计算机图形学（一） 视频显示设备_1_CRT原理

第 1 章 图形系统概述



       如今。计算机图形学的作用与应用已经得到了广泛承认。大量的图形硬件和软件系统已经应用 到了差点儿全部的领域。通用计算机甚至很多手持计算器也已经普遍具备 二维及三维应用的图形功能 。 在个人计算机上也能够配用多种交互输入设备及图形软件包 。对于高性能应用。能够选择很多高级 的专用图形硬件系统和技术 。本章将探讨图形硬件和图形软件包的基本特性 。





1.1    视频显示设备

图形系统一般使用视频显示器作为其主要的输出设备。

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，可是也已经出现了其它 一些技术。而且固态监视器终究要占领主导地位 。

1.1.1    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 。在电子束轰击的每一个位置。荧 光层都会产生 一个 小亮点。

因为荧光层发射的光会非常快衰减。因此必须採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。

这样的电荷分布用来保持荧光粉处于激活状态 。

但如今使用较多的维持荧光粉亮度的办法是高速控制电子束重复重绘图像  。这类显示器称为 刷新式 CRT ( refresh CRT )，在屏幕上重复绘图的频率称为
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(參见图 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，或者採用加速阳极(參见图 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，则只降低了通过的电子数量。因为荧光层发射光的强度依赖于轰击屏幕的电子数量。因此能够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。因为电子互相排斥，电子束在靠近屏幕时会散开。聚焦既能够用电场实现，也能够用磁场实现。

对于静电聚焦，电子束通过如图2.3所看到的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，能够由环

绕CRT封装外部安装的线圈所形成的磁场来完毕。

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全部屏幕位置。由于多数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，电子束仅仅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如今通常配备一个装在CRT封装外部的磁性偏转线圈，如图2.2所看到的。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。还有一对设置在颈部两側。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。还有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.当採用挣电偏转时，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;还有一对垂直放置，控制水平偏转(參见图2.4)

通过将CRT电子束的能量转移到荧光层，就能够在屏幕上形成亮点。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，開始回落到自身的稳定状态。我们在屏幕上看到的是全部的电子光发射的组合合效应:发光点随全部激活的荧光层电子转移到自身的基本能级后，会非常快衰减。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採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中的一个的时间。较短余辉时间的荧光层。须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。尽管有的荧光层的余辉时间大于一秒，可是于图形监视器，通常採用余辉的时间为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 )。尽管它经常简述为每一个方向的总点数，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（ 參见2.5 ）因此要使两个相邻亮点保持差别，其间隔应大于亮点强度在最大强度值的60%时的直径。这样的覆盖位置如图2.6所看到的。

亮点尺寸也依赖于亮度。当每秒有很多其它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，在很多系统中还要用到更高的分辨率。高分辨率系统经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。