計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第2章.ppt

第二章 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng),與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括主機(jī)、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。輸入設(shè)備通常為鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、掃描儀和光筆等。輸出設(shè)備則為圖形顯示器、繪圖儀和打印機(jī)。這里主要介紹圖形輸出設(shè)備，而圖形輸入設(shè)備的內(nèi)容放在交互技術(shù)那一章去介紹。 而輸出設(shè)備主要為顯示設(shè)備和硬拷貝設(shè)備。,2.1 圖形硬件設(shè)備 2.1.1 顯示設(shè)備 2.1.2 硬拷貝設(shè)備 2.2 圖形軟件系統(tǒng),主要內(nèi)容：,2.1 圖形硬件設(shè)備,圖形系統(tǒng)一般使用視頻顯示器作為基本的輸出設(shè)備，目前大部分視頻顯示器的操作是基于標(biāo)準(zhǔn)的陰極射線管（CRT：Cathode Ray Tube）設(shè)計(jì)的。此外，還有液晶顯示器和等離子板顯示器等，它們體積小，功耗少，主要用于便攜式電腦上。,2.1.1 顯示設(shè)備,CRT顯示器經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，出現(xiàn)過(guò)各種不同類型的CRT顯示器，如存儲(chǔ)式顯示器、隨機(jī)掃描顯示器，但是這些顯示器有明顯的缺點(diǎn)，圖形表現(xiàn)能力也很弱。20世紀(jì)70年代開(kāi)始出現(xiàn)的刷新式光柵掃描顯示技術(shù)走向成熟的一個(gè)標(biāo)志。尤其是彩色光柵掃描顯示器的出現(xiàn)，將人們帶入一個(gè)多彩的世界。,是一種真空器件，它利用電磁場(chǎng)產(chǎn)生高速的、經(jīng)過(guò)聚焦的電子束，偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置轟擊屏幕表面的熒光材料而產(chǎn)生可見(jiàn)圖形。CRT由五部分組成：電子槍、加速電極、聚焦系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏，這五部分都封裝在真空管內(nèi)，其構(gòu)造見(jiàn)下圖。,一 CRT顯示器工作原理,陰極射線管(CRT) 組成：包括電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏 工作原理：電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏 轉(zhuǎn)系統(tǒng)，轟擊到熒光屏的不同部位，被其內(nèi)表面的 熒光物質(zhì)吸收，發(fā)光產(chǎn)生可見(jiàn)的圖形。 結(jié)構(gòu),熒光屏,熒光物質(zhì)：吸收電子束而發(fā)光 余輝時(shí)間：持續(xù)發(fā)光時(shí)間，電子束離開(kāi)某點(diǎn)后，該點(diǎn)的亮度值衰減到初始值 刷新頻率：每秒鐘重繪屏幕的次數(shù) 像素(Pixel)：構(gòu)成屏幕（圖像）的最小元素 分辨率(Resolution)：在假定 屏幕尺寸一定的情況下，可用整個(gè)屏幕所能容納的 像素個(gè)數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768， 1280*1024等等,某種CRT產(chǎn)生穩(wěn)定圖像所需要的最小刷新頻率 =1秒/熒光物質(zhì)的持續(xù)發(fā)光時(shí)間（Hz）,二 彩色CRT顯示器,CRT顯示器利用能發(fā)射不同顏色的熒光物質(zhì)的組合來(lái)顯示彩色圖形。組合不同熒光物質(zhì)的發(fā)射光，便能生成一定范圍的彩色。用CRT產(chǎn)生彩色顯示的兩種基本技術(shù)是電子束穿透法和蔭罩法。,電子束穿透法用于隨機(jī)掃描顯示器。兩層熒光層，通常是一紅一綠，涂覆在CRT屏幕的內(nèi)層，而顯示的顏色取決于電子束穿透進(jìn)熒光層的深淺。