第2章 图形系统组成

第2章图形系统的组成,本章介绍计算机图形系统硬件及软件的组成原理，主要对组成图形系统的显示设备、硬拷贝输出设备作了介绍，重点讨论了目前应用较广的光栅扫描显示器，对构成图形系统的图形软件及图形软件标准也作了介绍。,第2章图形系统的组成,2.1图形系统的组成2.2图形输入设备2.3显示设备2.4光栅扫描显示系统2.5硬拷贝设备2.6图形软件及图形软件标准,2.1图形系统的组成,一、系统的组成计算机图形系统是计算机硬件（包括中央处理机、图形输入输出设备），以及软件（包括系统软件和图形软件）的集合。,计算机图形系统的结构,2.1图形系统的组成,二、系统的基本功能作为一个图形系统，至少应具有计算、存储、输入、输出、对话等五个方面的基本功能。,图形系统基本功能,输入,输出,2.1图形系统的组成,二、系统的基本功能1.计算功能实现设计过程中所需要的计算、变换、分析等功能。2.存储功能存放所设计的各种形体的几何数据及形体之间的相互关系，并可实现实时检索以及保存对图形的删除、增加、修改等信息。3.输入功能能将所设计形体的几何参数以及各种命令输入到系统中去。,2.1图形系统的组成,二、系统的基本功能4.输出功能能在显示屏幕上显示出设计过程当前的状态，经过删、增、改后的结果，且能通过绘图仪、打印机等设备实现拷贝输出。5.对话功能应能通过图形显示器及其他人机交互设备直接进行人机通信。利用定位、拾取等手段，输入或获取各种参数，同时应能领会人的意图，接收各种命令，实现删、增、改等操作，并能观察设计结果。,2.2图形输入设备,图形输入设备可将用户的图形数据及各种命令等转换成电信号。用最通常的输入设备：键盘、鼠标，配合CRT显示器即可组成简易的交互式图形系统。但高性能交互式图形系统还可配备其它图形输入设备。图形输入设备从逻辑上分为6种，见下表。实际的图形输入设备往往是某些逻辑输入功能的组合。,2.2图形输入设备,逻辑设备：是指按照逻辑功能定义的设备，并非具体的物理设备。一种逻辑设备对应于一种或一类特定的物理设备，而实际的物理设备又往往是某些逻辑输入功能的组合,2.2图形输入设备,1.鼠标器是一种移动光标和做选择操作的计算机输入设备，除了键盘外，它已成为我们使用计算机的主要输入工具。随着“所见即所得”环境越来越普及，使用鼠标器的机会也就越来越多。基本工作原理：当移动鼠标器时，它把移动距离及方向的信息变成脉冲送给计算机，计算机再把脉冲转换成鼠标器光标的坐标数据，从而达到指示位置的目的。鼠标分类：可分为光电式、光机式和机械式三种,2.2图形输入设备,2.光笔由光笔检测到屏幕的光信号，然后传输给计算机，从而达到输入的目的。3.触摸屏是一种对于物体触摸能产生反应的屏幕。当人的手指或其他物体触摸到屏幕不同位置时，计算机能接收到触摸信号并按照软件要求进行相应的处理。触摸输入有光学的（红外线式）、电子的（电阻式和电容式）和声学的（声表面波式）。精度最高的属声学的。,2.2图形输入设备,基本工作原理：采用电磁感应技术，通常在一块布满金属栅格的绝缘平面板上放置一个可移动的定位设备，当有电流通过该定位设备上的电感线圈，便会产生相应的磁场，从而使其正下方的金属栅格上产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出定位设备当前所处的几何位置。将这种位置信息，以坐标的形式传送给计算机，就实现了数字化的功能。,4.坐标数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式专用设备。,2.2图形输入设备,4.坐标数字化仪标准的坐标数字化仪有两个主要部分：（1）坚固的、内部有金属栅格阵列的图板，在它上面对图形进行数字化（2）定位器，由它提供图形的位置信息坐标数字化仪的主要性能指标有如下几项：（1）最大有效幅面：能够有效进行数字化操作的最大面积（2）数字化的速率：由每秒几点到每秒几百点，大多采用可变方式，可由用户选择（3）最高分辨率：指数字化仪的输出坐标显示值增加1的最小可能距离，一般为每毫米几十线到几百线之间,2.2图形输入设备,5.图形扫描仪图形扫描仪是直接把图形（如工程纸图）和图像（如照片、广告画）扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储的设备。