图形显示设备与图形系统
四十款图形操作系统简单介绍
四十款图形操作系统简单介绍随着计算机技术的进步与发展，图形操作系统在现代计算机系统中起到了至关重要的作用。
图形操作系统通过可视化的界面提供给用户更加友好和直观的操作方式。
在这篇文章中，我们将简要介绍四十款著名的图形操作系统，以帮助读者对它们有更加全面的了解。
1. Microsoft Windows作为全球最受欢迎的操作系统之一，Microsoft Windows提供了直观易用的用户界面和丰富的应用程序支持，广泛用于个人电脑和商业环境中。
2. macOSmacOS是苹果公司的操作系统，它采用了独特的图形界面设计，提供了良好的用户体验和稳定性，被广泛运用于苹果产品中。
3. LinuxLinux是一款开源的操作系统，它具有高度的自由度和灵活性，广泛运用于服务器和嵌入式系统领域。
4. Android作为全球最大的移动操作系统，Android提供了丰富多样的应用程序和个性化的用户定制选项，运行于大部分智能手机和平板电脑上。
5. iOSiOS是苹果公司专为iPhone、iPad和iPod Touch等移动设备开发的操作系统，它以简洁的设计和出色的性能著称。
6. Windows PhoneWindows Phone是微软推出的移动操作系统，虽然市场份额不如Android和iOS，但其独特的磁贴界面设计备受好评。
7. UbuntuUbuntu是基于Linux的自由开源操作系统，它提供了友好的用户界面和强大的软件生态系统，非常适合个人和办公使用。
8. Chrome OSChrome OS是由Google开发的操作系统，主要用于Chromebook笔记本电脑，以Web应用为核心，追求轻量化和安全性。
9. FreeBSDFreeBSD是自由开源的操作系统，它基于Unix设计，具有高度的稳定性和安全性，在服务器领域得到广泛应用。
10. OpenBSDOpenBSD也是一个开源的自由操作系统，专注于提供高度安全的环境，被广泛用于防火墙、路由器和服务器等领域。
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。
图形显示设备简述
第二章图形显示设备简述§1 图形显示设备一般的计算机都配备了高分辨率的显示器、图形卡或集成的视频系统，还配备了支持图形用户界面的操作系统。
图形已经成为了标准。
在计算机应用程序中，最常用的CRT（阴极射线管）显示技术有向量刷新和光栅扫描。
1、矢量刷新显示器刷新式CRT使用短余辉的荧光粉，涂层必须靠每秒30至50次的电子速轰击，来保持屏幕图形不闪烁(重画画面)。
除阴极射线管外，它需要一个显示文件，一个显示控制器。
显示文件：一个内存区，容纳绘制要显示的对象的指令；显示控制器：从显示文件中读取这些信息并把它转化为数字命令，并将其发送到CRT。
矢量刷新显示器 :(P19)有时有控制栅极和加速阳极（P19）。
⊿控制栅极：通过改变控制栅的电压来控制显示的光强。
荧光涂层发射光的强度依赖轰击屏幕的电子数量，聚焦系统用来控制电子束，在轰击荧光屏时会聚到一个小点，否则由于电子互相排拆，电子束在靠近屏幕时会散开；⊿加速阳极：带负电荷的自由电子，在高正电压作用下加速冲向荧光屏。
在高精度系统中，还使用附加的聚焦硬件，以保持电子束能聚焦到所有屏幕位置，否则电子束只能在屏幕中心较好地聚焦，在屏幕边框时，所显示的图像变得模糊。
使用图形软件命令设定各个屏幕位置的亮度级。
⊿二对偏转线圈（X轴水平偏转和Y轴垂直偏转）：偏转线圈的产生电磁场作用于电子束，使轰击屏幕的电子束发生偏转。
⊿ CRT的分辨率（resolution）resolution是可以无重叠显示的最多点数。
电子束轰击荧光屏，形成一个亮点，亮点中心位置的亮度最大，并按正态分布向亮点的边缘衰减。
这个分布依赖于CRT电子束横截面电子密度分布。
resolution常常简述为每个方向的总点数，但更精确的定义是在水平和垂直方向上每厘米可绘制的点数640*480、1024*768.1280*1024高分辨率。
高清晰度系统（High-definition system）⊿纵横比（aspect ratio）在屏幕的二各方向上画相同长度的线段，二个方向点数的比值。
第二章-图形显示设备
荧光屏
荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光 余辉时间：电子束离开某点后，该点的亮度值 衰减到初始值1/10所需的时间（10~60us）
某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 停闪频率=1秒/余辉时间 例如：一种荧光物质持余辉时间40毫秒，刷新频 率为1000/40=25帧/秒。
余辉时间短，适用于动态图形显示。余辉时 间长，适用于静态图形显示
光栅显示系统的特点
优点： 成本低 易于绘制填充图形 色彩丰富 刷新频率一定，与图形的复杂程度无关 易于修改图形
缺点： 需要扫描转换 会产生混淆
LCD显示器
CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示 领域发展 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示 器的体积必然要加大，在使用时候就会受 到空间的限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产 生图像，容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响
要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电 子束
刷新频率
每秒钟重画图像的次数，通常刷新频率应为 30-50
刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示， 这个临界值称为停闪频率（critical flicker frequency CFF）
电子枪
电灯丝，金属阴极和控制栅组成。 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
应用：主要用于画线显示器 优点：成本低 缺点：
1、只能产生四种颜色 2、 图形质量比较差
2.2.2 彩色阴极射线管----影孔板法
原理：通常用于光栅扫描显示器中，颜色范围 广，每个像素有三个荧光点（红、绿、蓝三基 色）。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
外层玻璃
荧光涂层
帧缓存可以是专 用的存储器，也可以 是系统内存中的一块 固定区域。
计算机图形系统组成
计算机图形系统组成⼀．计算机图形硬件1.图形计算机系统硬件性能与⼀般计算机系统相⽐，要求主机性能更⾼、速度更快、存储容量更⼤、外设种类更齐全⽬前，⾯向图形应⽤的计算机系统包括：（1）微型计算机开放式体系结构体积⼩、价格低廉、⽤户界⾯友好⼀种普及的图形计算机系统CPU*以Intel和AMD公司提供的为主操作系统以微软公司的windows为主⼚商以IBM、Dell、Acer和联想公司为主（2）⼯作站具有⾼速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗⼝以及⽹络管理功能交互式计算机系统主要应⽤领域：办公⾃动化、⽂字处理、⽂字编辑、⼯程与产品的设计与绘图、⼯业模拟、艺术模拟主要⼚商：HP、IBM、SGI（3）计算机⽹络（3）中⼩型计算机⼀类⾼级的、⼤规模计算机⼯作环境⼀般在特定的部门、单位和应⽤领域采⽤建⽴⼤型信息系统的重要环境具有强⼤的处理能⼒、集中控制和管理能⼒、海量数据存储能⼒⼀般情况下，图形系统在这类平台上作为⼀种图形⼦系统来独⽴运⾏和⼯作2.图形设备（1）图形输⼊设备①键盘常⽤的图形输⼊设备⽤于屏幕坐标的输⼊、菜单的选择、图形功能选择、输⼊⾮图形数据普通键盘、带⼿写输⼊板、⽆线键盘②⿏标常⽤的图形输⼊设备③操纵杆、跟踪球和空间球操作杆A.由⼀个⼿柄通过⼀个球形轴承半固定在底座上，在⼿柄运动时带动⼀对电位器或电脉冲产⽣器产⽣位置信号，控制屏幕上光标的坐标B.⼀般⽤于游戏和虚拟现实系统中C.将纯粹的物理动作（⼿部运动）完完全全地转换成数字形式（⼀连串0或1组成的计算机语⾔）跟踪球和空间球A.根据球在不同⽅向收到的推或拉的压⼒来实现定位和选择的，从⽽控制屏幕上光标的位置B.游戏、虚拟系统、动画、CAD等应⽤中⼀般作三维定位设备和选取设备④触摸屏系统新型输⼊设备⽬前最⽅便、最⾃然的⼈机交互⽅式适⽤⼈群⼴、坚固耐⽤、反应速度快、节省空间、易于交流应⽤⼴泛：公共信息场所⑤集成输⼊板将使⽤者的⼿的影像映射到屏幕上，使⽤者通过屏幕上的虚拟⼿来操作窗体上的对象完成了键盘、⿏标、书写板、触摸板、触摸屏五件设备的所有输⼊功能根本意义在于⼈机界⾯上的改⾰和创新开创的“动态图形⽤户界⾯（DGUI）”结合了触摸技术和传统图形界⾯的优势，是真正意义上的“⾃然⽤户界⾯”⑥图形扫描仪从专⽤⼯具变为家⽤计算机外设做典型的代表直接把图形和图像扫描到计算机中以像素信息进⾏存储的设备传统扫描仪：普通平板扫描仪（扫描⾯积⼤）、⼿持扫描仪（⼿持灵活）三维扫描仪（3D扫描仪）A.采集实物表⾯各个点的位置信息B.结构与传统扫描仪不同C.⽣成的⽂件不是常见的图像⽂件，⽽是能精确描述物体三维结构的⼀系列坐标数据D.从结构来讲，分为激光式和机械式机械式：依靠⼀个机械臂触摸物体的表⾯，以获得物体的三维数据E.三维数据远⼤于常见图像的⼆维数据，扫描速度慢、视物体⼤⼩和精确度底，扫描时间不等⑦数字化仪⼀种吧图形转变成计算机能接收的数字形式的专⽤设备基本⼯作原理：采⽤电磁感应技术，通常由电磁感应数据板、游标触笔和相应的电⼦电路组成。
计算机图形学基础
显示设备——图形处理器 显示设备——图形处理器 ——
帧缓冲存储器
3个位面分辩率是1024×1024的显示器,需要 3×1024×1024(3145728)位的存储器.在存储器位固 定下,屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系.1 兆字节的帧缓存,若设分辩率为640×480,则帧缓存每 个单元可有24位,可能同时显示224种颜色,若设分辩率 为1024×768,则每个单元分得的位数仅略多于8,256色 显示模式下. 高分辩率和真彩模式下,两个问题,一是需要大容量帧 缓存,二是要求视频控制器对帧缓存有较快的存取速率. 解决办法:一是采用查色表机制,二是采用隔行扫描方 法.
