在计算机内部是怎么把一张照片显示到屏幕上的呢？

对于这个问题一直很好奇，这应该是也是图形学的一个最基础的问题吧。没上过计算机组成原理课，只好自行百度谷歌~ 发现网上的答案大多不完整，前段时间顺着问题一直搜索，从计算机的发明到显示器成像后来又到了电路，后来甚至工业革命的发展史，根本停不下来，有了一个主题后看历史也是真挺有意思的。在这里将我的理解大概记下来，不求细节精确，只求完整易懂。

一个从编程/输入设备输入到显示器显示到人眼的完整过程。分为几个阶段：（应用程序/输入设备产生）数据与指令——>CPU——>显卡驱动程序——>显卡——>显示器——>人眼。

让我们从尾端倒着看起。先说显示器显示与人眼混色的原理。

1.1、显像原理

拿常见的液晶显示器举例，显示器是的底部是一块发光白板灯，中间液晶，然后是一些滤光片。显示器的屏幕是由很多个“小块”组成的，每块后面都有红绿蓝三个滤光片，每个小块就是1个像素点。滤光片能够把显示器背后发出的白光过滤，留下单色光通过，白光经过三块滤光片后被分解成了红绿蓝三束光，进入人的眼睛。由于一个像素极其小，三个滤光片距离极其近，以至于透过它们的光进入人眼后，人眼分不清这是3束光，即光在人眼中发生混色作用，于是一个像素便“有了”颜色。这3束光强度如果一致的话，混色后人眼将会看到白色光，而想要看到五颜六色的话，混合前的红绿蓝三束光应该具有不同强度(亮度)，如何获得不同亮度的三色光呢？这就是液晶作用了。

这里插一句，可能你会问光的三原色为什么是红绿蓝而不是紫色、粉色、或者屎黄色呢？是因为人类的视网膜上面的视锥细胞对红绿蓝三色最敏感，可能不同的人看见的世界颜色还真不一样。这有点生物学了。

说回液晶，液晶不是固态，也不是液态，而是一种中间的状态，其分子在电压的控制下，形成不同的排列方式，所以可以控制光线的透过，形成不同明暗程度的画面。这是一个非常重要的步骤，如果只能形成一明一暗是构成不了画面的.不管是显示器还是投影机，其实都是按这个原理进行显示的。当然如果只是进行了上述的过程，形成的画面仅仅是黑白画面，因为透过液晶分子的光线并没有颜色，需要滤色片来“上色”。[1]

有了光、有了人眼、有了滤光片、有了液晶，还差什么？当然是电，液晶控制光线通过的程度是由加在液晶上的电压强弱来控制的。现在我们知道了向显示器输入一定规律的电压信号能够控制液晶按一定规律排列，来控制红绿蓝RGB颜色分量，继而显示出特定颜色。

1.2、数模转换

由于电压信号是连续变化的（举个栗子，从200变为201是连续变化的，而不是跳跃地一下子从200变为201），而我们知道计算机只认识0和1，内部是由0和1二进制来表示的，表示的数据是离散化的(从200跳跃到201)，前者我们称之为模拟信号，后者称为数字信号。把承载有计算机数据的数字信号转为显示器用的模拟信号，这个过程就是数模转换了，而执行这个过程的设备，就是显卡了。

此外，简单直观地理解下，计算机内电路是靠高电平和低电平来表示0和1的，还有就是靠脉冲发送数字信号。

2.1 显卡硬件

关于显卡，这里直接引用下百度百科：

数据从离开CPU到达显示屏，中间必须通过如下4个步骤：

显卡就是起数据处理和数模转换的作用，像数模转换、模数转换这些都是数字信号处理、数字电路之类的学科的知识了~

以上便是CPU到显卡再到显示器再到人眼的过程。不过这其中还有一点，显卡有不同类型，内部工作原理不尽相同，而同一个操作系统可以安装在不同显卡的机器上，如何识别它们，让不同显卡都能在此操作系统下正常工作，需要一个在操作系统与（显卡）硬件间沟通者的角色，这个就是（显卡）驱动程序了。

2.2 显卡驱动

它是硬件厂商根据操作系统编写的配置文件，是添加到操作系统中的一小块代码，其中包含有关硬件设备的信息。驱动程序扮演沟通的角色，把硬件的功能告诉操作系统，并且也将系统的指令传达给硬件，让它开始工作。

这一块偏硬件我就没有深究了，我的理解就是CPU通过操作系统中相应显卡驱动程序访问操纵显卡，向显存写入数据。这一块知乎上也有许多相关问题。

再贴两个链接：显卡、显卡驱动、cuda 之间的关系是什么？ - 冬瓜哥的回答 - 知乎

计算机底层是如何访问显卡的？

以上部分便是将CPU里面的数据传递到人眼的过程。计算机如何显示的问题已经解决了，本文主要内容到这里应该就要结束了的，但是为了完整性....咳，接下来部分就接着讲CPU是怎样获取数据的。分为输入设备和应用程序两种情况来说。

