計(jì)算機(jī)圖形學(xué)第2章圖形系統(tǒng)課件

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：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顯示器工作原理燈絲陰級(jí)控制柵聚焦系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光涂層加速電極二彩色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。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。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?？娠@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?chē)幕騼?nèi)部光源的偏振光。六液晶顯示器等離子體顯示（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(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)和廣泛應(yīng)用的圖形軟件包，形成了一個(gè)為大家都接受的圖形標(biāo)準(zhǔn)，就像現(xiàn)在所通用流行的GKS（圖形核心系統(tǒng)