計算機圖形學(xué)第2章圖形系統(tǒng)

第二章計算機圖形系統(tǒng)

與一般計算機系統(tǒng)一樣，計算機圖形系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括主機、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。輸入設(shè)備通常為鍵盤、鼠標、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。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，早前大部分視頻顯示器的操作是基于標準的陰極射線管（CRT：CathodeRayTube）設(shè)計的。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)歷了多個發(fā)展階段，出現(xiàn)過各種不同類型的CRT顯示器，如存儲式顯示器、隨機掃描顯示器，但是這些顯示器有明顯的缺點，圖形表現(xiàn)能力也很弱。20世紀70年代開始出現(xiàn)的刷新式光柵掃描顯示技術(shù)走向成熟的一個標志。尤其是彩色光柵掃描顯示器的出現(xiàn)，將人們帶入一個多彩的世界。是一種真空器件，它利用電磁場產(chǎn)生高速的、經(jīng)過聚焦的電子束，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)造見下圖。一CRT顯示器工作原理燈絲陰級控制柵聚焦系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光涂層加速電極熒光屏上涂有一層熒光粉，受到電子束打擊時會發(fā)出熒光。當(dāng)打擊結(jié)束后，熒光仍會保持一段時間才消失，這種現(xiàn)象稱為余輝，熒光亮度隨著時間按指數(shù)衰減，為了使人們看到一個穩(wěn)定而不閃爍的圖形，整個畫面必須在每秒鐘內(nèi)重復(fù)顯示許多次，這也稱為屏幕刷新。

CRT上用的熒光物質(zhì)有多種，除顏色不同外，熒光物質(zhì)的主要差別在于它們的余輝保持時間，短余輝熒光層需要較高刷新速度，才能保證屏幕圖像不閃爍。短余輝熒光層用于動畫，而長余輝熒光層則用來顯示高復(fù)雜程度的靜態(tài)圖形。對于圖形顯示CRT，通常采用余輝時間為10μs～60μs的熒光材料。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，快速的電子束穿過紅色層并激活里面的綠色層。而中速的電子束，通過紅、綠光發(fā)射的組合，來生成另外的兩種顏色：橙色和黃色。電子束穿透法是隨機掃描顯示器生成彩色的廉價途徑，但只可能有四色，而且圖形質(zhì)量不如其它方法。1、電子束穿透法根據(jù)屏幕上熒光點的排列不同，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)，因為它能產(chǎn)生的彩色范圍比電子束穿透法寬廣得多。2、蔭罩式這樣的彩色CRT有三支電子槍，分別與三個熒光點相對應(yīng)，即每支電子槍發(fā)出的電子束專門用于轟擊某一個熒光點。而蔭罩板被安裝在緊靠熒光涂層的地方，板上有很多小孔，每個小孔與一個象素（即三個熒光點）相對應(yīng)。三個電子束經(jīng)聚焦偏轉(zhuǎn)后穿過蔭罩板上的小孔，激活該小孔對應(yīng)的三個熒光點。由于三個熒光點很小并充分靠近，我們觀察到的是它們混合顏色的一個光點，即象素。三色熒光屏蔭罩板三個電子槍能顯示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排列造成即使點很密很細也不會特別清晰，所以后來蔭柵式顯示器逐漸流行起來。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，而不是單獨的熒光點。通過電子槍射出電子束，穿過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，熒光粉為點狀排列，點距是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，點距是0.25，透光率更強，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，所以垂直方向無失真。柱面和球面顯示器點距定義示意圖三、隨機掃描的圖形顯示器

隨機掃描顯示器中，電子束可以在任意方向上自由移動，按照顯示命令用畫線的方式繪出圖形，因此也稱矢量顯示器，隨機掃描顯示器電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機性，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。在隨機掃描顯示系統(tǒng)中，圖形的定義以矢量畫線命令的形式存放在顯示文件中，所以依靠顯示文件對屏幕圖形進行刷新。應(yīng)用程序若要修改屏幕上的圖形，則要修改顯示文件中的某些繪圖命令，修改的結(jié)果在下一次刷新時得到體現(xiàn)。應(yīng)用程序發(fā)出繪圖命令，由DFT解析成顯示處理器可接受命令格式，存放在幀緩沖存儲器中；幀緩沖存儲器中所有的繪圖命令組成一個顯示文件；DPU取出幀緩沖存儲器或固定存儲器中的顯示指令，依次執(zhí)行；驅(qū)動電子槍，由控制電路使電子束以所需的亮度偏轉(zhuǎn)到所需的位置，在屏幕上繪圖。1.無多余掃描、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.不能顯示逼真場景、驅(qū)動系統(tǒng)也較復(fù)雜。3.不能顯示太復(fù)雜的圖形，因為顯示文件會太長，重復(fù)掃描圖形會閃爍。特點：四、存儲管式的圖形顯示器

是20世紀60年代后期開始出現(xiàn)的圖形顯示器，最大特點在于它的熒光粉能夠在足夠長的時間內(nèi)（以小時計）保持圖形而不需要刷新，因此價格低廉，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，而且擦除時間長達數(shù)秒，若想有選擇地擦除某一部分圖形則是不可能的。這樣，就限制了它在動態(tài)作圖和交互修改作圖方面的應(yīng)用。

