计算机图形系统的主要硬件是什么？软件是如何进行配置的？

2.1视频显示设备

图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出设备。一直以来，大部分视频监视器的操作是基于标准的阴极射线管（Cachode Ray Tube，CRT）设计的，但是也已经出现一些其他技术。近年来，平板显示（flat-panel）由于其耗电少和薄型设计而变得越来越流行。
2.1.1刷新式CRT






图2.1给出了CRT的基本工作原理。由电子枪发射出的电子束(阴极射线)通过聚焦系统和偏转系统，射向屏幕上涂覆有荧光层的指定位置。在电子束轰击的每个位置，荧光层都会产生一个小亮点。由于荧光层发射的光会很快衰减，因此必须采用某种方法来保持屏幕图像。一种方法是将图形信息作为电荷分布存储在CRT上。这种电荷分布用来保持荧光粉处于激活状态。但现在用得较多的维持荧光粉亮度的办法是快速控制电子束反复重画图像。这类显示器称为刷新式CRT( refresh CRT)，在屏幕上重复画图的频率称为刷新频率( refresh rate) 。





CRT电子枪的主要元件是受热激发的金属阴极和控制栅极(参见图2.2)。通过给称为灯丝的线圈通电来加热阴极，引起受热的电子“沸腾出"阴极表面。在CRT封装内的真空里，带负电荷的自由电子在较高的正电压的作用下加速冲向荧光屏。该加速电压可由CRT封装内靠近荧光屏处充以正电荷的金属涂层生成，或者采用加速阳极(参见图2.2)。
电子束的强度受设置在控制栅极上的电压电平控制。控制栅极是一个金属圆筒，紧挨着阴极安装。若在控制栅极上加上较高的负电压,则将阻止电子活动从而截断电子束,使之停止从控制栅极末端的小孔通过。而在控制栅极上施以较低的负电压，则仅仅减少了通过的电子数量。由于荧光层发射光的强度依赖于轰击屏幕的电子数量,因此可以通过改变控制栅极的电压来控制显示的光强。我们使用图形软件命令来设定各个屏幕位置的亮度级。





电子束的偏转受电场或磁场控制。CRT通常配备一个装在其封装外部的磁性偏转线圈，如图2.1所示。使用两对线圈,将它们成对地安装在CRT封装的颈部, 一对安装在颈部的顶部和底部，另一对设置在颈部两侧。每对线圈产生的磁场造成横向偏转力，该力正交于磁场方向，也垂直于电子束的行进方向。一对线圈实现水平偏转，另一对则实现垂直偏转。调节通过线圈的电流可得到适当的偏转量。当采用静电偏转时，则在CRT封装内安装两对平行极板。一对为水平放置，控制垂直偏转;另一对为垂直放置，控制水平偏转(参见图2.3)。
CRT采用的荧光层有着不同的类型。除了颜色之外，这些荧光层之间的主要差异是它们的余辉(persistence)时间: CRT电子束移走后,它们将继续发光(即激活电子转为基本态)多长时间。余辉时间定义成从屏幕发光到衰减为其原亮度十分之一的时间。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。短余辉的荧光层适用于动画，而长余辉荧光层则适用于显示高复杂度的静态图形。虽然有的荧光层的余辉时间大于一秒, 但是对于图形监视器,通常采用余辉时间为10~60ms的材料制成。





图2.4表明了屏幕上一个亮点的亮度分布。亮点中心位置的亮度最大，并按高斯分布向亮点的边缘衰减。这个分布依赖于CRT电子束横截面的电子密度分布。CRT无重叠显示的最多点数称为分辨率( resolution)。虽然它常常简述为每个方向的总点数，但更精确的分辨率定义是在水平和垂直方向上每厘米可绘制的点数。亮点的强度满足高斯分布(参见图2.4),因此要使两个相邻亮点保持区别，其间隔应大于亮点强度在最大强度值的60%时的直径。这种覆盖位置如图2.5所示。亮点尺寸也依赖于亮度。当每秒有更多的电子加速飞向荧光层时，CRT电子束的直径及发光亮点的面积增大。此外，增大的激活能量趋向于传播到邻近的荧光原子，而不是正对着电子束的路径，这就进一步加大了亮点直径。因此, CRT的分辨率取决于荧光层的类型、显示的亮度、聚焦系统及偏转系统。典型的高质量系统分辨率为1280x1024，在许多系统中还要用到更高的分辨率。高分辨率系统常常称为高清晰度系统( high-definition system)。图形监视器的物理尺寸是由屏幕对角线的长度给定的。可从12英寸(1英寸=2.54厘米)到27英寸或更大一些。CRT监视器可与各类计算机系统相连接，因此可实际绘制的屏幕点数依赖于与它相连接的系统的能力。
2.1.2光栅扫描显示器






