Direct Memory Excute） 。
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2.4 图形绘制设备
? 撞击式 （ impact） 打印机
? 非撞击式 （ Nonimpact） 打印机
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形成彩色,
? 撞击式打印机
? 非撞击式打印设备
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
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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, 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 。
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2.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？
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99-7
76
9.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 。
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？
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99-7
77
16.什么是象素点？ 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 。
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78
22,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 。
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79
99-7
1
第 2章 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
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2
2.1 图形输入设备
2.1.1 键盘 （ keyboard）
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3
2.1.2 鼠标器 (mouse)
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
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4
2.1.3 光笔 (light pen)
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
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5
2.1.4 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)
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6
? 红外线式触摸屏
? 电阻式触摸屏
? 电容式触摸屏
? 声波触摸屏
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7
2.1.5 操纵杆 (joystick)
2.1.6 跟踪球（ trackball） 和空间球（ spacegall）
跟踪球 用作两维定位设备 。
空间球 提供 6个自由度 。
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8
2.1.7 数据手套 (data glove)
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。
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9
2.1.8 数字化仪 (digitizer)
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
面形状。
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10
2.1.10 图象扫描仪 (scaner)
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 。
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11
2.1.11 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。
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12
2.1.12 视频输入系统
视频信号采集板 （ 卡 ）, 视频信号输入卡, 视频信号处
理装置
视霸卡 （ video blunster）
图形输入设备实例 I,II
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13
2.2.1 阴极射线管 CRT
CRT（ 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
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14
从外形上看,CRT为, 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,荧光屏
灯
丝
阴
极
加
速
极
控
制
栅
聚
焦
极
加
速
极
偏
转
系
统
荧
光
屏
图2 - 3 C RT 的构造（磁偏转）
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15
(1)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 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。
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16
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 。
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17
(2)偏转系统
电子束偏转有 电偏转 和 磁偏转 两种方法
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 。
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18 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
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19
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
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20
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
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21
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 C RT 的构造（电偏转）
水
平
偏
转
板
垂
直
偏
转
板
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22
(3)CRT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,
发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合
适以及寿命长等。
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23
2,彩色阴极射线管
三基色原则
⑴ 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
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24
三色荧光屏
R G B R G B R G
B R G B R G B R
R G B G R BR B G
B
三色荧光屏
荫罩
三色荧光屏
R G B R G B R G
B R G B R G B R
R G B G R BR B G
B
R
G
B
图2 - 9 荫罩及彩色显象管上荧光小点的排列
荫罩板
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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
三支电子枪
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26
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
R G B R
B R G
R G B R
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黑底荫罩管
GR
B R G
G
RB
B
R
G
RB
彩色显象管必须满足 色纯 度, 会聚 和 白色平衡 的要求
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⑵ 穿透式彩色显示原理
结构
v0
绿色荧光粉
红色荧光粉
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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
① 转换速度
② 精度
③ 功耗
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2.2.2 CRT图形显示器
1,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（ 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。
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31
随机扫描工作原理图,
1
2
3
X
Y
1
2
3
1
1
2
3
t
图2 - 1 3 随 机扫描工作原理图
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随机扫描显示器的基本工作过程图 应用程序 D FT 显示文件 D PU C RT
D FT：显 示文件转换器
D PU：显 示处理单元
图2 - 1 4 随机扫 描显示器的逻辑框图
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
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2,直视存储管图形显示器
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
之内都将是可见的 。
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屏
幕
存储栅 收集栅
写电
子抢
电子流 读出电子抢
写阴极
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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
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3,光栅扫描的图形显示器
在 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。
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扫描线
0
1
2
3
n
水平扫描( 显示)
水平回扫( 消隐)
垂直回扫( 消隐)
图2 - 1 6 光栅扫描示意图
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38
刷新速率,每秒 60到 80帧, 即 60Hz或 80Hz。
水平回扫 （ horizontal retrace）, 行扫描
垂直回扫 （ verticle retrace）, 场扫描
逐行扫描和隔行 （ interlaced） 扫描,隔行扫描技术主
要用于较慢的刷新速率, 以避免闪烁
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工作原理,光栅扫描是控制电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
