計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

1、第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.1 圖形輸入設(shè)備圖形輸入設(shè)備 1.2 圖形顯示設(shè)備圖形顯示設(shè)備 1.3 圖形繪制設(shè)備圖形繪制設(shè)備 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.1 圖形輸入設(shè)備圖形輸入設(shè)備1.1.1 鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器 鼠標(biāo)器是使用較廣的圖形輸入設(shè)備， 目前幾乎成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。 鼠標(biāo)器具有定位(輸入一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo))、 拾取(如選中屏幕上一條圖線)及選擇(如選取菜單中的某一項(xiàng))功能，其中定位功能是由屏幕光標(biāo)的位置所提供的。鼠標(biāo)器的這些功能均由其上面的按鍵(按鈕)來(lái)完成。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 目前常用的鼠標(biāo)器有二鍵、三鍵、

2、四鍵式，在不同的應(yīng)用中，軟件定義鼠標(biāo)器按鍵的操作方式及其功能是不同的。鼠標(biāo)器按鍵一般有以下五種操作方式： (1) 點(diǎn)擊(click)， 即按下一鍵(通常為左鍵)， 立即釋放。 (2) 撳住(press)， 即按下一鍵， 不釋放。 (3) 拖動(dòng)(drag)， 即按下一鍵， 不釋放， 并且移動(dòng)鼠標(biāo)器。 (4) 同時(shí)按住(chord)， 即同時(shí)按下兩個(gè)或三個(gè)鍵， 并且立即釋放。 (5) 改變(change)， 即不移動(dòng)鼠標(biāo)器， 連續(xù)點(diǎn)擊同一個(gè)鍵兩次或三次。 按照測(cè)量位移的傳感系統(tǒng)來(lái)分， 鼠標(biāo)器有光電式、 光機(jī)式和機(jī)電(機(jī)械)式這幾種類(lèi)型。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1. 光電式鼠標(biāo)器光電

3、式鼠標(biāo)器 圖 1.1.1 光電式鼠標(biāo)器 按鈕反射式襯墊第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 反射式襯墊又稱(chēng)鼠標(biāo)板，其內(nèi)部X、Y方向皆印有間隔相同的網(wǎng)格。鼠標(biāo)盒內(nèi)X、Y方向各有兩組發(fā)光二極管(LED)和光敏三極管，圖 1.1.2 為一個(gè)方向上發(fā)光二極管和光敏三極管的安裝情況， 其位置對(duì)鼠標(biāo)板的網(wǎng)格尺寸而言相差90。光電式鼠標(biāo)器利用發(fā)光二極管發(fā)出來(lái)的光投射到鼠標(biāo)板上，其反射光經(jīng)過(guò)光學(xué)透鏡聚焦投射到光敏三極管上。當(dāng)鼠標(biāo)器在鼠標(biāo)板上移動(dòng)時(shí)，反射的光就有強(qiáng)弱之分，在光敏三極管中就變成強(qiáng)弱不同的電流，經(jīng)放大、整形就變成表示位移的脈沖序列。鼠標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向是由兩個(gè)脈沖序列(脈沖A和脈沖B)的90相位差確定的，

4、 位移量是通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)求得的。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.1.2 光電式鼠標(biāo)器工作原理 LEDLEDAB光敏管光敏管第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 2. 光機(jī)式鼠標(biāo)器光機(jī)式鼠標(biāo)器 光機(jī)式鼠標(biāo)器也是常用的鼠標(biāo)器之一，它在光滑的桌面上或配制的軟墊上移動(dòng)即可工作。這種鼠標(biāo)器也用半導(dǎo)體光敏元件測(cè)量位移，但其工作方式與光電式鼠標(biāo)器有些不同。光機(jī)式圖 鼠標(biāo)器里面有三個(gè)滾軸，其中兩個(gè)各連一個(gè)碼盤(pán)(譯碼輪)， 第三個(gè)滾軸是空的。這三個(gè)滾軸都與同一個(gè)可滾動(dòng)的小球接觸， 小球的一部分露出鼠標(biāo)底部。當(dāng)在桌面或軟墊上移動(dòng)鼠標(biāo)器時(shí)， 摩擦力使小球滾動(dòng)，小球帶動(dòng)三個(gè)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其中X、Y方向的滾

5、軸帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)。碼盤(pán)上等角度地刻有透明小孔，如圖 1.1.3 所示。兩組發(fā)光二極管(LED)和光敏三極管分別對(duì)稱(chēng)地安裝在碼盤(pán)的兩側(cè)，在幾何位置上相差T/4(四分之一周期)，分別稱(chēng)為A組和B組。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光束時(shí)而照射在光敏三極管上，時(shí)而被阻斷，從而產(chǎn)生了兩個(gè)相位相差90的脈沖序列。脈沖的個(gè)數(shù)代表鼠標(biāo)的位移量，而相位則表示鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.1.3 光機(jī)式鼠標(biāo)器LEDLED譯碼輪光敏元件傳感器A傳感器B第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 3. 機(jī)電式鼠標(biāo)器機(jī)電式鼠標(biāo)器 機(jī)電式鼠標(biāo)器所采用的測(cè)量方法與光機(jī)式鼠標(biāo)器相似，只是用于測(cè)量鼠標(biāo)位移

6、的部件不同而已。機(jī)電式鼠標(biāo)器的碼盤(pán)上沒(méi)有孔， 而是有一圈間隔相等的金屬片，碼盤(pán)插在兩個(gè)電刷對(duì)之間，兩個(gè)電刷對(duì)的幾何位置相差T/4。當(dāng)移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，碼盤(pán)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，電刷接觸到金屬片時(shí)就接通開(kāi)關(guān)；反之就斷開(kāi)開(kāi)關(guān)， 從而產(chǎn)生脈沖序列。兩個(gè)脈沖序列的相位差為90，代表鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向，脈沖個(gè)數(shù)代表鼠標(biāo)的位移量。 不論是哪種鼠標(biāo)器，屏幕光標(biāo)的位移量取決于鼠標(biāo)器在桌面上或襯墊上移動(dòng)時(shí)的位移量，與鼠標(biāo)器在其上的絕對(duì)位置無(wú)關(guān)。 當(dāng)鼠標(biāo)器離開(kāi)桌面或襯墊時(shí)，屏幕光標(biāo)就不改變。光標(biāo)中心的坐標(biāo)由應(yīng)用軟件確定。鼠標(biāo)器通過(guò)串行接口(COM1或COM2)與計(jì)算機(jī)連接，使用時(shí)先運(yùn)行鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)程序，指明鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)的哪個(gè)串口相連以及通

7、訊參數(shù)等。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.1.2 圖形輸入板與數(shù)字化儀圖形輸入板與數(shù)字化儀 圖 1.1.4 圖形輸入板 游標(biāo)按鈕臺(tái)板第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.1.5 數(shù)字化儀 游標(biāo)支架第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖形輸入板、數(shù)字化儀的種類(lèi)較多，按測(cè)量坐標(biāo)的原理分， 有電位梯度式、電容耦合式、超聲波式及電磁感應(yīng)式等，其中電磁感應(yīng)式應(yīng)用較多。 電磁感應(yīng)式數(shù)字化儀(圖形輸入板)由網(wǎng)格板(臺(tái)板)、 控制電路和坐標(biāo)讀取頭(游標(biāo))三部分組成。網(wǎng)格板主要由相互垂直的X、Y兩個(gè)方向的網(wǎng)格線組成，如圖 1.1.6 所示。網(wǎng)格線之間的距離較小，是利用照相腐蝕工藝或絲網(wǎng)印刷

