《工程计算机制图》课件2 计算机图形系统

第二章：计算机图形系统

ComputerGraphicsSystem

■§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

一•以各种形式，

§:输入图形设计必几图形系统的功能和组成

需的各种参数和

命令。

J形系统的基本:存取所设计形体的几

何数据及在计算机形体

•用交互设备输入间的相互关系

或获取各种参数

交互设备•可实现对数据的实时

•通过屏幕观察设检索以及变更、增删等

计图形，并可对图处理。

形进行实时修改

输入

存储

设备

显示器交互计算存储

&

数据库

•实现设计过输出•支持各种图形

程中所需要的输出设备

计算、变换、•输出设计结

分析等功能。绘图仪

果和图形。

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）

软件的集合。

计算机图形硬件系统

(HardwareSystemofComputerGraphics)

口性能表现

■高速大容量的处理器；

■高精度、高速度、大幅面白

■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

■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

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

打印机

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。

每种原色有8个位面

,可有万种亮度，

三种原色的组合为

当前发展(28)3=224

口高速、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

SUN、IBM、HP等。

□在某个区域内，把分

散的图形工作站系统、

□网络型分布式工作站大容量存储装置、高性

能的图形设备以及通信

图形软件系统(Graphicssoftwaresystem)

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(Graphicsequipment)

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)：

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。

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，贝IJ：

■1024个字节=210=1KB

■210KB=1MB（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

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(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

口类型和原理

■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。

口技术指标

■有效幅面

1200mmX1000mm

280mmX280mm>220mmX300mm

■分辨率

口指输入点时,相邻两点之间可分辨的最小距离。

口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(Touchscreen)

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。

口类型与原理

■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。

口技术指标

■有效幅面

扫描仪的幅面有AO、Al、A4等。

■分辨率

口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。

图形显小器(Graphicsdisplay)

■类型

□随机扫描图形显示器

画线设备

口存储管式图形显示器

□光栅扫描式图形显示器一►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

阴极射线管原委CRT(CathodeRayTubule)

口阴极

□控制栅

□加速结构

□聚焦系统

□偏转系统

□荧光涂层

光栅扫描显示器(Rasterscandisplay)

■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。

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45。直线：将

沿45。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。

•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％,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也解为位面。

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

具有N位帧缓存的单色光栅显示器结构

帧缓存的深度N反

映了每个象素的寄存器

灰度值，即图形

的灰度等级为2'电电子子枪枪

计算机中每个存储

位只有0或1两个状

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

缓存器用!曲勺颜色值S/5

号红绿蓝彦胞

0000Black

1100Red

2110Klbw

3010Green

4011Cyan

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历，

表示，可同时显示23=8种颜色。

■N=4,每个象素的属性用4个瓦，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

5"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2'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，若力口3个8x256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。

光栅扫描显示器：技术指标

■技术指标

□分辩率

口显示内存

□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。

A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)

■笔式绘图仪―画线设备

■静电式绘图仪产生点阵

图形

■激光绘图仪和彩色喷墨绘图仪

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。

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。

口一般步距：0.1-0.01mm。

□一般绘图要求：0.1mm；

□精密绘图要求：0.00625mm。

■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

(GraphicssoftwareSystem)

■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。

、系统软件(Systemsoftware)

■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

(Graphicssupportsoftware)

■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己的词法、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；

□难以做到与设备无关；

□建立编译系统的工作量大。

□图形设计功能强、速度快。

□图形程序库

■用高级语言编写的图