电脑图像显示原理

2019-10-11作者：电工小雨我要评论

电脑图像显示原理

一、计算机图形显示基本概念

随着计算机科学技术的迅猛发展，借助于计算机的图形显示技术、图像处理技术和模式识别技术均取得了重大进展。仅在电视节目制作系统中，就有电视字幕机、三维动画工作站和非线性编辑系统等几大应用领域。而在这几大应用领域中，都离不开计算机图形显示技术。

2．光栅图形显示器的工作原理

在图形显示卡上都有一个由视频存储器VRAM组成的显示缓冲区，它接受并暂存计算机送来的图形图像数字信息，经D／A转换为模拟信号后，再送到显示器去显示。早期的MDA卡上仅有4KB容量的显示缓冲存储器，到标准VGA卡时容量增至512KB。增强VGA卡一般为1MB容量，而目前扩展功能的显示卡上，显示缓冲区的容量已达到2MB到4MB。

显示缓冲区可以看成是一个与屏幕上像素分布一一对应的二维矩阵，其中的每一个存储单元对应着屏幕上的一个像素，其位置可以由二维坐标（x，y）来表示。显示缓冲区的存储单元与显示器屏幕坐标的对应关系可以由图1来示意。

由于每一个显示缓冲单元可以由许多个位（bit）来表示，因此在图中用Z方向来表示每一个显示缓冲单元的位。它可以只有1位，也可以多达8位、16位、24位甚至更高。每一个缓冲单元所存储的信息称之为“像素值”，它决定了像素的颜色或灰度，因此，每个缓冲单元的位数越多，则颜色种类或灰度等级也就越多。当对应每个像素的位数为n时，该像素所能表达的颜色或灰度等级数为2n。因此，当每像素为8位时，可以表示256种颜色或灰度，而当每像素为24位时，可以表示1670万种颜色或灰度。

实际的光栅扫描显示器大多采用荫罩式的CRT，由红、绿、蓝三枪发射的电子束通过荫罩板射到荧光屏上对应颜色的荧光粉上。因此，前述的每一个像素值将通过一个“彩色表”将像素值转换为三种基色的分量信号，经相应的D／A转换后去分别控制三基色电子枪。图2示出了缓冲单元中的像素值为4位时，彩色光栅图形显示器的工作原理。

3．图形显示过程

图形的显示过程应该从硬件和软件两个方面来说。就硬件方面来说，当电子束扫描到屏幕上某一像素的位置（坐标）时，显示器中的显示处理器DPU（Display Processing Unit）会同时从对应的显示缓冲单元中取出像素值，并以此查找彩色表的地址，从该地址处得到该像素的红、绿、蓝三基色分量，经D／A转换后分别控制三基色电子枪，使屏幕上该像素显示出三基色的混合色。在图2示例中，彩色表的红、绿分量分别为15，而蓝分量为0，因此，屏幕上该像素的颜色会是黄色。

就软件方面来说，要完成图形显示的初始化及图形的加工。这里，初始化的意思是要将计算机的显示方式设置为显示器所能够显示的某一种模式，并将所有的显示缓冲单元清零，另外，对彩色表的每一个单元要分别填上预定的颜色值，使彩色索引与具体的颜色联系起来。

图形加工则是图形软件的主要任务，其主要内容是：根据需要显示的图形内容，随时改写显示缓冲单元的内容。这是因为屏幕上显示的图形是由显示卡上显示缓冲区中的内容唯一决定的。一旦在显示缓冲单元中写入要求的彩色索引值，图形就自然在屏幕上显示出来了。

二、图形的生成

1．初始化

各种图形显示模式已经写入到机器主板上的ROMBIOS中。通过对ROMBIOS的合理调用，就可以获得所需的显示模式。由于各种显示卡可以有许多种显示模式，因此，在计算机生成任何图形之前，必须进行图形的初始化工作，也就是说必须要装入图形驱动程序，以确定计算机是工作在哪一种图形显示模式。

2．点的显示

由于图形显示器件的显示方式具有离散性质，使得任何图形的显示都是由点的集合形式呈现的，也就是说，点是构成直线、圆弧、抛物线及其它任意曲线的最基本元素，也是构成面、体等图形的最基本元素，因此在讨论计算机生成任何图形之前，首先应了解点的显示原理。

3．基本图形的生成

基本图形一般指直线段、圆弧以及由它们构成的简单几何图形。根据前面关于在屏幕上写点的说明可知，要生成基本图形，只需根据构成基本图形的各曲线段的方程找出所有符合曲线方程的点（即x、y坐标值），并在屏幕坐标的相应位置上以给定的颜色正确显示这些点，即可在屏幕上完整显示出由计算机所画出的图形。值得说明的是，计算机显示器屏幕上所能显示的最大点数由显示卡的不同显示模式所决定。因此，在进入图形显示方式时，首先要在显示器的屏幕上建立一个坐标系，且水平和垂直坐标均取为整数。当通过方程计算出来的x、y坐标值不为整数时，还应对该坐标值以四舍五入方式取整。

在实际应用中，直接根据曲线方程进行编程常常会使得程序中出现大量的实数乘除法及多层循环运算，造成程序的执行效率极低，因此实用程序中大多采用了巧妙的算法以尽量回避影响程序执行速度的因素。此部分内容属于计算机图形学的基本内容，有兴趣的读者可参阅有关的书籍，这里不赘述。