8、工藝在較薄的雙面敷銅板上形成的。游標(biāo)由振蕩線圈、具有十字中心線的放大鏡、 按鈕組成。放大鏡用于幫助使用者將十字線對(duì)準(zhǔn)要讀的坐標(biāo)點(diǎn)， 減小讀數(shù)誤差；振蕩線圈的功能是產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)；按鈕供操作人員選擇數(shù)字化儀(圖形輸入板)的工作方式和輸入格式。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.1.6 網(wǎng)格板 kx0kxnky0kymkymky0kxnkx0第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 數(shù)字化儀(圖形輸入板)工作時(shí)，控制電路對(duì)X方向、Y方向的網(wǎng)格線進(jìn)行掃描并依次控制電子開(kāi)關(guān)閉合，使網(wǎng)格線依次循環(huán)導(dǎo)通。當(dāng)對(duì)X方向網(wǎng)格線掃描時(shí)，Y方向的網(wǎng)格線處于開(kāi)路狀態(tài)；而當(dāng)對(duì)Y方向的網(wǎng)格線掃描時(shí)，X方向的網(wǎng)格

9、線則處于開(kāi)路狀態(tài)。當(dāng)游標(biāo)的十字線對(duì)準(zhǔn)某一點(diǎn)時(shí)，由于游標(biāo)線圈一直加有高頻勵(lì)磁信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，位于游標(biāo)線圈下方的網(wǎng)格線上就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。如果此時(shí)依次閉合網(wǎng)格線的開(kāi)關(guān)， 則網(wǎng)格線上就有交流信號(hào)產(chǎn)生，此信號(hào)的幅度和相位都與網(wǎng)格和游標(biāo)的相對(duì)位置有關(guān)。感應(yīng)信號(hào)送至檢測(cè)電路即可確定出游標(biāo)十字線中心的位置，從而得到該點(diǎn)的坐標(biāo)值。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 數(shù)字化儀(圖形輸入板)的主要性能指標(biāo)有： (1) 分辨率。設(shè)備能夠測(cè)量的最小長(zhǎng)度單位稱(chēng)為分辨率。例如 0.025 mm，即它只能測(cè)量大于 0.025 mm的線段，或者說(shuō)量化誤差為 0.025 mm。需要指出的是，分辨率并不一定等于網(wǎng)

10、格線之間的距離。為了提高位置檢測(cè)精度，通常將網(wǎng)格間距進(jìn)行細(xì)分處理，從而可提高設(shè)備的分辨率。 (2) 精度。把游標(biāo)放在設(shè)備臺(tái)面的任意一點(diǎn)上讀取的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)值之差，取最大者定為設(shè)備的精度。目前較好的數(shù)字化儀(圖形輸入板)的精度為 0.10.05 mm。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 (3) 幅面。指可數(shù)字化的范圍，通常用毫米或英寸表示， 如 1250 mm950 mm，11 英寸11 英寸等。有時(shí)為表示簡(jiǎn)單起見(jiàn)， 也可用與幅面接近的圖幅代號(hào)A0、A1、A2、A3或A4 來(lái)表示。 數(shù)字化儀(圖形輸入板)具有定位、拾取、選擇三個(gè)基本功能。此外，它與軟件配合還可以進(jìn)行徒手繪畫(huà)，即移動(dòng)游標(biāo)時(shí)，

11、 屏幕上將產(chǎn)生與游標(biāo)移動(dòng)路徑相對(duì)應(yīng)的軌跡圖線，這稱(chēng)為筆劃功能。數(shù)字化儀(圖形輸入板)與計(jì)算機(jī)的連接大多采用串行接口，數(shù)據(jù)傳輸速率(波特率，即每秒信號(hào)變化的次數(shù))、數(shù)據(jù)位、 停止位和奇偶校驗(yàn)位都可根據(jù)需要設(shè)置。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.1.3 圖形掃描儀圖形掃描儀 圖形掃描儀是直接把圖形、圖像、文字掃描輸入到計(jì)算機(jī)中，以像素信息進(jìn)行存儲(chǔ)表示的設(shè)備。按顏色等級(jí)劃分，圖形掃描儀有黑白式、 灰度式和彩色式三種。黑白式掃描后每個(gè)像素點(diǎn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)占一位(0 或 1)， 灰度式掃描后每個(gè)像素點(diǎn)占一個(gè)字節(jié)，而彩色式掃描后每個(gè)像素點(diǎn)占三個(gè)字節(jié)(紅、 綠、 藍(lán)三個(gè)原色各占一個(gè)字節(jié))?；叶仁綊呙璧?/p>

12、到的圖像真實(shí)感強(qiáng)于黑白式，彩色式真實(shí)感最強(qiáng)。按所采用的固態(tài)器件劃分， 圖形掃描儀有CCD(電荷耦合器件)掃描儀、MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)電路掃描儀、緊貼型掃描儀等。按掃描方式劃分，圖形掃描儀有手持式、平臺(tái)式、滾筒式三種。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 常用的圖形掃描儀為平臺(tái)式CCD掃描儀，其組成原理如圖 1.1.7 所示。工作時(shí)，用光源照射原稿，投影光線經(jīng)過(guò)一組光學(xué)鏡頭射到CCD器件上，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器、 圖像數(shù)據(jù)暫存器等，最后輸入到計(jì)算機(jī)或硬拷貝機(jī)(打印機(jī)或繪圖機(jī))。為了使投射在原稿上的光線均勻分布，掃描儀中使用長(zhǎng)條形光源。對(duì)于黑白式掃描儀，可取黑白顏色所對(duì)應(yīng)電壓

13、的中間值作為閾值， 凡低于閾值的電壓就為 0(黑色)，反之為 1(白色)?；叶仁綊呙鑳x采用類(lèi)似的方法進(jìn)行處理。彩色式掃描儀則要從原稿信息中提取彩色信息。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.1.7 圖形掃描儀的組成原理 熒光燈電源原稿CCD驅(qū)動(dòng)器圖像信號(hào)處理器控制器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)微機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)器輸出接口電源220 V步進(jìn)電機(jī)熒光燈透鏡計(jì)算機(jī)硬拷貝機(jī)第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖形掃描儀的性能指標(biāo)除顏色等級(jí)外，還有分辨率和幅面兩個(gè)重要指標(biāo)。分辨率是指在原稿的單位長(zhǎng)度(英寸)上取樣的點(diǎn)數(shù)，單位是d/i(每英寸點(diǎn)數(shù))， 常用的分辨率為 3001000 d/i。 分辨率越高，掃描得到的

14、圖像越逼真，但所需的存儲(chǔ)空間也就越大?，F(xiàn)在多數(shù)掃描儀都提供了可選擇分辨率的功能，對(duì)于復(fù)雜圖像，可選用較高的分辨率；對(duì)于較簡(jiǎn)單的圖像，則選擇較低的分辨率。掃描儀的幅面有A0、A1、A4等。 目前，圖形掃描儀主要用在圖形圖像處理、 排版印刷、人事檔案管理、圖紙存檔管理、文字輸入等領(lǐng)域。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.1.4 其他圖形輸入設(shè)備其他圖形輸入設(shè)備 1. 跟蹤球跟蹤球 跟蹤球(trackball)的功能與鼠標(biāo)器相同， 其外形如圖 1.1.8 所示。 跟蹤球的工作原理與光機(jī)式鼠標(biāo)器類(lèi)似，只不過(guò)是用手代替了摩擦平板，工作時(shí)用手撥動(dòng)小球轉(zhuǎn)動(dòng)，小球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)兩只相互垂直安裝的編碼器跟著

