第2章 交互式圖形系統(tǒng).

1、第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 第第 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.1 交互式圖形系統(tǒng)及其組成交互式圖形系統(tǒng)及其組成 2.2 圖形輸入圖形輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備 2.3 圖形顯示設(shè)備圖形顯示設(shè)備 習(xí)題習(xí)題 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.1 交互式圖形系統(tǒng)及其組成交互式圖形系統(tǒng)及其組成 嚴(yán)格地說, 一個(gè)交互式圖形系統(tǒng)應(yīng)由硬件、 軟件和用戶三部分組成(如圖2.1所示)。 軟件部分包括操作系統(tǒng)、 圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或幾何模型、 支撐軟件和應(yīng)用軟件。 硬件部分則由輸入子系統(tǒng)、 主機(jī)和輸出子系統(tǒng)構(gòu)成。 用戶通過硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互, 從而完成圖形的

2、生成和處理操作。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.1 交互式圖形系統(tǒng)的組成 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.2 圖形輸入圖形輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備 2.2.1 圖形輸入設(shè)備 圖形軟件所需的信息是通過各種各樣的圖形輸入設(shè)備獲取的。 為了使圖形軟件包獨(dú)立于具體的硬件設(shè)備, 圖形輸入命令不涉及具體的輸入設(shè)備, 而只涉及到該命令所需的數(shù)據(jù)性質(zhì)。根據(jù)圖形輸入信息的不同性質(zhì), GKS和PHIGS把輸入設(shè)備從邏輯上分成以下幾類: 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) (1) 定位設(shè)備(Locator)。 (2) 描畫設(shè)備(Stroke)。 (3)

3、定值設(shè)備(Valuator)。 (4) 選擇設(shè)備(Choice)。 (5) 拾取設(shè)備(Pick)。 (6) 字符串設(shè)備(String)。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 1. 鼠標(biāo)器 鼠標(biāo)器是一種手持滾動(dòng)設(shè)備, 其形狀如一方盒, 上面有24個(gè)開關(guān)(如圖2.2所示), 下面是兩個(gè)互相垂直的輪子, 或是一個(gè)球。 當(dāng)輪子或球滾動(dòng)時(shí),帶動(dòng)兩個(gè)角度/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置, 產(chǎn)生出滾動(dòng)距離的x, y方向移動(dòng)值, 開關(guān)則用于位置的選擇。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.2 鼠標(biāo)器 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 鼠標(biāo)器按其測量位移的方式可分為三大類: 1

4、) 光電式鼠標(biāo)2) 光機(jī)式鼠標(biāo) 3) 機(jī)械式鼠標(biāo) 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2. 鍵盤 圖形學(xué)系統(tǒng)中的鍵盤中有ASCII編碼鍵、 命令控制鍵和功能鍵, 用以實(shí)現(xiàn)圖形操作的某一特定功能。 字母數(shù)字鍵盤用作錄入文本串; 鍵盤也能用來進(jìn)行屏幕坐標(biāo)的輸入、 菜單選擇或圖形功能選擇; 功能鍵允許用戶以擊鍵方式輸入常用的操作命令; 而光標(biāo)控制鍵可用來選擇被顯示的對象或通過定位屏幕光標(biāo)來確定坐標(biāo)位置; 數(shù)字鍵盤常常用來快速輸入數(shù)值數(shù)據(jù)。 另外, 某些鍵盤上還包含了其它類型的光標(biāo)定位設(shè)備, 如跟蹤球和操縱桿。 常見的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤如圖2.3所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形

5、系統(tǒng) 圖 2.3 鍵盤 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 3. 光筆 光筆是一種檢測光的裝置, 它直接在屏幕上操作, 拾取位置。 光筆的形狀和大小像一支圓珠筆, 筆尖處開有一個(gè)圓孔, 讓熒光屏的光通過這個(gè)孔進(jìn)入光筆。 光筆的頭部有一組透鏡, 把所收集的光聚集至光導(dǎo)纖維的一個(gè)端面上, 光導(dǎo)纖維再把光引至光筆另一端的光電倍增管, 從而將光信號轉(zhuǎn)換成電信號, 經(jīng)過整形后輸出一個(gè)有合適信噪比的邏輯電平, 并作為中斷信號送給計(jì)算機(jī)。 光筆的這種結(jié)構(gòu)和工作過程如圖2.4所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.4 光筆 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系