显示设备——LCD 显示设备——LCD ——
LCD显示器的优点
外观小巧精致,厚度只有6.5~8cm左右. 不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁 现象 工作电压低,功耗小,节约能源 没有电磁辐射,对人体健康没有任何影响
显示设备——LCD 显示设备——LCD ——
LCD基本原理
通过能阻塞或传递光的液晶材料,传递来 自周围或内部的光源的偏振光. 长晶体分子,极化.
显示设备——其它显示器件 显示设备——其它显示器件 ——
等离子体平 板显示设备 的基本设计
显示设备——LCD 显示设备——LCD ——
LCD显示器
CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领 域发展
屏幕的加大必然导致显象管的加长,显示器的体 积必然要加大,在使用时候就会受到空间的限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像, 容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响
显示设备——图形处理器 显示设备——图形处理器 ——
帧缓冲存储器
像素所呈现的颜色或灰色由数值表示,视频控 制器刷新时,需反复读这些数值. 用来存储像素颜色(灰度)值的存储器就称为 帧缓冲存储器(显存). 帧缓存中单元数目与显示器上像素的数目相同, 单元与像素一一对应,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.
图形显示装置国家标准标准
图形显示装置国家标准标准图形显示装置是现代信息技术中不可或缺的一部分，它在各个领域都有着广泛的应用，如电子产品、交通系统、医疗设备等。
为了保障图形显示装置的质量和安全性，国家对其进行了标准化管理，制定了一系列的国家标准标准，以确保图形显示装置的性能和质量达到一定的要求。
首先，图形显示装置国家标准标准明确了各种类型图形显示装置的基本参数和性能指标。
这些参数和指标包括分辨率、亮度、色彩表现、对比度、响应时间等，通过对这些参数和指标的规定，可以有效地评估图形显示装置的性能，为消费者和生产厂家提供了明确的参考标准。
其次，国家标准标准还对图形显示装置的安全性能进行了详细的规定。
图形显示装置作为电子产品，其安全性能至关重要。
国家标准标准规定了图形显示装置的电磁兼容性、辐射安全、防火防爆等方面的要求，以确保图形显示装置在使用过程中不会对人体和环境造成危害。
此外，国家标准标准还对图形显示装置的环境适应性进行了规定。
图形显示装置在不同的环境下需要具备不同的适应性，国家标准标准规定了图形显示装置在温度、湿度、震动、腐蚀等方面的适应性要求，以确保图形显示装置在各种复杂的环境条件下均能正常工作。
总的来说，图形显示装置国家标准标准的制定，对于保障图形显示装置的质量和安全性具有重要意义。
通过遵循国家标准标准，生产厂家可以生产出性能优良、安全可靠的图形显示装置，消费者也可以购买到符合国家标准的产品，从而保障了图形显示装置在各个领域的正常应用。
在未来，随着科技的不断发展，图形显示装置国家标准标准也将不断进行更新和完善，以适应新的技术和市场需求。
希望通过国家标准标准的制定和执行，能够推动图形显示装置行业的健康发展，为人们的生活和工作带来更多的便利和安全保障。
计算机图形学
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
1
2
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 为真彩系统
调节各电子枪发出 的电子束中所含电 子的数目，即可控 制各色光点亮度。
从结构上看，CRT为：电子枪、偏转系统、荧光屏
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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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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2-16光栅扫描示意图
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基本概念 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
3
光栅扫描的显示系统
光栅扫描显示系统 特点：光栅扫描 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期
4
几个概念
➢行频、帧频 水平扫描频率为行频。垂直扫描频率为帧频。
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要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发 射电子束
刷新频率 刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的 过程 刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显 示
2021/2/24
电子枪
电灯丝，阴极和控制栅组成。 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
特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的 部分。 逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处
理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT
2021/2/24
工作原理
应用程序发出绘图命令，→解析成显示处理器可
接受命令格式，存放在刷新存储器中。刷新存储器中所 有的绘图命令组成一个显示文件，由显示处理器负责解 释执行(刷新)， →驱动电子枪在屏幕上绘图。
高速电子束
2021/2/24
彩色阴极射线管-射线穿透法
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