使用CRT的普通图形监视器是基于电视技术的光栅扫描显示器(raster-scandisplay)。在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底依次进行。每一行称为一个扫描行(scan line)。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度不断变化，从而建立亮点组成的一个图案。图形定义保存在称为刷新缓存(refresh buffer) 或帧缓存( frame buffer) 的存储器中，这里的帧( frame)是指整个屏幕范围。该存储器保存一组对应屏幕所有点的强度值。电子束在屏幕上逐点移动时由从刷新缓存取出的强度值控制其强度。这样，如图2.6所示，在屏幕上“画图"是每次一行。每个可由电子束点亮的屏幕点称为一个像素(pixel或pel,是picture element的简写)。由于刷新缓存用来存储屏幕颜色值，因此它也称为颜色缓存(color buffer)。除了颜色以外，像素的其他信息也存储在缓存中，因而不同的缓存区域有时统称为“帧缓存”。光栅扫描系统对于屏幕的每一点都有存储强度信息的能力，从而使之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。家用电视和打印机是另一类使用光栅扫描方式的例子。
光栅系统常用称为分辨率的像素个数作为其特征。视频显示器的另一特征是纵横比(aspect ratio),定义为系统能显示的像素列数除以行数的结果(有时术语纵横比用来表示扫描行数被像素列数除的结果)。纵横比还可用在屏幕上显示水平和垂直方向相同长度线段所需的点数之比来描述。因此，纵横比为4/3表示用4点绘出的水平线与用3点绘出的垂直线有相同的物理长度,如相同的厘米数。类似地，任意矩形(包括整个屏幕)的纵横比可用其宽度除以高度所得的结果来描述。光栅系统可以显示的颜色或灰度等级依赖于CRT使用的荧光粉类型及每一像素对应的帧缓存中的位数。对于一个简单的黑白系统来说，每一个屏幕点或亮或暗，因此每个像素只需一位来控制屏幕位置上的亮度。该位取值为1,表示电子束在该位置时开通，取值为0表示电子束在该位置时关闭。如果要使电子束除了“开”、“关"两状态之外有更多的强度等级，那么就需要提供附加位。在高性能系统中每一像素可多达24位，这时分辨率为1024 x 1024的屏幕要使用3MB容量的刷新缓存。每像素的位数有时也称为缓存深度(depth)或位平面(bitplane)数。每像素一位的帧缓存通常称为位图( bitmap),而每像素多位的帧缓存称为像素图(pixmap),但是这些术语也用来表述任意个二进制值的阵列或彩色阵列像素图。当刷新频率不太低时，我们会感觉到刷新过程中相邻两帧的内容是平稳过渡的。在每秒24帧以下时，我们会感觉到屏幕上相邻图像之间有间隙，即图像出现闪烁。例如，早期的无声电影以每秒16帧的速率拍摄，因而放映时有闪烁现象。在20世纪20年代开发有声系统时，电影速率已增加到每秒24帧，因而消除了闪烁及演员的不稳定运动。早期的光栅计算机系统按每次刷新30帧来设计，因而产生了较好的结果,但由于监视器上的显示技术与电影有着根本的不同，因此图片质量的改善还依赖于监视器更高的刷新频率。电影放映机可以通过持续放映一帧直到下一帧开始放映来保持显示结果的连续性。但是在视频监视器上,荧光点在点亮后立即开始衰退。因此，现在多数扫描显示器使用每秒60~80帧的刷新频率，部分系统达到每秒120帧的刷新频率。有些图形系统设计成使用可变刷新频率。例如，为立体显示应用选择高刷新频率，使其在交替显示场景的两个视图时不会闪烁。这一类应用通常使用多个帧缓存的方法。
有时，刷新频率以每秒多少周期或赫兹( Hz)为单位进行描述，其中一个同期对应于一帧。因此,我们可以将每秒60帧的刷新频率简单地称为60Hz。在每条扫描线末端，电子束返回到屏幕的左边，然后又开始显示下一条扫描线。刷新每条扫描线后，电子束返回到屏幕左端，这称为电子束的水平回扫( horizontal retrace)。而在每帧(以一秒的1/80到1/60显示)的终止处，电子束返回(垂直回扫，vertical retrace )到屏幕的左上角，开始显示下一帧。





在某些光栅扫描系统和TV中，采用了隔行( interlaced)刷新方式分两次显示每一帧。第一次，电子束从顶到底，一行隔一行地扫描。垂直回扫后，电子束再扫描另一半扫描线(参见图2.7)。这种隔行扫描方式使得在逐行扫描所需时间的一半时，就能看到整个屏幕显示。隔行扫描技术主要用于较慢的刷新频率。例如,对于一个老式的、每秒30帧的非隔行扫描显示器，可能会注意到它产生了闪烁。但是,采用隔行扫描,两次扫描中的每一次可以用1/60秒完成，也就是刷新频率接近每秒60帧。这是避免闪烁且提供相邻扫描线包含类似显示信息的有效技术。
2.1.3随机扫描显示器






当CRT用于随机扫描显示器(random scan display)时，其电子束只在屏幕上显示图形的部分移动。电子束逐条地跟踪图形的组成线条，从而生成线条图。因此,随机扫描显示器也称为向量显示器(vector display)、 笔划显示器(stroke-writing display )或笔迹显示器(calligraphic display)。 图形的组成线条由随机扫描系统按任意指定的顺序绘制并刷新(参见图2.8)。笔式绘图仪也以类似的方式工作，它是随机扫描、硬拷贝设备的一个例子。
随机扫描系统的刷新频率依赖于显示的线数。这时图形的定义是存放在称为刷新显示文件存储区的一组画线命令。刷新显示文件称为显示列表(display list) 、刷新显示文件(refresh display file)、向量文件(vector file) 或显示程序(display program)。为了显示指定的图形，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。随机扫描显示器设计成每秒30~60次画出图形的所有线条。高性能的向量系统在这样的刷新速率中能处理约10,0000条短线。当显示的线条很少时，则延迟每个刷新周期，以避免刷新速率超过每秒60帧。否则，线条的刷新过快，可能会烧坏荧光层。随机扫描系统用于画线应用，如建筑和工程布局图等，它不能显示逼真的有阴影的场景。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。另外，向量显示器的CRT电子束直接按线条路径画线，因而生成光滑线条。相比之下，光栅系统通过显示一组离散点来画线，因而生成锯齿状线条。但是，光栅系统极大的灵活性和提高的画线能力还是淘汰了向量技术。
2.1.4彩色CRT监视器