6、統(tǒng) 4. 觸摸屏 觸摸屏是利用手指等對屏幕相應(yīng)位置的觸摸進(jìn)行定位的。 當(dāng)用手指或小桿等觸摸屏幕時(shí), 觸點(diǎn)位置便以電子的、 光學(xué)的或聲音的方式記錄下來, 如圖2.5所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.5 觸摸屏 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 常見的觸摸屏有以下四種類型: (1) 電阻觸摸屏。 (2) 光學(xué)觸摸屏。 (3) 聲學(xué)觸摸屏。 (4) 電容觸摸屏。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 5. 數(shù)字化儀 數(shù)字化儀是一種把圖形轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字形式的專用設(shè)備, 其基本工作原理是采用電磁感應(yīng)技術(shù)。 它通常由一塊數(shù)據(jù)板和一根觸筆

7、組成。 數(shù)據(jù)板中布滿了金屬柵格, 當(dāng)觸筆在數(shù)據(jù)板上移動(dòng)時(shí), 其正下方的金屬柵格上就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流。 根據(jù)已產(chǎn)生電流的金屬柵格的位置, 就可以判斷出觸筆當(dāng)前的幾何位置。 圖2.6所示的是幾種常見的數(shù)字化儀。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.6 數(shù)字化儀 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.7 操縱桿 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 6. 操縱桿 操縱桿是由一個(gè)手柄通過一個(gè)球形軸承半固定在底座上, 在手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)一對電位器或電脈沖產(chǎn)生器, 產(chǎn)生位置信號, 控制屏幕上的光標(biāo)的坐標(biāo), 如圖2.7所示。 7. 跟蹤球和空間球 跟蹤

8、球和空間球是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來實(shí)現(xiàn)定位的, 從而控制屏幕上的光標(biāo)的坐標(biāo), 如圖2.8所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.8 跟蹤球和空間球 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 8. 數(shù)據(jù)手套 數(shù)據(jù)手套由一系列檢測手和手指運(yùn)動(dòng)的傳感器及天線構(gòu)成, 數(shù)據(jù)手套通過傳感器和天線來獲得和發(fā)送手指的位置和方向信息, 并形成三維笛卡爾坐標(biāo)系, 如圖2.9所示。 數(shù)據(jù)手套常用作虛擬場景中的對象定位操作及對虛擬場景進(jìn)行操縱。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.9 數(shù)據(jù)手套 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 9.

9、 掃描儀 從專業(yè)工具變?yōu)榧矣秒娔X外設(shè)的最典型代表, 要數(shù)圖形掃描儀。 圖形掃描儀是直接把圖形和圖像掃描到計(jì)算機(jī)中以像素信息進(jìn)行存儲的設(shè)備。 現(xiàn)在市面上能見到的一般是36位或48位真彩色掃描儀, 絕大多數(shù)采用的固態(tài)器件是電荷耦合器件 (CCD-Charge Coupled Device)。 圖2.10是常用圖形掃描儀的模塊框圖。第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.10 掃描儀的模塊框圖 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 10. 三維掃描儀 在圖形輸入設(shè)備中還有一個(gè)特殊的領(lǐng)域, 那就是真實(shí)物體三維信息的輸入。 在實(shí)際的產(chǎn)生過程中許多零件和樣板要進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)

10、就必須在計(jì)算機(jī)中生成三維實(shí)體模型,而這個(gè)模型有時(shí)要通過已有的實(shí)物零件得到, 這時(shí)候就需要一種設(shè)備來采集實(shí)物表面各個(gè)點(diǎn)的位置信息。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖2.11 Marc Levoy小組的工作現(xiàn)場第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.2.2 圖形繪制設(shè)備 1. 打印機(jī) 打印機(jī)按其工作原理可分為噴墨打印機(jī)、 激光打印機(jī)和針式打印機(jī)等。 噴墨打印機(jī)用噴墨頭將三四種不同色的墨水射在打印紙上而印出圖案。 噴墨頭中含有四組細(xì)小的噴嘴, 分別噴射品紅、 黃、 青、 黑四色。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 噴墨打印機(jī)的關(guān)鍵部件是噴墨頭, 通常