,CCD扫描仪的工作原理：用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到电荷耦合器件上，再经过模/数转换器、图像数据暂存器等，最终输入到计算机。,2.3显示设备,图形显示设备是计算机图形学中必不可少的装置。大部分图形显示器的核心是阴极射线管（CRT）。2.3.1刷新式阴极射线管2.3.2彩色阴极射线管2.3.3随机扫描显示器2.3.4光栅扫描显示器2.3.5液晶显示器2.3.6等离子显示器,2.3.1刷新式阴极射线管,组成：包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理：电子枪发射电子束，经过聚焦系统、加速电极、偏偏转系统，轰击到荧光屏的不同部位，被其内表面的荧光物质吸收，发光产生可见的图形。结构,2.3.1刷新式阴极射线管,1.电子枪电灯丝，阴极和控制栅组成。阴极：由灯丝加热发出电子束，控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。,2.3.1刷新式阴极射线管,2.聚焦系统通过电场和磁场控制电子束，“变细”，保证亮点足够小，提高分辨率3.加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。,2.3.1刷新式阴极射线管,4.偏转系统控制电子束，静电场或磁场，产生偏转，最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。,2.3.1刷新式阴极射线管-5.荧光屏,荧光物质：吸收电子束而发光持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值1/10所需的时间刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数像素(Pixel:PictureCell)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等,一个CRT能显示不同颜色的图形是通过把发生不同颜色的荧光物质进行组合而实现的。产生彩色的常用方法：射线穿透法、影孔板法射线穿透法原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色应用：主要用于画线显示器优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色,2.3.2彩色阴极射线管,2.3.2彩色阴极射线管,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,影孔板法原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置,影孔板的类型点状影孔板代表：大多数球面与柱面显像管栅格式影孔板代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管沟槽式影孔板代表：LG的Flatron显像管,2.3.2彩色阴极射线管,2.3.2彩色阴极射线管,电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应,点状影孔板工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近-像素）三支电子枪,如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统,调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。,2.3.3随机扫描显示器,在随机扫描方式下，电子束只射向屏幕上要显示画面的部分。电子束可在屏幕上任意两个随机寻址点间画出一条直线（矢量），用直线可组成各种画面，因此，随机扫描显示器又称为矢量显示器。,随机扫描显示器的工作原理示意图,2.3.4光栅扫描显示器,特点：在光栅扫描方式下，电子束扫过整个屏幕，形成一幅光栅，然后控制光栅上各点亮度的方法形成显示画面扫描线：从左至右扫过一行称为一条扫描线帧：由上而下扫描全屏称为一帧扫描方式：逐行扫描：目前主要采用该种方式隔行扫描：光栅从上到下分两场隔行扫过屏幕，首先显示偶数行的场，然后显示奇数行的场,2.3.4光栅扫描显示器,绘图过程,2.3.5液晶显示器,主要应用于：计算器及轻便式、折叠式计算机。