第2章图形学教学

第二章目录

第二章计算机图形系统

2.1计算机图形系统的组成

2.2计算机图形显示器

2.3计算机图形输入设备

2.4计算机图形输出设备

2.5图形核心系统（GKS）简介

2.6通用图形软件简介

12.1计算机图形系统的组成

一.图形系统的结构由硬件和软件两部分组成。第二章计算机图形系统第二章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2计算机图形显示器2.3计算机图形输入设备2.4计算机图形输出设备2.5图形核心系统（GKS）简介2.6通用图形软件简介

2二.图形系统的基本功能及其硬件性能要求

计算机图形系统至少应具有以下五个方面基本功能:1.计算功能（1）形体设计和分析方法的程序库，描述形体的图形数据库。（2）坐标的平移、旋转、投影、透视等几何变换程序库的数据库。（3）曲线、曲面生成和图形相互关系的检测库。2.存储功能在计算机内存储器和外存储器中，应能存放各种形体的几何数据及形体之间相互关系，可实现对有关数据的实时检索以及保存对图形的删除、增加、修改等信息。

33.输入功能由图形输入设备将所设计的图形形体的几何参数（例如大小、位置等）和各种绘图命令输入到图形系统中。4.输出功能图形系统应有文字、图形、图像信息输出功能。在显示屏幕上显示设计过程当前的状态以及经过图形编辑后的结果。同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。5.对话功能可通过显示器或其他人－机交互设备直接进行人－机通信，对计算结果和图形，利用定位、拾取等手段进行修改，同时对设计者或操作员执行的错误给予必要的提示和帮助。4

为了实现以上功能，对图形系统的硬件性能要求是：1.处理速度图形系统的处理速度既与图形系统硬件有关，也与图形软件的图形处理算法有关。2‘存储容量存储容量包括三部分：内存储容量、外部存储容量和显示缓冲区容量。3.处理精度处理精度主要是指图形采集输入质量和显示输出质量：这里主要指图形分辨率、图形色彩的显示等。而且很大一部分与所采用的图形处理软件有关。5三.图形系统分类及硬件工作平台要求

1.计算机图形系统的分类根据其硬件配置和信息传递方式分为:(1).脱机绘图系统将输入图形数据在主机内进行处理将图形处理后的图形数据送入中间介质用磁盘或磁带控制绘图输出机输出图形

脱机绘图系统是将图形数据和图形输出分别进行处理，避免计算机处于等待状态，加快计算机的工作效率。6(2)联机绘图系统将输入图形数据在主机内进行处理计算机将图形处理信息直接送给绘图机输出图形不需要中间介质（磁盘或磁带）传递绘图信息，处理时间缩短了。但由于绘图机是机械速度，这样造成了计算机对绘图机等待，降低了计算机工作效率。7(3)交互式绘图系统绘图系统将处理结果输出到图形终端（图形显示器）或图形工作站。用户对所显示图形还可用定位、拾取和描绘等设备进行编辑和标注等82.计算机图形系统的硬件工作平台目前，计算机图形系统的硬件平台有如下几种:(1).微型计算机（简称微机）随着微型计算机性能进一步提高，用微型计算机实现三维形体的设计及显示能力在不断提高。(2).工作站实际上是一类超级微型计算机，该系统主要用于工程设计，为研究、开发提供一整套软硬件工作环境支持。工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理功能的交互式计算机系统。美国的SUN、SGI、HP、DEC、IBM等公司的产品均属此类。9(3).中、小型计算机一般在特定的部门、单位和应用领域中采用此类环境。它是大型信息系统建立的重要环境，这种环境中信息和数据的处理量是很大的，要求机器有极高的处理速度和极大的存储容量。(4).大型机以大型计算机为基础，具有容量庞大的存储器和极强的计算功能,大量的显示终端及高精度、大幅面的硬拷贝设备。还往往拥有自行开发的、功能齐全的应用软件系统。例如，美国第三大汽车公司（CHRYSLER汽车公司）就拥有庞大的计算机系统来进行计算机辅助设计、实体造型、结构分析、运动模拟、工程和科学计算、项目管理、生产过程控制等。10(5)计算机网络计算机网络是指将上述四类计算机平台，或者其中某一类通过某种互联技术彼此连接，按照某种通信协议进行数据传输、数据共享、数据处理的多机工作环境。它的特点是多种计算机相连，可以充分发挥各个机器的性能和特点，以达到很高的性能价格比。网络图形系统要考虑的关键问题是网络服务器的性能，图形数据的通信、传输、共享以及图形资源的利用问题。11第二章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成◆2.2计算机图形显示器2.3计算机图形输入设备2.4计算机图形输出设备2.5图形核心系统（GKS）简介2.6通用图形软件简介

