第2章 交互式图形系统

第2章交互式图形系统2.1交互式图形系统及其组成2.2图形输入/输出设备2.3图形显示设备习题2.1交互式图形系统及其组成严格地说,一个交互式图形系统应由硬件、软件和用户三部分组成(如图2.1所示)。软件部分包括操作系统、图形数据结构或几何模型、支撑软件和应用软件。硬件部分则由输入子系统、主机和输出子系统构成。用户通过硬件设备与软件系统进行交互,从而完成图形的生成和处理操作。图2.1交互式图形系统的组成2.2图形输入/输出设备2.2.1图形输入设备图形软件所需的信息是通过各种各样的图形输入设备获取的。为了使图形软件包独立于具体的硬件设备,图形输入命令不涉及具体的输入设备,而只涉及到该命令所需的数据性质。根据图形输入信息的不同性质,GKS和PHIGS把输入设备从逻辑上分成以下几类:(1)定位设备(Locator)。(2)描画设备(Stroke)。(3)定值设备(Valuator)。(4)选择设备(Choice)。(5)拾取设备(Pick)。(6)字符串设备(String)。1.鼠标器鼠标器是一种手持滚动设备,其形状如一方盒,上面有2~4个开关(如图2.2所示),下面是两个互相垂直的轮子,或是一个球。当轮子或球滚动时,带动两个角度/数字转换装置,产生出滚动距离的x,y方向移动值,开关则用于位置的选择。图2.2鼠标器鼠标器按其测量位移的方式可分为三大类:1)光电式鼠标2)光机式鼠标3)机械式鼠标2.键盘图形学系统中的键盘中有ASCII编码键、命令控制键和功能键,用以实现图形操作的某一特定功能。字母数字键盘用作录入文本串;键盘也能用来进行屏幕坐标的输入、菜单选择或图形功能选择;功能键允许用户以击键方式输入常用的操作命令;而光标控制键可用来选择被显示的对象或通过定位屏幕光标来确定坐标位置;数字键盘常常用来快速输入数值数据。另外,某些键盘上还包含了其它类型的光标定位设备,如跟踪球和操纵杆。常见的标准键盘如图2.3所示。图2.3键盘3.光笔光笔是一种检测光的装置,它直接在屏幕上操作,拾取位置。光笔的形状和大小像一支圆珠笔,笔尖处开有一个圆孔,让荧光屏的光通过这个孔进入光笔。光笔的头部有一组透镜,把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上,光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管,从而将光信号转换成电信号,经过整形后输出一个有合适信噪比的逻辑电平,并作为中断信号送给计算机。光笔的这种结构和工作过程如图2.4所示。图2.4光笔4.触摸屏触摸屏是利用手指等对屏幕相应位置的触摸进行定位的。当用手指或小杆等触摸屏幕时,触点位置便以电子的、光学的或声音的方式记录下来,如图2.5所示。图2.5触摸屏常见的触摸屏有以下四种类型:(1)电阻触摸屏。(2)光学触摸屏。(3)声学触摸屏。(4)电容触摸屏。5.数字化仪数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式的专用设备,其基本工作原理是采用电磁感应技术。它通常由一块数据板和一根触笔组成。数据板中布满了金属栅格,当触笔在数据板上移动时,其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置,就可以判断出触笔当前的几何位置。图2.6所示的是几种常见的数字化仪。

