计算机图形学第2章图形系统

第二章计算机图形系统

与一般计算机系统一样，计算机图形系统也是由硬件和软件两部分组成。硬件包括主机、输入设备和输出设备。输入设备通常为键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪和光笔等。输出设备则为图形显示器、绘图仪和打印机。这里主要介绍图形输出设备，而图形输入设备的内容放在交互技术那一章去介绍。而输出设备主要为显示设备和硬拷贝设备。2.1图形硬件设备2.1.1显示设备2.1.2硬拷贝设备2.2图形软件系统主要内容：2.1图形硬件设备

图形系统一般使用视频显示器作为基本的输出设备，早前大部分视频显示器的操作是基于标准的阴极射线管（CRT：CathodeRayTube）设计的。此外，还有液晶显示器和等离子板显示器等，它们体积小，功耗少，主要用于便携式电脑上。2.1.1显示设备CRT显示器经历了多个发展阶段，出现过各种不同类型的CRT显示器，如存储式显示器、随机扫描显示器，但是这些显示器有明显的缺点，图形表现能力也很弱。20世纪70年代开始出现的刷新式光栅扫描显示技术走向成熟的一个标志。尤其是彩色光栅扫描显示器的出现，将人们带入一个多彩的世界。是一种真空器件，它利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。CRT由五部分组成：电子枪、加速电极、聚焦系统、偏转系统和荧光屏，这五部分都封装在真空管内，其构造见下图。一CRT显示器工作原理灯丝阴级控制栅聚焦系统偏转系统荧光涂层加速电极荧光屏上涂有一层荧光粉，受到电子束打击时会发出荧光。当打击结束后，荧光仍会保持一段时间才消失，这种现象称为余辉，荧光亮度随着时间按指数衰减，为了使人们看到一个稳定而不闪烁的图形，整个画面必须在每秒钟内重复显示许多次，这也称为屏幕刷新。

CRT上用的荧光物质有多种，除颜色不同外，荧光物质的主要差别在于它们的余辉保持时间，短余辉荧光层需要较高刷新速度，才能保证屏幕图像不闪烁。短余辉荧光层用于动画，而长余辉荧光层则用来显示高复杂程度的静态图形。对于图形显示CRT，通常采用余辉时间为10μs～60μs的荧光材料。二彩色CRT显示器

CRT显示器利用能发射不同颜色的荧光物质的组合来显示彩色图形。组合不同荧光物质的发射光，便能生成一定范围的彩色。用CRT产生彩色显示的两种基本技术是电子束穿透法和荫罩法。电子束穿透法用于随机扫描显示器。两层荧光层，通常是一红一绿，涂覆在CRT屏幕的内层，而显示的颜色取决于电子束穿透进荧光层的深浅。慢速的电子束只激活外面的红色层，快速的电子束穿过红色层并激活里面的绿色层。而中速的电子束，通过红、绿光发射的组合，来生成另外的两种颜色：橙色和黄色。电子束穿透法是随机扫描显示器生成彩色的廉价途径，但只可能有四色，而且图形质量不如其它方法。1、电子束穿透法根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅也就不一样。普通的显示器一般用三角的排列方式，这种显像管被称为荫罩式显像管。荫罩法常用于光栅扫描系统，因为它能产生的彩色范围比电子束穿透法宽广得多。2、荫罩式这样的彩色CRT有三支电子枪，分别与三个荧光点相对应，即每支电子枪发出的电子束专门用于轰击某一个荧光点。而荫罩板被安装在紧靠荧光涂层的地方，板上有很多小孔，每个小孔与一个象素（即三个荧光点）相对应。三个电子束经聚焦偏转后穿过荫罩板上的小孔，激活该小孔对应的三个荧光点。由于三个荧光点很小并充分靠近，我们观察到的是它们混合颜色的一个光点，即象素。三色荧光屏荫罩板三个电子枪能显示16兆种颜色的显示系统叫做真彩色显示系统3、荫栅式普通的显象管采用的都是荫罩式显象管，显象管的表面呈略微凸起的球面状，故称之为“球面管”。荫罩式球面显示器几何失真大，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，所以后来荫栅式显示器逐渐流行起来。采用荫栅式显像管的显示器有柱面显示和平面显示器。柱面显示它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上却是笔直的，可将屏幕上方的光线反射到下方，减弱眩光。平面显示器，屏幕完全平面，大大提高质量。荫栅式彩色CRT显色原理这种条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的，互相平行的垂直铁线阵列组成。这种栅栏从屏幕顶一直通到屏幕底，而不是单独的荧光点。通过电子枪射出电子束，穿过栅条打在荧光条上使其发光。这种结构因消除了纵向间距，透光率比荫罩式显示器高30%，加之垂直的荧光粉条，所以亮度更高，色彩比其它的显像管系统亮丽细致。荫栅式与荫罩式显像管的区别主要表现在选色板及荧光粉的排列方式。荫罩式显像管的选色板为孔状金属板，荧光粉为点状排列，点距是0.28；荫栅式显像管的选色板采用垂直金属线组成，荧光粉的排列为R、G、B三色荧光粉条，点距是0.25，透光率更强，因而显示色彩更丰富亮丽。荫栅式显像管在垂直方向不存在弧度，所以垂直方向无失真。柱面和球面显示器点距定义示意图三、随机扫描的图形显示器

