第1章绪论与图形设备ppt课件

1、第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 第第1章章 绪论与图形设备绪论与图形设备 1.1 计算机绘图的开展和研讨内容计算机绘图的开展和研讨内容 1.2 计算机绘图系统的组成计算机绘图系统的组成 1.3 计算机绘图的运用计算机绘图的运用 1.4计算机绘图系统中的图形设备计算机绘图系统中的图形设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1.1 计算机绘图的开展和研讨内容计算机绘图的开展和研讨内容 1.1.1 计算机绘图的开展概略显示器数控铣床 平台式绘图机滚筒式绘图机Computer Graphics硬件设备光栅扫描显示器、数字化仪、绘图机)实际和软件系统(曲线、曲面、真实感生成等 195

2、0年 1952年 1959年 1962年19708080年代后AutoCAD、PD、I-DEAS Pro/E第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 20世纪90年代计算机绘图的研讨和开展有以下几个主要特点: 图形、 图像的研讨日益结合， 许多商品化的图形处置系统同时具有图形、 图像处置功能， 这样的系统顺应性、 适用性更强。( AutoCAD、SolidEdge 、 Richno 动画技术和自然景物模拟技术的研讨更深化， 动画软件走俏。(3DS MAX、 Flash ) 为提高CAD/CAM系统的集成化程度， 特征外型实际和技术得到较快的开展。PRO/E、 I-DEAS 、UG、CATIA

3、) 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 可视化技术、 虚拟现实技术环境模拟的研讨与运用更加广泛。 多媒体计算机的开展带动语音输入设备的开展， 语音输入设备作为计算机通用输入设备逐渐走向市场。 为顺应多媒体计算机功能的要求， 图像紧缩、 图形图像特技处置作为关键技术需求进一步去研讨。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 图形、图像的输入 1.1.2 计算机绘图的研讨内容 如何用计算机来处置图形、 图像？ 其研讨内容：硬件、 软件、 图形实际与算法 计算机绘图过程图形、图像的处置图形、图像的显示图形、图像的输出详细内容有: 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1 计算机绘图

4、系统的硬件配置， 图形输入、 输出设备的构造、 原理及性能光栅扫描显示器、绘图机 2 绘图软件的设计与运用， 各种绘图软件的开发研讨， 绘图软件的规范化。AutoCAD运用及其二次开发方法 3 图形实际和算法， 主要内容有: 基于图形设备的根本图形元素的生成算法， 如直线、字符、圆弧二次曲线、 图案填充等。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 图形变换， 即对图形进展比例、 平移、 旋转、 错切、 反射变换和对物体进展投影变换。 图形裁剪与填充， 包括二维开窗裁剪填充、 三维裁剪。 自在曲线和曲面的插值、 逼近、 拼接、 分解、 过渡、 光顺、 整体和部分修正等。Bizer、B-spl

5、ine曲线与曲面 三维图形中隐藏线、 隐藏面的消除。 二维面素拼合构图处理二维图形的并、 交、 差运算、 三维实体外型研讨体素的构成， 体素间的并、 交、 差运算， 部分外型等、 特征外型。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 真实感图形即逼真图像的生成。 自然景物如山、 花、 草、 树、 水、 火、 烟、 云、 雾等的模拟生成和虚拟现实环境的生成算法研讨。 科学计算可视化的研讨如温度、 压力、 电荷等标量场的可视表示和应力场、 电场、磁场等矢量场的可视表示。 (10) 图形数据构造及图形数据库。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1.2 计算机绘图系统的组成计算机绘图系统的

6、组成 1.2.1 计算机绘图系统的功能 . 输入功能、 计算功能、 存储功能、 交互功能、 输出功能 1、 计算功能： 除了数值计算外， 还应包括图形设计的程序库、 图形分析的程序库以及描画图形的图形数据库。 在图形数据库中应有坐标的几何变换、 曲线曲面的构成、 图形的交点计算等功能。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 2. 存储功能 在计算机的内、 外存储器中能存放图形数据及其相互关系， 便于有关信息的检索以及图形的变卦、 添加、 删除等处置。 3. 输入功能 经过键盘、 图形输入板等输入设备能将图形的外形、 尺寸以及必要的参数等送给计算机进展处置。 4. 对话功能 设计人员能经过

