第2章 图形输入输出设备
计算机图形学第2章图形系统
2、荫罩式
根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅也就不 一样。普通的显示器一般用三角的排列方式，这 种显像管被称为荫罩式显像管。荫罩法常用于光 栅扫描系统，因为它能产生的彩色范围比电子束 穿透法宽广得多。
三色荧光屏
荫罩
三个电子枪
能显示16兆种颜色的显示系统叫做真彩色显示系统
3、荫栅式
普通的显象管采用的都是荫罩式显象管，显象管 的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。 荫罩式球面显示器几何失真大，而且三角形的荧光 点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰，所以 近几年荫栅式显示器逐渐流行起来。
喷绘仪实物图
四、静电设备
静电设备沿纸的宽度方向一次一整行地置负电 荷于纸上，尔后，面对调色剂曝光。调色剂充以 正电，被吸引到充以负电的区域，从而产生指定 的输出。 静电绘图仪分辨率可达200dpi，其速度比笔绘 仪高，运行可靠，噪声小，但用纸特殊而价格昂 贵。
静电绘图仪结构图
五、电热式设备
电热式利用点阵打印头的热度，在热感应纸上输 出图案。
二、激光设备
在激光设备里，激光束把要打印的图形写在感光 鼓上，鼓再把这一图形转移到纸上。激光打印机 的主要构成部分有感光鼓、炭粉、打底电晕丝和 转移电晕丝。
激光打印机结构图
三、喷墨设备
喷墨法产生的输出，是沿包裹在鼓上的纸卷逐行 喷墨水来实现的。在高压下墨水形成墨雾，充电 荷的墨雾在电场控制下发生偏转，将墨雾喷印到 纸上。
热升华打印机
六、笔绘仪
笔绘仪有一支或多支笔安装在横跨纸的笔架或滑杆 上，各种彩色和不同粗细的笔用来绘制各种阴影和 线型。与前面几种点阵硬拷贝设备不同，笔绘仪属 于随机画线硬拷贝设备。 笔绘仪的绘图速度取决于绘图笔移动的速度和 加速度。这里，加速度和笔绘仪笔头的质量有关。
第2章 CAD系统选型
2. 外存储器
用来存放各种程序、数据等信息。 种类： 硬盘、光盘、软盘、磁带、U盘等。 特点： 容量大、速度较慢。
3. 图形输入设备
2.1.2 计算机类型
2.小型机
小型机的性能价格比优于大中型机，70 年代末至80年代初的CAD／CAM系统多采用 这种机型。80年代中期以后，小型机逐渐被 性能价格比更好的工程工作站所代替。
2.1.2 计算机类型
3.工程工作站
所谓工程工作站，是以个人计算机环境和分布 式网络环境相结合的高性能价格比的小型机，由于 它为工程技术人员提供了较理想的独立使用工作环 境，故称为工程工作站。 与一般小型机相比，工程工作站具有较强的人 机交互、图形显示和网络通信功能，能够方便地通 过网络组成分布式计算机系统，是CAD／CAM系统 较理想的主流硬件平台。
4、可靠性和维护支持能力
系统的可靠性是程序在其运行过程中，计算 机系统在给定的时间内不出错的概率。 对于可靠性的度量可从三方面来考虑：平均 错误间隔时间（Mean Time between Errors，缩 写为 MTBE），平均修复时间（Mean Time to Repair Errors，缩写为 MTTR），正常运行时 间的百分率（Percent up Time）。
2.3.4 典型CAD软件介绍
AutoCAD CAXA SolidWorks Pro/E CATIA UG等 MasterCAM
2.4 CAD/CAM系统选择原则
在建立CAD／CAM系统时、应遵循“提前培 训”、以软件为主、适当配置计算机硬件系统 的原则。选择 CAD/CAM系统时，主要考虑以 下几个问题：
计算机图形学基础（第2版）课后习题答案__陆枫__何云峰
计算机图形学基础（第2版）课后习题答案__陆枫__何云峰第⼀章绪论概念：计算机图形学、图形、图像、点阵法、参数法、图形的⼏何要素、⾮⼏何要素、数字图像处理；计算机图形学和计算机视觉的概念及三者之间的关系；计算机图形系统的功能、计算机图形系统的总体结构。
第⼆章图形设备图形输⼊设备：有哪些。
图形显⽰设备：CRT的结构、原理和⼯作⽅式。
彩⾊CRT：结构、原理。
随机扫描和光栅扫描的图形显⽰器的结构和⼯作原理。
图形显⽰⼦系统：分辨率、像素与帧缓存、颜⾊查找表等基本概念，分辨率的计算第三章交互式技术什么是输⼊模式的问题，有哪⼏种输⼊模式。
第四章图形的表⽰与数据结构⾃学，建议⾄少阅读⼀遍第五章基本图形⽣成算法概念：点阵字符和⽮量字符；直线和圆的扫描转换算法；多边形的扫描转换：有效边表算法；区域填充：4／8连通的边界／泛填充算法；内外测试：奇偶规则，⾮零环绕数规则；反⾛样：反⾛样和⾛样的概念，过取样和区域取样。
5.1.2 中点 Bresenham 算法（P109）5.1.2 改进 Bresenham 算法（P112）习题解答习题5（P144）5.3 试⽤中点Bresenham算法画直线段的原理推导斜率为负且⼤于1的直线段绘制过程（要求写清原理、误差函数、递推公式及最终画图过程）。
（P111）解： k<=-1 |△y|/|△x|>=1 y为最⼤位移⽅向故有构造判别式：推导d各种情况的⽅法(设理想直线与y=yi+1的交点为Q)：所以有： y Q-kx Q-b=0 且y M=y Qd=f(x M-kx M-b-(y Q-kx Q-b)=k(x Q-x M)所以，当k<0，d>0时，M点在Q点右侧（Q在M左），取左点 P l(x i-1,y i+1)。
d<0时，M点在Q点左侧（Q在M右），取右点 Pr(x i,y i+1)。