C RT
y
x
z
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? 刷新缓冲存储器 （ refresh buffer） 或称帧缓冲存
储器 （ frame buffer）
? 象素 （ pixel或 pel,是 picture element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
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走样
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42
2.2.3 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 （ flat-panel display）
? 非发射显示器 （ none-missive display）
? 发射显示器 （ emissive display）
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1,液晶显示器 （ Liquid Crystal Display）
? 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 。
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2,等离子体显示板 （气体放电显示器 ）
图2-2 0 等离子体显示板的基本结构
玻璃板
玻璃板
导体
气体
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3,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
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99-7
46
4,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,
二极管以矩阵排列形成显示器的象素位置
? 特点,
暖色效应
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平板 CRT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 90o,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
特点,可以在非常短的时间内显示很复杂的图象,
不能擦除
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48
2.2.4 三维观察设备
一是采用从变焦距的柔性震动镜面反射 CRT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 - 2 2 采用震动镜面的
三维显示系统
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99-7
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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 实例
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2.3 图形显示子系统
系统
主存
C P U
显示
控制器 显示器
图2 - 2 3 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
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系统
主存
C P U
显示
控制器 显示器
图2 - 2 4 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
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发展的光栅图形显示子系统
显示处理
器存储器
C PU
显示
控制器
显示器
图2 - 2 5 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
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? 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
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2.3.1 显示子系统结构
R O M
B I O S
系统总线
（P C I 或）
V L 总线
V S Y N C
1 4, 3 1 8 M H z
帧缓冲存储器( 1,2 或4 M B )
系统
总线
接口
及
F I F O
时空控制电路
调色板
C L U T
( 2 5 6 * 2 4 )
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,B
D AC
V F C 端
口
图2 - 2 6 图形显示子系统结构图
H S Y N C
R
G
B
主板
与视频卡
等连接
至显
示器
显示控制器
显示
子系统
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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 ）
? 显示控制器 （ display controller）, 又称视频控制
器 （ video controller）
? ROM BIOS
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 ）
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2.3.2 相关概念
1,分辨率
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 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 。
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57
三种分辨率,
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
通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数
的乘积来表示 。
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58
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 。
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59
图形的 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
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99-7
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?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）
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61
在 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 。
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99-7
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在 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 。
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63
C R T 光栅
8
8
8
8 位D AC
8 位D AC
8 位D AC
红
绿
蓝
图2 - 2 7 具 有2 4位 面彩色帧缓存的显示器
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3,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 。
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`2
w
级D AC
帧缓冲存储器
C R T 光栅
电子抢
n
w 位查找表
2
n
表项
2
w
为总光强等级
2
n
为每次可显示的光强等级
图2 - 2 8 具 有N 位帧缓存和W 位颜色查找表的光栅显示器
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C R T 光栅
8
W 位D AC
W 位D AC
W 位D AC
红
绿
蓝
8
8
W位
W位
W位
8位
8位
8位
图2 - 2 9 具 有2 4位 面彩色帧缓存和1 0位 颜色查找表的显示器
W =1 0
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67
4,显示长宽比
显示长宽比, 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 。
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68
5,屏幕坐标系
x
y
( 0,0 )
y m a x
x m a x
x
y
( 0,0 )
y m a x
x m a x
( X,Y )
X
Y
( X,Y )
X
Y
图2 - 3 0 不同显示器的坐标
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2.3.3 PC图形显示卡（自学）
MDA
1 9 8 1 1 9 8 2 1 9 8 4 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 3
CGA
HGA
EGA
M C G A
VGA
XGA
S V G A A V G A
PGA
图2 - 3 1 P C 显示卡发展的情况
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1,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
SVAG,AVGA,TVGA,
? 显示存储器的带宽
? 刷新带宽
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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 （ 允许显示卡直接操作主存的技术
称为 DIME（ Direct Memory Excute） 。
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2.4 图形绘制设备
? 撞击式 （ impact） 打印机
? 非撞击式 （ Nonimpact） 打印机
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形成彩色,
? 撞击式打印机
? 非撞击式打印设备
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
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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, 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 。
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2.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？
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9.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 。
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？
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16.什么是象素点？ 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 。
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22,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 。
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