7、显示器观看设计的结果和图形， 对不称心的地方， 能用图形输入设备以人机对话方式进展修正。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 5. 输出功能 用于记录和保管设计结果， 包括源程序、 计算结果、 设计图形等。 根据需求， 可以经过打印机、 绘图机等输出结果， 便于永久性保管； 也可以经过磁盘、 磁带、 光盘等以文件方式输出， 这种输出灵敏性大， 运用较广。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 计算机绘图系统 硬件配置软件配置 1.2.2 计算机绘图系统的配置计算机绘图系统的配置第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 图1.2.1 计算机绘图系统硬件配置 外存储器主机图形输入设

8、备绘图机等显示器第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1. 主机 主机主要由CPU中央处置器和内存储器RAM, 简称内存组成。 绘图系统中的主机有大型机、 中型机、 小型机以及微型机。 2. 外存储器 外存储器包括磁带存储器、 硬磁盘存储器简称硬盘、 软磁盘存储器、 光盘存储器、 磁光盘器存储器、 U盘等。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 3. 图形输入、 输出设备 图形输入设备包括键盘、 鼠标器、 数字化仪、 图形输入板等。 图形输出设备包括显示器、 打印机、 绘图机等。 关于图形设备的构造原理、 性能等请参阅1.3节。 前往配置第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备

9、系统软件支撑软件各类应用软件1.2.3 计算机绘图系统的软件配置第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1. 系统软件 系统软件也称为一级软件， 它包括各种操作系统如DOS、 UNIX、 Windows 98、 Windows 2000系列、 Windows XP、 Windows NT等， 各种高级言语系统如BASIC、 FORTRAN、 PASCAL、 C等， 数据库管理系统如FoxBASE、 PARADOX、 FoxPro、 Oracle等， 网络系统如Novell、 Windows NT Server等。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 2. 支撑软件 支撑软件也称为二

10、级软件， 它是软件公司、 高级软件技术人员利用一级软件开发出来的，如绘图软件、 动画软件、 几何外型系统、 有限元分析软件、 热分析软件、 各种软件平台等。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 3. 运用软件 运用软件也称为三级软件， 它是专业技术人员或软件公司利用一级、 二级软件开发出来的各类运用软件， 如汽车CAD软件、 各类模具CAD软件、 建筑CAD软件、 服装CAD软件及课程CAI软件等。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1.3 计算机绘图的主要运用计算机绘图的主要运用 绘制工程图样绘制工程图样 CAD/CAM Computer Aided Design / Ma

11、nufacturing) CAIComputer Aided Instruction 过程监控过程监控 动画与模拟动画与模拟(Animature and simulation) 图形和图像处置图形和图像处置第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1.4 计算机绘图系统中的图形设备计算机绘图系统中的图形设备 输入设备显示设备输出设备 本节引见主要图形设备的组成、任务原理、性能目的。第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1.4.1 图形输入设备图形输入设备 图形输入设备：担任图形的外形、尺寸、绘图命令、菜单项、必要的参数及图形输入的设备。 功能：定位 选择 拾取 笔划、数值、字符串 前往

12、图形设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1.4.1 图形输入设备图形输入设备 图形输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪、 图形输入板、数字化仪、 触摸屏、 数字摄像头、 支配杆、 跟踪球、 光笔等。 键盘是计算机通用的输入设备。 经过按键操作， 配合各种事先编排好的程序， 可以输入字符、 图表数据及图形命令等。前往图形设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1. 鼠标器 种类：鼠标器mouse有光电式、 机电式和光机式几种类型。 任务原理：以下图为光电式鼠标器。光电式鼠标器带有特制的反射式衬垫印有间隔一样的网格，其传感系统是发光二极管(LED)、 反射式衬垫和光敏元件。 任务时，