2021/2/24
2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法
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
外层玻璃
2021/2/24
荧光涂层
影孔板的类型 点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管
就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度 被称为最大偏转角 最大偏转角是衡量系统性能的最重要的 指标，显示器长短与此有关 CRT显示器屏幕越大整个显象管就越长
2021/2/24
荧光屏
荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光 持续发光时间：电子束离开某点后，该点的 亮度值衰减到初始值1/10所需的时间 刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳 定的亮度值 刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数
修改图形，实际是修改显示文件中的某些绘图命令。
2021/2/24
2.1.4 光栅扫描的显示系统
光栅扫描显示系统
特点：光栅扫描 扫描线 帧 水平回扫期 垂直回扫期
2021/2/24
2.1.2 彩色阴极射线管
产生彩色的常用方法： 射线穿透法 影孔板法
2021/2/24
2.1.2 彩色阴极射线管-射线穿透法
• 原理：两层荧光涂层，红色光和绿 色光两种发光物质，电子束轰击穿
透荧光层的深浅，决定所产生的颜 色
荧光涂层 产生颜色
低速电子束
电子束
较低速电子束 较高速电子束
阴极射线管(CRT)
工作原理 高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系 统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光 屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子 的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到 能量从低能态变为高能态。由于高能态很 不稳定，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，这时将发出 荧光，屏幕上的那一点就会亮了
2021/2/24
真彩系统
球面显示器与柱面显示器 普通的显象管采用的都是点状影孔板显象 管，显象管的表面呈略微凸起的球面状， 故称之为“球面管”。而柱面显象管采用 荫栅式结构，它的表面在水平方向仍然略 微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的， 呈圆柱状，故称之为“柱面管” 常用的点状影孔板显象管有日本索尼公司 的特丽珑管（Trinitron）和三菱公司的钻 石珑管（Diamondtron）
某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率 =1秒/荧光物质的持续发光时间 （例如）=1000/40=25Hz
2021/2/24
荧光屏
像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图像） 的最小元素
分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方 向单位长度上能识别的最大像素个数，单 位通常为dpi（dots per inch)。在假定屏 幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所 能容纳的像素个数描述，如640*480， 800*600，1024*768，1280*1024等等
2.1.1 阴极射线管 2.1.2 彩色阴极射线管
射线穿透法 影孔板法
2.1.3 随机扫描显示系 统
2.1.4 光栅扫描系统
2021/2/24
阴极射线管（CRT)
阴极射线管(CRT- Cathode Ray Tube) –组成：包括电子枪、加速结构、聚焦 系统、偏转系统、荧光屏
2021/2/24
第二章 图形设备与系统
2.1 图形显示设备 2.2 图形系统及其标准
2021/2/24
2.1 图形设备
图形显示设备
图形输出包括图形的显示和图形的绘制，图 形显示指的是在屏幕上输出图形
图形绘制通常指把图形画在纸上，也称硬拷 贝，打印机和绘图仪是两种最常用的硬拷贝 设备
2021/2/24
2.1 图形显示器
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
2021/2/24
2.1.2 彩色阴极射线管-影孔板法
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
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。
2021/2/24
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。
2021/2/24
偏转系统
控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。 电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度
2021/2/24
电子枪、影孔板中 的一个小孔和荧光 点呈一直线；
每个小孔与一个像 素（即三个荧光点） 对应
调节各电子枪 发生的电子束中 所含电子的数目， 即可控制各色光 点亮度。
显示器能同时显示的颜色个数
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
2021/2/24
红 绿兰
荫栅
荧光屏 RGB
2021/2/24
荫栅式彩色CRT显色原理
0.25mm
G B R G B R G GB
d=0.28mm
0.31mm
点距为.25的柱 面显示器
0.22mm
点距为.28的球 面显示器
柱面和球面显示器点距定义示意图
2021/2/24
2.1.3 随机扫描的显示系统