随机扫描显示器中，电子束可以在任意方向上自由移动，按照显示命令用画线的方式绘出图形，因此也称矢量显示器，随机扫描显示器电子束的定位和偏转具有随机性，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。在随机扫描显示系统中，图形的定义以矢量画线命令的形式存放在显示文件中，所以依靠显示文件对屏幕图形进行刷新。应用程序若要修改屏幕上的图形，则要修改显示文件中的某些绘图命令，修改的结果在下一次刷新时得到体现。应用程序发出绘图命令，由DFT解析成显示处理器可接受命令格式，存放在帧缓冲存储器中；帧缓冲存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件；DPU取出帧缓冲存储器或固定存储器中的显示指令，依次执行；驱动电子枪，由控制电路使电子束以所需的亮度偏转到所需的位置，在屏幕上绘图。1.无多余扫描、速度快、图象清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条。2.不能显示逼真场景、驱动系统也较复杂。3.不能显示太复杂的图形，因为显示文件会太长，重复扫描图形会闪烁。特点：四、存储管式的图形显示器

是20世纪60年代后期开始出现的图形显示器，最大特点在于它的荧光粉能够在足够长的时间内（以小时计）保持图形而不需要刷新，因此价格低廉，可以不闪烁地显示任意多的线条和字符，而且相当清晰。致命弱点在于图形的修改和删除方面，它只能一次擦除整屏的图形，而且擦除时间长达数秒，若想有选择地擦除某一部分图形则是不可能的。这样，就限制了它在动态作图和交互修改作图方面的应用。

显示图形的方式和随机扫描显示器一样，电子束在屏幕上随机绘出图形，同样它也只能画线图，不能进行实面积填充。存储管式显示器特点1、无需刷新、很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示。2、成本较低，不需要太大内存。3、不能显示彩色、不能局部修改、动画效果不好。五、光栅扫描式图形显示器

在光栅扫描系统中，电子束横向扫描屏幕，一次一行，从顶到底顺次进行。当电子束横向沿每一行移动时，电子束的强度随帧缓存器中的值而变化，从而在屏幕上建立亮点的图案。图形定义存放在帧缓冲存储器中，帧缓存保存了对应屏幕所有点的亮度值。每个屏幕点称作象素，由于光栅扫描CRT对屏幕上每个象素都有存储亮度信息的能力，因此它能较好地用于包含细微阴影和彩色场景的逼真显示。光栅扫描显示器中，屏幕图形是依靠帧缓存进行刷新的，而视频控制器是负责刷新的部件，它建立了帧缓存中的单元与屏幕象素之间一一对应的关系，视频控制器的逻辑结构如下图所示：X、Y寄存器用来存放屏幕象素的坐标，存储在帧缓存中该象素对应位置的值被取出，并用来控制CRT电子束的强度。从左到右，从上到下，对一帧的每一个象素都进行处理后，又重复上述过程进行下一轮的刷新。灰度光栅显示器结构象素的亮度范围取决于帧缓存的位数。在简单的黑白显示中，每个象素只有两个亮度值：亮、暗，因此每个象素只需一位来控制屏幕位置的亮度。彩色光栅扫描显示器结构如果要显示彩色并且亮度可变，就需要增加位，在高质量系统中，每个象素可多达24位（红、绿、蓝三基色，每种基色占8位：8×3=24位），这时每个象素可显示224种亮度值。可显示真实感图形图形的动画效果较好显示斜线时有阶梯效应光栅扫描显示器的特点液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩，生成图形的机理是通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递来自周围的或内部光源的偏振光。六液晶显示器液晶显示器由六层组成，如下图所示。等离子体显示（PlasmaPanel），其结构为用通常包括氖气的混合气体充入两块玻璃板之间的区域。一块玻璃板上放置一系列垂直导电带，而另一玻璃板上构造一组水平带,如下图所示。七等离子显示器

