計算機圖形學（一） 視訊顯示裝置_1_CRT原理

第 1 章 圖形系統概述

       現在，計算機圖形學的作用與應用已經得到了廣泛承認，大量的圖形硬體和軟體系統已經應用 到了幾乎所有的領域。通用計算機甚至許多手持計算器也已經普遍具備 二維及三維應用的圖形功能 。 在個人計算機上也可以配用多種互動輸入裝置及圖形軟體包 。對於高效能應用，可以選擇許多高階 的專用圖形硬體系統和技術 。本章將探討圖形硬體和圖形軟體包的基本特性 。


1.1    視訊顯示裝置

      圖形系統一般使用視訊顯示器作為其基本的輸出裝置。大部分視訊監視器的操作是基於標準的 陰極射線管 (cathode-ray tube ，CRT) 設計的，但是也已經出現了其他 一些技術，並且固態監視器終究要佔據主導地位 。

1.1.1    重新整理式 CRT

     

  圖2.2 給出了 CRT 的基本工作原理 。由電子槍發射出的電子束(陰極射線)通過聚焦系統和偏 轉系統，射向塗覆有熒光層的螢幕上的指定位置 。在電子束轟擊的每個位置，熒 光層都會產生 一個 小亮點。由於熒光層發射的光會很快衰減，因此必須採用某種方法來保持螢幕影像 。一種辦法是將 圖形資訊作為電荷分佈儲存在 CRT 上。這種電荷分佈用來保持熒光粉處於啟用狀態 。但現在使用較多的維持熒光粉亮度的辦法是快速控制電子束反覆重畫影像  。這類顯示器稱為 重新整理式 CRT ( refresh CRT )，在螢幕上重複畫圖的頻率稱為 重新整理頻率 (refresh rate )。CRT 電子槍的主要元件是受熱激發的金屬陰極和控制柵極(參見圖 2.3 )。通過給稱為燈絲的線 圈通電來加熱陰極 引起受熱的電子"沸騰出"陰極表面 。在 CRT 封裝 內的真空裡，帶負電荷的 自由電子在較高的正電壓的作用下加速衝向熒光屏 。該加速電壓可由 CRT 封裝內靠近熒光屏處充 以正電荷的金屬塗層生成，或者採用加速陽極(參見圖 2.3 )。有時，電子槍結構中把加速陽極和聚 焦系統放在同一部件中。

   
       電子束的強度受設定在控制柵極上的電壓電平控制。控制柵極是一個金屬圓筒，緊挨著陰極安裝。若在控制柵極上加上較高的負電壓，則將阻止電子活動從而截斷電子束，使之停止從控制柵極未端的小孔通過。而在控制柵極上施以較低的負電壓，則僅僅減少了通過的電子數量。由於熒光層發射光的強度依賴於轟擊螢幕的電子數量，因此可以通過改變控制柵極的電壓來控制顯示光強。我們使用圖形軟體命令來設定各一個螢幕位置的亮度級，這將在第3章進行討論。
       CRT的聚焦系統用來控制電子束在轟擊熒光層時會聚到一個小點。否則，由於電子互相排斥，電子束在靠近螢幕時會散開。聚焦既可以用電場實現，也可以用磁場實現。對於靜電聚焦，電子束通過如圖2.3所示的帶正電荷的金屬圓筒，該圓筒形成一個靜電透鏡。靜電透鏡的作用是使電子束聚焦在螢幕的中心，_正如光學透鏡將光束聚焦在指定的焦距一樣。類似透鏡的聚焦效果，可以由環
繞CRT封裝外部安裝的線圈所形成的磁場來完成。磁性聚焦透鏡能在螢幕_上產生最小尺寸的亮點。
       在高精度系統中，還使用附加的聚焦硬體，以保持電子束能聚焦到所有螢幕位置。因為多數CRT彎曲部分的直徑大於從聚焦系統到螢幕中心的距離，所以電子束到螢幕不同點所經過的距離是不同的。因此，電子束只能在螢幕中心正確聚焦。當電子束移到螢幕邊框時，所顯示的影像會變得模糊。系統可按電子束的螢幕位置來調整聚焦，從而彌補這一缺陷。
       電子束的偏轉受電場或磁場控制。CRT現在通常配備一個裝在CRT封裝外部的磁性偏轉線圈，如圖2.2所示。使用兩對線圈，將它們成對地安裝在CRT封裝的頸部，一對安裝在頸部的頂部和底部，另一對設定在頸部兩側。每對線圈產生的磁場造成橫向偏轉力，該力正交於磁場方向，也垂直於電子束的行進方向。一對線圈實現水平偏轉，另一對則實現垂直偏轉。調節通過線圈的電流可得到適當的偏轉量.當採用掙電偏轉時，則在CRT封裝內安裝兩對平行極板。一對為水平放置，控制垂直偏轉;另一對垂直放置，控制水平偏轉(參見圖2.4)

