工程计算机绘图

工程计算机绘图

第二章计算机绘图系统

清华大学土木工程系

张建平

第二章：计算机绘图系统

.§2-1计算机绘图系统的功能和组成

.§2-2图形设备

.§2-3图形软件系统

•以各种形式，

§2输入图形设计必绘图系统的功能和组成

需的各种参数和

、命令。’系统的基本功能

•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

或获取各种参数间的相互关系

•通过屏幕观察设•可实现对数据的实时

计图形，并可对图检索以及变更、增删等

处理。

形进行实时修改输入

・

交互存储:

•实现设计过输出

程中所需要的•支持各种图

计算、变换、形输出设备

分析等功能。•输出设计结

果和图形。

二计算机绘图系统的组成

一个计算机绘图系统定义为一系列硬件和软

件的集合。

♦计算机图形硬件系统

•性能表现

■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

键盘图形输入设备

打印机

■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。

•集中式大中型机系统

磁带机

打印机

主机

绘图仪磁盘机

图形终端字符终端字符终端［图形终端

键盘鼠标/输入板多用户分享主机，主机键盘鼠标/输入板

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

1000MHz

kMercedchip

64-bit

配置方便，价格低廉，

a&尤越的性能价格比

lClustering

e

M

P

-

E16and32CPU5

HSMP

PentiumN-Tier

PersonalClientDistributed

ComputingGUIServerInternet

Software

•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——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

w

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

□高速、大容量的处理器；▼

□大幅面、高分辨率(4096x4096)、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j

SUN、IBM、HP等

网络型分布式作站在某个区域内，把分

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；

Client满足资源共享与相互

通讯的需求。

ServerInterneInternet

DatacollectionPromotions

CTient

♦图形软件系统

皆彩秋代称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。

图图形应用软件；

形

支图形通用软件

撑

软

件图形基本软件

系统软件

•系统软件

■操作系统：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；

■语言加工程序：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

一、几个基本概念

♦二进制位（位）：Bit（Binarydigit）

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）：

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。

单位换算：若8个Bit=1个节，则：

・1024个字节=21。=1KB

•210KB=1MB(^)

•21OMB=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

「交互式图形输入设备

交互式图形输入设备用于输入图形数据和各种信

息,实时修改图形,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

•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

1200mmX1000mm

280mmX280mm>220mmX300mm

■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025〜0.025mm之间

♦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

・功能

通过手指在屏幕某一位置的接触及若动，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

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AO、ALA4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至UlOOOdpi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

♦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

•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。

•等离子显示器：分辨率高、亮度和对比度好

,灰度等级差、色彩不及光栅显示器丰富。

图形显示器：基本原理

阴极射线管原理CRT(CathodeRay

Tubule)

控制电

聚集电

控制发射子束

♦阴极方向和发子束

射率O

♦控制栅o偏转d

聚焦系统

加速结构系统

♦控制栅

♦聚焦系统灯丝

♦偏转系统

♦荧光涂层阴极

.加速

发射电极

荧光层

电子

电弓

图形显示器：光栅扫描显示器

♦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

被控制的每幅图象

象素最小单元扫描出的

电子束在屏

象素数

幕上扫描出

的每一个点分辨率

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或外幅图象/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45。直线：将沿45。线方向的一组象素

点亮；

光栅扫描显示器：光栅化

♦任意方向直线：用一组发亮的象素逼近该直

线。

•一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：XXJ

显示器所需的最小帧缓存为：Nxxxy

单色光栅扫描显示器

有N位帧缓存的单色光栅显示器结构

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2N

计算机中每个

存储位只有0或

1两个状态

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

帧缓存值

号红绿蓝幡

0000Black

1100Red

2110KHow

3010Green

4011C^an

5001Blue

6101Nfegaita

7111White

彩色光栅扫描显示器：简单结构

♦N=3,每个位面对应一种颜色，每个象素的属性

用三个5"表示，可同时显示23=8种颜色口

彩色光栅扫描显示器

♦N=4,每个象素的属性用4个3"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3"表示，可同时显示M=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种颜色一24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

♦若N位面的帧缓存，可显示2'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2皿种灰

度或颜色，但每次只有2'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=7677726种颜色中选出28=256种颜色输

出。

光栅扫才-苗显示器：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

库列的存取时间为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。

交互式图形输出设备：绘图仪

♦笔式绘图仪画线设备

♦静电式绘图仪

产生点阵

♦激光绘图仪和彩色喷墨绘图仪图形

绘图仪：笔式绘图仪

♦基本工作原理

•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

•X+Y+Y+X+Y

+X

+X-Y

-X-Y-V

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：0.1-0.01mmo

•一般绘图要求：0.1mm；

•精密绘图要求：0.00625mmo

♦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、上偏转

板控制墨水喷射的轨迹，从而在纸上画出囱形和

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

♦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

♦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

♦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

•汇编程序

・调试程序

•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

•子程序库

♦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

•任何程序必须在操作系统的支持下才能工作

•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

入图形支撑软件

♦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，里加

些由形处理语句，便之具有图形生成功股

■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己的词法、语法规

贝I」、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；