CRT监视器利用能发射不同颜色光的荧光层的组合来显示彩色图形。不同荧光层的发射光组合起来，可以生成一种按其比例而定的可见颜色。
显示彩色图形的一种方法是在屏幕上涂上多层不同的荧光粉。发***色由电子束在荧光层中的穿透深度决定。这种方法称为电子束穿透法( beam-penetration),它常用于红、绿两层结构。速度慢的电子束只激活外面的红色层，速度快的电子束能穿过红色层并激活里面的绿色层。而中速的电子束通过发射红、绿光的组合来生成两种另外的颜色:橙色和黄色。电子的速度，也就是屏幕上任意一点的颜色，受电子束的加速电压控制。电子束穿透法是随机扫描监视器生成彩色图形的廉价途径，但是只能有较少的颜色种类，而且图形质量不如其他方法的好。





荫罩法(shadow-mask)常用于光栅扫描系统(包括彩色电视机)，因为它能产生的彩色范围比电子束穿透法大得多。这种方法基于我们熟悉的由红、绿、蓝三原色来组合颜色的原理，称为RGB颜色模型(RGB color model)。对于每个像素位置，荫罩CRT有三个荧光彩色点: 一个荧光点发射红光，另一个发射绿光，而第三个发射蓝光。这类CRT有三支电子枪，与每个彩色点一一对应，而荫罩栅格位于紧靠涂覆有荧光层的屏幕之后。由于人眼可将三点发出的光结合成一种组合色，因此三种荧光粉发射出的光生成像素位置的一个小颜色点。 图2.9给出了通常用于彩色CRT系统的delta-delta荫罩法。其中的三支电子束一起被偏转、聚焦并发射到荫罩上。荫罩上有按荧光点模式分布的一系列孔。当三支电子束通过荫罩上的孔时，将激活一个点三角形，从而在屏幕上显示一个小的彩色亮点。荧光点以三角形排列,并使每支电子束通过荫罩时，只能激活与之对应的彩色点。三支电子枪的另一配置结构是按线(in-line)排列。其中，三支电子枪及屏幕上相应的RGB彩色点都沿扫描线而不是成三角形模式排列。这种电子枪的按线排列容易保持对齐状态，通常用于高分辨率的彩色CRT。
改变三支电子束的强度等级，可以改变荫罩CRT显示的颜色。关掉三支枪中的两支,我们只能得到来自单个激活荧光点的颜色(红、绿、蓝)。在以相同的电子束强度激活三点时,我们将看到白色。黄色由相同强度的绿点和红点产生,品红由相同强度的蓝点和红点产生。而当蓝点和绿点的激活程度相同时，将呈现青色。在某些低价格系统中，电子束只能置为开或关，因此只能显示八种颜色。较高级的系统可以为电子束设置中间强度等级,这样就允许生成几百万种不同的颜色。
彩色图形系统可以根据配用多种CRT显示设备进行设计。某些廉价的家用计算机系统和电视游戏机则设计成能配用彩色电视机和RF(radio-frequency,无线电频率)调制器。RF调制器的作用是模拟广播电视台的信号。这意味着必须组合图形的颜色和亮度信息，并叠加到广播频率载波信号上作为电视机的输入。然后，电视机中的威廉希尔官方网站 从RF调制器接收这种信号,抽取图形信息，并在屏幕上进行显示。正如我们可以预料的，由于RF调制器和TV威廉希尔官方网站 对图形信息的额外处理，将会降低图像显示的质量。
合成式监视器(composite monitor) 是用于允许广播威廉希尔官方网站 旁路的电视适配设备。这些显示设备仍然要求组合图形信息，但无须载波信号。它将图形信息组合为合成信号,然后由监视器分离，所得图形的质量仍然不是太好。
人们将图形系统的彩色CRT设计成RGB监视器(RGB monitor)。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。在高质量的光栅图形系统的帧缓存中，每个像素对应24位,每支电子枪允许256级电压设置,因而每个像素有近1700万种颜色可供选择。每个像素具有24个存储位的RGB彩色系统通常称为全彩色系统(full-color system)或真彩色系统(true-color system)。
2.1.5平板显示器

虽然多数图形监视器还是采用CRT构造,但是其他一些技术可能很快要替代CRT监视器。平板显示器(flat-panel display)代表一类相比CRT能减小体积、减轻重量并节省功耗的视频设备。平板显示器的一个有意义的特性是比CRT要薄，可以把它们挂在墙上或戴在手腕上。有些平板显示器上甚至还可以进行书写，因此它们可用于袖珍式笔记本。平板显示器另外还用于小型TV监视器、计算器、袖珍式视频游戏机、膝上型计算机、航空座椅上的电影屏幕、电梯内的告示牌,以及在要求不高的便携式监视器的应用场合中作为图形显示器。
我们可以把平板显示器分为两类:发射显示器(emissive display )和非发射显示器(nonemissive display)。发射显示器是将电能转换为光能的设备。等离子体显示板、薄膜光电显示器及发光二极管都是发射显示器的实例。平板CRT也已发明出来，其中的电子束以平行于屏幕的方向加速，然后偏转90°轰击屏幕。但是,还未证实平板CRT同其他发射设备一样可以实际应用。非发射显示器利用光学效应将太阳光或来自某些其他光源的光转换为图形模式。液晶设备是非发射平板显示器的最重要的例子。