慢速的電子束只激活外面的紅色層，快速的電子束穿過(guò)紅色層并激活里面的綠色層。而中速的電子束，通過(guò)紅、綠光發(fā)射的組合，來(lái)生成另外的兩種顏色：橙色和黃色。電子束穿透法是隨機(jī)掃描顯示器生成彩色的廉價(jià)途徑，但只可能有四色，而且圖形質(zhì)量不如其它方法。,1、電子束穿透法,原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，不同速度電子束穿透熒光層的深淺，決定所產(chǎn)生的顏色,應(yīng)用：主要用于畫(huà)線顯示器 優(yōu)點(diǎn)：成本低 缺點(diǎn)：只能產(chǎn)生有限幾種顏色,根據(jù)屏幕上熒光點(diǎn)的排列不同，控制柵也就不一樣。普通的顯示器一般用三角的排列方式，這種顯像管被稱為蔭罩式顯像管。蔭罩法常用于光柵掃描系統(tǒng)，因?yàn)樗墚a(chǎn)生的彩色范圍比電子束穿透法寬廣得多。,2、蔭罩式,三色熒光屏,蔭罩,三個(gè)電子槍,能顯示16兆種顏色的顯示系統(tǒng)叫做真彩色顯示系統(tǒng),3、蔭柵式,普通的顯象管采用的都是蔭罩式顯象管，顯象管的表面呈略微凸起的球面狀，故稱之為“球面管”。蔭罩式球面顯示器幾何失真大，而且三角形的熒光點(diǎn)排列造成即使點(diǎn)很密很細(xì)也不會(huì)特別清晰，所以近幾年蔭柵式顯示器逐漸流行起來(lái)。 采用蔭柵式顯像管的顯示器有柱面顯示和平面顯示器。柱面顯示它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上卻是筆直的，可將屏幕上方的光線反射到下方，減弱眩光。平面顯示器，屏幕完全平面，大大提高質(zhì)量。,蔭柵式彩色CRT顯色原理,這種條狀蔭柵由固定在一個(gè)拉力極大的鐵框中的，互相平行的垂直鐵線陣列組成。這種柵欄從屏幕頂一直通到屏幕底，而不是單獨(dú)的熒光點(diǎn)。通過(guò)電子槍射出電子束，穿過(guò)柵條打在熒光條上使其發(fā)光。這種結(jié)構(gòu)因消除了縱向間距，透光率比蔭罩式顯示器高30%，加之垂直的熒光粉條，所以亮度更高，色彩比其它的顯像管系統(tǒng)亮麗細(xì)致。,蔭柵式與蔭罩式顯像管的區(qū)別主要表現(xiàn)在選色板及熒光粉的排列方式。蔭罩式顯像管的選色板為孔狀金屬板，熒光粉為點(diǎn)狀排列，點(diǎn)距是0.28；蔭柵式顯像管的選色板采用垂直金屬線組成，熒光粉的排列為R、G、B三色熒光粉條，點(diǎn)距是0.25，透光率更強(qiáng)，因而顯示色彩更豐富亮麗。蔭柵式顯像管在垂直方向不存在弧度，所以垂直方向無(wú)失真。,柱面和球面顯示器點(diǎn)距定義示意圖,三、隨機(jī)掃描的圖形顯示器,隨機(jī)掃描顯示器又稱矢量顯示器、筆劃顯示器，隨機(jī)掃描顯示器電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。,隨機(jī)掃描顯示器特點(diǎn),由計(jì)算機(jī)加工成為顯示器的顯示文件。顯示文件經(jīng)接口電路送到顯示器的緩沖存儲(chǔ)器，而固定存儲(chǔ)器中則存放各種常用字符、數(shù)字等顯示指令。DPU取出緩沖存儲(chǔ)器或固定存儲(chǔ)器中的顯示指令，依次執(zhí)行，再由控制電路使電子束以所需的亮度偏轉(zhuǎn)到所需的位置。,1.無(wú)多余掃描、速度快、圖象清晰、比光柵系統(tǒng)更高的分辨率、生成光滑線條。 2.不能顯示逼真場(chǎng)景、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也較復(fù)雜。 3.不能顯示太復(fù)雜的圖形，因?yàn)轱@示文件會(huì)太長(zhǎng)，重復(fù)掃描圖形會(huì)閃爍。,特點(diǎn)：,四、存儲(chǔ)管式的圖形顯示器,是20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始出現(xiàn)的圖形顯示器，最大特點(diǎn)在于它的熒光粉能夠在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（以小時(shí)計(jì)）保持圖形而不需要刷新，因此價(jià)格低廉，可以不閃爍地顯示任意多的線條和字符，而且相當(dāng)清晰。致命弱點(diǎn)在于圖形的修改和刪除方面，它只能一次擦除整屏的圖形，而且擦除時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒，若想有選擇地擦除某一部分圖形則是不可能的。