15、轉(zhuǎn)動(dòng)， 并產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電壓，用此電壓控制屏幕光標(biāo)的移動(dòng)。按鈕是用來(lái)實(shí)現(xiàn)定位、拾取及選擇功能的。與鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀(圖形輸入板)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于它避免了手臂的頻繁移動(dòng)，并且占據(jù)的桌面空間要少。目前有些微機(jī)鍵盤(pán)上也裝有跟蹤球。 便攜式計(jì)算機(jī)上適合采用跟蹤球。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.1.8 跟蹤球 按鈕球第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 2. 操縱桿操縱桿 操縱桿(joystick)的功能也與鼠標(biāo)器相同，其外形如圖 1.1.9 所示。 操縱桿手柄下端通過(guò)一個(gè)球鉸與盒子相連接，手柄在半球內(nèi)的任意方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。手柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)兩只相互垂直的脈沖編碼器， 經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器后輸出

16、偏轉(zhuǎn)電壓，用此電壓控制屏幕光標(biāo)的移動(dòng)。使用時(shí)，手柄往哪個(gè)方向推，光標(biāo)就向哪個(gè)方向移動(dòng)。 操縱桿通常被連到計(jì)算機(jī)的游戲接口。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.1.9 操縱桿 手柄按鈕第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 3. 觸摸屏觸摸屏 觸摸屏最早在機(jī)場(chǎng)管制方面獲得應(yīng)用，后來(lái)作為計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。觸摸屏指的是一種能對(duì)物體觸摸產(chǎn)生反應(yīng)的屏幕，當(dāng)人的手指或其他物體觸到屏幕不同位置時(shí)，計(jì)算機(jī)能接收到觸摸信號(hào)并按照軟件要求進(jìn)行相應(yīng)的處理。按工作原理劃分，觸摸屏有電阻式、電容式、紅外線式、聲表面波(SAW)式幾種。 電阻式觸摸屏使用一個(gè)兩層導(dǎo)電且高透明度的物質(zhì)做的薄膜涂層(兩

17、層之間有較小的間隙)涂在玻璃或塑料表面上，再安裝到屏幕上；或直接涂到屏幕上。當(dāng)手指觸到屏幕時(shí)，在接觸點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)電接觸，使該處的電阻發(fā)生變化。在屏幕的X、Y方向上分別測(cè)得電阻的改變量就能確定觸摸的位置。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 電容式觸摸屏是用一個(gè)接近透明的金屬涂層覆蓋在一個(gè)玻璃表面上，當(dāng)手指接觸到這個(gè)涂層時(shí)，由于電容的改變，使得連接在一角的振蕩器頻率發(fā)生變化，據(jù)此可確定觸摸的位置。 這兩種觸摸屏由于對(duì)涂層的均勻性和測(cè)量精度要求較高，成本較高，故應(yīng)用較少。 紅外線式觸摸屏是在屏幕的一邊兩個(gè)方向上用紅外器件發(fā)射紅外光形成一個(gè)網(wǎng)格或者利用傾斜角光束掃描系統(tǒng)從屏幕兩角發(fā)出扇形光形成一個(gè)光

18、平面，當(dāng)手指觸在屏幕上時(shí)，就會(huì)擋住一些光束，而在屏幕另一邊設(shè)置的接收裝置則會(huì)檢測(cè)出光線的遮擋情況，從而確定出觸摸的位置。紅外線式觸摸屏性能價(jià)格比好，應(yīng)用較多。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 聲表面波觸摸屏由傳感器、反射器、觸摸屏器件組成，它們可以固定在一塊平的或彎曲的玻璃表面上，也可以直接固定在顯示器的玻璃表面上。傳感器通常為壓電傳感器，被固定在玻璃表面上，用于產(chǎn)生高頻聲。反射器沿著屏幕的頂部和右邊排列。 傳感器和反射器一起工作， 當(dāng)發(fā)射的聲波穿過(guò)玻璃表面時(shí)，若手指觸在屏幕上，則在觸及到的地方使聲波發(fā)生衰減，這一信號(hào)的衰減被接收到并根據(jù)其傳送的時(shí)間轉(zhuǎn)換成X、Y坐標(biāo)傳給計(jì)算機(jī)。聲表面波觸

19、摸屏比紅外線觸摸屏的分辨率高， 有良好的應(yīng)用前景。 觸摸屏具有定位、拾取及選擇功能。觸摸屏輸入具有自然、 方便、快速的特點(diǎn)，即使從未接觸過(guò)計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。 目前，觸摸屏已被使用在公共信息、商品零售、教育、醫(yī)藥、 金融和工業(yè)控制等領(lǐng)域，它最終可能成為人機(jī)接口設(shè)備中的流行設(shè)備。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 4. 光筆光筆 光筆是一種能檢測(cè)出屏幕上亮光的筆, 它具有拾取功能。 光筆的形狀和大小像一支圓珠筆，筆尖處開(kāi)有一個(gè)圓孔，讓熒光屏上的光通過(guò)這個(gè)孔進(jìn)入光筆。光筆的頭部有一組透境， 它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信增管，從而將光信號(hào)

20、轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 經(jīng)過(guò)整形后輸出一個(gè)邏輯電平，并作為中斷信號(hào)送給計(jì)算機(jī)和顯示器的顯示控制器，根據(jù)刷新地址可得到光筆檢測(cè)到的亮點(diǎn)位置。有些光筆把光電信增管和放大整形電路都裝在筆體里， 這樣可省去光導(dǎo)纖維。光筆在便攜式計(jì)算機(jī)中亦得到了廣泛應(yīng)用。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.2 圖形顯示設(shè)備圖形顯示設(shè)備 1.2.1 光柵掃描圖形顯示器光柵掃描圖形顯示器 在光柵掃描圖形顯示器上，顯示屏幕被分割為許多大小相等的柵格，它們排成一個(gè)矩形陣列，這些柵格稱(chēng)為像素(pixel)或像點(diǎn)。顯示器工作時(shí)， 每個(gè)像素處于“亮”與“不亮”兩種狀態(tài)， 由所有發(fā)亮的像素點(diǎn)來(lái)拼成一幅圖形。 可見(jiàn)， 此種顯示器既能顯示

21、圖形，又能顯示圖像。由于它的不斷刷新原理又可實(shí)現(xiàn)屏幕動(dòng)畫(huà)，因此，光柵掃描圖形顯示器獲得了廣泛的應(yīng)用。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 屏幕分辨率(screen resolution)、點(diǎn)陣縱橫比(aspect ratio)、 背景(background)和前景(foreground)是與光柵掃描圖形顯示器有關(guān)的幾個(gè)概念。屏幕分辨率是指屏幕可顯示的像素點(diǎn)數(shù)，用水平方向的像素點(diǎn)數(shù)乘以豎直方向的像素點(diǎn)數(shù)來(lái)表示，如 640480 等。高分辨率顯示器的分辨率在 10001000 以上。 顯示器分辨率越高，所顯示的圖形越光滑、越清晰。豎直方向與水平方向每英寸像素點(diǎn)數(shù)之比稱(chēng)為屏幕的點(diǎn)陣縱橫比。由于制造

22、工藝方面的原因， 不少顯示器像素點(diǎn)密度在水平和豎直方向不等，即點(diǎn)陣縱橫比不是 1，因此畫(huà)一個(gè)圓或正方形時(shí)屏幕上顯示的卻是一個(gè)橢圓或長(zhǎng)方形。要使圖形顯示正確，在設(shè)計(jì)或使用圖形軟件時(shí)必須校正點(diǎn)陣縱橫比。背景是指屏幕上未被字符或圖形填充的區(qū)域。前景是指屏幕上屬于字符或圖形自身填充所占的區(qū)域。 光柵掃描圖形顯示器由圖形監(jiān)視器、 幀緩沖存儲(chǔ)器及顯示控制器等主要部分組成。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1. 圖形監(jiān)視器圖形監(jiān)視器 圖形監(jiān)視器是一個(gè)單獨(dú)的部件，它類(lèi)似于家用電視機(jī)，但無(wú)調(diào)諧系統(tǒng)。大多數(shù)圖形監(jiān)視器采用了電視掃描(光柵掃描)技術(shù)來(lái)不斷刷新屏幕上的圖像。 圖形監(jiān)視器的核心部件是陰極射線管(C

