1、第1章绪论1.1计算机图形学概述计算机图形学概述1.2计算机图形学的发展史计算机图形学的发展史1.3计算机图形学的应用计算机图形学的应用1.4计算机图形学的研究方向计算机图形学的研究方向1.1 计算机图形学概述计算机图形学概述计算机图形学(Computer Graphics,CG)是研究使用计算机输入、表示、处理和显示图形的原理、方法及硬件设备的一门学科。国际标准化组织(ISO)把它定义为:计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形,并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。美国电气和电子工程协会(IEEE)把它定义为:计算机图形学是借助计算机产生图形图像的艺术和科学。美国的James
2、 Foley把它定义为:计算机图形学运用计算机产生、存储、处理物体的物理模型和它们的画面。德国的Wolfgang K Giloi把它定义为:计算机图形学=数据结构+图形算法+语言。另外,按照不同的使用设备和系统,还有所谓的交互式计算机图形学和光栅图形学的概念。前者是指利用键盘、鼠标、光笔等人机交互设备,对计算机产生的图形的内容、形式、大小、颜色等进行动态控制；后者是指所显示的图像是由按行和列排列的像素阵列组成的。容易与计算机图形学的概念混淆的是图像处理。随着学科的发展,图形和图像已经没有明确的界限了。计算机图形学的主要目的是由数学模型生成真实感图形,其结果本身就是数字图像。当然,图形有别于对实
3、物拍摄或捡取的照片。图形是运算形成的抽象产物,而图像是直接量化的原始信号形式。它们的定义及区别如下：图形(graphics):计算机中由场景的几何模型和景物的物理属性表示的图形,它强调场景的几何表示,记录图形的形状参数与属性参数。它的显示形式是基于线条信息的矢量图和基于明暗处理后的图像图。图像(image):计算机中以具有颜色信息的点阵所表示的图形,它强调图形由哪些点组成,记录点及其灰度或色彩。计算机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形。也就是说,图形是人们通过计算机设计和构造出来的,不是通过摄像机或扫描仪等设备输入的图像。计算机所设计和构造的图形可以是现实世界中已
4、经存在的物体的图形,也可以是完全虚构的物体。长期以来,计算机图形学、图像处理、模式识别和计算几何四个技术领域密切相关。图1-1概括了它们之间的关系。图1-1 计算机图形学、图像处理、模式识别和计算几何之间的关系图像处理:对图像进行分析、加工和处理,使其满足视觉、心理以及其他要求的技术。图像处理中,输入的是质量低的图像,输出的是质量改善后的图像。常用的图像处理方法有图像变换、图像增强、图像复原、图像编码压缩等。模式识别:对所输入的图像进行分析和识别,找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型的技术，如邮政分检设备、地形地貌识别等。计算几何：研究几何模型和数据处理的学科,是讨论几何形体的计算机表示、分析和综
5、合的技术。计算机图形学的研究内容涉及用计算机处理图形信息的硬件和软件两方面的技术,主要是围绕着生成的图形图像的准确性、可靠性、高效性、真实性和实时性的基础算法,大致可以分为以下4类。(1)图形的输入:研究如何输入图形或图形数据到计算机中。(2)图形的表示:研究如何在计算机内存和外存中表达和存储图形。(3)图形的处理:研究如何将某种形式表达的图形转换成另一种表达形式。(4)图形的显示与输出:研究如何将计算机中以某种形式表达的图形生成可见的图像。图形的底层结构是点、线、面的基本形态要素及其组合。由于点是表示图形的基本元素,因此图形算法就是说明如何把点有机地组织起来。图形数据包括形体几何元素(点、线
