第二章：計算機(jī)圖形系統(tǒng)

工程計算機(jī)制圖ComputerDrawingin

Engineering第二章

計算機(jī)圖形系統(tǒng)清華大學(xué)土木工程系張建平第二章：計算機(jī)圖形系統(tǒng)ComputerGraphics

System§2-1 計算機(jī)圖形系統(tǒng)的功能和組成§2-2

圖形設(shè)備§2-3 圖形軟件系統(tǒng)2

1 計算以各種形式，§

輸-入圖形設(shè)計必機(jī)圖形系統(tǒng)的功能和組成一 圖形系統(tǒng)的基本功能、計算機(jī)需的各種參數(shù)和命令。存取所設(shè)計形體的幾用交互設(shè)備輸入何數(shù)據(jù)及在計算機(jī)形體間的相互關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時檢索以及變更、增刪等交互設(shè)備輸入處理?；颢@取各種參數(shù)通過屏幕觀察設(shè)計圖形，并可對圖形進(jìn)行實(shí)時修改計算交互存儲顯示器存儲設(shè)備&數(shù)據(jù)庫輸出支持各種圖形輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程中所需要的計算、變換、分析等功能。輸出設(shè)計結(jié)果和圖形。繪圖儀二、計算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成一個計算機(jī)圖形系統(tǒng)定義為一系列硬件和軟件的集合。硬件計算機(jī)及外圍設(shè)備圖形輸入設(shè)備圖形輸出設(shè)備計算機(jī)圖形系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件圖形支撐軟件圖形應(yīng)用軟件計算機(jī)圖形硬件系統(tǒng)(HardwareSystemofComputerGraphics

)

性能表現(xiàn)GreatGreatClientClient高速大容量的處理器；高精度、高速度、大幅面的圖形輸入輸出設(shè)備支持較強(qiáng)的圖形支撐軟件。硬件系統(tǒng)配置主機(jī)常用外圍設(shè)備圖形輸入

/

輸出設(shè)備

基本配置圖形輸入設(shè)備鍵盤CPU存儲設(shè)備圖形顯示器圖形輸出設(shè)備打印機(jī)字符顯示器中央處理器（CPU）控制和指揮整個系統(tǒng)運(yùn)行、處理各種數(shù)據(jù)，執(zhí)行實(shí)際運(yùn)算和邏輯分析圖形輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)、圖形和各種信息，與圖形顯示設(shè)備相結(jié)合，可實(shí)時修改圖形圖形顯示設(shè)備：顯示圖形，反饋信息。圖形輸出設(shè)備：永久輸出圖形。存儲設(shè)備：存儲信息。打印設(shè)備：打印文檔。磁帶機(jī)

集中式大中型機(jī)系統(tǒng)主機(jī)打印機(jī)磁盤機(jī)繪圖儀字符終端圖形終端字符終端圖形終端鍵盤鍵盤鼠標(biāo)/輸入板鼠標(biāo)/輸入板

多用戶分享主機(jī)，主機(jī)負(fù)載隨工作站多少變化，系統(tǒng)響應(yīng)不穩(wěn)定；多個用戶同時使用工作站，響應(yīng)速度變慢；主機(jī)發(fā)生故障，整個系統(tǒng)不能工作。

獨(dú)立式微機(jī)系統(tǒng)鍵盤小型數(shù)字化儀/鼠標(biāo)器CPU硬盤打印機(jī)圖形/文字顯示器繪圖儀特點(diǎn)：配置方便，價格低廉，具有優(yōu)越的性能價格比。

圖形工作站系統(tǒng)設(shè)計思想每個工程師使用一臺計算機(jī)——摒棄多用戶分時系統(tǒng)；能夠使用所有計算機(jī)資源——采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。特點(diǎn)具有多用戶性質(zhì)；具有強(qiáng)大的分布式計算功能，支持多任務(wù)進(jìn)程；良好的擴(kuò)展性。GreatGreatClientClient每種原色有8個位面，可有28

種亮度，當(dāng)前發(fā)展三種原色的組合為（ 28）3=224高速、大容量的處理器；大幅面、高分辨率（4096×4096）、24位面全彩色顯示器；配有UNIX操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化窗口管理系統(tǒng)；分布網(wǎng)絡(luò)功能；強(qiáng)大的三維圖形處理能力；多媒體軟、硬件的配置。當(dāng)前主要廠商SUN、IBM、HP等。