13、 鼠标在衬垫上挪动，经过反射光的强弱变化， 系统便能检测出鼠标的挪动。 按钮反射式衬垫第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 机电式鼠标传感系统是小球、译码轮由小球带动旋转、电刷电位器。光机式鼠标传感系统是小球、发光二极管、透光译码轮、光敏元件。 功能：一切鼠标均有拾取、定位和选择功能。前往输入设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 2. 图形扫描仪 图形扫描仪起步于20世纪70年代中期， 到20世纪90年代扫描仪才得到迅猛开展， 运用领域不断拓广。 功能： 图形扫描仪是一种输入设备， 它能对已有的图形、 图像或实物、 文字进展扫描并以点阵方式将其输入计算机内供计算机处置。主要用在

14、图形图像处置、 排版印刷、 人事档案管理、 图纸存档管理、 文字识别、 机器翻译等领域。第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 任务原理：扫描仪的主要部件为灯管和光电耦合器件Charge Coupled Device， CCD。 任务时， 灯管点亮， 光电耦合器件接纳从被扫描物图片、 实物等上反射或透射透明胶片扫描仪的光线， 并根据光线的强弱不同将其转换成不同的电平值。 种类：按颜色等级划分， 扫描仪有黑白式、 灰度式和彩色式三种。 前往输入设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 3. 图形输入板与数字化仪 构造与任务原理：以下图是某电磁感应式图形输入板的外形图， 它由台板和游标或

15、触笔组成。 台板内在X、 Y方向有许多平行的印制线， 每隔一定间隔 一条。 游标的前端是一检测线圈， 当线圈中通有交流信号时， 在十字叉线的中心产生一个电磁场。当游标挪动时，继而产生感应电流。游标按钮台板第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 种类：按构造与任务原理分， 有电位梯度式、 电容耦合式、 超声波式及电磁感应式等， 其中电磁感应式运用较多。 功能：具有定位、 拾取、 选择三个根本功能。 主要性能目的有: (1) 分辨率: 指每英寸或每毫米长度上印制线的条数。 (2) 数据精度: 指图形输入板输出点坐标时的精度。 (3) 幅面: 指可数字化的区域。 前往输入设备第第1 1章章 绪论

16、绪论 图形设备图形设备 图1.3.3 数字化仪 支架游标前往输入设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 4. 触摸屏 触摸屏最早运用在机场控制方面， 后来作为计算机输入设备运用得越来越广泛。 触摸屏是一种能对物体触摸产生反响的屏幕， 当人的手指或其他物体触到屏幕不同位置时， 计算机能接纳到触摸信号并按照软件要求进展相应的处置。 按任务原理划分， 触摸屏有电阻式、 电容式、 红外线式、 声外表波式几种。 前往输入设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 5. 数字摄像头 数字摄像头是一种连机图像实时输入设备， 在多媒体课堂教学、 视频 通讯、 网络会议、 电脑摄影等方面有着广泛的运

17、用。 数字摄像头的尺寸比鼠标还小， 通常安放在显示器或支架上， 镜头对着要拍摄的目的。 数字摄像头的中心部件是CCD器件。 CCD器件很小， 面积只需3 mm5 mm， 在此面积上分布着250350万个与光学像素点相对应的单元， 每一单元又包含红、 绿、 蓝三列颜色基元， 以实现彩色图像输入。 CCD将光信号转换为电信号， 摄像头内部的电路将电信号再转换为数字信号并直接输入计算机。 前往输入设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1.4.2 图形显示设备 常用的有光栅扫描图形显示器、液晶显示器LCD、 等离子体显示器PDP等，它们都属于点阵显示设备， 其图形显示及显示控制的根本原理是一

18、样的，不同的是监视器的物理构造和“点亮像素的方式。 本节学习 1根本概念 2光栅扫描显示器的构造、任务原理 3字符和图线的生成原理。 前往图形设备第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 光栅扫描显示器概念光栅扫描显示器概念象素点Pixel) :屏幕分辨率(Screen Resolution)点阵纵横比(Aspect Ratio)前景(Foreground )背景(Background)前往显示器第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 X地址寄存器地址Y地址寄存器地址光栅扫描发生器颜色值寄存器数据帧缓冲存储器亮度信号偏转信号显示控制器CRT一、显示器的构造组成一、显示器的构造组成123第

