一、概述
1、計算機及系統中的圖形設備
計算機圖形系統用來生成、處理和顯示圖形，通常由以下三部分構成：
圖形輸入設備
中央處理器
圖形輸出設備
常用的圖形輸入設備：
鍵盤、鼠標
此外還有
跟蹤球、空間球、光筆、觸摸板、 圖形掃描儀、數字化儀、手寫輸入板、語音輸入、數據手套
中央處理器：
中央處理器完成對圖形的描述、建立、修改等各種計算，並對圖形實現有效的存儲。
許多外設所增加的固化的圖形處理功能，可接受更高級的繪圖命令，實現圖形的緩沖，以及完成大部分圖形函數的功能，從而大大減輕了CPU的負擔。
圖形輸出設備:
圖形顯示設備和圖形繪制設備
圖形顯示設備: 用於在屏幕上輸出圖形。基於陰極射線管的監視器、液晶顯示器、等離子顯示器
圖形繪制設備: 用於把圖形畫在紙上，也稱硬拷貝。打印機、繪圖儀
2、圖形系統的基本功能
一個計算機圖形系統至少應具有計算、存儲、輸入、輸出、交互等基本功能，各功能關系如下：
輸入功能：
通過圖形輸入設備可將基本的圖形數據（如點、線等）和各種繪圖命令輸入到計算機中，從而構造更復雜的幾何圖形。
計算功能：
1） 圖形的描述、分析和設計；－－建模
2） 圖形的平移、旋轉、投影、透視等幾何變換；
3） 曲線、曲面的生成；
4） 圖形之間相互關系的檢測等。－－隱藏線隱藏、面消除、碰撞檢測
存儲功能：
圖形數據庫可以存放各種圖形的幾何數據及圖形之間的相互關系，並能快速方便地實現對圖形的刪除、增加、修改等操作。
輸出功能：
圖形數據經過計算后可在顯示器上顯示當前的狀態以及經過圖形編輯后的結果，同時還能通過繪圖儀、打印機等設備實現硬拷貝輸出，以便長期保存。
交互功能:
設計人員可通過顯示器或其他人機交互設備直接進行人機通信，對計算結果和圖形利用定位、拾取等手段進行修改，同時對設計者或操作員輸入的錯誤給以必要的提示和幫助。
圖形的基本處理流程
利用各種圖形輸入設備及軟件或其他交互設備將圖形輸入到計算機中，以便進行處理；
在計算機內部對圖形進行各種變換（如幾何變換、投影變換）和運算（如圖形的並、交、差運算等）；
處理后，將圖形轉換成圖形輸出系統便於接受的表示形式，並在輸出設備上輸出；
二、圖形顯示設備
圖形顯示設備主要有以下三種：
CRT（Cathode Ray Tube）顯示器 ＝ 陰極射線管顯示器
LCD（Liquid Crystal Display）＝ 液晶顯示器
PDP（Plasma Display Panel）= 等離子顯示器
1、CRT顯示器
a.CRT顯示原理
CRT顯示器主要由陰極、電平控制器（即控制極）、聚焦系統、加速系統、偏轉系統和陽極熒光粉塗層組成，這六部分都在真空管內。
刷新：
要保持屏幕上有穩定的圖像就必須不斷地發射電子束。刷新一次指電子束從左到右，從上到下將熒光屏掃描一次。