等离子体显示板(plasma panel) 也称气体放电显示器( gas-discharge display)，通过将通常包含氖气的混合气体充人两块玻璃板之间的区域而构成。一块玻璃板上放置一系列垂直导电带， 而另一块玻璃板上构造一组水平导电带(参见图2.10)。在成对的水平和垂直导电带上施加点火电压，导致两导电带交叉点处的气体进人电子和离子的辉光放电等离子区。图形的定义存储在刷新缓存中，点火电压以每秒60次的速率刷新像素位置(导电带的交叉处)。使用交变电流方法快速提供点火电压，可以得到较亮的显示。像素之间的分隔是由导电带的电场提供的。等离子体显示板有一个缺点，即它是一种严格的单色设备，但现在已开发出能显示彩色和灰度等级的等离子显示器。
薄膜光电显示器(thin-film electroluminescent display)具有与等离子体显示板类似的结构。不同之处是它在玻璃板之间的区域充以荧光物，诸如硫化锌与锰的胶状物，而不再是气体(参见图2.11)。当一个足够高的电压加到一对交叉的电极时，荧光层在两电极交叉区域成为一个导电体。电能由锰原子吸收，然后释放能量成为一发光亮点,这类似于等离子体显示板的辉光放电的等离子体效应。光电显示器比等离子体显示板需要更多的功耗，而且难以达到好的颜色和灰度等级显示。
第三类发射设备是发光二极管(light-emiting diode, LED)。二极管以矩阵排列形成显示器的像素位置,图形的定义存储在刷新缓存中。如同CRT的扫描线刷新一样，信息从刷新缓存读出，并转换为电压电平，然后应用于二极管，在显示器上产生发光图案。





液晶显示器(liquid-crystal display, LCD)通常用于小型系统，如膝上型计算机及计算器(参见图2.12)。这些非发射设备生成图形的原理是，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。





术语液晶( liquid crystal)是指这些化合物具有晶状结构的分子,并且可以像液体那样流动。平板显示器通常使用线状的液晶化合物，它们趋向于保持杆状分子的长轴排列。因此平板显示器可用线状的液晶构成，如图2.13所示。其中有两块玻璃板，每块都有一个光偏振器，与另一块形成合适的角度,内部充以液晶材料。在一块板上排放水平透明导体行，而另一块板上则放置垂直透明导体列。行、列导体的交叉处定义一个像素位置。通常，分子按图2.13中所示的“开态”排列。经过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。如果要关掉像素，我们可以将电压置于两交叉导体，使分子对齐，从而不再扭曲偏振光。这类平板显示设备可视为无源矩阵(passive-matrix)LCD。图形的定义存储在刷新缓存，以每秒60帧的速率刷新屏幕，与发射设备相同。使用固态电子设备时，通常也利用背光，因而系统不完全依赖于外部光源。可以使用不同的材料或染料来显示颜色，并在每个屏幕位置放置一个三合的彩色像素。构成LCD的另一种办法是在每个像素位置放置一个晶体管,并采用薄膜晶体管技术。晶体管用来控制像素位置的电压，并阻止液晶单元慢性漏电。这些设备称为激活矩阵(active-matrix)显示器。
2.1.6三维观察设备






显示三维场景的图形监视器的设计，采用了从振动的柔性镜面反射CRT图像的技术。此类系统的操作原理如图2.14所示。当变焦反射镜振动时改变焦距长度。这些振动是同CRT上对象的显示同步的。因此，将该对象上的每一点从镜面反射到空间位置，对应于该点到指定观察位置的距离。这样就允许我们围绕着一个对象或场景行走，并从不同的角度进行观察。除了显示三维图像,这些系统也能显示选定对象在不同深度横截面的二维“切片”，例如在医学应用中分析来自超声波造影和CAT扫描设备的数据;在地质应用中，可以分析地形的地震数据，在设计应用中引入实体对象，以及分子系统和地形系统的三维仿真应用。
2.1.7立体感和虚拟现实系统

表示三维对象的另一种技术是显示具有立体感的视图。这种方法并不生成真实的三维图像,而是为观察者的每只眼睛给出不同的视图来提供三维效果，从而使场景带有深度。
为得到具有立体感的投影，首先需要得到从相对于每只眼睛(左眼与右眼)的观察方向上产生的有关场景的两个视图。可以通过指定不同的观察位置，并由计算机生成场景来获得这两个视图，或者用一对立体照相机拍摄某些对象或场景来获得这两个视图。当我们同时用左眼得到左视图、右眼得到右视图时，则两个视图合成为单个图像,并感觉到场景带有深度。





产生立体感效果的途径之一是使用光栅系统在不同的刷新周期交替显示两种视图。通过眼镜观察屏幕，每个镜片设计成高速交替的快门,这种快门能同步阻止另一视图的显示， 图2.15是使用液晶快门和使眼镜与屏幕视图同步的红外线发射器的一种设计。
立体感视图也是虛拟现实(virtual-reality)系统的一个组成部分。用户可以步人场景并同环境进行交互。带有生成立体感视图的光学系统的头套可用来连接交互输人设备,从而定位并操纵场景中的对象。头套内的传感系统跟踪观察者的位置，以便在观察者“走进"并同显示进行交互时，能看见对象的正面和背面。另一种生成虚拟环境的方法是使用投影仪在布局好的墙上生成场景，观察者使用头套和戴在右手的数据手套同虚拟场景进行交互(参见2.4节)。
低成本交互虚拟现实环境可以用视频监视器、立体眼镜和头部跟踪设备构建。跟踪设备放置在视频显示器的顶部，并用来监视头部的运动。因此，对场景的观察位置可跟随头部位置的变化而变化。
2.2光栅扫描系统