23、athode Ray Tube, 簡(jiǎn)稱(chēng)CRT)， 與電視機(jī)顯像管類(lèi)似。圖 1.2.1 為CRT結(jié)構(gòu)示意圖。 CRT部件包括：一個(gè)陰極，當(dāng)燈絲加熱它時(shí)發(fā)射出電子；一個(gè)控制柵，它既控制發(fā)射電子的方向又控制發(fā)射電子的頻率；一個(gè)加速結(jié)構(gòu)，它將提高電子的速度，使電子束轟擊熒光屏?xí)r能產(chǎn)生一個(gè)可見(jiàn)的亮點(diǎn)； 一個(gè)聚焦系統(tǒng)，使電子束變細(xì)以使它轟擊熒光屏?xí)r成為一個(gè)細(xì)小的點(diǎn)；一個(gè)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，控制電子束在希望的位置轟擊熒光屏而產(chǎn)生亮點(diǎn)；熒光粉層，當(dāng)電子束轟擊它時(shí)發(fā)出輝光。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 值得注意的是，熒光粉的質(zhì)量直接影響CRT的成像效果。當(dāng)熒光粉受到電子轟擊時(shí)，便發(fā)出可見(jiàn)的熒光，停止轟擊后，熒光

24、仍會(huì)保持一段時(shí)間才消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為余輝。從電子束停止轟擊開(kāi)始，直到余輝亮度下降到其初始值的10%所用的時(shí)間稱(chēng)為余輝時(shí)間。余輝時(shí)間一般很短(在 0.1 s以下)，為了得到持續(xù)穩(wěn)定的圖形，就要不斷訪問(wèn)幀緩存器， 使電子束反復(fù)畫(huà)同一圖形， 即不斷刷新。第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 在CRT結(jié)構(gòu)中，燈絲、陰極、控制柵、加速電極以及聚焦系統(tǒng)組成了電子槍。黑白CRT中僅有一支電子槍?zhuān)诓噬獵RT中有三支電子槍?zhuān)浒l(fā)射的電子束分別轟擊熒光粉層上的紅、綠、藍(lán)熒光點(diǎn)。彩色CRT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.2.2， 這是一種帶有蔭罩板的彩色CRT，可用于光柵掃描圖形顯示器。第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)

25、備 圖 1.2.1 CRT結(jié)構(gòu)示意圖 燈 絲 陰 極控 制 柵聚 焦系 統(tǒng)偏 轉(zhuǎn)系 統(tǒng)熒 光 層加 速電 極第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.2.2 蔭罩式彩色CRT 綠電子槍紅電子槍藍(lán)電子槍蔭罩板熒光屏藍(lán)綠紅第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 在蔭罩式彩色CRT中， 三支電子槍分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三原色。通常，三支電子槍安置成三角形， 和CRT表面上的紅、 綠、藍(lán)熒光點(diǎn)的類(lèi)似三角形圖案相對(duì)應(yīng)，如圖 1.2.3 所示。為確保每支電子槍轟擊對(duì)應(yīng)的熒光點(diǎn)(例如紅電子槍只轟擊紅的熒光點(diǎn))， 在電子槍和CRT表面之間安置著一張帶孔的金屬網(wǎng)格，稱(chēng)為蔭罩。蔭罩上孔的三角形排列與熒光點(diǎn)的三角圖案

26、相同。彩色槍的布置要使得三條電子束在同一偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制下共同穿過(guò)蔭罩上的一個(gè)小孔，射到各自對(duì)應(yīng)的熒光點(diǎn)上。例如，紅電子槍發(fā)出的電子束經(jīng)過(guò)蔭罩上小孔后只轟擊紅的熒光點(diǎn)。通過(guò)改變每種原色對(duì)應(yīng)的電子束的強(qiáng)度，在熒光屏上可以得到不同深淺的色彩。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 假定紅、 綠電子槍按最大強(qiáng)度發(fā)射電子束， 藍(lán)電子槍不發(fā)射電子束，則熒光屏出現(xiàn)的色彩為黃色(紅色與綠色的合成色)。 因紅、綠、藍(lán)熒光點(diǎn)相距很近，以致于在它們發(fā)出三種彩色光時(shí)，人眼不能分辨出這三種原色，看到的只是三種原色的合成色。這些深淺不同的原色在每個(gè)像素中可合成大量不同的顏色。 對(duì)高分辨率顯示器來(lái)說(shuō)， 每個(gè)像素一般對(duì)應(yīng)圖 1

27、.2.3 中的兩個(gè)到三個(gè)彩色小三角。 圖中R、 G、 B分別代表紅、 綠、藍(lán)熒光粉點(diǎn)。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.2.3 蔭罩式CRT熒光點(diǎn)的圖案 BRRGGBRGBRGBBRGGBRBRGRBBRRGBRGBRGBRGBRGBRGBGGGG第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 2. 幀緩沖存儲(chǔ)器幀緩沖存儲(chǔ)器 幀緩沖存儲(chǔ)器(也叫視頻存儲(chǔ)器)，簡(jiǎn)稱(chēng)幀緩存，用來(lái)存放圖形信息。 幀緩存的地址和屏幕地址是一一對(duì)應(yīng)的(參見(jiàn)圖 1.2.4)， 其中所存的信息就是屏幕上對(duì)應(yīng)位置的圖形信息，這些信息在存儲(chǔ)器內(nèi)的分布完全和屏幕上所顯示圖形的形狀及顏色、 明暗程度相對(duì)應(yīng)。要在屏幕上顯示圖形，首

28、先要將圖形信息寫(xiě)入幀緩存器中，然后顯示系統(tǒng)訪問(wèn)幀緩存器，再把其中的內(nèi)容顯示在屏幕上， 這就是我們看到的圖形。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.2.4 具有調(diào)色板的幀緩存系統(tǒng) 01011紅亮度DAC顏色索引綠亮度DAC藍(lán)亮度DAC顏色索引(地址)寄存器W 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器藍(lán)電子槍綠電子槍紅電子槍熒光屏010N0 0 1 1 1 1 1 1000000010010001101000101111011110 0 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0WWW第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 假定顯示器的屏幕分辨率為640480，那么屏幕上就有 640480 個(gè)像素點(diǎn)， 幀

29、緩存器中就有與此對(duì)應(yīng)的 640480 個(gè)存儲(chǔ)地址，每個(gè)地址存放著以二進(jìn)制數(shù)表示的像素亮度(色彩)信息， 每個(gè)地址對(duì)應(yīng)著一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)位(1 位代表二進(jìn)制的 0 或 1)。 如果幀緩存器只有 640480 個(gè)存儲(chǔ)位，那么每個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)位， 每位只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，分別代表屏幕上的像素“不亮”和“亮”，這樣的顯示器只能進(jìn)行黑白表示。要實(shí)現(xiàn)彩色顯示或多級(jí)灰度(對(duì)單色顯示器)顯示，就需要擴(kuò)大幀緩存器的存儲(chǔ)區(qū)域。 我們把像 640480 這樣的存儲(chǔ)區(qū)叫做位平面。 位平面大小由屏幕分辨率決定。如屏幕分辨率為 1024768，則位平面為 1024768 個(gè)存儲(chǔ)位。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備