只有刷新頻率高到一定值后，圖像才能穩定顯示。大約達到每秒60幀，即60Hz時，人眼才能感覺到屏幕不閃爍，要使人眼覺得舒服，一般必須有85Hz以上的刷新頻率。
*1）人的視覺系統要用一定的時間才能識別圖像元素，每幀圖像的停留時間長於人眼觀察所需的時間，則人的視覺殘留可以消除畫面的閃爍現象。
* 2）刷新頻率高到一定值后，圖像才能穩定顯示。
隔行掃描技術：
每一幀分為兩個場顯示，每個場只包含一半畫面。兩個場是交錯的，一個場包含所有的奇數掃描行，另一個場包含所有的偶數掃描行，兩個場以1/60秒的時間間隔交替顯示。
掃描從奇數場左上角開始，每一行都是自左向右。電子束在橫向掃描的同時以一個較低的速率向下移動，當掃描線到達屏幕右端時，就將其隱去並迅速返回屏幕左端。這個過程稱為水平回掃。接着下一奇數行重復這一過程。
當整場掃描完畢時，掃描線正好停在底部的中央。接着掃描線迅速回到屏幕頂部中央，這就是奇數場垂直回掃。
接着進行偶數場掃描，偶數場掃描結束於屏幕右下角，垂直回歸后電子束返回屏幕左上角。
b. 彩色CRT顯示器的顯示原理
1）、顏色模型：
所謂顏色模型就是指某個三維顏色空間中的一個可見光子集，它包含某個顏色域的所有顏色。
2）、RGB模型
由紅、綠、藍三種顏色組成的原色系統稱為RGB模型。它是定義於某個紅綠藍顏色坐標系統中的單位立方體。坐標原點代表黑色，坐標點(1,1,1)代表白色。坐標軸上的頂點代表三個基色，余下的頂點則代表每一個基色的補色。
RGB顏色模型所覆蓋的顏色域取決於顯示設備熒光點的顏色特性，是與硬件相關的
彩色CRT顯示器：
蔭罩顯示器 :
彩色CRT光柵掃描顯示器有三個電子槍（最早是三槍三束，現在有一槍三束，即三個陰極），它的熒光屏上塗有三種熒光物質，分別能發紅、綠、藍三種顏色的光。電子槍通常成三角形排列或水平排列，與CRT屏幕上的三角形紅、綠、藍熒光點相對應。
電子槍和對應的熒光點必須在一條直線上。為保證每個電子槍都能擊中對應顏色的熒光點，在電子槍和熒光屏之間放置一個有孔的金屬網格（即蔭罩）。
蔭罩孔的作用在於保證三束電子共同穿過同一個蔭罩孔，並過濾掉散亂的電子，以保證每個電子槍能以准確的比例擊中相應顏色的熒光粉，使之發出紅、綠、藍三色光。這樣，某顏色的電子束通過蔭罩后，就可避免和另外兩種顏色的熒光點相交，而只能與自己對應顏色的熒光點相交。
但蔭罩式CRT的熒光屏是球面的，幾何失真大，而且三角形的熒光點排列造成即使點很密很細也不會特別清晰。
蔭柵顯示器：
最近幾年蔭柵式顯示器逐漸流行起來。其工作原理如下圖所示 :
蔭柵式顯像管的技術特點就是將熒光粉安排成跨越整個顯示器屏幕的豎條狀，將蔭罩改為條狀蔭柵。這些條狀蔭柵由固定在一個拉力極大的鐵框中的互相平行的鐵線陣列組成。
由於鐵線是互相平行的，在垂直方向上沒有任何東西阻擋電子通過，增加了電子的透過率，使電子透過率達到95%以上，遠遠超過了蔭罩結構的顯像管，亮度和色彩飽和度更好，畫面細膩動人.