這樣，就限制了它在動(dòng)態(tài)作圖和交互修改作圖方面的應(yīng)用。體現(xiàn)。 顯示圖形的方式和隨機(jī)掃描顯示器一樣，電子束在屏幕上隨機(jī)繪出圖形，同樣它也只能畫(huà)線圖，不能進(jìn)行實(shí)面積填充。,存儲(chǔ)管式顯示器特點(diǎn),1、無(wú)需刷新、很復(fù)雜的圖形都可以在極高的分辨率下無(wú)閃爍地顯示。 2、成本較低，不需要太大內(nèi)存。 3、不能顯示彩色、不能局部修改、動(dòng)畫(huà)效果不好。,五、光柵掃描式圖形顯示器,灰度光柵顯示器結(jié)構(gòu),在光柵掃描系統(tǒng)中，電子束橫向掃描屏幕，一次一行，從頂?shù)降醉槾芜M(jìn)行。當(dāng)電子束橫向沿每一行移動(dòng)時(shí)，電子束的強(qiáng)度隨幀緩存器中的值而變化，從而在屏幕上建立亮點(diǎn)的圖案。,彩色光柵掃描顯示器結(jié)構(gòu),可顯示真實(shí)感圖形 圖形的動(dòng)畫(huà)效果較好 顯示斜線時(shí)有階梯效應(yīng),光柵掃描顯示器的特點(diǎn),液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)通過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩，生成圖形的機(jī)理是通過(guò)能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來(lái)自周圍的或內(nèi)部光源的偏振光。,六 液晶顯示器,液晶顯示器由六層組成，如下圖所示。,等離子體顯示（Plasma Panel），其結(jié)構(gòu)為用通常包括氖氣的混合氣體充入兩塊玻璃板之間的區(qū)域。一塊玻璃板上放置一系列垂直導(dǎo)電帶，而另一玻璃板上構(gòu)造一組水平帶,如下圖所示。,七 等離子顯示器,在成對(duì)的水平和垂直導(dǎo)電帶上施以點(diǎn)火電壓，導(dǎo)致兩導(dǎo)電帶交叉點(diǎn)處的氣體進(jìn)入輝光放電的等離子區(qū)。圖形的定義被存儲(chǔ)在刷新緩沖器，點(diǎn)火電壓以每秒60次的速率，用于刷新象素位置（導(dǎo)電帶的交叉處），使用交變電流方法快速提供點(diǎn)火電壓，可得到較亮的顯示。等離子體顯示技術(shù)適合于制造較大屏幕的顯示器。,圖形顯示器用于觀察、修改圖形，但是屏幕上的圖形不可能長(zhǎng)久地保存下來(lái)，在工程界還需要變成圖紙或膠片用于生產(chǎn)，因此在計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)中還應(yīng)該有繪圖機(jī)這樣的圖形硬拷貝輸出設(shè)備。象顯示器一樣，圖形硬拷貝輸出設(shè)備的發(fā)展也非常迅速，且種類繁多，它的發(fā)展動(dòng)向正朝著高速度、高精度、高性能、大面積、低成本的方向發(fā)展。,2.1.2 硬拷貝設(shè)備,一、打印機(jī),打印機(jī)以兩種方式：擊打式或非擊打式產(chǎn)生輸出。擊打式打印機(jī)隔著色帶將某種格式的字符打在紙上。行式打印機(jī)是擊打設(shè)備的例子，其字體裝在帶上、鏈上、鼓上或輪上。非擊打式打印機(jī)和繪圖儀用激光技術(shù)、噴墨技術(shù)、復(fù)印技術(shù)（照相拷貝）、靜電方式和電熱方式，把圖像印在紙上。 字符擊打式打印機(jī)常常有一個(gè)點(diǎn)陣打印頭，其中包含有一組矩形陣列結(jié)構(gòu)金屬針，針的總數(shù)決定著打印機(jī)的質(zhì)量，單個(gè)字符或圖案可用縮回某些針而讓余下的針來(lái)打印。,激光打印機(jī)結(jié)構(gòu)圖,二、激光設(shè)備,在激光設(shè)備里，激光束把要打印的圖形寫(xiě)在感光鼓上，鼓再把這一圖形轉(zhuǎn)移到紙上。激光打印機(jī)的主要構(gòu)成部分有感光鼓、炭粉、打底電暈絲和轉(zhuǎn)移電暈絲。,噴繪儀實(shí)物圖,三、噴墨設(shè)備,噴墨法產(chǎn)生的輸出，是沿包裹在鼓上的紙卷逐行噴墨水來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在高壓下墨水形成墨霧，充電荷的墨霧在電場(chǎng)控制下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，將墨霧噴印到紙上。