交互式光栅图形系统通常使用几个处理部件。除了中央处理器(CPU)之外，还使用一个视频控制器(video controller)或显示控制器(display controller) 来控制显示设备的操作。简单光栅系统的组织结构如图2.16所示。其中,帧缓存可以在系统存储器的任意位置,视频控制器通过访问帧缓存来刷新屏幕。更高级的光栅系统除了使用视频控制器之外,还使用其他处理器作为协处理器和加速器来完成各种图形操作。
2.1.1视频控制器






图2.17给出了常用的光栅系统组织。帧缓存使用系统存储器的固定区域且由视频控制器直接访问。





帧缓存的位置及相应的屏幕位置均使用笛卡儿(Cartesian)坐标。应用程序使用图形软件包的命令来设定显示对象相对于笛卡儿坐标系原点的坐标位置。尽管在特定系统中我们可以将原点设定在任意方便的位置，但多数情况下将坐标原点定义在屏幕的左下角。图2.18给出了一个原点在屏幕左下角的二维笛卡儿参考系统。屏幕表面则表示二维系统的第一象限，正x的值向右递增，正y的值从下到上递增。像素位置用整数x从屏幕左边的0到右边的



和整数y从底部的0到顶部的



来赋值。但在屏幕刷新等硬件处理及某些软件系统中，像素位置以屏幕左上角为参考。
图2.19给出了视频控制器的基本刷新操作流程。有两个寄存器用来存放屏幕像素的坐标。开始时，为顶部扫描行将x寄存器置为0、将y寄存器置为顶部扫描行号。存储在帧缓存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。然后，x寄存器增加1,并且该过程对顶部扫描线上的下一个像素重复执行，并沿该扫描线对每个像素重复执行。在处理完顶部扫描线的最后一个像素之后, x寄存器复位为0, y寄存器减1,指向顶部扫描行的下一行。然后，依次处理沿该扫描线的各像素，并且该过程对每条后继的扫描线重复执行。当循环处理完底部扫描线的所有像素后,视频控制器将寄存器复位为最高行扫描线上第一个像素的位置，刷新过程重复开始。
因为屏幕必须按每秒最少60帧的频率刷新,所以图2.19所示的简单过程不能使用循环周期太慢的RAM芯片。为了加速像素处理，视频控制器每次从刷新缓存中取出多个像素值。这些像素强度则存放在单独的寄存器中，用来为一组相邻的像素控制CRT电子束的强度。当处理完该组像素后，从帧缓存取出下一块像素值。
视频控制器还能执行一些其他操作。对于多类应用，视频控制器在不同的刷新周期内可以从不同的存储区中取出像素强度值。例如，在高性能系统中，常常提供两个帧缓存，一个缓存用来刷新,另一个以强度值填充。然后，这两个缓存可以互换角色。这种方法提供了生成实时动画的快速机构,因为正在移动的对象的不同视图可以逐一装入刷新缓存中而不用中断刷新周期。同样，视频控制器可以完成像素块的变换。在一个刷新周期内，屏幕区域可以放大、缩小，或从一个位置移向另一个位置。 此外，视频控制器常常包含一个查找表，帧缓存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。这提供了改变屏幕强度值的快速方法，我们将在第5章更详细地讨论查找表。最后，可以将某些系统设计成允许视频控制器将来自电视摄像机或其他输入设备的输人图像与帧缓存图像进行混合。
2.2.2光栅扫描显示器






图2.20给出了建立光栅系统的一种方法，其中包含独立的显示处理器(display processor)，有时也指图形控制器(graphics contoller)或显示协处理器(display coprocessor)。显示处理器的用途是使CPU从图形的复杂处理中解脱出来。除了系统存储器以外，还可以提供独立的显示处理器的存储区域。
显示处理器的主要任务是将应用程序给出的图形定义数字化为一组像素强度值，并存放在帧缓存中,这个数字化过程称为扫描转换(scan conversion) 。扫描转换将给定直线和其他几何对象的图形命令转换为一组与屏幕像素位置对应的离散点。例如，直线段的扫描转换意味着必须确定最接近于直线段路径的像素位置,并把每个位置的强度值存人帧缓存。图形定义中其他对象的扫描转换也使用类似的方法。字符可以用如图2.21所示的矩形像素点阵进行定义，或者用如图2.22所示的曲线轮廓来定义。字符网格矩阵的大小可以为5x7到9x12,对于高质量显示则还要大一些。字符的点阵显示是把矩形点阵模式附加到帧缓存中指定的坐标位置。对于使用曲线轮廓定义的字符,通过确定最接近轮廓的像素位置将字符形状扫描转换到帧缓存中。
显示处理器也能执行某些附加的操作。这些功能包括生成各种线型(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。显示处理器一般都有与鼠标等输人设备的接口。
为了减少光栅系统中对存储量的需求，使用了将帧缓存组织成链表且对强度信息进行编码的方法。一种实现方法是将每行扫描线作为一组 整数对来存储，每对中的一个整数指示强度值，另一个整数设定该扫描线上具有此强度的相邻像素数。这种技术称为行程长度编码(run-length encoding)。如果图形几乎都是由每个单色的长行程构成的，则可以大量节省存储空间。当像素强度变化为线性时，也能采用类似的方法。另一种方法是将光栅按一块块矩形区域编码(单元编码, cell encoding)。行程编码的缺点是强度的改变难以记录，而当行程长度减小时，存储量开销急剧增加。此外，当包括许多短行程时，显示控制器很难处理光栅。由于存储器成本的急剧下降,帧缓存的大小已不再是主要的考虑因素。然而，编码方法可用于数字存储器和图像信息的传递中。
2.3图形工作站和观察系统