19、第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1. 图形监视器 图形监视器是一个单独的部件， 它类似于家用电视机， 但无调谐系统。 大多数图形监视器采用了电视扫描光栅扫描技术来不断刷新屏幕上的图像。 图形监视器的中心部件是阴极射线管Cathode Ray Tube， CRT， 与电视机显像管类似。以下图为CRT构造表示图。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 荧光层加速电极阴极灯丝控制栅聚焦系统偏转系统 阴极 当灯丝加热它时发射出电子； 控制栅它既控制发射的电子方向又控制电子的发射率；CRT构造 灯 丝 、 阴极、 控制栅、 加速电极以及聚焦系统组成电子枪。第第1 1章章 绪论绪论 图形设

20、备图形设备 加速构造它将提高电子的速度以使电子束轰击荧光屏时能产生一个可见的亮点； 聚焦系统 使电子束变细以使它轰击荧光屏时成为一个细小的点； 偏转系统 控制电子束在希望的位置轰击荧光屏而产生亮点； 荧光粉层 当电子束轰击它时发出辉光。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 黑白CRT中仅有一支电子枪， 而在彩色CRT中有三支电子枪， 其发射的电子束分别轰击荧光粉层上的红、 绿、 蓝荧光点。 彩色CRT的构造表示图如图1.3.5所示， 这是一种带有荫罩板的彩色CRT， 可用于光栅扫描图形显示器。 荧光屏阴罩板蓝电子枪绿电子枪红电子枪蓝绿红第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 在荫罩

21、式彩色CRT中， 三支电子枪分别对应红、 绿、 蓝即RGB三原色。 通常， 三支电子枪安顿成三角形， 和CRT外表上的红、 绿、 蓝荧光点的类似三角形图案相对应， 如下图。 BRRGGRBGGBBRRGBGGRGBRGBRGBBRGBRGBRGGRGRBGBRGBBR第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 2. 帧缓冲存储器 这里的一帧即一屏。 帧缓冲存储器也叫视频存储器， 简称帧缓存， 用来存放图形信息。 帧缓存的地址和屏幕地址是一一对应的参见图1.3.7， 其中所存的信息就是屏幕上对应位置的图形信息， 这些信息在存储器内的分布和大小完全和屏幕上所显示图形的外形及颜色、 明暗程度一致。

22、第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 带有调色板的帧缓存器构造运用较多， 图1.3.7就是这种构造的原理图。 从位平面中取出像素的颜色索引或叫颜色地址、 像素值、 颜色属性， 用此索引查找出红、 绿、 蓝三原色的亮度值， 经过数/模转换器后得到模拟信号， 用此模拟信号控制电子枪发出电子束， 在屏幕上经过颜色合成后就得到该像素的显示颜色。 颜色索引与红、 绿、 蓝三原色亮度值之间的查找表称为调色板(palette)。 它是颜色索引和实践显示色之间的映射。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 图1.3.7 具有调色板的帧缓存系统 01011红亮度DAC颜色索引绿亮度DAC蓝亮度DAC

23、颜色索引(地址)寄存器W 位的数模转换器蓝电子枪绿电子枪红电子枪荧光屏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 绪论绪论 图形设备图形设备 帧缓冲器的一个重要目的是其存储容量。 存储容量可简单地由屏幕分辨率和显示颜色或灰度等级估算， 计算方法为存储容量屏幕分辨率 8lb(颜色数) (字节) 例如， 屏幕分辨率为640480, 显示色为16色， 那么估算的帧缓存器容量为 1536008lb16480640字节 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 X