2.2计算机图形显示器显示器是图形系统中必备的输出设备，目前，图形显示器占统治地位仍是阴极射线管（CRT－CathodRayTube）显示器。此外，还有液晶显示器和等离子板显示器等。一.CRT显示器工作原理CRT显示器其分辨率好，可靠性高，速度快。为了不影响主机的数据处理能力，CRT显示器作为计算机的外围设备而独立存在，它有自己的控制电路，专门负责屏幕编辑功能，并有标准的串行接口与主机连接。121.CRT单色显示原理电子枪灯丝加热阴极，阴极表面向外发射自由电子，控制栅控制自由电子是否向荧光屏发出电子流在到达屏幕的途中，被加速、聚焦成很窄的电子束由偏转系统产生电子束的偏转电场（或磁场），使电子束左右、上下偏转在指定时刻在屏幕指定位置上产生亮点13余辉时间：电子束离开光点后光点保持的时间。屏幕刷新：荧光亮度随着时间按指数衰减，整个画面必须在每一秒钟内重复显示许多次，人们才能看到一个稳定而不闪烁的图形，因此必须重复地使荧光质发光，即使电子束迅速回到同一点余辉时间越短，所需屏幕输刷新率越高荧光粉的质量直接影响到CRT成像效果。142.CRT彩色显示原理

(1).穿透式彩色CRT采用了多层不同的荧光粉。在绿色荧光粉层上再沉积一层红色荧光粉。提高加速电压后，电子束速度增加，穿透绿色荧光层，显示绿色电子束速度较低时，轰击荧光屏的能量只能使表层红色荧光粉受激励，产生红色亮点通过改变电子束电压，就可调节电子束穿透荧光粉层的厚度，从而改变红绿两种发光亮度的比例，合成不同的颜色，因此，可显示红、橙、黄、绿四种颜色。15(2).荫罩式彩色CRT显示的色彩要比穿透式彩色CRT宽广得多在荧光屏内壁上分别由红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色的荧光粉涂成百万个荧光粉点，按RGB顺序分行交替排列成三角形状且相距很近它们发出三种色彩时分辨不清三种原色，而形成一种颜色荫罩的金属板，板上按三角形状钻有40～50万小圆孔前罩式CRT管内按三角形排列安装三个电子枪，发射三条电子束，它们由一个共同偏转系统控制三条电子束聚焦于荫罩板上的小孔中且相距很近荫罩的作用是使三条电子束分离开来，分别轰击到三种颜色的荧光点上调节各个电子枪的电流强度，就可改变相应颜色荧光点的亮度，即合成色中所占比例，达到改变成色的色彩16二.图形显示器的类型

根据其电子束轰击屏幕的方式和组成结构可分为三种：随机扫描式显示器、存储管式显示器和光栅扫描式显示器。技术指标：分辨率的高低：现在一般在1024×1024以上显示图形的颜色的种数：现在一般为真彩色32位171.随机扫描式显示器

要显示的图形由计算机处理成为显示器的显示指令（或称显示文件）图形控制器取出缓冲存储器或固定存储器中的显示指令，依次执行由管头控制电路使电子束以按所要的亮度偏转到指定位置，从而得到图形利用电子束在荧光屏上扫描的轨迹画图显示指令中的亮度、位移量等数字信息经过线产生器的处理转换为控制电子束产生偏转和明暗的物理量，也就是电流和电压固定存储器中则存放各种常用字符、数字等的显示指令显示指令经接口电路送到显示器的缓冲存储器18为了获得稳定的画面，必须不断地重复扫描显示文件（即刷新），速度通常为每秒重复扫描25～50次，即每秒25～50帧左右优点：能实时地进行数字－视频转换，实现动态显示，易于修改，交互性好扫描速度快，线条质量高，图形清晰，图线光滑。缺点：不能产生多级灰度的真实感显示，图形的复杂程度受显示器扫描速度的限制价格贵，目前很少使用。192.存储管式显示器利用显示管本身来存储信息技术（随机扫描器使用了一个独立的存储器来存储图形信息）优点：图形保持时间长，比较稳定。电路结构简单，成本低。缺点：显示画面速度慢，不适宜动态修改，交互性差。图形复杂度受到限制。20★3.光栅扫描式显示器