d=0时，M点与Q点重合（Q在M点），约定取右点 Pr(x i,y i+1) 。
第2章CADCAM系统组成
• 微机上主要采用Windows系列操作系统。
• 2. 编译系统
• 将用汇编语言、高级语言编写的程序翻译 成计算机能够直接执行的机器指令。有了 编译系统，用户就可以用接近人类自然语 言和数学语言的方式编写程序，而翻译成 机器指令的工作则由编译系统完成。
2.1.3 输入/输出设备
• 2.1.3 输入/输出设备 • 输入设备泛指用于向计算机输入信息的设
备。输出设备是用于将计算机中的信息展 示给用户的设备。结合CAD系统的特点， 可把输入/输出设备分为图形输入设备、图 形输出设备和图形显示设备。
• 1. 图形输入设备
• 常见的输入设备包括鼠标、键盘、数字化 仪、图形扫描仪等。
根据设计任务建立数学模型
修改数 学模型
输入参数 求解目标参数 显示图形，表格求值
程序库 数据库
N 确认满意 Y 结束
图2.4 自动型CAD系统工作流程图
• 3. 交互型
• 交互型系统是利用输入、输出设备，通过 人机对话的方式工作的。
• 目前，国内外广泛应用的高级语言，如 FORTRAN、PASCAL、Visual C++、 Visual Basic等均有各自的编译系统。
• 2.2.2 支撑软件
• 在系统软件基础上开发出来的、满足CAD 用户某些需要的通用软件或工具软件。根 据支撑软件所提供的功能可分为以下几种：
• 1. 图形软件
• 3. 图形显示设备 • 1) 显示器 • 标准阴极射线管(CRT)、液晶显示(LCD)、
激光显示、等离子显示等。
• 2) 图形显示卡 • 起着CPU与显示器之间的接口、处理图形
数据、加速图形显示等作用。
CADCAM课后习题答案
第一章绪论1、什么是CAD、CAM、CAPP？什么是CAD/CAM集成？答：CAD (Computer Aided Design System)是指以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程、分析和绘图等工作。
CAD的功能包括：概念设计、结构设计、装配设计、曲面设计、工程图样绘制、工程分析、真实感和渲染、产品数据接口。
CAM( Computer Aided Manufacturing System) 通过计算机与生产设备直接的或间接的联系，完成从生产准备到成品制造整个过程的活动。
狭义的CAM指NC数控程序编制，包括：刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成。
CAPP（Computer Aided Process Planning）借助计算机根据设计阶段的信息，人机交互的或自动完成产品加工方法的选择和工艺过程的设计，称为CAPP。
CAPP的功能包括：毛坯设计、加工方法选择、工艺路线制定、工序设计、刀夹量具设计等。
CAD产生的图纸直接被CAPP，CAM 以及以后的CIMS所利用，这就是CAD/CAM集成。
2、一般所说的CAD/CAM过程链主要包括哪些内容？答：CAD/CAM过程链是一个串行的过程链，在此过程链中包括从市场需求到产品整个的产品生产过程，具体包括：1）市场需求2）产品设计（任务规划、概念设计、结构设计、施工设计）3）工艺设计（毛坯设计、工艺路线设计、工序设计、刀夹量具设计）4）加工装配（NC编程、加工仿真、NC加工、检测、装配、调试）3、CAD/CAM集成方案有哪几种？答：1）通过专用数据接口实现集成2）利用标准格式接口文件实现集成3）基于统一产品模型和数据库4）基于产品数据管理（PDM）的系统集成4、CAD/CAM的发展趋势如何？答：1）CAD/CAM系统的集成化方向发展（CIM）2）并行工程3）智能化CAD/CAM系统4）虚拟产品开发5）网络化CAD/CAM第二章CAD/CAM系统的支撑环境1、CAD/CAM系统应具备哪些基本功能答：1）交互图形输入及输出功能。
第二章 图形设备
在很短的时间内荧光物质的电子会从高能态重新回到低 能态，这时释放能量将发出荧光，屏幕上的那个点就会 发亮，从而产生可见图形。
青岛农业大学
2.3.1 CRT显示器
1.单色阴极射线管
电子枪 电灯丝：通电后变热给阴极加热。 阴极：由灯丝加热发出电子束 控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带 负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子 数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。 聚焦系统 保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。 加速电极 加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。
青岛农业大学
分辨率(Resolution)
CRT在水平或垂直方向的单位长度上能分辨出的最大光 点（像素）数，分为水平分辨率和垂直分辨率。通常用 屏幕上像素的数目来表示。 分辨率越高，相邻象素点之间的距离越小，显示的字符 或图像也就越清晰。分辨率受显示器生产工艺、扫描频 率以及显示存储器容量的限制。
下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红、绿、蓝三原色 有三个位面的帧缓存和三个电子枪。
青岛农业大学
彩色光栅显示器
每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的数模转换器， 每种原色可有256种灰度，三种原色的组合将是 （28）3=224