目前，大多数图形监视器以光栅扫描显示的方式工作，一般使用CRT或平板系统。图形系统的范围从小型通用计算机系统到多监视器及超大幅面观察屏幕。个人计算机的屏幕分辨率从640x480到1280x1024,屏幕对角线从12英寸到21英寸。多数通用系统现在的彩色能力相当强，许多具备全彩色功能。为图形应用专门设计的桌面工作站的屏幕分辨率从1280x1024到1600x1200,屏幕对角线为18英寸或更大些。商用工作站常配套专门应用的各种设备。
分辨率为2560x2048的高性能图形系统常用于医学成像处理、空中交通控制、仿真和CAD。许多高端图形工作站也配有某些特色的大型观察屏幕。
多板显示屏幕用在需要“墙幅面"观察区域的各种应用中。这些系统专为会议、学术交流、集会、交易展示、百货商店、博物馆和旅客候机厅等地方显示图形而设计。多板显示用来给出单个场景的大幅面显示或多个独立图像。系统中每一块板显示整个图形的一部分。彩图7给出了用于训练和测试解决机场空中交通和跑道问题的NASA控制塔模拟器中的360度观察系统。大幅面、曲面式屏幕系统在彩图8所示的许多人一起研究特定图形应用时特别有用。配有一组标准监视器的控制中心允许操作员观察大幅面显示的各个部分并通过触摸屏菜单来控制语音、视频、灯光及投影系统。系统投影机提供了不常见的多通道显示，其中包括边融合、变形校正和彩色平衡。环绕音响系统用来提供语音环境。
2.4输入设备

可用于图形工作站数据输入的设备有很多种。多数系统有一个键盘和一个或多个专门为交互输入而设计的其他设备。这些设备包括鼠标、跟踪球、空间球和操纵杆。适合特殊应用的其他输入设备有数字化仪、旋钮、按钮盒、数据手套、触摸板、图像扫描仪和语音系统。
2.4.1键盘、按键盒和旋钮

2.4.2鼠标设备

2.4.3跟踪球和空间球

跟踪球(trackball)是一个球设备，可以通过手指或掌心对其旋转而使屏幕光标移动。与球相连的电压计量器测量球的旋转量和方向。膝上型键盘中常配有跟踪球来取代鼠标所需的空间。跟踪球也可以安装在其他设备上，或用做包含两个或三个控制键的附加部件。
空间球(spaceball)是二维跟踪球概念的扩展，它提供了六个自由度。与跟踪球不同的是，空间球实际并不移动。当在不同方向上推拉球时，张力标尺测量施加于空间球的压力，从而提供空间定位和方向的输人。空间球用于虚拟现实系统、建模、动画、CAD和其他应用中的三维定位与选择操作。
2.4.4操作杆

操纵杆(joystick)是另一类定位设备，它由小的垂直杆(称为手杆)安装在一个基座上构成。操纵杆用于操纵屏幕光标。多数操纵杆以杆的实际移动来选择屏幕位置，而其他操作则根据杆上的压力进行选择。
压力感应式操纵杆[也称等轴操纵杆(isometric joystick) ]有一个不可移动的手杆。由张力标尺测量施于手杆的压力或拉力，并将其转换为指定方向的屏幕光标移动量。
2.4.5数据手套

数据手套(data glove) 是一种可以套在用户手上并用来抓住“虚拟对象"的设备。手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。发送天线和接收天线之间的电磁耦合用来提供手的位置和方向等信息。发送和接收天线各由一组三个互相垂直的线圈构成，形成三维笛卡儿坐标系统。来自手套的输人可用来定位或操纵虚拟场景中的对象。该场景的二维投影可在视频监视器上观察，而三维投影则使用头套观察。
2.4.6数字化仪

数字化仪(digitizer)是绘画、着色或交互式选择坐标位置的常用设备。这类设备可用来输人二维或三维空间的坐标值。在工程和建筑应用中,数字化仪常用来描绘一张工程图或一个对象并输人一组离散的坐标位置。这些输人位置按直线段相连来逼近曲线或表面形状。
图形数据板(graphics tablet, 也称数据板)是一种类型的数字化仪，用来在平板表面选定位置时，通过手持光标或触笔激活二维坐标的输人。手持光标使用交叉发丝指示位置，而触笔是在数据板上指示位置的笔形设备。数据板的尺寸有许多种，台式为12英寸x12英寸,落地式可为44英寸x60英寸或更大些。图形数据板提供选择坐标位置的高精度方法，精度可从台式的约0.2 mm到较大型号的约0.05 mm或更小。
许多图形数据板是在板表面铺设矩形网格线而构成的。沿金属线生成电磁脉冲序列，激活触笔或手持光标，在线圈内感应出电信号,从而记录数据板的位置。采用这种技术，可按信号强度、编码脉冲或相位移来确定在数据板上的位置。
声学(acoustic)或声音(sonic)数据板利用声波来检测触笔位置。可以使用条式麦克风或点式麦克风检测来自触笔端的电火花发出的声音。触笔的位置由其声音到达不同麦克风的时间来计算。二维声学数据板的好处是,麦克风可放置在任何表面位置以形成数据板工作区域。例如，可将麦克风放在一张书页上,从而在手指碰到该页时对其进行数字化。
三维数字化仪使用声音或电磁传播来记录位置。电磁传播的方法之一与数据手套所使用的方法相类似:发送器和接收器之间的耦合用来计算触笔在对象表面移动时的位置。在非金属物体表面选择点的时候，表面的线框轮廓显示在计算机屏幕上。一旦形成表面轮廓，可以利用光照效应进行绘制,从而产生该物体的逼真显示。
2.4.7图像扫描仪