30、圖形設(shè)備 通過(guò)增加位平面的個(gè)數(shù)，可使顯示器具有色彩或灰度。設(shè)位平面?zhèn)€數(shù)為N，則可顯示的顏色數(shù)或灰度等級(jí)為2N。例如，顯示器具有 4 個(gè)位平面，則可顯示 24即 16 種顏色或灰度。 利用位平面實(shí)現(xiàn)彩色顯示的幀緩存結(jié)構(gòu)有兩種：不帶調(diào)色板的幀緩存結(jié)構(gòu)和帶調(diào)色板的幀緩存結(jié)構(gòu)。 在不帶調(diào)色板的幀緩存結(jié)構(gòu)中，位平面分為相等的三組， 分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)三原色。第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 控制電子槍電子束強(qiáng)度的紅、綠、藍(lán)三原色亮度值直接從每組位平面中獲得。例如位平面?zhèn)€數(shù)為 12，則分為 3 組， 每組 4 個(gè)位平面， 紅、 綠、 藍(lán)三原色的亮度值分別從每組的 4 個(gè)位平面中取得。這種幀緩存結(jié)構(gòu)若要

31、實(shí)現(xiàn)大量的顏色， 相應(yīng)地要增加位平面?zhèn)€數(shù)，從而導(dǎo)致幀緩存器容量成倍數(shù)增加。 這種結(jié)構(gòu)使用不多。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 帶有調(diào)色板的幀緩存器結(jié)構(gòu)使用較多，圖 1.2.4 就是這種結(jié)構(gòu)的原理圖。從位平面中取出像素的顏色索引(或叫顏色地址、 像素值、 顏色屬性)， 用此索引查找出紅、綠、藍(lán)三原色的亮度值， 經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器后得到模擬信號(hào)，用此模擬信號(hào)控制電子槍發(fā)出電子束，在屏幕上經(jīng)過(guò)顏色合成后就得到該像素的顯示顏色。 顏色索引與紅、綠、藍(lán)三原色亮度值之間的查找表稱(chēng)為調(diào)色板(palette)。 它是顏色索引和實(shí)際顯示色之間的映射。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 在圖1.2.4

32、所示結(jié)構(gòu)中，N為位平面?zhèn)€數(shù)(這里N=4)， 則顯示器在屏幕上可同時(shí)顯示的顏色數(shù)為 2N(這里為 16)。調(diào)色板中每一原色的亮度值有效位數(shù)為W(這里W=6)， 并且WN。通過(guò)對(duì)紅、 綠、 藍(lán)亮度賦不同值，可以調(diào)配出2W2W2W種顏色(這里為262626=262 144種)。調(diào)色板從2W2W2W種顏色中選2N種顏色顯示。這種結(jié)構(gòu)在不增加幀緩存器容量的情況下，提高了顯示器圖形輸出的顏色范圍。 目前，具有圖形功能的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言系統(tǒng)都提供了映射調(diào)色板的語(yǔ)句，通過(guò)對(duì)顏色索引指定不同的紅、綠、藍(lán)原色亮度值， 可獲得眾多的顏色。如果用戶(hù)不映射調(diào)色板的話，可以使用系統(tǒng)提供的缺省調(diào)色板。缺省調(diào)色板能滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用

33、程序的需要。 表 1.2.1 給出了EGA、VGA兩種適配器缺省的調(diào)色板。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 表表 1.2.1 EGA、VGA的缺省調(diào)色板的缺省調(diào)色板 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 除了位平面法能夠?qū)崿F(xiàn)彩色顯示外，壓縮像素法也能實(shí)現(xiàn)彩色顯示。在壓縮像素法中，將 1 個(gè)像素點(diǎn)的全部顏色信息壓縮成 1 個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)字，紅、綠、藍(lán)三原色分占其中的幾位。1 個(gè)數(shù)據(jù)字為 1 個(gè)字節(jié)或多個(gè)字節(jié)。 幀緩存器的一個(gè)重要指標(biāo)是其存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)容量可簡(jiǎn)單地由屏幕分辨率和顯示顏色數(shù)(或灰度等級(jí))估算，估算方法為：)(8)(1字節(jié)顏色數(shù)屏幕分辨率存儲(chǔ)容量b 例如，屏幕分辨率為 640480，

34、 顯示色為 16 色， 則估算的幀緩存器容量為： Bb6001538161480640第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 3. 顯示控制器顯示控制器 顯示控制器的組成關(guān)系如圖 1.2.5 所示。顯示控制器的作用是反復(fù)掃描幀緩存器，取出像素的顏色值(即實(shí)際顏色)，并經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后把模擬信號(hào)送給監(jiān)視器的亮度與色彩控制部件。同時(shí)， 控制器按像素的x、y地址控制監(jiān)視器將電子束偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，轟擊熒光點(diǎn)，產(chǎn)生不同亮度(或色彩)的圖像。 顯示控制器與幀緩存器及其附件合稱(chēng)為顯示適配器(adapter)， 又稱(chēng)顯示卡。顯示卡是一塊板子，插在主機(jī)箱內(nèi)的插槽上。顯示卡和圖形監(jiān)視器要配套使用。 表 1.2.2

35、給出了幾種使用較多的顯示適配器的屏幕分辨率及可實(shí)現(xiàn)的顏色，供讀者選購(gòu)或使用時(shí)參考。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.2.5 顯示控制器的組成 幀緩沖存儲(chǔ)器X地址寄存器Y地址寄存器顏色值寄存器光柵掃描發(fā)生器CRT地址地址地址亮度信號(hào)偏轉(zhuǎn)信號(hào)顯示控制器第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.2.2 液晶顯示器液晶顯示器 液晶是液態(tài)晶體的簡(jiǎn)稱(chēng)。液晶分子的排列不像晶體結(jié)構(gòu)那樣牢固，它柔軟易變形，當(dāng)液晶分子受電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度(熱)、 應(yīng)力等外部條件作用時(shí)，液晶分子就會(huì)重新排列，基于液晶光學(xué)各向異性的各種特性也隨著變化。液晶的這種柔軟的分子排列特性是液

36、晶器件的應(yīng)用基礎(chǔ)。與CRT發(fā)光器件顯示原理不同， 液晶器件本身是非發(fā)光器件，它是利用環(huán)境光的反射或者利用背面裝有熒光燈等光源的透射而顯示字符或圖形的。利用環(huán)境光來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的液晶器件不能在暗處使用。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 液晶顯示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六層薄板組成的平板式顯示器，如圖1.2.6 所示。其中第一層是垂直電極板，第二層是鄰接晶體表面的垂直細(xì)網(wǎng)格線組成的電解層，第三層是液晶層(約 0.177 mm厚)，第四層是與晶體另一面鄰接的水平網(wǎng)格線層，第五層是水平電極層，第六層是反射層。液晶材料是由長(zhǎng)晶線分子構(gòu)成， 各個(gè)分子在空間的排列通常處

37、于和極化光(即極化方向)相互垂直的位置。 光線進(jìn)入第一層是和極化方向垂直。當(dāng)光線通過(guò)液晶時(shí)，極化方向和水平方向的夾角是90， 這樣光線可以通過(guò)水平極板，并到達(dá)兩個(gè)極板之間的液晶層。 晶體在電場(chǎng)作用下，它們將排列成行并且方向相同。晶體在這種情況下不改變穿透光的極化方向。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 若光在垂直方向被極化，就不能穿透后面的極板，光被遮擋， 在表面會(huì)看到一個(gè)黑點(diǎn)。在液晶顯示器的表面，在其相應(yīng)的矩陣編址中如何使(x1,y1)點(diǎn)變黑? 通常是在水平網(wǎng)格x1處加上負(fù)電壓(-U)，在垂直網(wǎng)格y1處加上正電壓(+U)，并稱(chēng)其為觸發(fā)電壓。如-U或+U以及它們之間的電壓差都不足夠大，晶體