在成对的水平和垂直导电带上施以点火电压，导致两导电带交叉点处的气体进入辉光放电的等离子区。图形的定义被存储在刷新缓冲器，点火电压以每秒60次的速率，用于刷新象素位置（导电带的交叉处），使用交变电流方法快速提供点火电压，可得到较亮的显示。等离子体显示技术适合于制造较大屏幕的显示器。

图形显示器用于观察、修改图形，但是屏幕上的图形不可能长久地保存下来，在工程界还需要变成图纸或胶片用于生产，因此在计算机图形系统中还应该有绘图机这样的图形硬拷贝输出设备。象显示器一样，图形硬拷贝输出设备的发展也非常迅速，且种类繁多，它的发展动向正朝着高速度、高精度、高性能、大面积、低成本的方向发展。

2.1.2硬拷贝设备一、打印机打印机以两种方式：击打式或非击打式产生输出。击打式打印机隔着色带将某种格式的字符打在纸上。行式打印机是击打设备的例子，其字体装在带上、链上、鼓上或轮上。非击打式打印机和绘图仪用激光技术、喷墨技术、复印技术（照相拷贝）、静电方式和电热方式，把图像印在纸上。字符击打式打印机常常有一个点阵打印头，其中包含有一组矩形阵列结构金属针，针的总数决定着打印机的质量，单个字符或图案可用缩回某些针而让余下的针来打印。激光打印机结构图二、激光设备在激光设备里，激光束把要打印的图形写在感光鼓上，鼓再把这一图形转移到纸上。激光打印机的主要构成部分有感光鼓、炭粉、打底电晕丝和转移电晕丝。喷绘仪实物图三、喷墨设备喷墨法产生的输出，是沿包裹在鼓上的纸卷逐行喷墨水来实现的。在高压下墨水形成墨雾，充电荷的墨雾在电场控制下发生偏转，将墨雾喷印到纸上。静电绘图仪结构图

四、静电设备静电设备沿纸的宽度方向一次一整行地置负电荷于纸上，尔后，面对调色剂曝光。调色剂充以正电，被吸引到充以负电的区域，从而产生指定的输出。静电绘图仪分辨率可达200dpi，其速度比笔绘仪高，运行可靠，噪声小，但用纸特殊而价格昂贵。热升华打印机

五、电热式设备电热式利用点阵打印头的热度，在热感应纸上输出图案。平面电机式绘图仪结构图机械传动式绘图仪结构图

六、笔绘仪笔绘仪有一支或多支笔安装在横跨纸的笔架或滑杆上，各种彩色和不同粗细的笔用来绘制各种阴影和线型。与前面几种点阵硬拷贝设备不同，笔绘仪属于随机画线硬拷贝设备。笔绘仪的绘图速度取决于绘图笔移动的速度和加速度。这里，加速度和笔绘仪笔头的质量有关。2.2图形软件系统

硬件是实现绘图的必要条件，但要保证具有良好的信息处理能力、较高的绘图速度与精度、清晰美观的图形、操作使用方便，则必须有足够先进的软件支持系统。图形软件系统涉及：图形应用数据结构、图形应用程序、图形软件包及图形接口等内容。

一、图形应用数据结构图形应用数据结构实际上是一组图形数据文件，其中存储了欲生成图形对象的全部描述信息。这些信息包括对象的几何坐标数据，对象的颜色、线型（实线、虚线、点划线等）、纹理等属性，以及对象各部分之间连接关系的数据，有时还可能包括对象的某些专业属性，如：比重、价格、材料、高程、植被等。在计算机图形学中，根据这类信息的详细描述，生成对应的图形，并完成对这些图形的操作和处理。所以，图形应用数据结构是生成图形的基础。二、图形应用程序图形应用程序在整个图形软件系统中起着主控的作用。它一方面根据应用问题的要求，从应用数据结构中提取数据，调用图形包的相关子程序，完成作图或对图形进行各种处理；另一方面，它又接受操作员的输入信息，作出相应的反应（如修改或增删数据结构中的数据项，改变作图模式，重新作图等）；此外，它还包括用户界面的一些操作：菜单提示、文件存取、图形设备接口的调用、图形图像格式的转换、系统维护、信息提示、帮助等等，从而构成一个功能完整的图形软件系统环境。三、图形软件包图形软件包是图形软件的核心，它实际上是由许多图形子程序所组成。图形软件包在操作系统上建立了面向图形的输入、输出、生成、坐标变换、修改等功能命令，以及系统调用和定义标准，而且要求对用户透明，与