机理：通过能阻塞或传递光的液晶材料，传递或阻塞来自周围的或内部光源的偏振光。液晶是一种规则性排列的有机化合物，它是一种介于固体和液体之间的物质，目前一般采用的是分子排列最适合用于制造液晶显示器的nematic细柱型液晶。液晶本身并不能构发光，它主要是通过因为电压的更改产生电场而使液晶分子排列产生变化来显示图像。应用基础：具有线状结晶结构的分子可象液体那样流动，即液晶分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、温度、应力等外部条件作用时，液晶分子会重新排列。基于液晶光学各向异性的各种特性也随着变化。,2.3.5液晶显示器,基本技术指标：（1）可视角度能看到清晰图像的最大角度称为可视角度，一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。（2）点距和分辨率点距两个液晶颗粒（光点）之间的距离，一般点距在0.280.32mm之间就能得到较好的效果.分辨率就是指其真实分辨率,比如1024*768的含义就是指该液晶显示器含有1024*768个液晶颗粒,2.3.5液晶显示器,CRT显示器的特点：亮度高，对比度好，分辨率高和色彩鲜艳并丰富。缺点是体积大、厚与笨重。液晶显示器的特点：器件薄，面积可大可小，重量轻，特别适合便携式计算机使用，缺点是分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。,CRT显示器与液晶显示器的比较:,2.3.6等离子显示器,等离子显示器又称为电浆显示器，是继CRT显示器、LCD后的新一代显示器，其特点是极薄（不到100mm），分辨率佳。等离子显示技术的优点：（1）可以制造出超大尺寸的平面显示器（2）没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到160度以上基本原理等离子显示屏是一种利用气体放电的显示装置，这种屏幕采用了等离子管作为发光元件。大量的等离子管排列在一起构成整个全屏幕。每个等离子管作为一个像素，每个像素由三种不同颜色的发光体组成红、绿、蓝。由这些像素的明暗和颜色组合变化产生各种灰度和色彩的图像，这与CRT的原理很相似。,2.3.6等离子显示器,2.3.6等离子显示器,内部结构,2.3.6等离子显示器,主要特点：与CRT相比1.不会出现CRT显像管常见的图像几何畸变的现象2.不受磁场的影响3.消除了CRT显像管某些区域聚焦不良或使用时间过长后会开始聚焦的毛病。4.不会产生CRT显像管的色彩漂移现象5.高亮度、大视角、全彩色和高对比度,2.3.6等离子显示器,主要特点：与LCD液晶显示器相比亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对快速变化的画面响应速度快等。视野开阔，视角宽广，能提供格外亮丽、均匀平滑的画面和前所未有的更大观赏角度。等离子显示器弱点：1.它的表面不能承受太大或太小的大气压力，更不能承受意外的重压。2.每一个象素都是独立地自行发光的，耗电量大。,中,低,低,价格,好,中,好,亮度,中,中,丰富,色彩,中,一般,大,视角,好,一般,中,分辩率,中,好,一般,平面度,中,小,大,屏幕,中,小,大,功耗,等离子显示器,液晶显示器LCD,阴极射线管CRT,性质,2.4光栅扫描显示系统,随机扫描显示器的缺点：1.不易绘制填充图形2.刷新过程取决于显示文件的大小和复杂程度光栅显示器的优点：1.易于进行图形填充2.具有固定的光栅扫描及刷新次序及周期3.控制部件较为简单，成本低,2.4光栅扫描显示系统,2.4.1光栅扫描显示系统的基本工作原理2.4.2光栅扫描显示系统的组成,2.4.1光栅扫描显示系统的基本工作原理,光栅扫描显示系统的基本组成：,1.帧缓冲存储器简称为帧缓存或显存，它是屏幕所显示画面的一个直接映像，又称为位映射图或光栅。帧缓存的每一存储单元对应屏幕上的一个象素，整个帧缓存则对应一帧图像。2.显示处理器图形显示系统一般要在一个以上的处理器控制下工作。它要显示的图形一般均以图形命令的形式存放在主机的应用程序中。用显示处理器可把应用程序中的图形命令翻译成为存储在帧缓存中的象素亮度值。,2.4.1光栅扫描显示系统的基本工作原理,3.