38、分子仍排成行， 這時(shí)光仍然可以穿過(guò)(x1, y1)點(diǎn)且不改變極化方向，即仍然保持垂直極化方向， 入射光也就不能穿過(guò)晶體到達(dá)尾部極板，從而在(x1, y1)處產(chǎn)生黑點(diǎn)。要顯示從(x1, y1)到(x2, y2)的一條直線段，就需要連續(xù)地一個(gè)接一個(gè)地選擇需要顯示的點(diǎn)。在液晶顯示器中，晶體一旦被極化，它將保持此狀態(tài)達(dá)幾百毫秒，甚至當(dāng)觸發(fā)電壓切斷后仍然保持這種狀態(tài)不變， 這對(duì)圖形的刷新速度影響極大。 為了解決這個(gè)問(wèn)題，在液晶顯示器表面的網(wǎng)格點(diǎn)上有一個(gè)晶體管， 通過(guò)晶體管的開(kāi)關(guān)作用來(lái)快速改變晶體狀態(tài)，同時(shí)也用來(lái)控制狀態(tài)改變的程度。晶體管也可用來(lái)保存每個(gè)單元的狀態(tài)，從而可隨刷新頻率周期性地改變晶體單元的狀

39、態(tài)。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.2.6 液晶顯示器的六層結(jié)構(gòu) 反 射 層水 平 極 板水 平 網(wǎng) 絡(luò) 線液 晶 層垂 直 網(wǎng) 格 線垂 直 極 板觀 察 方 向第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.2.3 等離子顯示器等離子顯示器 等離子顯示器是用許多小氖氣燈泡構(gòu)成的平板陣列， 每個(gè)燈泡處于“開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)。等離子板不需要刷新。目前典型的等離子板可以做到 15 英寸左右，每英寸上安裝有 175 個(gè)左右的燈泡。要達(dá)到商品化，需要等離子板做到 56 英寸。 等離子顯示器一般由三層玻璃板組成，如圖 1.2.7 所示。第一層是里面涂有導(dǎo)電材料的垂直條，中間層是燈泡陣列，第三層

40、是表面涂有導(dǎo)電材料的水平條。要點(diǎn)亮某個(gè)地址的燈泡，開(kāi)始要在相應(yīng)行上加較高的電壓， 等該燈泡點(diǎn)亮后， 可用低電壓維持氖氣燈泡的亮度。要關(guān)掉某個(gè)燈泡，只需將相應(yīng)行的電壓降低。燈泡開(kāi)關(guān)的周期是15 ms，通過(guò)改變控制電壓，可以使等離子板顯示不同灰度的圖形。彩色等離子板目前還處于研究階段。等離子顯示器的優(yōu)點(diǎn)是平板式、透明、 顯示圖形無(wú)鋸齒現(xiàn)象，也不需要刷新緩沖存儲(chǔ)器。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.2.7 等離子顯示器的三層結(jié)構(gòu)1234567觀 察 方 向水 平 網(wǎng) 格 線(Y向 地 址 )垂 直 網(wǎng) 格 線(X向 地 址 )玻 璃 極 板單 元1234567第第 1 1 章章 圖形設(shè)

41、備圖形設(shè)備 1.3 圖形繪制設(shè)備圖形繪制設(shè)備 圖形繪制設(shè)備又稱(chēng)為硬拷貝機(jī)， 它是在介質(zhì)上(如紙、 膠片等)繪出圖形的設(shè)備。圖形繪制設(shè)備分為筆式繪圖機(jī)、無(wú)筆繪圖機(jī)和圖形打印機(jī)三種。筆式繪圖機(jī)采用繪圖筆繪圖，其基本圖形元素是直線段；無(wú)筆繪圖機(jī)采用諸如噴頭、潛像頭、熱敏頭等這樣一些裝置來(lái)印制圖形，其基本圖形元素是像素點(diǎn)；圖形打印機(jī)中除點(diǎn)陣針式打印機(jī)之外，其余設(shè)備的硬件原理與無(wú)筆繪圖機(jī)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，如噴墨打印機(jī)與噴墨繪圖機(jī)、熱敏打印機(jī)與熱敏繪圖機(jī)等。那么如何來(lái)區(qū)分圖形打印機(jī)和無(wú)筆繪圖機(jī)呢? 依據(jù)是設(shè)備控制語(yǔ)言的種類(lèi)。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 控制語(yǔ)言分為具有繪圖功能的打印語(yǔ)言(如Adob

42、e Postscript、 Epson FX、 IBM Proprinter等)、矢量繪圖語(yǔ)言(如HP-GL、HP- GL/2、CC-GL、DM -PL等)、光柵傳輸語(yǔ)言(HP-RTL)、打印繪圖集成語(yǔ)言(如HP PCL5等)四類(lèi)。其中，Adobe Postscript、HP- GL幾乎成為控制語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)，越來(lái)越多的硬拷貝機(jī)都支持這些語(yǔ)言。若設(shè)備僅支持具有圖形功能的打印語(yǔ)言，則稱(chēng)之為圖形打印機(jī)；若設(shè)備僅支持矢量繪圖語(yǔ)言、光柵傳輸語(yǔ)言，則稱(chēng)之為繪圖機(jī)，其中把不使用繪圖筆的繪圖機(jī)稱(chēng)為無(wú)筆繪圖機(jī)。當(dāng)然， 若設(shè)備既支持具有圖形功能的打印語(yǔ)言，又支持矢量繪圖語(yǔ)言(或光柵傳輸語(yǔ)言)或者僅支持打印繪圖集成語(yǔ)

43、言，則稱(chēng)之為打印繪圖兩用機(jī)。 目前， 市場(chǎng)上已有此類(lèi)產(chǎn)品。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 無(wú)筆繪圖機(jī)和圖形打印機(jī)均屬于點(diǎn)陣記錄設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)繪圖， 需要解決矢量數(shù)據(jù)光柵(像素)化和彩色繪制問(wèn)題。矢量數(shù)據(jù)光柵化， 也稱(chēng)VRC變換(VectorRaster Conversion)，即把矢量圖形數(shù)據(jù)變換成光柵(點(diǎn)陣)圖形數(shù)據(jù)。VRC變換是通過(guò)一定的算法(如DDA算法、 Bresenham算法等)實(shí)現(xiàn)的(參見(jiàn)第 3 章有關(guān)內(nèi)容)。 對(duì)于大幅面或加長(zhǎng)繪圖， 為了解決像素點(diǎn)多而引起所需存儲(chǔ)空間過(guò)大的問(wèn)題，可將幅面分成若干個(gè)帶區(qū)依次繪制。帶區(qū)內(nèi)的圖形是對(duì)要繪制的整幅圖按帶區(qū)進(jìn)行裁剪而得的。點(diǎn)陣記錄設(shè)備

44、實(shí)現(xiàn)彩色繪制的方法有兩種， 一種方法是設(shè)備提供 3 種以上的染料(色帶、 油墨或墨水)，需要印制哪種顏色就采用哪種染料，這種方法印制速度較高，也不必重復(fù)定位；缺點(diǎn)是可印制的顏色數(shù)目有限。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 另一種方法是套色，設(shè)備提供青、品紅、黃三種原色染料，采用減色法合成各種顏色。例如，要印制紅色，可先印品紅色， 再印黃色即可。從理論上講，要印制黑色，需將三原色各印一遍，這樣印制速度太慢，一般設(shè)備除提供三原色染料外，還提供黑色染料，可直接印制黑色，以提高印制速度。第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 繪圖機(jī)或打印機(jī)工作時(shí)，接受計(jì)算機(jī)傳來(lái)的繪圖或打印命令， 然后由設(shè)備的命令解