,靜電繪圖儀結(jié)構(gòu)圖,四、靜電設(shè)備,靜電設(shè)備沿紙的寬度方向一次一整行地置負(fù)電荷于紙上，爾后，面對(duì)調(diào)色劑曝光。調(diào)色劑充以正電，被吸引到充以負(fù)電的區(qū)域，從而產(chǎn)生指定的輸出。 靜電繪圖儀分辨率可達(dá)200dpi，其速度比筆繪儀高，運(yùn)行可靠，噪聲小，但用紙?zhí)厥舛鴥r(jià)格昂貴。,熱升華打印機(jī),五、電熱式設(shè)備,電熱式利用點(diǎn)陣打印頭的熱度，在熱感應(yīng)紙上輸出圖案。,平面電機(jī)式繪圖儀結(jié)構(gòu)圖,機(jī)械傳動(dòng)式繪圖儀結(jié)構(gòu)圖,六、筆繪儀,筆繪儀有一支或多支筆安裝在橫跨紙的筆架或滑桿上，各種彩色和不同粗細(xì)的筆用來(lái)繪制各種陰影和線型。與前面幾種點(diǎn)陣硬拷貝設(shè)備不同，筆繪儀屬于隨機(jī)畫(huà)線硬拷貝設(shè)備。 筆繪儀的繪圖速度取決于繪圖筆移動(dòng)的速度和加速度。這里，加速度和筆繪儀筆頭的質(zhì)量有關(guān)。,2.2 圖形軟件系統(tǒng),硬件是實(shí)現(xiàn)繪圖的必要條件，但要保證具有良好的信息處理能力、較高的繪圖速度與精度、清晰美觀的圖形、操作使用方便，則必須有足夠先進(jìn)的軟件支持系統(tǒng)。圖形軟件系統(tǒng)涉及：圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖形應(yīng)用程序、圖形軟件包及圖形接口等內(nèi)容。,一、圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一組圖形數(shù)據(jù)文件，其中存儲(chǔ)了欲生成圖形對(duì)象的全部描述信息。 這些信息包括對(duì)象的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)象的顏色、線型（實(shí)線、虛線、點(diǎn)劃線等）、紋理等屬性，以及對(duì)象各部分之間連接關(guān)系的數(shù)據(jù)，有時(shí)還可能包括對(duì)象的某些專業(yè)屬性，如：比重、價(jià)格、材料、高程、植被等。 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，根據(jù)這類信息的詳細(xì)描述，生成對(duì)應(yīng)的圖形，并完成對(duì)這些圖形的操作和處理。所以，圖形應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是生成圖形的基礎(chǔ)。,二、圖形應(yīng)用程序,圖形應(yīng)用程序在整個(gè)圖形軟件系統(tǒng)中起著主控的作用。 它一方面根據(jù)應(yīng)用問(wèn)題的要求，從應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中提取數(shù)據(jù)，調(diào)用圖形包的相關(guān)子程序，完成作圖或?qū)D形進(jìn)行各種處理；另一方面，它又接受操作員的輸入信息，作出相應(yīng)的反應(yīng)（如修改或增刪數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)項(xiàng)，改變作圖模式，重新作圖等）； 此外，它還包括用戶界面的一些操作：菜單提示、文件存取、圖形設(shè)備接口的調(diào)用、圖形圖像格式的轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)維護(hù)、信息提示、幫助等等，從而構(gòu)成一個(gè)功能完整的圖形軟件系統(tǒng)環(huán)境。,三、圖形軟件包,圖形軟件包是圖形軟件的核心，它實(shí)際上是由許多圖形子程序所組成。 圖形軟件包在操作系統(tǒng)上建立了面向圖形的輸入、輸出、生成、坐標(biāo)變換、修改等功能命令，以及系統(tǒng)調(diào)用和定義標(biāo)準(zhǔn)，而且要求對(duì)用戶透明，與所采用的圖形設(shè)備無(wú)關(guān)，與所使用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言無(wú)關(guān)，接口友善、技術(shù)相容。,這些被用戶所承認(rèn)