视频控制器视频控制器是完成CRT屏幕上图形刷新显示的部件，它可以把帧缓存上存储的亮度值代码转换为控制光栅上相应象素亮度的模拟电压，以便在扫描过程中显示出帧缓存中的图形。,帧缓存中的单元与象素的对应关系,2.4.2光栅扫描显示系统的组成,帧缓存：即为内存中的一块连续的存储区域，视频控制器：可直接从该区域取出颜色代码以刷新光栅；CPU：完成图形应用程序转换为帧缓存中颜色代码的扫描变换。,2.4.2光栅扫描显示系统的组成,帧缓存：既可以是专用的存储器，也可以是内存中的一块固定的区域,2.4.2光栅扫描显示系统的组成,显示处理器：完成扫描变换，甚至更为复杂的任务。可编程使用显示处理器的专用存储器：可存放显示处理器运行时的中间数据等,2.4.2光栅扫描显示系统的组成,PC机的光栅扫描系统均由两个部分组成：1.显示适配器又称为显卡，它包含帧缓存及显示控制器等对图形显示进行存储控制的部分。2.显示器包含扫描电路、CRT电源，它本身即可在扫描发生器控制下在CRT上产生光栅。,2.5硬拷贝设备,2.5.1打印机2.5.2绘图仪,图形显示设备只能再屏幕上产生各种图形，但在计算机图形学中还必须把图形画在纸上，以便可永久保存，常用的图形绘制设备也称之为硬拷贝设备。,2.5.1打印机,一、喷墨打印机喷墨式打印机既可用于打印文字又可用于绘图。喷墨打印机的关键部件是喷墨头。目前，常用的喷墨头有：（1）压电式使用压电器件替代墨水泵的压力,根据印字、图的信息对压电器件作用电压，压迫墨水喷成墨滴进行印字印图。（2）气泡式对发热体加电使墨水受热而产生气泡，随着温度的升高气泡膨胀，将墨水挤出喷嘴进行印字印图。（3）静电式采用高沸点的油性墨水，利用静电吸引力把墨水喷在纸上（4）固体式采用固体墨，有96个喷嘴,2.5.1打印机,二、激光打印机激光打印机也是一种既可用于打印字符又可用于绘图的设备，主要有感光鼓、上粉盒、打底电晕丝和转移电晕丝组成激光打印机工作步骤：1.感光鼓表面带上电荷2.将激光点反射到感光鼓上3.在感光鼓上形成将要打印的炭粉图像4.在打印纸上形成炭粉图像5.产生永久图像,2.5.2绘图仪,一、笔式绘图仪1.滚筒式绘图仪体积小，价格低，精度中等，但图纸被滚筒反复拖动，会错位而形成废图。,2.5.2绘图仪,一、笔式绘图仪2.平台式绘图仪采用静电吸附、真空吸附、磁条压铁等方式固定纸张，机械运动减少，精度得到提高，但墨水的堵塞和拖笔问题，也会造成废图。,2.5.2绘图仪,二、喷墨绘图仪1.抛弃了传统的用笔绘图的模式，其绘图速度比笔式快得多（可高20倍），有单色和彩色两种，精度可达300600DPI，可绘制0.08mm的细线2.可选择上百种颜色和阴影3.可使用各种纸张：普通纸、证券纸、羊皮纸、半透明纸等4.有4MB以上的缓存，有足够的空间对多个图表进行排列,2.5.2绘图仪,三、静电、热敏、热蜡转印绘图仪1.采用了高新技术2.热蜡转印绘图仪更具代表性装配8条热蜡色带，采用CMYK混色印刷技术，输出的颜色可达16万多种，支持Postscript语言和TIFF,TARGA等多种图像格式，可以直接绘制扫描图片，操作简单，耗材成本低。,2.6图形软件及图形软件标准,2.6.1图形软件的层次结构及功能2.6.2图形软件标准,图形系统中的硬设备要在图形软件的驱动下才能工作。图形软件一般使用现有的高级语言编写或把现有的高级语言的功能加以扩充，或者设计专用的图形生成语言。为了使编写的程序有较好的可移植性，且不重复编写同样的图形程序，出现了多种商用图形软件包。,2.6.1图形软件的层次结构及功能,一个完善的图形软件包能实现输出及交互输入设备管理、基本图形元素的绘制、图形的变换及处理功能，它常常是在计算机的多个层次上实现的。图形软件的层次有：（1）最内层：解决图形设备与计算机的通信问题即各种设备的驱动程序，常用汇编语言或效率较高的高级语言编写，是操作系统设备管理程序的一部分，多由硬件设备厂商提供。（2）外层：用某种语言编写的图形元素绘制、变换、处理的程序是图形软件包的核心部分，常可在不同的机器上移植，以提高图形软件包的生命期。,2.6.1图形软件的层次结构及功能,图形软件包中一般均具有丰富的建立及变换图形的功能：（1）输出图元a）是构成画面的基本单位。b）包括字符串及几何图元；c）生成图元的子程序是画面的基本工具（2）图元属性可用来描述输出图元的特性，如指定图元的亮度、色彩、线型、文本类型及区域填充图案等。（3）图形结构a)画