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帧缓冲容量的计算
x方向的像素点数*y方向的像素点数*log2n/8 其中：n为颜色数或灰度等级数
CPU
系统 主存
帧缓存 系统总线
显示 控制器
显示器
常用的光栅图形显示系统结构
青岛农业大学
帧缓存（显示存储器）
存放要显示的图形信息，简称帧缓存，俗称显存。
帧缓存的存储单元与显示屏上的像素一一对应，各单元的
数值决定了其对应像素的颜色。 显示颜色的种类与帧缓存中每个单元的位数有关。
计算机图形学基础与CAD开发 第2章 图形输入输出设备
3. 图形扫描仪
功能： 图形扫描仪是利用光电技术和数字处理技术， 以扫描方式将图形或图像或者实物信息转换为数字信号的 一种输入装置。 主要用在图形图像处理、排版印刷、人事 档案管理、图纸存档管理、文字识别、机器翻译等领域。
种类：扫描仪主要分为滚筒式扫描仪和平面扫描仪。近 几年出现了笔式扫描仪、便携式扫描仪、胶片扫描仪、底 片扫描仪和名片扫描仪。
LED显示器基本结构是一块电致发光的半导体材料， 电流通过其中的化学物质而产生的光。
本节重点学习 ： （1）基本概念 （2）光栅扫描显示器的结构、工作原理
一、光栅扫描显示器概念
➢ 显示器尺寸（显像管对角线的尺寸，以英寸为单位(1 " =2.54cm)， 如15 " 、19"显示器）
➢ 像素点（Pixel)（1024×768 640×480)
➢ 屏幕分辨率(Screen Resolution) ➢ 点阵纵横比(Aspect Ratio)
(竖直与水平方向每英寸像素点之比） ➢ 前景(Foreground )
（屏幕上被字符和图形填充的区域） ➢ 背景(Background)
当使用者在台板上移动游标到指定位置，并将十字叉的交点对准数 字化的点位时，按动按钮，数字化仪则将此时对应的命令符号和该点的 位置坐标值排列成有序的一组信息，通过接口（多用串行接口）传送到 计算机。
种类：按结构与工作原理分，有电位梯度式、静电耦合 式、超声波式及电磁感应式等，其中电磁感应式应用较多。 功能：具有定位、拾取、选择三个基本功能。 主要性能指标有:
Ch2 图形输入与输出设备
本章掌握各种图形设备的结构、工作原理、性能指标。
图形输入设备 图形显示设备 图形输出设备
2.2 图形显示设备
第2章 计算机图形系统组成
第2章计算机图形系统组成随着计算机图形技术的发展，大量的计算机图形系统应用到了非常多的领域。
本章将探讨计算机图形系统的功能和结构；对部分硬件设备，特别是图形显示设备进行简要介绍；最后，为方便后面章节的讲述。
2.1.计算机图形系统概述2.1.1.计算机图形系统的功能计算机图形系统是由计算机图形硬件和计算机图形软件组成，它的基本任务是研究如何用计算机生成、处理和显示图形。
一个交互式计算机图形系统应具有计算、存储、交互、输入和输出等5中功能。
如图2-1所示。
1）计算功能（Computing）。
应包括形体设计和分析方法的程序库，描述形体的图形数据库。
数据库中应有坐标的平移、旋转、投影、透视等几何变换程序库、曲线、曲面生成和图形相互关系的检测库等。
2）存储功能(Storage)。
在计算机内存储器和外存储器中，应能存放各种形体的几何数据及形体之间相互关系，可实现对有关数据的实时检图2-1 计算机图形系统的基本功能图索以及保存对图形的删除、增加、修改等信息。
3）输入功能（Input）。
由图形输入设备将所设计的图形形体的几何参数（例如大小、位置等）和各种绘图命令输入到图形系统中。
4）输出功能（Output）。
图形系统应有文字、图形、图像信息输出功能。
在显示屏幕上显示设计过程当前的状态以及经过图形编辑后的结果。
同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。
5）交互功能（Interactive）。
可通过显示器或其他人－机交互设备直接进行人－机通信，对计算结果和图形，利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员执行的错误给予必要的提示和帮助。
以上5种功能是一个图形系统所具备的最基本功能，至于每一功能中具有哪些能力，则因不同的系统而异。
2.1.2.计算机图形系统的结构根据基本功能的要求，一个交互式计算机图形系统的结构如图2-2 所示。
可以看到，它由计算机图形硬件和计算机图形软件两部分组成。
图2-2 计算机图形系统的结构1.图形软件图形软件分为图形应用数据结构、图形应用软件和图形支撑软件三部分。
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带宽问题
•带宽T与分辨率、帧频（刷新频率）F的关系
T MNF
•带宽问题
–高分辨率和高刷新频率要求高带宽 –解决方法：隔行扫描
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隔行扫描（Interlaced scan）工作原理
一帧完整的画面分成两场，即奇数场与偶数场
场频：= 帧频 * 2
优点：
降低了闪烁效应； 只需逐行的一半时间即可显示一屏画面，降低了对扫描频率
的要求，也降低了成本； 帧缓存中数据量比逐行扫描少一半，降低了视频控制器存取
帧缓存的速度及传输带宽的要求。
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视频控制器（显示控制器）