45、釋程序(一般固化在機(jī)器內(nèi)的ROM、 EPROM內(nèi))進(jìn)行解釋?zhuān)?再去控制設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)繪圖或打印。 繪圖機(jī)或打印機(jī)作為計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，它和計(jì)算機(jī)的連接除硬件接口(串行口或并行口)外，還需要一個(gè)軟件接口，即圖形軟件與繪圖機(jī)或打印機(jī)的接口程序(或稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)程序)。該接口程序的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)到繪圖命令或打印命令格式的轉(zhuǎn)換， 并將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給繪圖機(jī)或打印機(jī)。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.3.1 筆式繪圖機(jī)筆式繪圖機(jī) 筆式繪圖機(jī)發(fā)展歷史較長(zhǎng)，技術(shù)成熟，商品化程度高，性能價(jià)格比高且使用費(fèi)用較低， 是目前繪圖機(jī)的主流產(chǎn)品。 1. 滾筒式繪圖機(jī)和平臺(tái)式繪圖機(jī)滾筒式繪圖機(jī)和平臺(tái)式繪圖機(jī) 按

46、繪圖機(jī)的結(jié)構(gòu)原理劃分，筆式繪圖機(jī)分為滾筒式和平臺(tái)式兩大類(lèi)。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1) 滾筒式繪圖機(jī) 滾筒式繪圖機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖 1.3.1 所示。這種繪圖機(jī)是用兩只電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī))分別帶動(dòng)繪圖紙和繪圖筆運(yùn)動(dòng)， 從而產(chǎn)生圖形軌跡。X向電機(jī)帶動(dòng)滾筒使紙沿著一個(gè)方向(X方向)運(yùn)動(dòng)， 而繪圖筆架在紙上方由Y向電機(jī)帶動(dòng)， 沿垂直于紙運(yùn)動(dòng)的方向(Y方向)運(yùn)動(dòng)。早期的滾筒繪圖機(jī)使用滾筒安裝紙， 目前的滾筒式繪圖機(jī)使用摩擦輪(或稱(chēng)壓輥)安裝紙，通過(guò)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)紙運(yùn)動(dòng)， 如圖 1.3.2 所示。 滾筒式繪圖機(jī)的主要產(chǎn)品是大幅面(A0和A1)型，如HP系列、 Calcomp系列及DM

47、P系列。其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繪圖速度較高， 占地面積小，精度在不斷提高，價(jià)格適宜。這類(lèi)繪圖機(jī)廣泛用于CAD系統(tǒng)，是CAD系統(tǒng)中繪圖機(jī)的主要類(lèi)型。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.3.1 滾筒式繪圖機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 控制裝置計(jì)算機(jī) Z Z Y Y X XY 向電機(jī)X向電機(jī)YX抬筆落筆筆筆架滾筒圖紙第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.3.2 滾筒式繪圖機(jī) 壓 輥筆控 制 面 板筆 架圖 紙第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 2) 平臺(tái)式繪圖機(jī) 平臺(tái)式繪圖機(jī)的特點(diǎn)是繪圖紙平鋪在繪圖平臺(tái)上(參見(jiàn)圖 1.3.3)， 并用磁性鋼皮(或橡膠)條或以靜電吸附、真空吸附的方式將其固定在臺(tái)面

48、上。由于繪圖紙完全平鋪在臺(tái)面上，因此便于設(shè)計(jì)人員監(jiān)視繪圖過(guò)程，而且易于將繪圖筆架改為刻圖刀架進(jìn)行刻圖。從驅(qū)動(dòng)方式來(lái)看，平臺(tái)式繪圖機(jī)可分為三種，一種是步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)的繪圖機(jī)；一種是平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)的繪圖機(jī)；第三種是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的繪圖機(jī)。后兩種繪圖機(jī)不需機(jī)械傳動(dòng)，直接靠這兩種電機(jī)的動(dòng)子帶動(dòng)筆架移動(dòng)繪圖， 主要用于大幅面繪圖。圖 1.3.3 是步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)繪圖機(jī)的結(jié)構(gòu)原理。機(jī)械傳動(dòng)繪圖機(jī)的傳動(dòng)裝置一般為鋼絲繩、齒輪齒條箱或滾珠螺旋，需要在X、Y兩個(gè)方向上用電機(jī)拖動(dòng)筆架運(yùn)動(dòng)，筆架裝在橫梁上。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.3.3 平臺(tái)式繪圖機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

49、 Y 向電機(jī)X 向電機(jī)導(dǎo)軌臺(tái)面圖紙橫梁筆筆架XY第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 平臺(tái)式繪圖機(jī)按其繪圖幅面分為小型(A3幅面)、中型(A1、 A2幅面)和大型(A0、1.5A0、2A0等)三種。大型平臺(tái)式繪圖機(jī)大多是高速度、 高精度型，如用平面電機(jī)驅(qū)動(dòng)的繪圖機(jī)，速度可達(dá) 60120m/min。這種繪圖機(jī)適合畫(huà)集成電路掩膜圖以及頻繁抬筆落筆的大量隨機(jī)直線圖。但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求高， 因而價(jià)格昂貴，加之市場(chǎng)需求量遠(yuǎn)不如中、小型繪圖機(jī)，故生產(chǎn)規(guī)模不大。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 中、小型繪圖機(jī)是平臺(tái)式繪圖機(jī)的主流產(chǎn)品。 因其性能可滿(mǎn)足一般繪圖的需要，且價(jià)格便宜，故應(yīng)用領(lǐng)域較廣。

50、特別是配合PC機(jī)等使用的小型平臺(tái)式繪圖機(jī)，近幾十年來(lái)發(fā)展較快， 品種很多， 如SPL系列(400、450、460)、 DXY系列(800、 1100、 1200)、SR - 6602、HP7475等。圖 1.3.4 是SPL - 400 繪圖機(jī)的外形圖。這類(lèi)繪圖機(jī)由于使用機(jī)械傳動(dòng)，慣性大，速度受到影響， 一般為20 m/min左右。另外，其精度較低，并且隨著機(jī)械磨損， 其精度也容易下降。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 SPL4001.3.4第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 2. 筆式繪圖機(jī)的主要性能指標(biāo)筆式繪圖機(jī)的主要性能指標(biāo) (1) 繪圖幅畫(huà)。 繪圖幅面通常指標(biāo)準(zhǔn)的圖紙尺寸，用A

51、0、 A1、 A2、 A3等表示。許多滾筒式繪圖機(jī)可加長(zhǎng)繪圖。按繪圖幅面分， 繪圖機(jī)有A0、A1、A2 及A3 幅面的，也有 1.5A0、2A0 等大幅面的。 幅面大的繪圖機(jī)可以繪制比其幅面小的任何圖形，如A0 幅面的繪圖機(jī)，可以繪制A0、A1、A2、A3、A4 等幅面圖形。 繪圖機(jī)能夠繪出圖形的幅面(稱(chēng)為有效繪圖面積)總是比圖紙尺寸要小。如SPL- 400為A3 幅面繪圖機(jī)，其有效繪圖面積為 385 mm280 mm。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 (2) 繪圖速度與加速度。繪圖時(shí)，筆由靜止到運(yùn)動(dòng)，然后又停下來(lái)， 是作變速運(yùn)動(dòng)的，因此，筆的加速度決定了筆的速度高低。繪圖機(jī)的加速度取決