6、、面)之间的连接关系以及各种属性信息。图形处理的数据和图形显示的数据不同,通常图形显示的数据只是整个图形处理数据的某些部分、视图或画面。图形处理包括对图形数据进行旋转、平移、缩放等几何变换,以及各种投影变换。在生成最终图形之前,往往还需要消除隐藏线和隐藏面,以及进行明暗、阴影、透明、纹理或色彩等处理。综上所述,我们把从几何模型和数据转变为图形的过程概括为:建立物体模型存储该模型产生物体图像对该图像进行操作、修改、完善。1.2 计算机图形学的发展史计算机图形学的发展史20世纪50年代,计算机图形学处于萌芽阶段。20世纪60年代,计算机图形学处于发展阶段。20世纪70年代,计算机图形学处于推广应用
7、阶段。20世纪80年代,计算机图形学处于系统实用化阶段。20世纪90年代以来,计算机图形学进入标准化、集成化、智能化阶段。1.3 计算机图形学的应用计算机图形学的应用1.计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)由于设计周期短、成本低、质量高,CAD/CAM是计算机图形学的一个最广泛、最活跃的应用领域,如飞机、汽车、船舶、宇宙飞船、计算机、大规模集成电路、民用建筑、服装等设计。2.科学计算可视化科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术,将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来,并进行交互处理的理论、方法和技术。3.虚拟现实虚拟现实也称虚拟实境,是一种可以创建和体
8、验虚拟世界的计算机系统,它利用计算机技术生成一个逼真的,具有视、听、触等多种感知功能的虚拟环境。4.计算机艺术现在的美术人员,尤其是商业艺术设计人员都热衷于用计算机软件从事艺术创作。可用于美术创作的软件很多,如二维平面的画笔程序(CorelDraw、PhotoShop、PaintShop)、专门的图表绘制软件(Visio)、三维建模和渲染软件包(3DMAX、Maya),以及一些专门生成动画的软件(Alias、Softimage)等,可以说是数不胜数。5.用户接口用户接口是人们使用计算机的第一观感。一个友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性。在DOS时代,计算机的易用性很差,编写一个图形
9、化的界面要花费大量的时间和精力,过去的软件中有60的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。1.4 计算机图形学的研究方向计算机图形学的研究方向1.计算机辅助设计与制造随着网络技术、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展,使得人们对产品设计过程有了更深的认识,对设计思维的模拟达到新的境界。计算机辅助设计将朝着多元化、优化、一体化的方向发展,人机交互方式更加自然,创新设计的手段更为先进、有效。2.虚拟现实虚拟现实技术是一项发展中的高度集成的技术,涵盖了计算机软/硬件、传感器技术、立体显示技术等，其研究内容大体上可分为技术本身的研究和技术应用的研究两大类。根据虚拟现实技术所倾向的特征的不
10、同,目前虚拟现实系统主要划分为四个层次，即桌面式、增强式、沉浸式及网络分布式。纵观多年来的发展历程,虚拟现实技术的未来研究仍将遵循“低成本、高性能”这一原则,从软、硬件的发展上展开，其主要研究方向有:(1)动态环境建模技术。(2)实时三维图形生成和显示技术。(3)新型交互设备的研制。(4)大型网络分布式虚拟现实的应用。3.计算机动画在全球图形学的盛会Siggraph上,几乎每年都有计算机动画的专题,其研究方向主要有:(1)动画自动生成技术。(2)可视化与虚拟现实进展。4.科学计算可视化科学计算可视化虽然是近年来才发展起来的,但它的研究进展很快,已取得了一些研究成果,其研究方向主要有:(1)可视
11、化变量的研究。(2)可视化时空模型的研究。(3)符号系统的研究。(4)心理学和认知科学的研究。(5)非空间数据可视化处理的研究。第2章计算机图形系统2.1计算机图形系统的组成、计算机图形系统的组成、功能及分类功能及分类2.2图形设备图形设备2.3图形软件图形软件2.1 计算机图形系统的组成、计算机图形系统的组成、功能及分类功能及分类1.图形系统的组成计算机图形系统应由硬件设备及相应的程序系统(即软件)两部分组成。严格说来,用户也是系统的组成部分。交互系统是人与计算机及图形设备协调运行的系统,并且人始终处于主导地位。2.图形系统的功能作为一个图形系统,至少应具有计算、存储、输入、输出、对话等五方
