视频显示设备和光栅扫描系统
一、视频显示设备：图形系统一般使用视频显示器作为其基本的输出设备。大部分视频监视器的操作是基于标准的 阴极射线管(cathode-ray tube ，CRT) 设计的，但是也已经出现了其他 一些技术，并且固态监视器终究要占据主导地位 。光栅扫描系统按像素点强弱画图（负离子）、随机扫描系统按线条顺序画图（负离子和荧光粉）、平板将电能转换为光能（气体）。
1. 刷新式 CRT
图2.2 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，射向涂覆有荧光层的屏幕上的指定位置 。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 。一种办法是将 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 。但现在使用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 2.3 )。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 2.3 )。有时，电子枪结构中把加速阳极和聚 焦系统放在同一部件中。
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未端的小孔通过。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光强。我们使用图形软件命令来设定各一个屏幕位置的亮度级，这将在第3章进行讨论。
CRT的聚焦系统用来控制电子束在轰击荧光层时会聚到一个小点。否则，由于电子互相排斥，电子束在靠近屏幕时会散开。聚焦既可以用电场实现，也可以用磁场实现。对于静电聚焦，电子束通过如图2.3所示的带正电荷的金属圆筒，该圆筒形成一个静电透镜。静电透镜的作用是使电子束聚焦在屏幕的中心，_正如光学透镜将光束聚焦在指定的焦距一样。类似透镜的聚焦效果，可以由环 绕CRT封装外部安装的线圈所形成的磁场来完成。磁性聚焦透镜能在屏幕_上产生最小尺寸的亮点。
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。因为多数CRT弯曲部分的直径大于从聚焦系统到屏幕中心的距离，所以电子束到屏幕不同点所经过的距离是不同的。因此，电子束只能在屏幕中心正确聚焦。当电子束移到屏幕边框时，所显示的图像会变得模糊。系统可按电子束的屏幕位置来调整聚焦，从而弥补这一缺陷。
电子束的偏转受电场或磁场控制。CRT现在通常配备一个装在CRT封装外部的磁性偏转线圈，如图2.2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.当采用挣电偏转时，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;另一对垂直放置，控制水平偏转(参见图2.4)
通过将CRT电子束的能量转移到荧光层，就可以在屏幕上形成亮点。当电子束的电子撞击到荧光层并停止运动时，其动能被荧光层吸收。电子束能量的一部分因摩擦而转换为热能，余下部分导致光层原子的电子跃迁到较高的量子能级。经过一段短暂的时间之后，“激活”的荧光层电子释放了较小的量子光能，开始回落到自身的稳定状态。我们在屏幕上看到的是所有的电子光发射的组合合效应:发光点随所有激活的荧光层电子转移到自身的基本能级后，会很快衰减。荧光层发射光线的频率(或颜色)同被激活续量子态与基本状态之间的能级差成正比。
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。短余辉的荧光层用于动画，而长余辉荧光层则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，但是于图形监视器，通常采用余辉的时间为10一60 μs的材料制成。
图2.5表明屏幕上一亮点的亮度分布。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。亮点的的强度满足高斯分布（ 参见2.5 ）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2.6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而积增大。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。一典型的高质量系统分辨率为1280 x 1024，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((I英寸== 2.54厘米)到27一英寸或更大些。CRT监视器可与各类计算机系统相连，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.光栅扫描显示器：
在光栅描系统中，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(scanline )。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2.7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除以像素列数的结果)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点绘出的垂直线的物理长度相同。类似地，任一矩形(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。
光栅系统可显示的颜色或灰度等级依赖于CRT使用的荧光粉类型以及每一像素对应的帧缓存中的位数。对于一个简单的黑系统来说，每一屏幕点或亮或暗，因此每个像素只需一位来控制屏幕位置上的亮度。该位取位为l，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中“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3 MB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(bit plane)数。同样，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)。
有时，刷新频率以每秒多少周期或赫兹(Hz)为单位进行描述，其中一个周期对应于一帧。因此，我们可以将每秒60帧的刷新频率简单地称为60 Hz。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。
3.随机扫描显示器：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)。图形的组成线条随机扫描系统按任意指定的顺序绘制并刷新(参见图2.9）。
随机扫描系统的刷新频率依赖于显示的线数。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30一60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100 000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。
随机扫描系统用一于画线应用，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。
4.彩色CRT监视器：
实现方法1电子束穿透法：在屏幕上涂上多层不同的荧光粉，发射颜色由电子束在荧光层中的穿透深度决定。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，但是只可能有较少的颜色种类，而且图形质量不如其他方法的好。
实现方法2荫罩法：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2.10给出了通常用于彩色CRT系统的delta-delta荫罩法。
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。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。
5.平板显示器：将电能转换为光能的设备。等离子体显示板、薄膜光电显示器以及发光二极管都是发射显示器的实例。
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入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，另一块玻璃板上构造一组水平导电带(参见图2.11)。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入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。
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2.13. )，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。
二、光栅扫描系统：
工作过程