11、分為連續(xù)式和隨機(jī)式。 目前, 常用的噴頭有四種: 壓電式; 氣泡式; 靜電式; 固體式。 激光打印機(jī)以其高質(zhì)量的打印效果、 快捷的打印速度, 在圖形輸出設(shè)備中獨(dú)占鰲頭。 激光打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜, 主要部分有墨粉、 感光鼓(或稱硒鼓)、 顯影軋輥、 初級高壓電暈放電線等, 均裝在一個(gè)可以取下的盒子中。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2. 繪圖機(jī) 繪圖機(jī)是最常用的圖形輸出設(shè)備, 它將計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)繪制的工程技術(shù)方面各種圖形(如機(jī)械上的三視圖, 軸測圖和透視圖, 各種管道布置圖, 建筑上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖等)硬拷貝輸出在繪圖紙上, 可以永久保存。 繪圖機(jī)類似顯示器一樣分為隨機(jī)掃描和

12、光柵掃描兩類。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 光柵式繪圖機(jī)(也稱無筆繪圖機(jī))主要是靜電繪圖機(jī), 隨機(jī)式繪圖機(jī)(也稱矢量繪圖機(jī)或x-y繪圖機(jī))中最常見的是筆式繪圖機(jī)。 按結(jié)構(gòu)不同筆式繪圖機(jī)又可以分為兩大類: 平板式(Flat)繪圖機(jī)和滾筒式(Drum)繪圖機(jī)。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.3 圖形顯示設(shè)備圖形顯示設(shè)備 2.3.1 陰極射線管(CRT) 圖2.12給出了陰極射線管CRT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 它是一個(gè)真空器件, 由電子槍發(fā)出電子束, 經(jīng)過聚焦系統(tǒng)和加速系統(tǒng)產(chǎn)生高速的經(jīng)過聚焦的電子束, 現(xiàn)經(jīng)過磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)到達(dá)熒光屏的特定位置, 轟擊熒光屏表

13、面的熒光物質(zhì)。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.12 CRT監(jiān)視器的簡易結(jié)構(gòu)圖 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 電子槍的作用是產(chǎn)生電子束, 由圖2.12可以看出, 它由一個(gè)加熱燈絲, 一個(gè)金屬陰極和一個(gè)電平控制器組成。 當(dāng)加熱燈絲加電發(fā)熱時(shí), 金屬陰極被間接均勻加熱, 當(dāng)熱至約2000 K時(shí), 金屬陰極便會(huì)大量發(fā)射電子。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.13 電子束掃描過程示意圖 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 要保持熒光屏上有穩(wěn)定的圖像就必須不斷地發(fā)射電子束。 刷新一次是指電子束從上到下將熒光屏掃描一次,

14、 其掃描過程如圖2.13所示。 只有刷新頻率高到一定值后, 圖像才能穩(wěn)定顯示。 大約達(dá)到每秒60幀, 即60 Hz時(shí), 人眼才能感覺到屏幕不閃爍, 但要使人眼覺得舒服, 一般必須有85 Hz 以上的刷新頻率。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.3.2 彩色CRT 彩色圖形顯示器要采用彩色CRT, 它有三種類型: 穿透式、 蔭罩式和蔭柵式彩色CRT。 穿透式彩色CRT采用多層不同的熒光粉。 在綠色熒光粉層上再沉積一層紅色熒光粉， 當(dāng)電子束按不同的速度轟擊熒光屏?xí)r可顯示紅、 橙、 黃、 綠四種顏色。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 目前應(yīng)用較廣的彩色顯像管是將

15、紅、 綠、 藍(lán)三種彩色同時(shí)顯示在一個(gè)管屏上, 合成一幅彩色圖形。 彩色CRT顯示器的熒光屏上涂有三種熒光物質(zhì), 它們分別能發(fā)紅、 綠、 藍(lán)三種顏色的光。 而電子槍也發(fā)出三個(gè)電子束來激發(fā)這三種物質(zhì), 中間通過一個(gè)控制柵格來決定三束電子到達(dá)的位置。 根據(jù)屏幕上熒光點(diǎn)的排列不同, 控制柵格也就不一樣。 普通的監(jiān)視器一般用三角形的排列方式, 這種顯像管被稱為蔭罩式顯像管。 它的工作原理如圖2.14所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.14 蔭罩式彩色CRT顯色原理 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.15 蔭柵式彩色CRT工作原理示意圖 第第 2 2