在某個區(qū)域內(nèi)，把分

網(wǎng)絡(luò)型分布式工作站Client散的圖形工作站系統(tǒng)、大容量存儲裝置、高性能的圖形設(shè)備以及通信裝置通過通信協(xié)議連接起來；

滿足資源共享與相互通訊的需求。InternetInternetServerPromotionsData

collectionClient圖形軟件系統(tǒng)

(Graphics software

system)圖形軟件系統(tǒng)是由匯編語言和高級語言編寫的一些具有各種圖形功能的子程序組成的。圖形應(yīng)用軟件圖形通用軟件圖形基本軟件圖形支撐軟件系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件一 一操作系統(tǒng)：

組對計算機(jī)的硬件資源和軟件資源進(jìn)行統(tǒng)

管理的程序，對整個計算機(jī)系統(tǒng)起到監(jiān)控、管理、調(diào)度和指揮作用；語言編輯系統(tǒng)：各種計算機(jī)語言的編譯程序、調(diào)試程序以及子程序庫等；服務(wù)性軟件：為用戶對計算機(jī)進(jìn)行操作和維護(hù)提供方便的程序圖形基本軟件：

主要解決圖形設(shè)備與主機(jī)的通訊、接口問題，即圖形設(shè)備驅(qū)動程序；圖形通用軟件：

包括生成、顯示基本圖形,

對圖形進(jìn)行輸入、變換、修改以及交互處理的程序；圖形應(yīng)用軟件：

根據(jù)專業(yè)需要所設(shè)計的專業(yè)性繪圖程序。§

2-2 圖形設(shè)備

(Graphics

equipment)一、

幾個基本概念二進(jìn)制位(位)

：

Bit

(Binary

digit)二進(jìn)制記數(shù)法中用1或0表示的、小于2的整數(shù)符號，是二進(jìn)制數(shù)的基本單位，計算機(jī)所能存貯信息的最小單位。字節(jié)：

Byte作為一個單位來處理的一小組相鄰的二進(jìn)制數(shù)位，即若干個Bit組成一個字節(jié)，字節(jié)是存貯容量的單位。機(jī)器字

(字)：作為一個單元來傳送和處理、并可存放在存貯單元中的一組二進(jìn)制的數(shù)位。即若干個位或幾個字節(jié)組成一個字。二、

計算機(jī)的主要性能字長指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，即計算機(jī)一次可處理的二進(jìn)制數(shù)位的數(shù)目。它標(biāo)志著計算精度，字長越長，數(shù)的表示范圍越大，有效數(shù)字的位數(shù)越多，數(shù)的精度越高。同時字長越長，計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度越快。存貯容量存貯設(shè)備中能夠保存的總信息量，一般以字節(jié)為單位表示。則：單位換算：

若8個Bit=

1個節(jié)，1024個字節(jié)=

210

=

1

KB210

KB

=

1

MB

(兆)210MB=

1GB運(yùn)算速度

用每秒鐘執(zhí)行指令的數(shù)量表示。通常用CPU的主時鐘頻率來衡量計算機(jī)的速度。

主時鐘脈沖信號是CPU一切操作的基本時鐘和信號，其周期決定了每一個機(jī)器周期所包括的標(biāo)準(zhǔn)時間間隔。

機(jī)器周期是指計算機(jī)執(zhí)行一條指令所花的時間。三、交互式圖形輸入設(shè)備互式圖形輸入設(shè)備用于輸入圖形數(shù)據(jù)和各種信

，

時改圖形，也是人機(jī)對話的工具。鍵盤：輸入字符串，完成圖形操作的特定功能坐標(biāo)數(shù)字化儀：圖數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備鼠標(biāo)器

：輸入圖形的點(diǎn)坐標(biāo)和進(jìn)行選擇、拾取操作觸摸屏：一種利用摸感新技術(shù)制成的屏幕，能對用戶手指在顯示器上的接觸及運(yùn)動作出響應(yīng)的裝置。圖形掃描儀：一種自動圖形輸出裝置，能直接把圖形和圖象掃描輸入到計算機(jī)中，以象素信息進(jìn)行存儲。其他設(shè)備：光筆、操作桿、跟蹤球、語音輸入設(shè)備。坐標(biāo)數(shù)字化儀

(Digitizer)

功能將各種幾何圖形轉(zhuǎn)換成精確坐標(biāo)，并直接送入計算機(jī)輸入圖形的點(diǎn)坐標(biāo)選擇菜單拾取圖形

類型和原理機(jī)械式、超聲波式全電子式：利用電磁感應(yīng)原理，通過臺板上X

、Y方向間隔200微米的平行印刷線，以及指示器游標(biāo)上的線圈，產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而測出最大信號，得出點(diǎn)的座標(biāo)。