    通過將CRT電子束的能量轉移到熒光層，就可以在螢幕上形成亮點。當電子束的電子撞擊到熒光層並停止運動時，其動能被熒光層吸收。電子束能量的一部分因摩擦而轉換為熱能，餘下部分導致光層原子的電子躍遷到較高的量子能級。經過一段短暫的時間之後，“啟用”的熒光層電子釋放了較小的量子光能，開始回落到自身的穩定狀態。我們在螢幕上看到的是所有的電子光發射的組合合效應:發光點隨所有啟用的熒光層電子轉移到自身的基本能級後，會很快衰減。熒光層發射光線的頻率(或顏色)同被啟用續量子態與基本狀態之間的能級差成正比。
    CRT採用的熒光層有著不同的型別。除了顏色之外，這些熒光層之間的主要要差異是它們的餘輝(persistence ) 時間: CRT電子束移走後，它們將繼續發光(即啟用電子轉為基本態)多長時間。餘輝時間定義成從螢幕發光到衰減為其原亮度十分之一的時間。較短餘輝時間的熒光層，需要較高的重新整理速率來保持螢幕圖形不閃爍。短餘輝的熒光層用於動畫，而長餘輝熒光層則用於顯示高複雜度的靜態圖形。雖然有的熒光層的餘輝時間大於一秒，但是於圖形監視器，通常採用餘輝的時間為10一60 μs的材料製成。
    圖2.5表明螢幕上一亮點的亮度分佈。亮點中心位置的亮度最大，並按高斯分佈向亮點的邊緣衰減。這個分佈依賴於CRT電子束橫截面的電子密度分佈。

                                                       

       CRT無重疊顯示的最多點數稱為解析度(resolution )。雖然它常常簡述為每個方向的總點數，但更精確精確的解析度定義是在水平和垂直方向上每釐米可繪製的點數。亮點的的強度滿足高斯分佈（ 參見2.5 ）因此要使兩個相鄰亮點保持區別，其間隔應大於亮點強度在最大強度值的60%時的直徑。這種覆蓋位置如圖2.6所示。亮點尺寸也依賴於亮度。當每秒有更多的電子加速飛向熒光層時，CRT電子束的直徑及發光亮點的而積增大。此外，增大的啟用能量趨向於傳播到鄰近的熒光原子，而不是正對著電子束的路徑，這就進一步加大了亮點直徑。因此，CRT的解析度取決於熒光層的型別、顯示的亮度、聚焦系統及偏轉系統。一典型的高質量系統解析度為1280 x 1024，在許多系統中還要用到更高的解析度。高解析度系統常常稱為高清晰度系統(high-definition system）。圖形監視器的物理尺寸是由螢幕對角線的長度給定的。可從12英寸((I英寸== 2.54釐米)到27一英寸或更大些。CRT監視器可與各類計算機系統相連，因此可實際繪製的螢幕點數依賴於與它相連線的系統的能力。