第二章：计算机图形系统

工程计算机制图ComputerDrawingin

Engineering第二章

计算机图形系统清华大学土木工程系张建平第二章：计算机图形系统ComputerGraphics

System§2-1 计算机图形系统的功能和组成§2-2

图形设备§2-3 图形软件系统2

1 计算以各种形式，§

输-入图形设计必机图形系统的功能和组成一 图形系统的基本功能、计算机需的各种参数和命令。存取所设计形体的几用交互设备输入何数据及在计算机形体间的相互关系可实现对数据的实时检索以及变更、增删等交互设备输入处理。或获取各种参数通过屏幕观察设计图形，并可对图形进行实时修改计算交互存储显示器存储设备&数据库输出支持各种图形输出设备实现设计过程中所需要的计算、变换、分析等功能。输出设计结果和图形。绘图仪二、计算机图形系统的组成一个计算机图形系统定义为一系列硬件和软件的集合。硬件计算机及外围设备图形输入设备图形输出设备计算机图形系统软件系统软件图形支撑软件图形应用软件计算机图形硬件系统(HardwareSystemofComputerGraphics

)

性能表现GreatGreatClientClient高速大容量的处理器；高精度、高速度、大幅面的图形输入输出设备支持较强的图形支撑软件。硬件系统配置主机常用外围设备图形输入

/

输出设备

基本配置图形输入设备键盘CPU存储设备图形显示器图形输出设备打印机字符显示器中央处理器（CPU）控制和指挥整个系统运行、处理各种数据，执行实际运算和逻辑分析图形输入设备输入数据、图形和各种信息，与图形显示设备相结合，可实时修改图形图形显示设备：显示图形，反馈信息。图形输出设备：永久输出图形。存储设备：存储信息。打印设备：打印文档。磁带机

集中式大中型机系统主机打印机磁盘机绘图仪字符终端图形终端字符终端图形终端键盘键盘鼠标/输入板鼠标/输入板

多用户分享主机，主机负载随工作站多少变化，系统响应不稳定；多个用户同时使用工作站，响应速度变慢；主机发生故障，整个系统不能工作。

独立式微机系统键盘小型数字化仪/鼠标器CPU硬盘打印机图形/文字显示器绘图仪特点：配置方便，价格低廉，具有优越的性能价格比。

图形工作站系统设计思想每个工程师使用一台计算机——摒弃多用户分时系统；能够使用所有计算机资源——采用网络技术。特点具有多用户性质；具有强大的分布式计算功能，支持多任务进程；良好的扩展性。GreatGreatClientClient每种原色有8个位面，可有28

种亮度，当前发展三种原色的组合为（ 28）3=224高速、大容量的处理器；大幅面、高分辨率（4096×4096）、24位面全彩色显示器；配有UNIX操作系统和标准化窗口管理系统；分布网络功能；强大的三维图形处理能力；多媒体软、硬件的配置。当前主要厂商SUN、IBM、HP等。

在某个区域内，把分

网络型分布式工作站Client散的图形工作站系统、大容量存储装置、高性能的图形设备以及通信装置通过通信协议连接起来；

满足资源共享与相互通讯的需求。InternetInternetServerPromotionsData

collectionClient图形软件系统

(Graphics software

system)图形软件系统是由汇编语言和高级语言编写的一些具有各种图形功能的子程序组成的。图形应用软件图形通用软件图形基本软件图形支撑软件系统软件

系统软件一 一操作系统：

组对计算机的硬件资源和软件资源进行统

管理的程序，对整个计算机系统起到监控、管理、调度和指挥作用；语言编辑系统：各种计算机语言的编译程序、调试程序以及子程序库等；服务性软件：为用户对计算机进行操作和维护提供方便的程序图形基本软件：

主要解决图形设备与主机的通讯、接口问题，即图形设备驱动程序；图形通用软件：

包括生成、显示基本图形,

对图形进行输入、变换、修改以及交互处理的程序；图形应用软件：

根据专业需要所设计的专业性绘图程序。§

2-2 图形设备

(Graphics

equipment)一、

几个基本概念二进制位(位)