12、面的基本功能,各功能的关系如图2-1所示。图2-1 图形系统基本功能框图图形系统的各功能介绍如下：(1)计算功能:包括图形的描述、分析和设计;图形的平移、旋转、投影、透视等几何变换;曲线、曲面的生成;图形之间相互关系的检测等。(2)存储功能:图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系,并能快速、方便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。(3)输入功能:通过图形输入设备可将基本的图形数据(如点、线等)和各种绘图命令输入到计算机中,从而构造更复杂的几何图形。(4)输出功能:图形数据经过计算后可在显示器上显示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
13、输出,以便长期保存。(5)对话功能:用户可通过图形显示器及其他人机交互设备直接进行人机通信,可以通过显示器观察设计结果和图形,用选择拾取设备对不满意部分作出修改。系统还可追溯以前的工作步骤,对用户操作执行的错误给予必要的提示和跟踪。3.图形系统的分类1)以大型机为基础的图形系统该系统以大型机为主机,具有容量庞大的存储器和极强的计算机功能。系统配有若干台功能较强的高分辨率图形显示器,高速度、高精度、大幅面的绘图机,大幅面的数字化仪及硬拷贝机。该系统所用软件往往是自行开发的(尚无通用的)且仅限内部使用。2)以中型机或超级小型机为基础的图形系统(20世纪70年代后期)该系统主要是以32位超级小型机作
14、为系统核心,配有大容量(硬盘)内存和外存,高分辨率显示器、一台大幅面绘图仪和大幅面数字化仪。3)以图形工程工作站为基础的图形系统该系统的主要配置有:CPU至少为四核(频率在2 GHz以上),有条件的可配多处理器;内存至少为2 GB,最好选用4 GB以上;硬盘容量应大于146 GB,硬盘的控制接口最好采用SAS或SSD接口,以加快存取速度并减少CPU的占用时间;配有专业图形加速卡;24寸以上专业型图形显示器,点距要在0.24 cm,分辨率为16001050以上;工程图扫描输入设备及矢量化软件系统。4)以微型机为基础的图形系统该系统中，以高档微机为基础,除配上一般的I/O外设外,为提高图形设计计算
15、速度,往往还应配置一些专用硬件。2.2 图图 形形 设设 备备2.2.1 图形输入设备图形输入设备1.键盘键盘是计算机中使用最普遍的输入设备,它一般由按键、导电塑胶、编码器以及接口电路等组成。键盘上通常有上百个按键,每个按键负责一个功能,当用户按下其中一个键时,键盘中的编码器能够迅速将此按键所对应的编码通过接口电路输送到计算机的键盘缓冲器中,由CPU进行识别处理。当用户按下某个键时,它会通过导电塑胶将线路板上的这个按键排线接通以产生信号,产生的信号会迅速通过键盘接口传送到CPU中。计算机键盘的功能就是及时发现被按下的键,并将该按键的信息送入计算机。键盘中有发现下按键位置的键扫描电路,产生被按下
16、键代码的编码电路,将产生代码送入计算机的接口电路,这些电路统称为键盘控制电路。依据键盘工作原理,可以把计算机键盘分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘的键盘控制电路的功能完全依靠硬件自动完成,能够自动将按下键的编码信息送入计算机,响应速度快,但它以复杂的硬件结构为代价,而且其复杂性会随着按键功能的增加而增加。非编码键盘的键盘控制电路的功能要依靠硬件和软件共同完成,它的响应速度不如编码键盘快,但它可通过软件为键盘的某些按键重新定义,为扩充键盘功能提供了极大的方便,因此,得到了广泛的使用。与编码键盘不同,非编码键盘并不直接提供按键的编码信息,而是用较为简单的硬件和一套专用程序来识别按键的位置。2.鼠标