随机扫描式显示器、存储管式显示器：画线设备，在屏幕上显示一条直线是从屏幕上一个可编地址点直接画到另一个可编地址点。光栅扫描式显示器：

画点设备，可以看作是一个点阵单元发生器，并可控制每个点阵单元亮度，可以生成多种灰度和颜色，色彩连续变化具有真实感的图形21（1）光栅扫描式显示器组成

把计算机送来的画图形（如画线、画多边形、画填充区域或写字符等）基本画图命令扫描转换成为相应的点阵，即位图（bitmap)点阵的每一点与屏幕像素一一对应，点阵中每个元素就是像素值，通常用1～12位二进制数值来表示灰度或色彩。位映射（bitmapping）技术：由若干位数据来对应屏幕上一点的光栅图形显示技术将屏幕上显示图形的映像（Image），即位图放入显示存储器中。所以显示存储器又叫位存储器，通常称之为帧缓冲器（FrameBuffer）为了使CRT屏幕上的图形能持续地进行显示，显示存储器的内容需要不断地读出并送到监视器，使得画面能以一定的频率刷新显示存储器的分页处理:显示存储器中同时存放多幅画面，这时存储区划分成若干页，每一页存放一幅位图。物理屏幕当前正在显示的页称为可见页（VisualPage）。主机每次只能向一个页进行读写操作，这个页就称作活动页（ActivePage）。存储器的页面可以比屏幕位图大得多，这样屏幕只能显示画面的一部分，通过上下左右移屏功能，用户可以看到显示存储器中的整个画面。22（1）光栅扫描式显示器组成

用来定义像素的颜色。又称为调色板。彩色表的目的是为了不使显示存储器容量增大，而能显示更多的颜色，例如：显示器要控制三种原色，即R(红）、G(绿)、B(蓝），为了使三种原色按不同的比例合成各种颜色，每种颜色要有不同的灰度，如果每个像素各个原色要16种灰度，于是每个原色要占4位，则每个像素要12位，于是显示存储器容量就要很大，彩色表可解决此问题。23采用彩色表时，显示存储器的像素值不再是直接送到监视器中的颜色值，而仅是颜色的一个索引（ColorIndex），即彩色表的地址，用八位表示一个像素值，如编号69（01000101）为彩色表对应地址从彩色表对应地址项中读出R、G、B三种颜色分量（即颜色号的定义值）然后送监视器例如：彩色表的字长为12bit（R、G、B各4bit），这意味着最多可定义212＝4096种不同颜色彩色表结构24CRT控制器使电子束不断地自上而下、自左面右进行屏幕扫描，形成光栅（Raster），产生水平和垂直同步信号送往CRT。CRT监视器供显示图形用。25（2）光栅扫描显示器的工作原理图形生成器根据主机发送来的画图命令转换成相应点阵点阵存入到显示存储器中显示存储器中生成所显示画面位图CRT控制器产生水平和垂直同步信号送到监视器，使CRT电子束不断地自上而下、自左向右进行扫描，形成光栅；同时根据电子束在屏幕上的行列位置，不断地读出显示存储器中对应位置像素值。彩色表中对应值控制R、G、B电子束，在屏幕对应点生成需要像素值。为了使屏面显示画面不产生闪烁，上述过程要反复进行，一般要求CRT的帧频为50～60帧／秒。26显示器的光栅扫描方式一般有两种消隐按照0，2，4，6……的顺序扫描完偶数行，开始扫描奇数行。按照1，3，5，7……的顺序扫描完奇数行，整个屏幕扫描完毕。从0行光栅（偶数行）开始，逐行下扫，直到屏幕底部隔行扫描、非隔行扫描扫描第0行光栅消隐回扫线是被消隐的27（3）光栅扫描式显示器主要性能参数①显示分辨率②颜色或亮度等级数目④其他③画图速度一般指屏幕上水平方向可以显示多少像素（水平分辨率），垂直方向可以显示多少像素（垂直分辨率）。如

CGA640×200＝128000＝0.12MP。(P＝Pixel)亮度等级或灰度等级数目是指单色显示器的像素亮度可变化数目，彩色显示器颜色数目又分成两个指标：一个是显示器可以显示的所有不同颜色总数，一个是同一帧面允许显示的不同颜色最大数目，即彩色表项的多少。画图速度指的是图像生成器把基本画图命令转换成显示存储器位图的速度。如屏幕尺寸刷新频率、纵横比（屏幕上纵向间距和横向间距之比）、余辉长度等。28三.显示配置显示器和显示卡两方面内容