图2.6数字化仪图2.7操纵杆6.操纵杆操纵杆是由一个手柄通过一个球形轴承半固定在底座上,在手柄运动时带动一对电位器或电脉冲产生器,产生位置信号,控制屏幕上的光标的坐标,如图2.7所示。7.跟踪球和空间球跟踪球和空间球是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位的,从而控制屏幕上的光标的坐标,如图2.8所示。图2.8跟踪球和空间球8.数据手套数据手套由一系列检测手和手指运动的传感器及天线构成,数据手套通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向信息,并形成三维笛卡尔坐标系,如图2.9所示。数据手套常用作虚拟场景中的对象定位操作及对虚拟场景进行操纵。图2.9数据手套9.扫描仪从专业工具变为家用电脑外设的最典型代表,要数图形扫描仪。图形扫描仪是直接把图形和图像扫描到计算机中以像素信息进行存储的设备。现在市面上能见到的一般是36位或48位真彩色扫描仪,绝大多数采用的固态器件是电荷耦合器件(CCD-ChargeCoupledDevice)。图2.10是常用图形扫描仪的模块框图。图2.10扫描仪的模块框图10.三维扫描仪在图形输入设备中还有一个特殊的领域,那就是真实物体三维信息的输入。在实际的产生过程中许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型,而这个模型有时要通过已有的实物零件得到,这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息。图2.11MarcLevoy小组的工作现场2.2.2图形绘制设备1.打印机打印机按其工作原理可分为喷墨打印机、激光打印机和针式打印机等。喷墨打印机用喷墨头将三四种不同色的墨水射在打印纸上而印出图案。喷墨头中含有四组细小的喷嘴,分别喷射品红、黄、青、黑四色。喷墨打印机的关键部件是喷墨头,通常分为连续式和随机式。目前,常用的喷头有四种:①压电式;②气泡式;③静电式;④固体式。激光打印机以其高质量的打印效果、快捷的打印速度,在图形输出设备中独占鳌头。激光打印机的机械结构十分复杂,主要部分有墨粉、感光鼓(或称硒鼓)、显影轧辊、初级高压电晕放电线等,均装在一个可以取下的盒子中。2.绘图机绘图机是最常用的图形输出设备,它将计算机图形系统绘制的工程技术方面各种图形(如机械上的三视图,轴测图和透视图,各种管道布置图,建筑上结构设计图等)硬拷贝输出在绘图纸上,可以永久保存。绘图机类似显示器一样分为随机扫描和光栅扫描两类。光栅式绘图机(也称无笔绘图机)主要是静电绘图机,随机式绘图机(也称矢量绘图机或x-y绘图机)中最常见的是笔式绘图机。按结构不同笔式绘图机又可以分为两大类:平板式(Flat)绘图机和滚筒式(Drum)绘图机。2.3图形显示设备2.3.1阴极射线管(CRT)图2.12给出了阴极射线管CRT的基本结构和工作原理。它是一个真空器件,由电子枪发出电子束,经过聚焦系统和加速系统产生高速的经过聚焦的电子束,现经过磁偏转系统到达荧光屏的特定位置,轰击荧光屏表面的荧光物质。图2.12CRT监视器的简易结构图电子枪的作用是产生电子束,由图2.12可以看出,它由一个加热灯丝,一个金属阴极和一个电平控制器组成。当加热灯丝加电发热时,金属阴极被间接均匀加热,当热至约2000K时,金属阴极便会大量发射电子。图2.13电子束扫描过程示意图要保持荧光屏上有稳定的图像就必须不断地发射电子束。刷新一次是指电子束从上到下将荧光屏扫描一次,其扫描过程如图2.13所示。只有刷新频率高到一定值后,图像才能稳定显示。大约达到每秒60帧,即60Hz时,人眼才能感觉到屏幕不闪烁,但要使人眼觉得舒服,一般必须有85Hz以上的刷新频率。2.3.2彩色CRT彩色图形显示器要采用彩色CRT,它有三种类型:穿透式、荫罩式和荫栅式彩色CRT。穿透式彩色CRT采用多层不同的荧光粉。在绿色荧光粉层上再沉积一层红色荧光粉，当电子束按不同的速度轰击荧光屏时可显示红、橙、黄、绿四种颜色。目前应用较广的彩色显像管是将红、绿、蓝三种彩色同时显示在一个管屏上,合成一幅彩色图形。彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质,它们分别能发红、绿、蓝三种颜色的光。而电子枪也发出三个电子束来激发这三种物质,中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置。根据屏幕上荧光点的排列不同,控制栅格也就不一样。普通的监视器一般用三角形的排列方式,这种显像管被称为荫罩式显像管。它的工作原理如图2.14所示。图2.14荫罩式彩色CRT显色原理图2.15荫栅式彩色CRT工作原理示意图由于荫罩式显示器荧光屏是球面的,其几何失真较大,而且三角形的荧光点排列造成即使点很密很细也不会特别清晰,因此，最近几年荫栅式显示器逐渐流行起来了。其工作原理如图2.15所示。图2.16表示了一个荫栅式与荫罩式的荧光屏的点排列,其中距离d就是人们平常所说的点距。图2.16柱面和球面显示器点距定义示意图2.3.3随机扫描式图形显示器随机扫描图形显示器中,电子束的定位和偏转具有随机性,即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化,只在需要的地方扫描,而不是全屏扫描。这种扫描方式免除了全屏扫描中无图形处的冗余扫描,因此速度快,图像清晰。随机扫描工作原理如图2.17所示。随机扫描显示器的基本工作原理是从显示文件存储器得到指令,送到显示控制器控制电子束的偏移,从而在屏幕上产生图形,如图2.18所示。图2.17随机扫描显示器工作原理示意图图2.18随机扫描显示器显示过程示意图2.3.4光栅扫描式图形显示器目前使用得最广泛的CRT图形显示器是基于电视技术的光栅扫描显示器。如前所述,CRT中的水平和垂直偏转线圈分别产生水平和垂直磁场,电子束则在不同方向磁场力作用下进行行和列扫描,将屏幕分成由像素构成的光栅网格,由多个具有灰度和颜色的像素点便可构成所需要的图形。光栅扫描显示器的显示方式类似于电视机,电子束按固定的扫描顺序进行扫描,产生N条扫描线,而每条扫描线具有M个点,在荧光屏上形成M×N的点矩阵,并由显示内容来控制所扫描的点是否发亮从而形成图形,每扫描一遍称为一帧。其图形绘制过程如图2.19所示。

图2.19光栅扫描显示器绘图过程示意图与电视机不同的是,光栅扫描显示器的显示内容不是来自天线所接收的信号,而是来自一个专门的内存区,称为帧缓存寄存器(FrameBuffer)。其系统结构如图2.20(a)所示。光栅扫描显示器的组成与工作原理如图2.20(b)所示。图2.20光栅扫描图形显示器(a)光栅扫描显示系统结构示意图;(b)光栅扫描显示器的组成与工作原理图2.20光栅扫描图形显示器(a)光栅扫描显示系统结构示意图;(b)光栅扫描显示器的组成与工作原理图2.21三角形的扫描转换2.3.5液晶显示器CRT显示器技术目前已经越来越成熟,显示质量也越来越好,大屏幕也逐渐成为主流,但CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展。如屏幕尺寸的加大必然导致显像管的加长,显示器的体积必然要加大,在使用的时候就会受到空间的限制。另外,由于CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像的,因此产生辐射与电磁波干扰便成为其最大的弱点,而且长期使用会对人的健康产生不良影响。在这种情况下,人们推出了液晶显示器(LCD-LiquidCrystalDisplay),如图2.22所示。图2.22LCD显示器图2.23液晶显示器原理示意图液晶显示器的主要基本技术指标有:1)可视角度由于液晶的成像原理是通过光的折射而不是像CRT那样由荧光点直接发光来实现的,因此在不同的角度看液晶显示屏必然会有不同的效果。2)点距和分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒(光点)之间的距离,一般点距为0.28～0.32mm就能得到较好的显示效果。2.3.6显示适配器一个显示适配器的