24、地址寄存器地址Y地址寄存器地址光栅扫描发生器颜色值寄存器数据帧缓冲存储器亮度信号偏转信号显示控制器CRT3. 显示控制器第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 显示控制器的作用是反复扫描帧缓存器， 取出像素的颜色值即实践颜色， 并经数/模转换后把模拟信号送给监视器的亮度与颜色控制部件。 同时， 控制器按像素的X、 Y地址控制监视器将电子束偏转到相应的位置， 轰击荧光点， 产生不同亮度或颜色的图像。 前往显示器第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 光栅扫描显示器的字符与图线生成原理光栅扫描显示器的字符与图线生成原理 1、字符的生成 生成方式有点阵式和矢量式。矢量式后面学习 点阵式即用象

25、素点阵拼成字符。 它可以经过硬件和软件来实现，在显示卡内字符发生器里存放256个ASCII字符的编码。第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 DBACAE直线的像素化2、直线的生成 直线是用一系列接近直线的象素点逼近的。第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 直线的生成方式有：对称DDA法、简单DDA法、Bresenham算法。DDA( Digital Differential Analyzer)法即为数字微分分析法，根本原理如下：直线微分方程象素化得到坐标点的递推公式对称DDA法简单DDA法第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 直线微分方程为:ababxxyyxydxdy (x

26、=xb-xa, y=yb-ya) 这里(xa, ya)、 (xb yb)为直线起点和终点坐标。 将上式数字化即像素化， 便可得到下面的递推公式: yyyxxxiiii11当取值不同时， 便构成对称DDA法和简单DDA法。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1. 对称DDA法 取=2-n, n由下面关系式决议: 2n-1Max(|x|, |y|)2n, n为正整数 计算点的公式为 x1=xa+0.5, y1=ya+0.5 xi+1=xi+x, yi+1=yi+y xis=xi, yis= yi i=1, 2, , 2n第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 【例2.1】用对称DDA

27、法在起点A1， 1和终点B16，8之间生成一段直线。 第一步计算初值x、 y、 n。 这里x=15, y=7, n=4。 第二步按递推公式循环计算点的坐标， 并取整显示。第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 2. 简单DDA法 取=1/l, l=Max(|x|, |y|)。 计算点的公式为 iisiisiiiiaayyxxlyyylxxxyyxx,5 . 0, 5 . 01111i=1, 2, , l前往显示器第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1.4.3 图形输出设备图形输出设备 图形绘制设备又称为硬拷贝机，图形绘制设备又称为硬拷贝机， 它是在介质如纸、它是在介质如纸、 胶片等

28、上绘出图形的设备。图形绘制设备分为胶片等上绘出图形的设备。图形绘制设备分为: 1、 笔式绘图机：运用绘图笔绘图，笔式绘图机：运用绘图笔绘图， 属于矢量绘制设备。属于矢量绘制设备。 2、 无笔绘图机如喷墨绘图机、无笔绘图机如喷墨绘图机、 静电绘图机、静电绘图机、 激光绘图激光绘图机、机、 热敏绘图机等：采用诸如喷头、热敏绘图机等：采用诸如喷头、 潜像头等这样一潜像头等这样一些安装来印制图形，些安装来印制图形， 它采用某种物理或化学原理来实现它采用某种物理或化学原理来实现图形的绘制，图形的绘制， 属于点阵绘制设备。属于点阵绘制设备。 3、图形打印机如激光打印机、图形打印机如激光打印机、 喷墨打印机、喷墨打印机、 点阵针式点阵针式打印机等。打印机等。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 1. 笔式绘图机 笔式绘图机构造及原理简单， 绘制线条较光滑， 价钱较廉价， 但噪音相对大， 且绘图时间与图形的复杂程度有关。 笔式绘图机开展历史较长， 技术成熟， 其构造原理和控制原理已用在其他设备中， 如数控铣床、 线切割机床、 刻字刻图机、 电脑刺绣机等。 按绘图机的构造原理划分， 笔式绘图机分为滚筒式和平台板式两大类。 第第1 1章章 绪论绪论 图形设备图形设备 滚筒式绘图机的构造原理 控制装置计算机 Z Z Y Y X XY 向电机X 向