显示器就是监视器（CRT）

显示器控制适配器，它是将显示存储器、CRT控制器制作在一块芯片上从显示标准的角度来说，每一种标准都包含有一种或多种显示模式，而每一种显示模式都规定了模式的“类型”、“字符尺寸”、“字符格式”、“屏幕分辨率”、“色彩”等指标。两种显示模式类型，即图形模式和文本模式。

291.图形模式在图形模式下，把字符也看成图形，用点阵（位图）来表示，直接存放在显示存储器中。

优点:字符的显示位置可以以像素为单位任意定位，也可以随意改变单个字符的大小、方向或字符串走向，但编辑修改操作比较麻烦。

2.文本模式显示存储器中存放的是字符编码（ASCII码或汉字代码）及属性（加亮、闪烁、下横线等），其字符点阵信息存放在一个只读存储器中（称为字符发生器或字库）。优点:处理速度快，但是字符是由固定区域内的像素所组成。30屏幕、字符格式、字符尺寸与分辨率关系字符尺寸:是指这个固定字符区的大小，它是由行和列两个方向上像素点的个数来决定的9×14每行9个像素点每列14个像素点字符格式:是指显示屏幕上字符显示的分辨率，它是用每行可显示的字符数乘每列可显示的字符数来表示的80×25每行可显示80个字符每列可显示25个字符,即有25行31常见显示标准MDA(MonachronmeDisplayAdapter)单色显示标准

“文本”模式“类型”，“字符格式”如80×25，“字符尺寸”为9×14，“屏幕分辨率”为720×350，彩色数目只有黑白两种；CGA（ColorGraphicsAdapter）彩色图形标准包括四种“文本”模式“类型”和三种“图形”模式“类型”，最高“屏幕分辨率”为640×200，“色彩数目”最多为16色；32EGA（EnhancedGraphicsAdapter）增强型图形标准

含有MDA、CGA的模式“类型”外，增加了四种“文本”模式“类型”和四种“图形”模式“类型”，其中一种为单色。它的最高“屏幕分辨率”为640×350“色彩数目”最多为16色；

VGA（VideoGraphicsArray）视频图形阵列标准最高“屏幕分辨率”为640×480，“色彩数目”最多可达256色。

书上还列出其他显示标准，请自己看。33三.其它显示器

（Liquid－CrystalDisplay）LCD1.液晶显示器2.等离子显示器3.电子发光显示器34第二章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2计算机图形显示器2.3计算机图形输入设备2.4计算机图形输出设备2.5图形核心系统（GKS）简介2.6通用图形软件简介

2.3计算机图形输入设备35一.键盘

二.鼠标

一．机械式鼠标器二．光电式鼠标器

三．光机式鼠标器底部装有一对轴线相互垂直的金属滚轮，当在桌面上移动鼠标器时，滚轮的转动转化成x，y方向的数值被记录下来，并相应地移动屏幕上的光标。需要一个特殊的垫盘。鼠标底端的发光二极管直接向垫盘发射光束，通过光脉冲次数测定鼠标偏移量。通过鼠标下三个滚轴及光敏半导体元件测量位移，从而测出相对移动偏移量362．3．3光笔

一种检测装置功能一般有两种：拾取和跟踪

使用时要有相应的软件配合。372．3．4数字化仪和图形输入板

数字化仪38

数字化仪时常用来摘取放在它上面的工程图上的大量点，经数字化后存储起来，以此作为图形输入一种手段。

工作原理：数字化仪平板实际上就是一个XY直角坐标系，它上面的任何一点都对应于一个坐标值（x，y），当游标器移动到平板上某一位置时，按一下游标器上的开关，便可获得这一位置的坐标值，并自动地把这个坐标值（x，y）送到计算机内。只要将画有此曲线的图纸贴在数字化仪的平板上，并移动游标器到各个点Ai（i＝1，2，……，6）每次按下游标器上的开关，便把这些点的坐标（xi，yi）自动地送到计算机内39图形输入板则更多用于交互设计，使用时大多划出一个台板图形区，其余部分放置菜单，称为菜单区。图形区菜单区台板图形区与显示屏之间存在着一种映射关系40

