計算機圖形學第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、輸入設備和輸出設備。輸入設備通常為鍵盤、鼠標、數(shù)字化儀、掃描儀和光筆等。輸出設備則為圖形顯示器、繪圖儀和打印機。這里主要介紹圖形輸出設備，而圖形輸入設備的內(nèi)容放在交互技術那一章去介紹。而輸出設備主要為顯示設備和硬拷貝設備。2.1圖形硬件設備2.1.1顯示設備2.1.2硬拷貝設備2.2圖形軟件系統(tǒng)主要內(nèi)容：2.1圖形硬件設備

圖形系統(tǒng)一般使用視頻顯示器作為基本的輸出設備，目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)、偏轉系統(tǒng)和熒光屏，這五部分都封裝在真空管內(nèi)，其構造見下圖。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的組合來顯示彩色圖形。組合不同熒光物質的發(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、蔭罩式三色熒光屏蔭罩三個電子槍能顯示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，所以近幾年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。這種結構因消除了縱向間距，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

隨機掃描顯示器又稱矢量顯示器、筆劃顯示器，隨機掃描顯示器電子束的定位和偏轉具有隨機性，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。隨機掃描顯示器特點由計算機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器，而固定存儲器中則存放各種常用字符、數(shù)字等顯示指令。DPU取出緩沖存儲器或固定存儲器中的顯示指令，依次執(zhí)行，再由控制電路使電子束以所需的亮度偏轉到所需的位置。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、驅動系統(tǒng)也較復雜。3.不能顯示太復雜的圖形，因為顯示文件會太長，重復掃描圖形會閃爍。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用。體現(xiàn)。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

灰度光柵顯示器結構在光柵掃描系統(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。彩色光柵掃描顯示器結構可顯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，它具有液體的流態(tài)性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發(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），其結構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電帶，而另一玻璃板上構造一組水平帶,如下圖所示。七等離子顯示器

在成對的水平和垂直導電帶上施以點火電壓，導致兩導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)中還應該有繪圖機這樣的圖形硬拷貝輸出設備。象顯示器一樣，圖形硬拷貝輸出設備的發(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、噴墨技術、復印技術（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構金屬針，針的總數(shù)決定著打印機的質量，單個字符或圖案可用縮回某些針而讓余下的針來打印。激光打印機結構圖二、激光設備在激光設備里，激光束把要打印的圖形寫在感光鼓上，鼓再把這一圖形轉移到紙上。激光打印機的主要構成部分有感光鼓、炭粉、打底電暈絲和轉移電暈絲。噴繪儀實物圖三、噴墨設備噴墨法產(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，將墨霧噴印到紙上。靜電繪圖儀結構圖

四、靜電設備

靜電設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、電熱式設備電熱式利用點陣打印頭的熱度，在熱感應紙上輸出圖案。平面電機式繪圖儀結構圖機械傳動式繪圖儀結構圖

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備不同，筆繪儀屬于隨機畫線硬拷貝設備。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量有關。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：圖形應用數(shù)據(jù)結構、圖形應用程序、圖形軟件包及圖形接口等內(nèi)容。

一、圖形應用數(shù)據(jù)結構

圖形應用數(shù)據(jù)結構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。在計算機圖形學中，根據(jù)這類信息的詳細描述，生成對應的圖形，并完成對這些圖形的操作和處理。所以，圖形應用數(shù)據(jù)結構是生成圖形的基礎。二、圖形應用程序圖形應用程序在整個圖形軟件