阴极射线管显示器（CRT） 液晶显示器（LCD） 绘图仪 打印机
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未来显示器
采用空气等离子体技术
空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种 不同颜色的像素
显示屏薄，挂在墙上 无锯齿现象，分辨率好 无需刷新缓存，重量轻，无辐射 价格贵
发光聚合物技术
坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来 显示画面具有无与伦比的清晰度 真正的平面直角
简练、紧凑、执行速度快，但不可移植
（3）专用图形系统：效率高，但系统开发量大，可移
植性差。
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通用的、与设备无关的图形标准 GKS (Graphics Kernel System) (第一个官方标准，1977) PHIGS(Programmer’s Herarchical Iuteractive Graphics system)
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CRT光栅 CRT光栅
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红绿蓝三个位面，组合成8种颜色 增加一个亮度位面，形成16种颜色
红绿蓝
Black
000
Blue
001
Green 0 1 0
Cyan
011
Red
100
Magenta 1 0 1
Yellow 1 1 0
White 1 1 1
若有24个位面（每种基色8个位面）则可同时显示 (28)3 =224=16777216种颜色（24位真彩色）。
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点状影孔板工作原理
红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素） 三支电子枪
如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显 示256*256*256=16M种颜色，称为真彩色系统
2020/12/10
12
CRT显示器分类
直视存储管式（Direct-View Storage Tubes）
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踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。20.12.1020.12.10Thurs day, December 10, 2020 弄虚作假要不得，踏实肯干第一名。13:09:5313:09:5313:0912/10/2020 1:09:53 PM 安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.12.1013:09:5313:09Dec-2010-Dec-20 重于泰山，轻于鸿毛。13:09:5313:09:5313:09Thursday, December 10, 2020 不可麻痹大意，要防微杜渐。20.12.1020.12.1013:09:5313:09:53December 10, 2020 加强自身建设，增强个人的休养。2020年12月10日 下午1时 9分20.12.1020.12.10 追求卓越，让自己更好，向上而生。2020年12月10日星期 四下午1时9分53秒13:09:5320.12.10 严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年12月 下午1时 9分20.12.1013:09Dec ember 10, 2020 重规矩，严要求，少危险。2020年12月10日 星期四1时9分53秒13:09:5310 December 2020 好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午1时9分53秒 下午1时 9分13:09:5320.12.10 每天都是美好的一天，新的一天开启 。20.12.1020.12.1013:0913:09:5313:09:53Dec-20 务实，奋斗，成就，成功。2020年12月10日 星期四1时9分53秒Thursday, December 10, 2020 抓住每一次机会不能轻易流失，这样 我们才 能真正 强大。20.12.102020年 12月10日星期 四1时9分53秒 20.12.10
利用管子本身存储信息，类似于一个长余辉的CRT， 不必刷新
刷新式
随机扫描式（Random-Scan） 光栅扫描式（Raster-Scan）
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随机扫描的显示系统
特点
数据表示：矢量表示，只有端点信息，无线段中间点
扫描方式：电子束像一支快速移动的画笔，可随意移动，只 扫描荧屏上要显示的部分，与示波器工作原理类似
28
光栅显示系统的特点
优点：
成本低 易于绘制填充图形 灰度和色彩丰富，图像逼真 可以和电视机兼容 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关
缺点：
需要扫描转换 扫描转换速度偏低，交互操作响应慢 分辨率偏低，有阶梯效应