图形输入板的使用方式有三种：（1）图形变成数字化信息。（2）拾取台板菜单区中的菜单项，即取出拾取点的坐标，算出该菜单项的代码并转入相应程序运行。（3）选择输出坐标数据的方式，共有四种方式。第一种为点方式，即先拾取一个点，接着输出该点的坐标；第二种称连续方式，即随着定位工具的移动，连续输出点的坐标；第三种称开关连续方式，即当定位工具移动且同时按下开关时才能连续输出点的坐标；第四种称增量方式，这时拾取点的坐标以相对于上次拾取点的增量坐标形式输出。以上四种方式可通过选择图形输入板上的有关按钮来决定。412．3．5操纵杆、跟踪球

操纵杆跟踪球422．3．7图形扫描仪直接把图形（工程图纸）和图像（如照片、广告画）扫描输入到计算机中，以像素信息进行存储表示的设备。按所支持的颜色分：单色扫描仪和彩色扫描仪按所采用的固态器件分:电荷耦合器件（CCD）扫描仪、MOS电路扫描仪和紧贴型扫描仪等；按扫描宽度和操作方式分:大型扫描仪、台式扫描仪和手动式扫描仪．43图形扫描基本过程(CCD扫描仪）扫描光源通过待扫描材料再经一组镜面反射到CCD由CCD转换产生图像数据，然后，传输给计算机主机经过适当的软件处理，以图像数据文件的形式存储或使用。44分辨率：在原稿的单位长度（英寸）上取样的点数，单位是dpi（dotperinch）一般在300dpi-1000dpi扫描仪的性能指标支持颜色、灰度等级：目前有4位、8位和22位面颜色、灰度等级的扫描仪。扫描图形分辨率越高，所需的储空间就越大。扫描仪支持的颜色、灰度层次越多，图像的数字化表示就越准确，但同时意味着表示一个像素的位数增加了，因而也增加了存储空间。452.4计算机图形输出设备第二章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2计算机图形显示器2.3计算机图形输入设备2.4计算机图形输出设备2.5图形核心系统（GKS）简介2.6通用图形软件简介

显示器、绘图仪、打印机一.绘图仪把由计算机生成的图形输出到图纸（或其它介质）上的硬拷贝设备。笔绘式喷墨式静电式平台式滚筒式平面电机式小型式461.笔式绘图仪矢量型设备，绘图笔相对纸作随机移动。在笔式绘图机上，一个电脉冲通过驱动电机与传动机构使画笔移动的距离称为步距（或称脉冲当量）步距减小，画出的图就越精细。47(1).平台式绘图机图纸静止不动导轨做X方向运动笔架做Y方向运动机械传动48(2).滚筒式绘图机绘图纸卷在滚筒上，笔和纸都是运动的。(3).平面电机式绘图机采用平面电机驱动，可以取消导轨、横梁及传动机构。（4）.小型绘图机结构简单原理大致与平台式绘图机相同49笔式绘图机的主要技术指标绘图速度步距绘图精度功能静态精度重复精度零位精度总精度包括绘图幅面大小（A0，A1，A3……等），画笔数量，以及其他辅助功能（如插补功能、由线拟合功能等）

画笔移动的速度，一般为每分钟12～48m。实际绘制图线与理论图线之间相似程度。误差越小，精度越高

画笔单方向移动时，实际移动距离与按脉冲计算的位移差画笔从出发点移动一定距离后，再回到出发点，出发点与实际终点之间偏差。画笔从零位移动到绘图台面所允许的最大距离，再返回零位时，零位与实际终点问的偏差。绘图时积累误差允许值。50二、喷墨式绘图仪喷墨装置多数情况是安装在类似打印机的机头上，纸则绕在滚筒上并使之快速旋转，喷墨头则在滚筒上缓慢运动，并且把青色、品红、黄色，有时是黑色墨喷到纸上。三、静电绘图仪绘图分两步：（1）用静电构造一个不可见潜影（2）喷上调色剂着色处理进行显影512．4．2打印机针点式打印机激光打印机针打点阵式静电点阵式喷墨点阵式细针与色带作为打印装置

利用静电作用

利用喷射墨计作为打印装置

52第二章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成2.2计算机图形显示器2.3计算机图形输入设备2.4计算机图形输出设备2.5图形核心系统（GKS）简介2.6通用图形软件简介

2.5图形核心系统（GKS）简介GraphicsKernelSystem，一种已经被ISO接受的国际图形标准一.GKS的功能提供了各种物理的图形输入、输出设备（图形显示器、绘图机。图形输入板等）和应用软件之间的接口。提供了与各种高级语言的接口。53二.GKS的基本概念1.工作站