工程图、表格、照片或文本可以使用图像扫描仪(image scanner) 中的光学扫描装置通过扫描来存人计算机。灰度或彩色等级被记录成一个阵列。一旦获得了图形的内部表示，就可以施加变换、旋转、按比例缩放等操作,或者剪辑该图形使之适合特定的屏幕区域。我们也可以使用各种图像处理方法，从而修改该图形的阵列表示。对于扫描输人的文本可以进行各种编辑操作。扫描仪有不同的尺寸和功能，包括小型的手持扫描仪、鼓式扫描仪和平板式扫描仪。
2.4.8触摸板

        顾名思义,触摸板(touch panel)允许用手指触摸来选择显示的物体或屏幕位置。触摸板的典型应用是对用图形符号菜单表示的处理选项进行选择。有些监视器设计成具有触摸屏功能。其他一些系统则通过在视频监视器的屏幕上贴上一个透明的、有触感机能的设备来进行触摸输入。触摸输人可以使用光学、电子或声学方法进行记录。
        光学触摸板在沿框的一条垂直边和一条水平边上各使用一行红外线发光二极管(LED),而相对的垂直边和水平边分别安置光检测器。这些感应器用来记录当触摸到板面时，实际打断了哪些光東。被打断的两条交叉光東确定所选屏幕位置的水平和垂直坐标。当前选择的位置精度约为1/4英寸。对于密排的LED,有可能同时打断两条水平光束或两条垂直光束。此时，则记录两条被打断光束之间的平均位置。LED工作在红外线频率上，因而对用户来说这种光是不可见的。
        电子触摸板由相互之间有一较小距离的两块透明板构成。其中一个板面涂以导电材料，另一个板面涂以电阻材料。当外面一块被触摸时会触及到里面一块,这将引起沿电阻板的电压降低，该压降转换为所选屏幕位置的坐标值。
        在声学触摸板中,沿一块玻璃板的水平方向和垂直方向产生高频声波。触摸屏幕引起每个声波的一部分从手指反射到发射器。接触点的屏幕位置通过测量每个声波发送与反射到发射器的时间间隔进行计算。
2.4.9光笔

光笔(lightpen)是一种通过检测来自CRT屏幕上某一点的光来选定屏幕位置的笔型设备。它们对电子束打到特定点时荧光层瞬时发射的突发光很敏感。但光笔检测不到房间里的背景光等其他光源。如果正在工作的光笔指向屏幕上正被电子束点亮的点，则生成一个电子脉冲,从而记录该电子束的坐标位置。当光笔作为光标定位设备使用时，记录的光笔坐标可用来定位对象或选择处理选项。
虽然现在光笔仍有人使用，但它们不再像以前那样流行。因为同其他已开发的输入设备相比较，光笔有其不足之处。其一,当光笔指向屏幕时，手和笔将遮挡屏幕图像的一部分。而且长时间使用光笔,会造成手臂的疲劳。对于某些应用,光笔需要经过特殊的加工，因为它们不能检测黑暗区域内的位置。为了使光笔能选择任何屏幕区域的位置,我们应该将每个屏幕像素设定为一些非零亮度;另外，有时因房间发光背景的影响，光笔会产生误读现象。
2.4.10语音系统

语音识别器在某些图形工作站中是用于接收声音命令的输入设备。语音系统(voice system)的输入可用于图形操作的初始化或输人数据。这些系统通过将输人与预定义的字典中的单词和词组进行匹配来进行识别。
字典通过重复多次读出命令单词而建立。系统分析每一单词并将单词的频率模式与将要执行的相应功能一起放到字典中。然后,在给出一个语音命令时，该系统检索字典中与其匹配的频率模式及其对应的内容。对每一个使用该系统的用户有必要建立一个单独的字典。语音输入一般对着安装在耳机上的麦克风进行。麦克风设计成将其他背景声音的输人降为最小。语音系统具有某些优于其他输人设备的长处，因为在输人命令时，操作员的注意力不需要从一个设备切换到另一个。
2.5硬拷贝设备

我们可以使用几种格式来获得图像的硬拷贝输出。为了演示或存档，可以将图像文件传送到生成投影胶片、35mm幻灯片或电影胶片的设备与服务部门。也可将图形输出到打印机或绘图仪上，从而在纸上打印出图像。
输出设备生成图片的质量依赖于可显示的点的大小和每英寸的点数或每英寸的行数。为了打印精细的图案，高质量的打印机要移动点的位置，使相邻点之间有部分重叠。
打印机以击打式或非击打式产生输出。击打(impact)式打印机隔着色带将某种格式的字符压在纸上。行式打印机是击打设备的一个例子，其字样安装在色带、链条、磁鼓或滚轮上。非击打(non-impact) 式打印机和绘图仪使用激光技术、喷墨技术、静电方式和热转印方式把图像打印在纸上。