：

Bit

(Binary

digit)二进制记数法中用1或0表示的、小于2的整数符号，是二进制数的基本单位，计算机所能存贮信息的最小单位。字节：

Byte作为一个单位来处理的一小组相邻的二进制数位，即若干个Bit组成一个字节，字节是存贮容量的单位。机器字

(字)：作为一个单元来传送和处理、并可存放在存贮单元中的一组二进制的数位。即若干个位或几个字节组成一个字。二、

计算机的主要性能字长指参与运算的数的基本位数，即计算机一次可处理的二进制数位的数目。它标志着计算精度，字长越长，数的表示范围越大，有效数字的位数越多，数的精度越高。同时字长越长，计算机处理数据的速度越快。存贮容量存贮设备中能够保存的总信息量，一般以字节为单位表示。则：单位换算：

若8个Bit=

1个节，1024个字节=

210

=

1

KB210

KB

=

1

MB

(兆)210MB=

1GB运算速度

用每秒钟执行指令的数量表示。通常用CPU的主时钟频率来衡量计算机的速度。

主时钟脉冲信号是CPU一切操作的基本时钟和信号，其周期决定了每一个机器周期所包括的标准时间间隔。

机器周期是指计算机执行一条指令所花的时间。三、交互式图形输入设备互式图形输入设备用于输入图形数据和各种信

，

时改图形，也是人机对话的工具。键盘：输入字符串，完成图形操作的特定功能坐标数字化仪：图数转换设备鼠标器

：输入图形的点坐标和进行选择、拾取操作触摸屏：一种利用摸感新技术制成的屏幕，能对用户手指在显示器上的接触及运动作出响应的装置。图形扫描仪：一种自动图形输出装置，能直接把图形和图象扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储。其他设备：光笔、操作杆、跟踪球、语音输入设备。坐标数字化仪

(Digitizer)

功能将各种几何图形转换成精确坐标，并直接送入计算机输入图形的点坐标选择菜单拾取图形

类型和原理机械式、超声波式全电子式：利用电磁感应原理，通过台板上X

、Y方向间隔200微米的平行印刷线，以及指示器游标上的线圈，产生感应电流，从而测出最大信号，得出点的座标。

技术指标有效幅面1200mmX

1000mm280mmX280mm、220

mmX300mm分辨率指输入点时，相邻两点之间可分辨的最小距离。分辨率决定了使用该设备时，可显示密集点的精度。通常分辨率在0.25~0.025mm之间触摸屏

（Touch

screen）一种利用摸感新技术制成的屏幕，能对用户手指在显示器上的接触及运动作出响应的装置。

功能通过手指在屏幕某一位置的接触及运动，输入数据、拾取图形、选取菜单。

类型与原理低分辨率控制板：使用一系列光源和光敏元件，在整个显示表面形成一个网格，接触屏幕时会中断一、二条垂直和水平的光束，从而测出手指的位置。高分辨率控制板：声纳型、电容式、红外线式电阻式：利用两层稍微分开的透明材料，其中一层涂有导电物质，另一层则涂有电阻性物质，手指的压力使两层接触，则可测出通过电阻层的电压降，以计算接触位置。特点使用户把注意力全部集中在屏幕上，并能在屏幕上直接指出位置；既是输入设备，又是输出设备，用户输入与显示输出直接对应，从而保证了用户操作时的手眼的直接协调；分辨率有限，不适合选择屏幕上较小对象；输入数据的效率远不及键盘；手臂不停运动，容易疲劳，还会遮挡部分视野。图形扫描仪

(Scanner)一种自动图形输入装置

能直接把图形和图象扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储。原理及特点利用光学扫描原理：以两万条光纤排列成图纸面宽的光源及光接受列阵，对已有图形自动地进行扫描；通过矢量化软件，把扫描的数据转换成计算机系统能接受的矢量数据。

技术指标有效幅面扫描仪的幅面有A0

、A1、A4等。分辨率在原图上单位长度上(英寸)取样的点数，单位是dpi；常用的分辨率有300dpi到1000dpi之间；扫描仪的分辨率越高，所需的存储空间就越大。颜色和灰度目前有4位、8位和24位面颜色、灰度等级的扫描仪。四、图形输出设备显示系统