3.1 键盘

先放一张图片↓

计算机通过一系列输入设备来获取数据。获取图片可以用扫描仪、数码相机等，获取声音可以用麦克风、获取文字可以通过键盘，而这些设备的作用最终都是将这些数据转换为数字信号。计算机内只存在0和1，因此，无论是图片、文字还是声音等，理论上计算机的一切的数据、指令等都可以通过键盘输入来获得（见上图，笑）。

贴个链接： 键盘基本工作原理_图文_百度文库

于是从理论上，我可以用上图的这种键盘按照一定的编码敲出一长串0、1数字序列，再加一个jpg/png的后缀名保存。打开文件时，是将这些数据送入内存，图片查看程序控制CPU，根据后缀名对数据进行解码、解压后得到图像本身的数据——每个像素的RGB等。再历经前面所述的一大串过程，CPU的数据再经过显卡和显示器，最终我就能看到一张滑稽的照片。（#滑稽）

上面介绍了如何直接获取具体的数据并呈现。在现实中，我们不太可能用键盘一像素一像素地敲出一副图片来(←这句删除)，（当然也可以，而且是个学入门图形学的好思路，见@Milo Yip大佬的svpng库一文 极简的 PNG 编码函数 svpng()）

有种图像格式叫ppm，很简单，无压缩，可以直接开个记事本写好图像长宽颜色深度，然后就是各像素的rgb值，挨着写完后，保存为ppm后缀，就可以图像查看软件查看咯，即用键盘敲了一张可以显示的图片出来。可以看到，虽然键盘产生了数据，但是如果要显示到屏幕上，还是得通过程序将数据送到CPU。

3.2 应用程序

除了我们直接用拍照的方式记录下一副图片的信息之外，还有另一种主要的方式，就是通过计算机程序。毕竟，计算机不是照相机。

例如，写了一个程序，实现了在屏幕画一条线，或者显示一个圆柱体，或者显示一个怪物模型。本质上我们都是要获得表示一幅二维图像的一串0和1的数字，而我们知道的一些数据，例如线段长度、圆柱体的半径高度、怪物表面部分点的坐标、我们从什么角度来观察这些物体，那么，怎样获得这幅图像的信息呢？这就是图形学的范畴了。

但本质上，图形学的API底层都会提供一个类似于drawPixel(int x, int y, Color color)的接口，用于实现将屏幕坐标为(x,y)的像素点颜色设置为color的功能。

简单来说，这个过程就是：在操作系统与硬件驱动程序的帮助下，用户通过输入设备或者程序向计算机CPU发送一系列的数据，这些数字信号再经过显卡变为不断变化的电压模拟信号，电压控制了液晶的滤光性，像素背后的白光被分成了强弱不同的三原色光，再经人眼的混色作用使得一个像素具有了千变万化的颜色。

本文力求过程的完整性，不追求细节的完整性。其实上过相关计算机、机电之类专业课的应该都知道这些东西。另外像GPU计算，shader这些我也就略过了。如果你也和我一样有着同样的疑惑，看过这篇文章后有了直观完整的认识，我自认为本文目的达到了，毕竟很多地方描述的不够专业准确。错误之处也请指正~

P.S. 推荐书《编码，隐匿在计算机软硬件背后的语言》，这本书用通俗易懂的语言加上海量的配图，从编码说起，到搭建各种逻辑电路，再到一个CPU，最后到一个计算机。所以它又名：如何造一台计算机。计算机本来没有计算力，它只是一台机器，通电后在这种状态下，哪些电路应该连通，哪些“电灯”应该点亮，哪些电平应该高应该低，状态变了，电路的结果也变了，仅此而已。是我们人，人为地规定，比如一组“带编号的电灯”（可能是4个也可能是8个，由人来约定好）以这样的亮熄顺序出现的话，就是2333这个数，以另一种顺序出现的话又是6666这个数，都是来自于人规定的一套解释，这里的解释就是编码，A这套编码规则规定2333这个数在别的编码里就是250...

总之，计算机只认识电路，一些都是我们对电路结果的解释.......

[0] 计算机图形学 peter shirly

[1] 原来是黑白世界 液晶显示原理你了解吗_明基液晶显示器_液晶显示器应用技术-中关村在线

[2] 显卡_百度百科

[3] 操作系统、驱动和硬件的关系的思考 - 十二先生的博客 - CSDN博客

[4] 键盘基本工作原理_图文_百度文库