字符击打式打印机常常有一个点阵(dot-matrix)打印头，其中包含矩形阵列结构的一组伸出的金属针,针的总数决定着打印机的质量，打印单个字符或图案时，可以缩回某些针而让余下的针进行打印。图2. 24给出了用点阵打印机打印的图像。
在激光(laser)设备里，激光束在涂覆光电材料(如硒)的旋转鼓上建立电荷分布。调色剂施加于旋转鼓,然后转印到纸上。喷墨(ink-jet)法产生的输出，是沿着裹在鼓上的纸卷，逐行水平地将墨水喷于纸上而实现的。带有电荷的墨水流受到电场影响而偏转,从而产生点阵图案。静
电(electrostatic)设备每次一整行地将负电荷置于纸上。然后,这张纸将面对带正电荷的调色剂曝光。这使得调色剂附加到负电荷区域，从而产生指定的输出。热转印(electrothermal)打印是另一种输出技术。该系统将点阵打印头加热，在热感应纸上输出图案。
采用不同颜色的色带，可以在击打式打印机上得到有限的彩色输出。非击打式设备利用各种技术，组合三种彩色颜料(青、品红和黄)来产生一定范围的彩色图案。激光和复印设备分几次沉积三种颜料，喷墨法则将三种颜料沿每个打印行同时喷射在纸上。
布局草图和其他工程图一般由喷墨或笔式绘图仪生成。笔式绘图仪中的一支或多支笔安装在横跨纸的笔架或滑杆上，各种颜色和不同粗细的笔用来产生各种阴影和线型。湿墨水笔、圆珠笔和毡尖笔都可用于笔式绘图仪。绘图仪的纸可以铺在平板上或卷在旋转鼓及色带上。滑杆可以是移动的或固定的，笔可以沿杆前后移动。纸的定位通过使用夹板、真空或静电荷来保持。
2.6图形网络

到目前为至，我们主要考虑了单用户独立系统中的图形应用。但是，多用户环境和计算机网络是目前许多图形应用的普遍特点。处理器、打印机、绘图仪和数据文件等许多资源都分布在网络中并为多个用户所共享。
图形监视器在网络中一般称为图形服务器(graphics server),或简称服务器。通常，监视器包含有标准的输入设备，如一个键盘和一个鼠标或跟踪球。此时,该系统除了是一个输出服务器外还可以输入。网络上正在运行图形应用程序的计算机称为客户(client),其程序的输出在服务器上显示。包含处理器、监视器和输人设备的工作站可以完成服务器和客户两种功能。
在网络上工作时，客户计算机可以向监视器(服务器)发送要求显示一个图形的指令。一般要将指令打包后传送，而不是在网络上逐条地传递指令。因此，图形软件包除了有生成图形的命令外还会包含与打包传送有关的命令。
2.7因特网上的图形

        现在，大量的图形开发工作在全球性计算机网络——因特网( Internet)上进行。因特网上的计算机使用传输控制协议/网际互连协议(TCP/IP)进行通信。万维网(World Wide Web) 提供了超文本系统，使用户可以放人或阅读包含文本、图形和视频的文档。图形文件等资源由统一资源定位器(Uniform Resource Locator, URL)来识别。每个URL包含两个部分: (1)传送文档的协议;(2)包含文档和可选的服务器位置(目录)的服务器。例如，URL http://www.siggraph.org指出要用超文本传输协议(hypertext transfer protocol, http) 传送的一个文档，并且服务器是www.sig-graph.org,它是计算机学会图形学专业委员会(Special Interest Group in Graphics, SIGGRAPH) 的主页。URL的另一种常用类型以“ftp://"开头。这表明一个可以使用文件传输协议(file-transfer protocol)"下载程序和其他文件的“ftp 场所”。
        因特网上的文档可用超文本标记语言(Hypertext Markup Language, HTML) 来组织。HTML的开发提供了一种简单方法来描述包含文本、图形和对其他文档的引用(超链接)。尽管使用HTML和URL寻址可以找到资源，但在因特网上寻找信息还是很困难的。因此，美国超级计算应用国家中心(National Center for Supercomputing Application, NCSA)开发了一个称为Mosaic的浏览器，可以使用户比较容易地查找Web资源。Mosaic浏览器后来发展成为Netscape Navigator。接下来,Netscape Navigator又促进了Mozilla浏览器系列的著名成员Firefox的诞生。
        超文本标记语言(HTML)提供了一种在因特网上开发图形应用的简单方法，但其功能有限。因此，另一些用于因特网图形应用的语言也已开发出来,第3章将讨论这些语言。
2.8小结

        在这一章中,我们简要介绍了计算机图形系统的主要硬件和软件的配置。硬件部分有视频监视器、硬拷贝输出设备、各种输人设备及与虚拟环境交互的部件。
        基于电视技术的光栅刷新监视器是主流的显示设备。光栅系统使用帧缓存来存储每一屏幕位置(像素)的颜色值。CRT电子柬从上到下扫描屏幕每-行时从帧缓存(也称为刷新缓存)中取出这些信息，从而在屏幕上画出图形。老式的向量显示器通过在指定的端点之间画出直线段来构成图形。图形以一组画线指令的形式存放。
        现在已经出现了许多其他的视频显示设备。尤其是平板显示技术正在快速发展，而这些设备现在已应用于包括桌面型和膝上型计算机的各种系统中。等离子和液晶设备是平板显示器的两个例子。其他的技术有三维和立体观察系统等。虛拟现实系统使用立体显示头套或标准的视频监视器。
        对于图形输入，可以选择的设备很多。键盘、按钮盒和旋钮用于输入文字、数值或程序选项。鼠标是最流行的“指点"设备,而跟踪球、空间球、控制杆、光标键和拇指转轮也用来对屏幕光标进行定位。在虚拟现实环境中经常使用数据手套。其他- - 些输入设备有图像扫描仪、数字化仪、触摸板、光笔和语音系统。
        图形工作站的硬拷贝设备包括标准打印机和绘图仪，还有能生成幻灯片胶片和影片输出的设备。打印方法包括点阵、激光、喷墨、静电和热转印。图表可用喷墨式绘图仪或混合打印绘图功能的设备生成。