52、于驅(qū)動(dòng)部件和運(yùn)動(dòng)部件的慣性，運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量愈小，繪圖機(jī)的加速度愈大。平面電機(jī)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的繪圖機(jī)以及滾筒式繪圖機(jī)加速度較大，一般為 36g； 繪圖速度較高， 可達(dá) 30120 m/min。如HP7596的加速度為 5.7g， 繪圖速度為 66 m/min。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 (3) 步距(分辨率)。 步距也稱(chēng)為脈沖當(dāng)量， 即每個(gè)脈沖信號(hào)下繪圖筆所移動(dòng)的距離。步距一般為 0.10.01 mm。 0.1 mm的步距就可以使人們對(duì)一般圖形感到滿(mǎn)足，比0.01 mm更小的步距用于精密繪圖的需要。如SPL-400 的步距為 0.1 mm， HP7596 的步距為 0.006 25

53、mm。步距越小，畫(huà)圖精度越高，繪出的圖線越光滑。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 (4) 繪圖精度。繪圖精度包括距離精度和重復(fù)精度。繪圖筆移動(dòng)時(shí)，實(shí)際移動(dòng)距離與按脈沖計(jì)算的理論距離之偏差，稱(chēng)為距離精度。繪圖筆從一點(diǎn)出發(fā)移動(dòng)一段距離，再返回到該點(diǎn)時(shí)，實(shí)際到達(dá)點(diǎn)與出發(fā)點(diǎn)之間的偏差， 稱(chēng)為重復(fù)精度。 如SPL - 400 的重復(fù)精度小于 0.4 mm，較精密繪圖機(jī)的重復(fù)精度在 0.1 mm以下。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 (5) 繪圖功能。繪圖功能包括繪圖筆的個(gè)數(shù)及生成各種圖線的能力等。 根據(jù)筆式繪圖機(jī)的結(jié)構(gòu)原理及數(shù)字控制原理，繪圖筆只能沿X、Y方向移動(dòng)，它不可能直接作直線運(yùn)動(dòng)或圓

54、周運(yùn)動(dòng)從一點(diǎn)到達(dá)另一點(diǎn)。 筆式繪圖機(jī)繪制直線或圓弧的原理是插補(bǔ)運(yùn)算， 即由給定的直線端點(diǎn)或圓弧的端點(diǎn)及圓心計(jì)算畫(huà)圖所需要的一系列中間點(diǎn)。也就是說(shuō)用折線來(lái)逼近直線或圓弧，折線的每一段長(zhǎng)為一個(gè)步距。直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)是基本的插補(bǔ)運(yùn)算。此外，還有拋物線插補(bǔ)等。 插補(bǔ)運(yùn)算一般用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用稱(chēng)為線發(fā)生器、弧發(fā)生器的插補(bǔ)器完成插補(bǔ)運(yùn)算，目的在于提高圖線生成速度。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 1.3.2 無(wú)筆繪圖機(jī)無(wú)筆繪圖機(jī) 無(wú)筆繪圖機(jī)按其記錄(印字)原理分類(lèi)， 有噴墨繪圖機(jī)、 靜電繪圖機(jī)、熱敏繪圖機(jī)、激光繪圖機(jī)等。 1. 噴墨繪圖機(jī)噴墨繪圖機(jī) 噴墨繪圖機(jī)(或打印機(jī))的核心部件是噴射頭，其內(nèi)

55、部含有多個(gè)噴嘴。噴墨繪圖(印字)的原理是使墨水或油墨在壓力作用下， 從尺寸很小的噴嘴噴出， 根據(jù)構(gòu)成圖形或字符點(diǎn)陣的需要，對(duì)墨滴進(jìn)行控制，使之在記錄紙上產(chǎn)生圖形、圖像或文字。噴墨設(shè)備中使用的墨有液態(tài)的墨水和固態(tài)的油墨。墨水中的油性墨水比水性墨水好，因水性墨水容易干涸而造成噴嘴的堵塞。將墨水變成墨水粒子的方法對(duì)水性墨水采用壓電式(根據(jù)圖形或字符信息對(duì)壓電器件作用電壓，壓迫墨水噴成墨滴)、氣泡式(對(duì)噴嘴內(nèi)的發(fā)熱體加電使墨水受熱膨脹產(chǎn)生氣泡，從噴嘴擠出)，對(duì)油性墨水采用靜電式， 即利用靜電吸引力把墨水噴在紙上。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 根據(jù)噴射方式分類(lèi)，噴墨繪圖機(jī)(或打印機(jī))有連續(xù)噴射

56、方式和間歇噴射方式兩種類(lèi)型。 圖 1.3.5 為連續(xù)噴射原理示意圖。連續(xù)噴射方式是給墨水加壓，墨水流通過(guò)噴嘴(孔徑很小)連續(xù)噴射而粒子化。若想記錄， 則控制偏轉(zhuǎn)電極上的電壓為零，小墨水滴穿過(guò)擋板的小孔，噴射在記錄紙上。若不希望記錄，則控制偏轉(zhuǎn)電極上的電壓為高電壓，由于墨水帶有正離子，墨水滴因此發(fā)生偏轉(zhuǎn)，噴射在擋板上，經(jīng)墨水回收管流入廢墨水瓶中。過(guò)濾層用于濾去墨水中的雜質(zhì)，以防止雜質(zhì)顆粒堵塞噴嘴。連續(xù)噴射方式具有頻率響應(yīng)高，可實(shí)現(xiàn)高速記錄等優(yōu)點(diǎn)。 其缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)小型化，且價(jià)格貴、墨水利用率低等。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.3.5 連續(xù)噴射原理示意圖 加壓墨水過(guò)濾層1過(guò)濾層2

57、擋板紙400 V400 V墨水回收第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.3.6 為間歇噴射原理示意圖。間歇噴射方式是在墨水上加微小的壓力，由于電場(chǎng)的吸引而粒子化，只有在記錄時(shí)墨水才噴出，是否噴出完全由電場(chǎng)控制。氣壓泵提供具有一定壓力的空氣流，一路通過(guò)記錄頭內(nèi)的空氣室，由周?chē)魅耄蓺庾炝鞒?。另一路進(jìn)入封閉的墨水槽，給墨水提供一定的壓力pa。 在墨水噴嘴處，由于存在空氣流，使該點(diǎn)的壓力小于pa，故在噴嘴處形成球狀墨水液面。 當(dāng)在電極上加脈沖電壓時(shí)，由于靜電的作用，把墨水拉伸成極微細(xì)的液柱狀，在氣嘴流出的氣流作用下，墨水粒子飛射到記錄紙上，便形成圖形或字符。間歇噴射裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，墨水無(wú)須回

58、收，記錄分辨率較連續(xù)方式高，利用脈沖寬度調(diào)制，還可獲得線性好的灰度特性。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 圖 1.3.6 間歇噴射原理示意圖 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 噴墨繪圖機(jī)的主要性能指標(biāo)有繪圖速度、分辨率、幅面等。 繪圖速度以完成某一幅面圖形繪制所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算，單位為分鐘。分辨率以每英寸像點(diǎn)數(shù)來(lái)衡量， 單位為d/i，如 400 d/i、 600 d/i等。 噴墨繪圖機(jī)(或打印機(jī))具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 噪音小，可使用普通紙，容易實(shí)現(xiàn)彩色化等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展很快的硬拷貝設(shè)備。 噴墨繪圖機(jī)、噴墨打印機(jī)將分別成為筆式繪圖機(jī)、點(diǎn)陣針式打印機(jī)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。 第第 1 1 章章 圖形設(shè)備圖形設(shè)備 2. 靜電繪圖機(jī)靜電繪圖機(jī) 靜電繪圖機(jī)采用靜電記錄原理繪制圖形。靜電記錄一般包括潛像、顯影、定影三個(gè)過(guò)程。潛像就是利用電學(xué)的方法在靜電紙或靜電薄膜(兩者均含有基底上覆蓋十幾微米厚電介質(zhì)的記錄層)的選定部位上帶上靜