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29
图形软件发展及软件标准形成
三种类型的计算机图形软件系统：
(1)用某种语言写成的子程序包
色平面越多，可表达的色彩越丰富。
增加一个位面，色彩就增加一倍，而存储器写操作程序无需 重新计算新地址，程序兼容性好。
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0 1 0
N位寄存器 0 10
有N个位面的帧缓存
2NDAC
电子枪
0~2N-1灰度等级
0 1 0
寄存器
0 1 0
DAC DAC DAC
红色枪 绿色枪 蓝色枪
帧缓存
一共有100多个函数。其中核心函数有115个 除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供了复 杂的三维物体（球、锥、多面体、茶壶等）以及复杂曲线和 曲面（如Bezier、NURBS等曲线或曲面）绘制函数。 基本几何变换和投影变换。 颜色模式设置 光照和材质设置 纹理映射功能 位图显示和图象增强 ：反走样(Antialiasing)和雾(fog)的特殊 图象效果处理 双缓存(Double Buffering)动画：双缓存即前台缓存和后台缓 存，即后台缓存计算场景、生成画面，前台缓存显示后台缓 存已画好的画面。
应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：只能产生有限几种颜色
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影孔板法
原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位 像素的位置
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与Mitsubishi的 Diamondtron显像管 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管
第二章 交互式计算机图形处理系统
计算机学院 苏小红
2020/12/10
1
交互式计算机图形处理系统
Computer + 人 = 交互式
要求主机性能更高（强大的浮点运算 能力），速度更快，存储容量更大， 外设种类更齐全 图形加速卡，大屏幕显示器
Personel Computer图形处理系统 workstation图形处理系统
像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768， 1280*1024等等
2020/12/10
8
彩色阴极射线管
彩色CRT
渗透型
常用于随机扫描显示器 射线穿透法
多枪型
常用于光栅扫描显示器 影孔板法（阴罩法）
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9
射线穿透法（beam penetration）
原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发 光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅， 决定所产生的颜色
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2
硬件发展
图形输入设备的发展
第一阶段：控制开关、穿孔纸等 第二阶段：键盘、光笔 第三阶段：二维定位设备，如鼠标、坐标数字化
仪、跟踪球、触摸屏、操纵杆、扫描仪等 第四阶段：三维输入设备（如三维鼠标、空间球、
数据手套、数据衣），用户的手势、表情等
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图形输出(显示、打印）设备
如: GKS (Graphics Kernel System)
PHIGS (Programmer’sHerarchical Iuteractive Graphics system ) GL 便于移植和推广、但执行速度相对较慢，效率低
(2）扩充计算机语言，使其具有图形生成和处理的功 能
如：Turbo C，AutoLisp等。
显示图形：几何属性（geometric attribute）为主，线架图 优点：扫描速度快，分辨率高，线条质量好，易修改，交互
性好，动态性能好 缺点：价格贵，只能显示线画图形，应用于军事、CAD领域
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光栅扫描的显示系统
特点：
数据表示：像素矩阵 扫描方式：从上到下，从左到右，与电视工作原理
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查色表（LUT）
是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度 由帧缓存单元的位数决定
目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围 内挑选颜色的能力。
颜色信息在帧缓存中的两种存放方式： 颜色值直接存储在帧缓存中。 把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色
类似 显示图形：几何属性+视觉属性（Visual
attribute），真实感图形