技術(shù)指標(biāo)有效幅面1200mmX

1000mm280mmX280mm、220

mmX300mm分辨率指輸入點(diǎn)時，相鄰兩點(diǎn)之間可分辨的最小距離。分辨率決定了使用該設(shè)備時，可顯示密集點(diǎn)的精度。通常分辨率在0.25~0.025mm之間觸摸屏

（Touch

screen）一種利用摸感新技術(shù)制成的屏幕，能對用戶手指在顯示器上的接觸及運(yùn)動作出響應(yīng)的裝置。

功能通過手指在屏幕某一位置的接觸及運(yùn)動，輸入數(shù)據(jù)、拾取圖形、選取菜單。

類型與原理低分辨率控制板：使用一系列光源和光敏元件，在整個顯示表面形成一個網(wǎng)格，接觸屏幕時會中斷一、二條垂直和水平的光束，從而測出手指的位置。高分辨率控制板：聲納型、電容式、紅外線式電阻式：利用兩層稍微分開的透明材料，其中一層涂有導(dǎo)電物質(zhì)，另一層則涂有電阻性物質(zhì)，手指的壓力使兩層接觸，則可測出通過電阻層的電壓降，以計算接觸位置。特點(diǎn)使用戶把注意力全部集中在屏幕上，并能在屏幕上直接指出位置；既是輸入設(shè)備，又是輸出設(shè)備，用戶輸入與顯示輸出直接對應(yīng)，從而保證了用戶操作時的手眼的直接協(xié)調(diào)；分辨率有限，不適合選擇屏幕上較小對象；輸入數(shù)據(jù)的效率遠(yuǎn)不及鍵盤；手臂不停運(yùn)動，容易疲勞，還會遮擋部分視野。圖形掃描儀

(Scanner)一種自動圖形輸入裝置

能直接把圖形和圖象掃描輸入到計算機(jī)中，以象素信息進(jìn)行存儲。原理及特點(diǎn)利用光學(xué)掃描原理：以兩萬條光纖排列成圖紙面寬的光源及光接受列陣，對已有圖形自動地進(jìn)行掃描；通過矢量化軟件，把掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機(jī)系統(tǒng)能接受的矢量數(shù)據(jù)。

技術(shù)指標(biāo)有效幅面掃描儀的幅面有A0

、A1、A4等。分辨率在原圖上單位長度上(英寸)取樣的點(diǎn)數(shù)，單位是dpi；常用的分辨率有300dpi到1000dpi之間；掃描儀的分辨率越高，所需的存儲空間就越大。顏色和灰度目前有4位、8位和24位面顏色、灰度等級的掃描儀。四、圖形輸出設(shè)備顯示系統(tǒng)

與圖形輸入設(shè)備相結(jié)合，具有交互功能，可快速生成圖形，實(shí)時修改圖形，反饋信息。繪圖系統(tǒng)

將圖形輸出在紙或其它介質(zhì)上，以永久保存。圖形顯示器

(Graphics

display)畫線設(shè)備類型

隨機(jī)掃描圖形顯示器

存儲管式圖形顯示器

光柵掃描式圖形顯示器畫點(diǎn)設(shè)備

液晶顯示器：功耗小、超薄、平面度好，對比度差、灰度等級差、色彩不及光柵顯示器豐富。基本原理陰極射線管原理

CRT(Cathode

Ray

Tubule)

陰極

控制柵控制發(fā)射方向和發(fā)射率聚集電子束控制電子束聚焦系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

燈絲控制柵

加速結(jié)構(gòu)

聚焦系統(tǒng)

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

熒光涂層陰極加速熒光層電極加速電子發(fā)射電子光柵掃描顯示器

(Raster

scan

display)畫點(diǎn)設(shè)備,

可看成是一個點(diǎn)陣單元發(fā)生器工作原理

在CRT中裝有水平偏轉(zhuǎn)線圈和垂直偏轉(zhuǎn)線圈，而產(chǎn)生水平磁埸和垂直磁埸．電子束在磁埸作用下，作“水平掃描”和“垂直掃描”，在屏幕上掃出點(diǎn)的列陣組成的光柵?；靖拍钇聊簧夏鼙豢刂频淖钚卧笏孛糠鶊D象掃描出的象素數(shù)分辨率電子束在屏幕上掃描出的每一個點(diǎn)光柵掃描顯示器：工作步驟將象素編址；設(shè)定每個象素的亮度和顏色等屬性；將象素的屬性以數(shù)組形式存入幀緩沖存貯器提取該數(shù)組，就能確定每個象素的亮度和顏色，即電子束按順序掃描屏幕時，只使經(jīng)過圖形所在位置上的象素輝亮，從而在屏幕上產(chǎn)生圖形。為了使圖象不閃爍，要求30或60幅圖象／秒，即在1/30