与图形输入设备相结合，具有交互功能，可快速生成图形，实时修改图形，反馈信息。绘图系统

将图形输出在纸或其它介质上，以永久保存。图形显示器

(Graphics

display)画线设备类型

随机扫描图形显示器

存储管式图形显示器

光栅扫描式图形显示器画点设备

液晶显示器：功耗小、超薄、平面度好，对比度差、灰度等级差、色彩不及光栅显示器丰富。基本原理阴极射线管原理

CRT(Cathode

Ray

Tubule)

阴极

控制栅控制发射方向和发射率聚集电子束控制电子束聚焦系统偏转系统

灯丝控制栅

加速结构

聚焦系统

偏转系统

荧光涂层阴极加速荧光层电极加速电子发射电子光栅扫描显示器

(Raster

scan

display)画点设备,

可看成是一个点阵单元发生器工作原理

在CRT中装有水平偏转线圈和垂直偏转线圈，而产生水平磁埸和垂直磁埸．电子束在磁埸作用下，作“水平扫描”和“垂直扫描”，在屏幕上扫出点的列阵组成的光栅。基本概念屏幕上能被控制的最小单元象素每幅图象扫描出的象素数分辨率电子束在屏幕上扫描出的每一个点光栅扫描显示器：工作步骤将象素编址；设定每个象素的亮度和颜色等属性；将象素的属性以数组形式存入帧缓冲存贮器提取该数组，就能确定每个象素的亮度和颜色，即电子束按顺序扫描屏幕时，只使经过图形所在位置上的象素辉亮，从而在屏幕上产生图形。为了使图象不闪烁，要求30或60幅图象／秒，即在1/30

-1/60秒内把一帧画面的每个象素的值从帧缓存中取出。光栅扫描显示器：光栅化

显示水平或垂直线：将沿水平或垂直方向的一组象素点亮；

显示45o直线：将沿45o线方向的一组象素点亮；

任意方向直线：用一组发亮的象素逼近该直线。----这个过程称为光栅化光栅扫描显示器：帧缓存器帧缓存器通常由三维空间确定：

象素

x，y方向的编址与屏幕地址一一对应；

亮度与颜色由每一位深度N确定，N也称为位面。如果屏幕分辨率为：x

x

y显示器所需的最小帧缓存为：N

x

x

x

y单色光栅扫描显示器具有N位帧缓存的单色光栅显示器结构寄存器帧缓存的深度N反映了每个象素的灰度值，即图形的灰度等级为2

N电子枪计算机中每个存储位只有0或1两个状态帧缓存器数模转换器CRT光栅彩色光栅扫描显示器颜色范围用RGB（红、绿、蓝）电视原色RGB三原色具有叠加性RGB颜色模型彩色光栅扫描显示器：RGB具有3位面的彩色帧缓存器结构图颜色代号帧缓存器存贮的颜色值显示颜色红绿蓝0000Black1100Red2110Yellow3010Green4011Cyan5001Blue6101Magenta7111White彩色光栅扫描显示器：简单结构寄存器电子枪数模转换器CRT帧缓存器光栅N=3，每个位面对应一种颜色，每个象素的属性用三个Bit表示，可同时显示

23=8

种颜色。N=4，每个象素的属性用4个Bit表示（红、蓝、绿、灰度），可同时显示24=16种颜色。红、蓝、绿、黄、青、紫红、黑、白；浅红、浅蓝、浅绿、浅黄…N=6，每位原色有2个位面的帧缓存，每个象素的属性用6个Bit表示，可同时显示26=64种颜色

不同灰度的红、蓝、绿、….每种原色有8个位面，可有28

种亮度，三种原色的组合为（

28

）3=224种颜色----24位面全彩色。调色板技术节省存储容量提高显示图形的灰度等级和颜色数调色板寄存器数模转换器电子枪W位帧缓存器2N项CRT光栅若N

位面的帧缓存，可显示

2N

种灰度或颜色;加调色板: 加上一个具有2N项、每项具有W位的调色板。屏幕可不同时显示

2W

种灰度或颜色，但每次只有2N种。如N=8，可显示28=256种颜色，若加3个8

x256位的存储作为调色板，则每次可从224=1677726种颜色中选出28=256种颜色输出。光栅扫描显示器：技术指标技术指标

分辩率

显示内存

显示速度：刷新帧缓存的时间如分辨率为640x480的显示器，若60次/秒刷新，存取一个象素的时间:

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

毫微秒，

即存取一个象素的时间为200x10-9秒，对于640x480象素阵列的存取时间为0.0614秒,

每秒钟只能刷新16幅图象。技术措施:

将屏幕象素分组存取，以减少存取时间；并行处理技术等。图形输出设备：绘图仪

(Plotter)画线设备笔式绘图仪静电式绘图仪激光绘图仪和彩色喷墨绘图仪产生点阵图形绘图仪：笔式绘图仪基本工作原理-x+y通过驱动电机与传动机构使画笔与纸相对移动从而将图形绘在纸上。笔式绘图仪的基本操作是抬笔走和落笔走。画笔与纸的相对动作一般有8或4个方向。一条直线是用4个或8个基本方向的直线段组合成的阶梯线近似而成。+y +x+y+x-x-y+x-y-x-y笔式绘图仪：类型滚筒式绘图仪

构造简单，价格便宜

易于操作

占地面积小

绘图精度和速度较低平板式绘图仪

马达驱动的机械传动绘图仪

平面电机驱动绘图仪笔式绘图仪：技术指标绘图速度绘图精度:重复精度和定位精度步距：每个电脉冲通过驱动电机与传动机构，使画笔移动的距离。

一般步距：0.1~0.01

mm。

一般绘图要求：0.1mm；

精密绘图要求：0.00625

mm。可选笔数绘图仪：激光绘图仪采用静电复印技术通过硒筒，在需要上墨的地方产生电子的静电荷，干墨粉附着在筒上有电荷的地方，然后传送到纸上，从而形成拷贝。特点绘图精度极高，其分辨率可达每英寸几百个点;绘图速度快、无噪声;缺点是设备结构复杂，不易维修;目前彩色的、

大图幅的激光绘图仪价格还很昂贵。绘图仪：彩色喷墨绘图仪原理将图纸紧绷在一个快速旋转的滚筒上，墨水喷头则缓慢地沿着导轨从滚筒一端移动到另一端。绘图时，喷头喷出墨水，并使墨水带电，x、y

偏转板控制墨水喷射的轨迹，从而在纸上画出图形和字符。每完成一行字符的喷射，滚筒转动使走动一个行距，再进行新的一行喷射，这个过程类似于静电复印过程，完成一条光栅扫描线。特点可输出美丽的彩色画面，因为只要增加不同颜色的墨水箱就可以完成。由于墨水控制技术难度大，其速度和精度不如激光绘图仪。交互式图形输出设备：打印机

(printer)撞击式打印机价格低廉、配置简单，易维护；绘图精度和绘图质量较差、速度慢，而且噪音大；可输出的图幅小，不能满足工程图纸要求。一般适合输出作为技术资料的图形。非撞击式打印机这类打印设备速度快、无噪声；绘图精度和绘图质量好；可输出的图幅仍受到限制，而且价格较贵。2-3

图形软件系统(Graphicssoftware

System)软件

计算机的逻辑部分

包括程序以及相应的文档图形软件系统

完成图形设计所需的计算机软件资源的全体。一、系统软件 (System

software)任务

使计算机系统的各个部件、相关的软件和数据协调、高效的工作。类型

操作系统

语言编译程序

服务性程序：为用户对计算机进行操作和维护提供方便的程序。操作系统

定义一组对计算机

的硬件资源和软件资源进行统一管理的程序，对整个计算机系统起到监控、管理、调度和指挥作用。核心功能进程管理存储器管理设备管理文件管理作业管理二、图形支撑软件(Graphicssupport

software)提供图形开发、服务工具图形支撑软件的类型具有图形功能的高级语言将某一种高级语言的功能加以扩充，增加一些图形处理语句，使之具有图形生成功能。特点：系统简练、紧凑、执行速度较快。

专用的图形设计语言专用图形设计语言具有自已的词法、语法规则、数据类型、表达式等，给用户提供描述、设计和分析图形的功能，而且具有某些高级语言的功能。需要专用的编译器和数据结构。特点：其编译系统比较复杂；