17、器鼠标器是一种移动光标、定位和做选择操作的计算机输入设备。除键盘外,它是目前使用最广泛的计算机输入装置。鼠标器的基本工作原理是:当移动鼠标器时,鼠标器中的译码器把移动的距离和方向信息变成脉冲信号送入计算机。计算机再把脉冲信号换算成鼠标器的坐标数据,从而达到指示位置的目的。市场上的鼠标有光电与机械、有线和无线、普通与人体工程学之分。按鼠标工作原理,可将其分为机械式鼠标、光电式鼠标、无线遥控式鼠标等;按照按键的数目,可分为两键鼠标、三键鼠标及滚轮鼠标等;按照接口类型,可分为PS/2接口、串行接口、USB接口的鼠标。鼠标的主要性能指标有:分辨率。该值越大,鼠标越灵敏,定位也越精确。使用寿命。一般说来
18、,光电式鼠标比机械式鼠标寿命长。响应速度。鼠标响应速度越快,意味着在快速移动鼠标时,屏幕上的光标能做出及时的反应。抗震性。要选择外壳材料比较厚实、内部元件质量较好的鼠标。3.数字化仪数字化仪的主要技术指标有:有效面积,是数字化仪上电磁感应板的面积,即用户可以在多大的面积上用光笔(或其他输入笔)进行绘图。有效面积越大,绘图的扩展余地也就越大,当然由于使用的电磁感应板的面积扩大,价格自然也就随之上升了。精度,是光笔在数字化仪的电磁感应板上可以表现出的最小的精确度。精度越高,绘制出的图形也就越精准。不过目前由于计量单位不同,因此有的产品是用英寸来标识的,有的是以毫米作为标识的,选购时应该注意一下。分
19、辨率,是指数字化仪可以将被绘制对象每英寸上可以被表示成的点数,点数值越大,绘制出的效果也就越好。目前数字化仪的分辨率都已经达到了2000线以上,如果小于这个值的话则是淘汰的产品。重复精度,也称为最大精度,是指数字化仪在同一区域内,重复的绘制输入的精确度。这个指标同样使用英寸或毫米来标识。一般来说,目前数字化仪的重复精度在0.5英寸(或12.7 mm)左右。波特率,是网络中经常使用的一个技术指标,在这里则是指数字化仪和计算机系统交换、传输的速度。它是指每秒钟设备或网络之间能够传输的二进制信息位数。数据传输速率,虽然波特率表示了数字化仪的传输速度,但是设备之间数据的交换往往是成组传输的,因此在波特
20、率提高的情况下,每秒钟数据能够传输的组数也就成为影响数据传输的主要因素。输出格式,对于数字化仪来说,在应用中可能会遇到各种各样的软硬件系统,因此支持的输出格式越多越好,如果太少,则可能会造成操作中的局限性。4.光笔光笔是一种铅笔状的光检出器,亦称“光枪”,具有选图和跟踪两种基本功能。选图(又称标定或指点)是对显示器上已显示的图形或字符进行加工处理;跟踪是用光笔拖动光标实现定位,可用于图形编辑。光笔的形状和普通钢笔相似光笔,它由透镜组、光导纤维、光电元件、放大整形电路和接触开关组成,如图2-2所示。图2-2 光笔的结构组成示意图 光笔的工作过程是:将光笔对准阴极射线管的显示屏,在光笔指点处的光点
21、被光笔感受后,将光信号转换成电信号,经放大传入计算机;通过程序翻译,便可使计算机迅速知道光笔指点处所显示的数据,以及如何对它进行处理。5.图形扫描仪扫描仪的工作过程是:将光线照射在扫描的材料上,光线反射回来后由电荷耦合器件(CCD)等光敏元件接收并实现光电转换,转换成为用1和0的组合表示的数字信息,之后控制扫描仪操作的扫描仪软件读入这些数据,并重组为计算机图像文件。扫描仪的技术指标有:分辨率:表示扫描仪对图像细节上的表现能力,即决定了扫描仪所记录图像的细致度,其单位为dpi(dots per inch)。通常用每英寸长度上扫描图像所含有像素点的个数来表示。目前大多数扫描的分辨率在3002400
22、 dpi之间。dpi数值越大,扫描的分辨率越高,扫描图像的品质越好,但这是有限度的。如对于丝网印刷应用而言,扫描到6000 dpi就已经足够了。灰度级:表示图像的亮度层次范围。级数越多,扫描仪图像亮度范围越大、层次越丰富,目前多数扫描仪的灰度为256级。256级灰阶中以真实呈现出比肉眼所能辨识出来的层次还多的灰阶层次。色彩数:表示彩色扫描仪所能产生颜色的范围,通常用比特位(bit)表示。bit是计算机中最小的存储单位,以0或1来表示比特位的值,越多的比特位数可以表现越复杂的图像信息。例如常说的真彩色图像指的是每个像素点由三个8 bit的彩色通道所组成即24位二进制数表示,将红、绿、蓝通道结合，