顯示圖形的方式和隨機掃描顯示器一樣，電子束在屏幕上隨機繪出圖形，同樣它也只能畫線圖，不能進行實面積填充。存儲管式顯示器特點1、無需刷新、很復(fù)雜的圖形都可以在極高的分辨率下無閃爍地顯示。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、動畫效果不好。五、光柵掃描式圖形顯示器

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行。當(dāng)電子束橫向沿每一行移動時，電子束的強度隨幀緩存器中的值而變化，從而在屏幕上建立亮點的圖案。圖形定義存放在幀緩沖存儲器中，幀緩存保存了對應(yīng)屏幕所有點的亮度值。每個屏幕點稱作象素，由于光柵掃描CRT對屏幕上每個象素都有存儲亮度信息的能力，因此它能較好地用于包含細微陰影和彩色場景的逼真顯示。光柵掃描顯示器中，屏幕圖形是依靠幀緩存進行刷新的，而視頻控制器是負責(zé)刷新的部件，它建立了幀緩存中的單元與屏幕象素之間一一對應(yīng)的關(guān)系，視頻控制器的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示：X、Y寄存器用來存放屏幕象素的坐標，存儲在幀緩存中該象素對應(yīng)位置的值被取出，并用來控制CRT電子束的強度。從左到右，從上到下，對一幀的每一個象素都進行處理后，又重復(fù)上述過程進行下一輪的刷新?；叶裙鈻棚@示器結(jié)構(gòu)象素的亮度范圍取決于幀緩存的位數(shù)。在簡單的黑白顯示中，每個象素只有兩個亮度值：亮、暗，因此每個象素只需一位來控制屏幕位置的亮度。彩色光柵掃描顯示器結(jié)構(gòu)如果要顯示彩色并且亮度可變，就需要增加位，在高質(zhì)量系統(tǒng)中，每個象素可多達24位（紅、綠、藍三基色，每種基色占8位：8×3=24位），這時每個象素可顯示224種亮度值?？娠@示真實感圖形圖形的動畫效果較好顯示斜線時有階梯效應(yīng)光柵掃描顯示器的特點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，就會改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩，生成圖形的機理是通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內(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（PlasmaPanel），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

在成對的水平和垂直導(dǎo)電帶上施以點火電壓，導(dǎo)致兩導(dǎo)電帶交叉點處的氣體進入輝光放電的等離子區(qū)。圖形的定義被存儲在刷新緩沖器，點火電壓以每秒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久地保存下來，在工程界還需要變成圖紙或膠片用于生產(chǎn)，因此在計算機圖形系統(tǒng)中還應(yīng)該有繪圖機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、打印機打印機以兩種方式：擊打式或非擊打式產(chǎn)生輸出。擊打式打印機隔著色帶將某種格式的字符打在紙上。行式打印機是擊打設(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。字符擊打式打印機常常有一個點陣打印頭，其中包含有一組矩形陣列結(jié)構(gòu)金屬針，針的總數(shù)決定著打印機的質(zhì)量，單個字符或圖案可用縮回某些針而讓余下的針來打印。激光打印機結(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在感光鼓上，鼓再把這一圖形轉(zhuǎn)移到紙上。激光打印機的主要構(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實現(xiàn)的。在高壓下墨水形成墨霧，充電荷的墨霧在電場控制下發(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電荷于紙上，爾后，面對調(diào)色劑曝光。調(diào)色劑充以正電，被吸引到充以負電的區(qū)域，從而產(chǎn)生指定的輸出。靜電繪圖儀分辨率可達200dpi，其速度比筆繪儀高，運行可靠，噪聲小，但用紙?zhí)厥舛鴥r格昂貴。熱升華打印機

五、電熱式設(shè)備電熱式利用點陣打印頭的熱度，在熱感應(yīng)紙上輸出圖案。平面電機式繪圖儀結(jié)構(gòu)圖機械傳動式繪圖儀結(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的筆用來繪制各種陰影和線型。與前面幾種點陣硬拷貝設(shè)備不同，筆繪儀屬于隨機畫線硬拷貝設(shè)備。筆繪儀的繪圖速度取決于繪圖筆移動的速度和加速度。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)實際上是一組圖形數(shù)據(jù)文件，其中存儲了欲生成圖形對象的全部描述信息。這些信息包括對象的幾何坐標數(shù)據(jù)，對象的顏色、線型（實線、虛線、點劃線等）、紋理等屬性，以及對象各部分之間連接關(guān)系的數(shù)據(jù)，有時還可能包括對象的某些專業(yè)屬性，如：比重、價格、材料、高程、植被等。在計算機圖形學(xué)中，根據(jù)這類信息的詳細描述，生成對應(yīng)的圖形，并完成對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，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、信息提示、幫助等等，從而構(gòu)成一個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、坐標變換、修改等功能命令，以及系統(tǒng)調(diào)用和定義標準，而且要求對用戶透明，與