16、章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 由于蔭罩式顯示器熒光屏是球面的, 其幾何失真較大, 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, 因此， 最近幾年蔭柵式顯示器逐漸流行起來了。 其工作原理如圖2.15所示。 圖2.16表示了一個(gè)蔭柵式與蔭罩式的熒光屏的點(diǎn)排列, 其中距離d 就是人們平常所說的點(diǎn)距。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.16 柱面和球面顯示器點(diǎn)距定義示意圖 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.3.3 隨機(jī)掃描式圖形顯示器 隨機(jī)掃描圖形顯示器中, 電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性, 即電子束的掃描軌跡隨顯示內(nèi)容而變化, 只在需要的地

17、方掃描, 而不是全屏掃描。 這種掃描方式免除了全屏掃描中無圖形處的冗余掃描, 因此速度快, 圖像清晰。 隨機(jī)掃描工作原理如圖 2.17 所示。 隨機(jī)掃描顯示器的基本工作原理是從顯示文件存儲器得到指令, 送到顯示控制器控制電子束的偏移, 從而在屏幕上產(chǎn)生圖形, 如圖2.18所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.17 隨機(jī)掃描顯示器工作原理示意圖 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.18 隨機(jī)掃描顯示器顯示過程示意圖 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.3.4 光柵掃描式圖形顯示器 目前使用得最廣泛的CRT圖形顯示器是基于電視技術(shù)

18、的光柵掃描顯示器。 如前所述, CRT中的水平和垂直偏轉(zhuǎn)線圈分別產(chǎn)生水平和垂直磁場, 電子束則在不同方向磁場力作用下進(jìn)行行和列掃描, 將屏幕分成由像素構(gòu)成的光柵網(wǎng)格, 由多個(gè)具有灰度和顏色的像素點(diǎn)便可構(gòu)成所需要的圖形。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 光柵掃描顯示器的顯示方式類似于電視機(jī), 電子束按固定的掃描順序進(jìn)行掃描, 產(chǎn)生N條掃描線, 而每條掃描線具有M個(gè)點(diǎn), 在熒光屏上形成M N的點(diǎn)矩陣, 并由顯示內(nèi)容來控制所掃描的點(diǎn)是否發(fā)亮從而形成圖形, 每掃描一遍稱為一幀。 其圖形繪制過程如圖2.19所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.19 光柵掃描

19、顯示器繪圖過程示意圖 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 與電視機(jī)不同的是, 光柵掃描顯示器的顯示內(nèi)容不是來自天線所接收的信號, 而是來自一個(gè)專門的內(nèi)存區(qū), 稱為幀緩存寄存器(Frame Buffer)。 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.20(a)所示。 光柵掃描顯示器的組成與工作原理如圖2.20(b)所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.20 光柵掃描圖形顯示器 (a) 光柵掃描顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 光柵掃描顯示器的組成與工作原理第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.20 光柵掃描圖形顯示器 (a) 光柵掃描顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖; (b)

20、 光柵掃描顯示器的組成與工作原理第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.21 三角形的掃描轉(zhuǎn)換 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 2.3.5 液晶顯示器 CRT顯示器技術(shù)目前已經(jīng)越來越成熟, 顯示質(zhì)量也越來越好, 大屏幕也逐漸成為主流, 但CRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它向更廣的顯示領(lǐng)域發(fā)展。 如屏幕尺寸的加大必然導(dǎo)致顯像管的加長, 顯示器的體積必然要加大, 在使用的時(shí)候就會(huì)受到空間的限制。 另外, 由于CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像的, 因此產(chǎn)生輻射與電磁波干擾便成為其最大的弱點(diǎn), 而且長期使用會(huì)對人的健康產(chǎn)生不良影響。 在這種情況下, 人們推出了

21、液晶顯示器(LCD-Liquid Crystal Display), 如圖2.22所示。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.22 LCD顯示器 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 圖 2.23 液晶顯示器原理示意圖 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 液晶顯示器的主要基本技術(shù)指標(biāo)有: 1) 可視角度 由于液晶的成像原理是通過光的折射而不是像CRT那樣由熒光點(diǎn)直接發(fā)光來實(shí)現(xiàn)的, 因此在不同的角度看液晶顯示屏必然會(huì)有不同的效果。 2) 點(diǎn)距和分辨率 液晶屏幕的點(diǎn)距就是兩個(gè)液晶顆粒(光點(diǎn))之間的距離, 一般點(diǎn)距為0.280.32 mm就能得到較好的顯示效果。 第第 2 2 章章 交互式圖形系統(tǒng)