點距：屏幕上兩個相鄰的同色像素點之間對角線的距離(或水平距離)就是“點距” 。 “點距”決定了每英寸最多能產生多少個點。
注意：
柵距（也就是點距）是指蔭柵式顯示器平行的光柵之間的距離，一般都在0.25mm以下；
而蔭罩的點距指的是對角線距離。由於對角線距離（點距）體現了不同行和列的像素點間距，因而更能客觀准確地衡量顯示器的像素分布情況。對角點距為0.28mm的顯象管其水平點距為0.24mm。
在屏幕大小一定的前提下，點（柵）距越小，則屏幕上的象素排列越緊密，圖像就越清晰細膩。顯然，蔭柵式顯象管比蔭罩式的要細膩的多。
c.光柵掃描式圖形顯示器
屏幕像素逼近直線示意圖：
幀緩沖存儲器（幀緩存）：
1） 幀緩沖存儲器是一塊連續的存儲空間，分n份，每一份對應屏幕上的相應的象素（一一對應），存儲該象素的屬性值，即該象素應該着什么顏色或擁有什么樣的光亮度。
2） 光柵中的每個像素在幀緩存中至少要有1位，bit）每個像素1位的存儲容量稱為位面（bit plane）。畫面就是由幀緩存中的這些位信息組成的。
3） 圖形在計算機中是一位一位產生的，每一個存儲位只有0或1兩個狀態，因此一個位面的幀緩存只能產生黑白圖形。
將圖形的幾何信息轉換成存儲在幀緩存中的光柵（點陣）圖像並以一定格式的視頻圖像顯示的過程就叫掃描轉換。一副
光柵圖形稱為一幀，其信息放在幀緩存中，即幾何信息已經轉換成存儲在幀緩存中的光柵（點陣）圖像。
光柵掃描式圖形顯示器特點：
1） 是畫點設備，可看成一個點陣單元發生器，並可控制每個點陣單元的亮度。
2） 發出的電於束的偏轉方式是固定的，自上而下，從左到右掃描在熒光屏上形成光柵形狀。
3） 圖形是通過電子束掃描到光柵上的圖形象素點時呈現的亮度或顏色與光柵背景的亮度或顏色不同而襯托出的，可形成多級灰度或顏色的實面積自然圖像。
4） 由於圖像是由像素陣列組成，顯示一幅圖像所需要的時間等於顯示整個光柵所需的時間，而與圖像的復雜程度無關。
綜上，可把光柵圖形顯示器看做許多離散點組成的矩陣，每個點都可以發光。除非特殊情況，一般在矩陣中是不能直接從一個點到另一個點（或一個像素到另一個像素）畫一條筆直的直線，但可以用一系列的點（或像素）來近似地表示這條直線。
注意：幀緩存是數字設備，光柵顯示器是模擬設備，要把幀緩存中的信息在光柵顯示器屏幕上輸出必須讀出幀緩存中的每一位象素的值，經過數字/模擬轉換，這個工作由DAC（數模轉換器）完成。
光柵圖形顯示器中需要有足夠的位面和幀緩存結合起來才能反映圖形的顏色和灰度等級。
如圖，顯示器上每個像素的亮度由N個位面中對應的每個像素位置的內容共同決定，即每一位的二進制被存入指定的寄存器中,該寄存器中二進制的數被翻譯成灰度等級，其范圍在0～2N－1之間。
提高灰度級別時，如何避免幀緩存的增加？
為避免幀緩存的增加，可采用顏色查找表來提高灰度級別。
如下圖所示，幀緩存中的位面號為顏色查找的索引，顏色查找表必須有2N項，每一項具有W位字寬。當W大於N時，可有2W灰度等級，但每次只有2N個不同灰度等級可用。若要使用2N種以外的灰度等級，需改變顏色查找表中的內容（重裝顏色查找表）。
如何實現彩色幀緩存?