-1/60秒內(nèi)把一幀畫面的每個象素的值從幀緩存中取出。光柵掃描顯示器：光柵化

顯示水平或垂直線：將沿水平或垂直方向的一組象素點(diǎn)亮；

顯示45o直線：將沿45o線方向的一組象素點(diǎn)亮；

任意方向直線：用一組發(fā)亮的象素逼近該直線。----這個過程稱為光柵化光柵掃描顯示器：幀緩存器幀緩存器通常由三維空間確定：

象素

x，y方向的編址與屏幕地址一一對應(yīng)；

亮度與顏色由每一位深度N確定，N也稱為位面。如果屏幕分辨率為：x

x

y顯示器所需的最小幀緩存為：N

x

x

x

y單色光柵掃描顯示器具有N位幀緩存的單色光柵顯示器結(jié)構(gòu)寄存器幀緩存的深度N反映了每個象素的灰度值，即圖形的灰度等級為2

N電子槍計算機(jī)中每個存儲位只有0或1兩個狀態(tài)幀緩存器數(shù)模轉(zhuǎn)換器CRT光柵彩色光柵掃描顯示器顏色范圍用RGB（紅、綠、藍(lán)）電視原色RGB三原色具有疊加性RGB顏色模型彩色光柵掃描顯示器：RGB具有3位面的彩色幀緩存器結(jié)構(gòu)圖顏色代號幀緩存器存貯的顏色值顯示顏色紅綠藍(lán)0000Black1100Red2110Yellow3010Green4011Cyan5001Blue6101Magenta7111White彩色光柵掃描顯示器：簡單結(jié)構(gòu)寄存器電子槍數(shù)模轉(zhuǎn)換器CRT幀緩存器光柵N=3，每個位面對應(yīng)一種顏色，每個象素的屬性用三個Bit表示，可同時顯示

23=8

種顏色。N=4，每個象素的屬性用4個Bit表示（紅、藍(lán)、綠、灰度），可同時顯示24=16種顏色。紅、藍(lán)、綠、黃、青、紫紅、黑、白；淺紅、淺藍(lán)、淺綠、淺黃…N=6，每位原色有2個位面的幀緩存，每個象素的屬性用6個Bit表示，可同時顯示26=64種顏色

不同灰度的紅、藍(lán)、綠、….每種原色有8個位面，可有28

種亮度，三種原色的組合為（

28

）3=224種顏色----24位面全彩色。調(diào)色板技術(shù)節(jié)省存儲容量提高顯示圖形的灰度等級和顏色數(shù)調(diào)色板寄存器數(shù)模轉(zhuǎn)換器電子槍W(xué)位幀緩存器2N項(xiàng)CRT光柵若N

位面的幀緩存，可顯示

2N

種灰度或顏色;加調(diào)色板: 加上一個具有2N項(xiàng)、每項(xiàng)具有W位的調(diào)色板。屏幕可不同時顯示

2W

種灰度或顏色，但每次只有2N種。如N=8，可顯示28=256種顏色，若加3個8

x256位的存儲作為調(diào)色板，則每次可從224=1677726種顏色中選出28=256種顏色輸出。光柵掃描顯示器：技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)

分辯率

顯示內(nèi)存

顯示速度：刷新幀緩存的時間如分辨率為640x480的顯示器，若60次/秒刷新，存取一個象素的時間:

1/(640x480x60)=54毫微秒，（1秒=109毫微秒）；一般RAM的存取周期為200

毫微秒，

即存取一個象素的時間為200x10-9秒，對于640x480象素陣列的存取時間為0.0614秒,

每秒鐘只能刷新16幅圖象。技術(shù)措施:

將屏幕象素分組存取，以減少存取時間；并行處理技術(shù)等。圖形輸出設(shè)備：繪圖儀

(Plotter)畫線設(shè)備筆式繪圖儀靜電式繪圖儀激光繪圖儀和彩色噴墨繪圖儀產(chǎn)生點(diǎn)陣圖形繪圖儀：筆式繪圖儀基本工作原理-x+y通過驅(qū)動電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)使畫筆與紙相對移動從而將圖形繪在紙上。筆式繪圖儀的基本操作是抬筆走和落筆走。畫筆與紙的相對動作一般有8或4個方向。一條直線是用4個或8個基本方向的直線段組合成的階梯線近似而成。+y +x+y+x-x-y+x-y-x-y筆式繪圖儀：類型滾筒式繪圖儀