由於只有三種原色，所以可用三個位面實現一個簡單的彩色幀緩沖存儲器。下圖為簡單的彩色光柵顯示器，由分別對應紅(R)、綠(G)、藍(B)三原色的三個位面的幀緩存，DAC，三個電子槍和CRT光柵組成。
如何提高顏色種類的灰度等級？
對每個顏色的電子槍可通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。
如下圖，每種原色電子槍有8個位面的幀緩存和8位的DAC，每種原色有28種灰度等級，三種原色的組合有224種顏色。這種顯示器稱為全色光柵掃描圖形顯示器，其幀緩存稱為全色幀緩存。
如何使顏色進一步豐富？
若各組位面存放的不是直接的顏色值而是顏色查找表的地址索引，則全色幀緩存的顏色還可進一步豐富。
光柵掃描顯示器的主要性能參數
1. 分辨率
-指顯示器在屏幕水平(垂直)方向可顯示多少像素。
分辨率以象素點為基本單位。表示方法為320×200、640×480等。顯示分辨率與顯卡上的緩沖存儲器的容量有關，容量越大，顯示分辨率越高。分辨率越高，顯示的字符或圖像越清晰。
- 顯示器最大分辨率：
顯示器能支持的最大分辨率和顯示器的“點距”有關，“點距”決定了每英寸最多能產生多少個點。
如果我們說某個品牌的顯示器的分辨率為80DPI（Dot Per Inch ）是指在顯示器的有效顯示范圍內，顯示器的的顯像設備可以在每英寸熒光屏上產生80個光點。
舉個例子來說，一台14英寸的顯示器（熒光屏對角線長度為14英寸），其點距為0.28mm
那么：顯示器分辨率
=25.3995mm/inch÷0.28mm/Dot≈90DPI。（1 inch=25.3995mm）
2. 亮度等級數目和色彩
指單種顏色亮度可變化的數目
亮度等級范圍的提升可使圖像看上去更柔和自然
色彩包括可選擇顯示顏色的數目以及一幀畫面可同時顯示的顏色數。
3、顯示速度
指顯示字符、圖形，特別是動態圖像的速度
可用最大帶寬表示：水平像素數*垂直像素數*最大刷新率
2、液晶顯示器
液晶的物理特性：
液晶即液態晶體，具有線狀結晶結構的分子，加熱可象液體那樣流動，冷卻則成結晶顆粒的固體狀態。
液晶可以說是具有排列性質的液體，柔軟易變形。所以將液晶倒入一個經精良加工的開槽平面，液晶分子會順着槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的
光線射入液晶物質中，必然會按照液晶分子的排列方式行進，產生了自然的偏轉現像。
液晶分子受電場、磁場、溫度、應力等外部條件作用時會重新排列。如：對於一些散亂的液晶分子，不通電時，排列變的混亂，阻止光線通過；通電時，由於電壓作用，分子重新排列，排列變的有秩序，使光線容易通過。 
單色液晶顯示器的原理：
1.玻璃板：
在液晶顯示器中，液晶是灌入兩個列有細槽的平面之
間，也就是兩片塗有配向膜（PI，polyimide聚酰亞胺）
的玻璃板，用來夾住液晶。液晶分子順着開槽均勻排列。
2.偏光板：
一系列逐步變細的平行線，或稱柵欄，用來阻隔掉不與柵
欄平行的光線。
偏光板的工作原理：
液晶顯示器依靠極化濾光片(偏光板)影響光線穿過液晶。自然光線是朝所有方向隨機發散的。只有兩個濾光器的線完全平行，或者通過第一個極化濾光器的光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿過第二個極化濾光器。
液晶顯示器顯示的初始狀態:
灌入兩個列有溝槽（兩個溝槽互相垂直）的玻璃板之間的液晶，由於溝槽的作用，被強迫處入一種90°扭轉的狀態。由於光線順着分子的排列方向傳播，所以光線經過液晶時最終也被扭轉90°。
如左圖所示，兩個極化濾光器互相垂直，穿過第一個極化濾光器的光線，經過扭曲的液晶后，光線被扭曲90°，正好可以穿過第二個極化濾光器。
電極:
若為液晶加一個電壓，液晶分子又會重新排列並完全平行，使光線不再扭轉，將被第二個濾光器擋住。總之，加電光線將被阻斷，不加電光線將射出，顯示黑色。如右圖所示。
玻璃板和液晶材料之間是透明電極，電極分為行電極和列電極，在行和列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態，從而改變屏幕上相應像素的亮度。
當然，也可以改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，不加電壓時被阻斷。由於計算機屏幕幾乎都是亮着的，所以只有“加電將光線阻斷”的方案才最省電。
背光板：由熒光物質組成，可以發射光線，提供一個高亮度，且亮度分布均勻的光源。由顯示屏兩邊作為光源的燈管，反射板，導光板等等組成。
綜上可得像素點亮過程：
背光板發出的光線穿過第一層偏光板后進入液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。通過電極上電壓的改變，改變液晶的扭轉狀態，相應改變光線的行進方向，從而決定相應像素的亮度。液晶材料在這里作用類似一個小的光閥。 
彩色液晶顯示器：
彩色LCD要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。
彩色LCD面板中的每一個像素由3個液晶單元格構成，其中每一個單元格前面都分別有紅色、綠色或藍色的過濾片，通常過濾片上含配向膜。這樣，通過不同單元格的光線可在屏幕上顯示出不同的顏色。
液晶的分類：
液晶顯示器（LCD）依驅動方式分為靜態驅動、單純矩陣驅動和主動矩陣驅動3種。
液晶顯示的驅動就是用來調整加在液晶顯示器件電極上的電位信號的相位，峰值等，建立驅動電場，以實現液晶器件的顯示效果。
單純驅動分為：扭轉式向列型（Twisted Nematic, TN）和超扭轉式向列型（Super Twisted Nematic, STN ）
主動矩陣驅動分為：薄膜晶體管液晶顯示器（ TFT LCD，Thin film transistor liquid crystal display) 和 二端子二級管型（metal/insulator/metal, MIM）
液晶顯示器的特點：
優點：
一、機身薄，節省空間：與比較笨重的CRT顯示器相比，液晶顯示器只要前者三分之一的空間。
二、省電，不產生高溫：它屬於低耗電產品，不易發燙，而CRT顯示器，因顯像技術不可避免產生高溫，且由於其發射電子，不可避免產生靜電。
三、無輻射，益健康：液晶顯示器完全無輻射，這對於整天在電腦前工作的人來說是一個福音。
四、畫面柔和不傷眼：不同於CRT技術，液晶顯示器畫面不會閃爍，可以減少顯示器對眼睛的傷害，眼睛不容易疲勞。
缺點：
視角太小、亮度和對比度不夠大
3、等離子顯示器
等離子顯示器是新一代顯示設備，它采用了近幾年來高速發展的等離子平面屏幕技術。
等離子顯示器的工作原理
等離子顯示器由密封在玻璃膜夾層中的晶格矩陣（光柵）組成，每個晶格充有低壓氣體。 在高電壓作用下，氣體會電離解。電離解后的氣體稱為等離子體，所以這種顯示器稱為等離子顯示器。 當電子又重新與原子結合在一起時，能量就會以光子的形式釋放出來，這時氣體就會釋放出具有特征的輝光。
工作過程？？？
要點亮某個地址的氣泡，開始要在相應行上加較高的電壓，氣泡點亮后，可用低電壓維持氣泡的亮度。關掉某個氣泡，只要將相應的電壓降低。改變控制電壓，可使等離子板顯示不同灰度的圖形。
彩色等離子顯示器
PDP成像過程是：利用惰性氣體放電產生紫外線來激發彩色熒光粉發光，再轉換成人眼可見的光。采用等離子管作為發光元件，大量的等離子管排列在一起構成屏幕，每個等離子管作為一個像素，每個像素由三種不同顏色的發光體組成。每個等離子管對應的每個小室內都充有氖氙氣體。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會產生紫外光，並激勵平板顯示屏上的紅綠藍三基色熒光粉發出可見光。由這些像素的明暗和顏色變化組合使之產生各種灰度和色彩的圖像。