構(gòu)造簡單，價格便宜

易于操作

占地面積小

繪圖精度和速度較低平板式繪圖儀

馬達(dá)驅(qū)動的機(jī)械傳動繪圖儀

平面電機(jī)驅(qū)動繪圖儀筆式繪圖儀：技術(shù)指標(biāo)繪圖速度繪圖精度:重復(fù)精度和定位精度步距：每個電脈沖通過驅(qū)動電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)，使畫筆移動的距離。

一般步距：0.1~0.01

mm。

一般繪圖要求：0.1mm；

精密繪圖要求：0.00625

mm?？蛇x筆數(shù)繪圖儀：激光繪圖儀采用靜電復(fù)印技術(shù)通過硒筒，在需要上墨的地方產(chǎn)生電子的靜電荷，干墨粉附著在筒上有電荷的地方，然后傳送到紙上，從而形成拷貝。特點(diǎn)繪圖精度極高，其分辨率可達(dá)每英寸幾百個點(diǎn);繪圖速度快、無噪聲;缺點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維修;目前彩色的、

大圖幅的激光繪圖儀價格還很昂貴。繪圖儀：彩色噴墨繪圖儀原理將圖紙緊繃在一個快速旋轉(zhuǎn)的滾筒上，墨水噴頭則緩慢地沿著導(dǎo)軌從滾筒一端移動到另一端。繪圖時，噴頭噴出墨水，并使墨水帶電，x、y

偏轉(zhuǎn)板控制墨水噴射的軌跡，從而在紙上畫出圖形和字符。每完成一行字符的噴射，滾筒轉(zhuǎn)動使走動一個行距，再進(jìn)行新的一行噴射，這個過程類似于靜電復(fù)印過程，完成一條光柵掃描線。特點(diǎn)可輸出美麗的彩色畫面，因?yàn)橹灰黾硬煌伾哪渚涂梢酝瓿?。由于墨水控制技術(shù)難度大，其速度和精度不如激光繪圖儀。交互式圖形輸出設(shè)備：打印機(jī)

(printer)撞擊式打印機(jī)價格低廉、配置簡單，易維護(hù)；繪圖精度和繪圖質(zhì)量較差、速度慢，而且噪音大；可輸出的圖幅小，不能滿足工程圖紙要求。一般適合輸出作為技術(shù)資料的圖形。非撞擊式打印機(jī)這類打印設(shè)備速度快、無噪聲；繪圖精度和繪圖質(zhì)量好；可輸出的圖幅仍受到限制，而且價格較貴。2-3

圖形軟件系統(tǒng)(Graphicssoftware

System)軟件

計算機(jī)的邏輯部分

包括程序以及相應(yīng)的文檔圖形軟件系統(tǒng)

完成圖形設(shè)計所需的計算機(jī)軟件資源的全體。一、系統(tǒng)軟件 (System

software)任務(wù)

使計算機(jī)系統(tǒng)的各個部件、相關(guān)的軟件和數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、高效的工作。類型

操作系統(tǒng)

語言編譯程序

服務(wù)性程序：為用戶對計算機(jī)進(jìn)行操作和維護(hù)提供方便的程序。操作系統(tǒng)

定義一組對計算機(jī)

的硬件資源和軟件資源進(jìn)行統(tǒng)一管理的程序，對整個計算機(jī)系統(tǒng)起到監(jiān)控、管理、調(diào)度和指揮作用。核心功能進(jìn)程管理存儲器管理設(shè)備管理文件管理作業(yè)管理二、圖形支撐軟件(Graphicssupport

software)提供圖形開發(fā)、服務(wù)工具圖形支撐軟件的類型具有圖形功能的高級語言將某一種高級語言的功能加以擴(kuò)充，增加一些圖形處理語句，使之具有圖形生成功能。特點(diǎn)：系統(tǒng)簡練、緊湊、執(zhí)行速度較快。

專用的圖形設(shè)計語言專用圖形設(shè)計語言具有自已的詞法、語法規(guī)則、數(shù)據(jù)類型、表達(dá)式等，給用戶提供描述、設(shè)計和分析圖形的功能，而且具有某些高級語言的功能。需要專用的編譯器和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：其編譯系統(tǒng)比較復(fù)雜；