等離子顯示器的特點
優點：
重量較輕、完全無X射線輻射；屏幕亮度非常均勻，不存在明顯的亮區和暗區；不存在某些區域聚焦不良或散焦的毛病；屏幕更平展，觀察視角更大（160） 。
缺點：
價格較高；耗電大（每個象素可獨立發光），顯示屏上的玻璃較薄使屏幕較脆弱；能大不能小，難以將象素做的更小。
3種顯示技術的比較：
三、圖形繪制設備
1、噴墨繪圖機
噴墨繪圖機是一種光柵類型的圖形輸出設備，基本原理是將小墨點噴射到介質上。
噴墨繪圖機工作原理：
紙繞在滾筒上快速旋轉，噴墨頭則在滾筒上緩慢水平運動。繪圖機的墨水泵將黃、品紅、青三種顏色的墨水分別注入3支很細的噴筆中。在高壓下，墨水通過噴筆內細而長的玻璃毛細管噴到紙上。
當無圖像信號時，噴筆內的過濾片在200V電壓下受繪圖機控制器的控制，對墨水充電，帶電墨滴互相排斥形成分散的墨霧，墨霧在另一個2200V高壓的偏轉電極的作用下發生偏轉，並被匯集起來回收到廢墨瓶中；當有圖像信號時，過濾片不加電壓，墨滴不帶電，飛經偏轉電場時不發生偏轉，直接噴到貼在旋轉滾筒上的紙或膠片上。
2、筆式繪圖機
筆式繪圖機是矢量型設備，在操作過程中，繪圖筆相對紙作隨意移動。筆式繪圖機分為滾筒式和平板式。
1. 滾筒式繪圖機
筆和紙都是運動的。繪圖紙卷在滾筒上，步進電機帶動鏈輪作正向和反向旋轉，帶動圖紙作X方向的正向和負向運動，滾筒上方的筆架可存放多支畫筆，畫筆由另一個步進電機帶動作Y方向的正負向往返運動，兩種運動的結合使畫筆畫出各種圖形。
2. 平板式繪圖機
繪圖筆在紙上沿X和Y兩個方向運動，圖紙通常靜止不動，裝有筆架的導軌作X方向移動，筆架在導軌上作Y方向移動，兩種運動配合畫出多種圖形。
平板式繪圖機的分類
機械傳動：
驅動裝置一般為鋼絲繩或齒輪條箱；
速度低、精度低、壽命短，價格相對便宜 。
平面電機驅動：
繪圖台有兩塊平板，上面的平板稱為滑動導板，即電機定子；電機動子以磁力吸附在滑動導板下面。
畫筆裝在電機動子的下部，畫筆之下是繪圖台板。
3、激光打印機
激光打印機是一種既可用於打印字符又可用於繪圖的設備 。
激光打印機的工作原理：
激光打印機主要由感光鼓、粉盒、打底電暈絲和轉移電暈絲等組成，如圖（a）所示。
激光打印機開始工作時，感光鼓旋轉通過打底電暈絲，使整個感光鼓的表面帶上電荷，如圖（b）所示。 
打印機處理器將打印數據轉換成可以驅動打印引擎動作的信號組(類似數據表)，並送至激光發射器。發射器發射的激光照射在多棱反射鏡上，反射鏡的旋轉和激光的發射同時進行，依照打印數據來決定激光的發射或停止。每個光點打在反射鏡上，隨着反射鏡的轉動，不斷變換角度，將激光點反射到感光鼓。
如圖（c）所示。
感光鼓上被激光照到的點將失去電荷，在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化現象。感光鼓旋轉到上粉盒，其表面被磁化的點將吸附碳粉，從而在感光鼓上形成將要打印的碳粉圖像，如圖（d）所示。 
打印紙從感光鼓和轉移電暈絲之間通過，轉移電暈絲將產生比感光鼓上更強的磁場，碳粉受吸引從感光鼓上脫離，向轉移電暈絲方向移動，結果是在不斷向前運動的打印紙上形成碳粉圖像。打印紙繼續向前運動，通過高溫的溶凝部件，定型在打印紙上，產生永久圖像，如圖（e）所示。
激光打印機的優點:
有效利用了激光定向性、單色性和能量密集性，並結合了電子掃描技術的高靈敏度和快速存取等特性。
輸出圖形圖像的質量非常高，分辨率可達300～600點/英寸。
圖形及文本質量非常高，可直接作為制版的原稿。
四、圖形輸入設備
各種圖形模型的建立、操作和修改都離不開圖形輸入設備。
常用的圖形輸入設備有：
鍵盤、鼠標、光筆、數字化儀、觸摸板、圖形掃描儀、手寫輸入板、語音輸入、數據手套