23、可以产生224=16.67 M(兆)种颜色的组合,色彩数越多,扫描图像越鲜艳真实。扫描速度:它与分辨率、内存容量、软盘存取速度以及显示时间、图像大小有关,有多种表示方法,通常用指定的分辨率和图像尺寸下的扫描时间来表示。扫描幅面:表示扫描图稿尺寸的大小,常见的有A4、A3、A0幅面等。6.触摸屏1)电子触摸屏电子触摸屏是将一个两层导电和高透明度的物质做的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上,再装到屏幕上;或直接将涂层涂到屏幕上。两个透明涂层之间约有0.0025 mm的距离,当手指触到屏幕时,在接触点产生一个电接触,使该点处的电阻发生变化。通过测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。2)光学触摸屏光学触摸屏利
24、用红外线和光电转换原理制成。在与屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直边框上各安装均匀密布的红外线发送器和接收器。使用时,把框架安装在屏幕四周,用手指在屏幕上点一下,在指点处障碍物挡住了一条垂直红外线和一条水平红外线,相应的两个红外线接收器发出电信号,根据发出信号的接收器所在位置可知障碍物所在点坐标,将坐标值送入计算机进行处理。3)声学触摸屏声学触摸屏由发射器、反射器和触摸屏等组成,其中发射器和反射器一起工作。声源发射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地发射高频声波脉冲,当用手指触摸屏幕时,有一部分声波被反射回声源处,通过计算声波脉冲从发射到反射回声源发射器的时间间隔,来确定手指的位置。7.数据手套、跟踪
25、定位器和空间球数据手套是一种多模式的虚拟设备。通过软件编程,可进行虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等动作,也可以利用它的多模式性,用作一种控制场景漫游的工具。在虚拟装配和医疗手术模拟中,数据手套是不可缺少的一个组成部分。跟踪定位器是虚拟现实系统中用于空间跟踪定位的装置,一般与其他虚拟现实设备结合使用,如数据头盔、立体眼镜、数据手套等,使参与者在空间上能够自由移动、旋转,不局限于固定的空间位置,使操作更加灵活、自如、随意。定位器有六个自由度和三个自由度之分。空间球是虚拟现实应用中的另一重要的交互设备。它用于六个自由度虚拟现实场景的模拟交互,可从不同的角度和方位对三维物体观察、浏览、操纵；也可作为
26、三维鼠标来使用;并可与数据手套或立体眼镜结合使用,作为跟踪定位器;还可单独用于CAD/CAM。2.2.2 图形显示设备图形显示设备图形显示设备是计算机图形学中的关键设备,经历了多个发展阶段,先后出现了随机扫描显示器、存储管式显示器、光栅扫描显示器、平板显示器等。1.光栅扫描显示器光栅扫描显示器是基于阴极射线管(Cathode Ray Tube,CRT)设计的。CRT是一种真空器件,由电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统和荧光屏组成,其原理是将电磁场产生的高速且经过聚集的电子束,偏转到屏幕的不同位置,轰击屏幕表面的荧光材料,从而产生可见图形。图2-3给出了阴极射线管的原理示意图。图2-3 阴极射
27、线管原理示意图电子枪的主要元件是灯丝、阴极和控制栅极。通过给灯丝的线圈加电来加热阴极,引起受热的电子从阴极表面“沸腾出”。电子束的强度由设置在控制栅极上的电压电平控制。控制栅极是一金属圆筒,紧挨着阴极安装。若在控制栅上加高负压,则挡住电子,截断电子束,使之停止从控制栅极末端的小孔通过。聚焦系统用来控制电子束,在轰击荧光屏时会聚到一个小点。否则由于电子互相排斥,电子束在靠近屏幕时会散开。聚焦既可以用电场实现(静电聚焦),也可以用磁场实现(磁场聚焦)。加速阳极带有高的正电压,使聚集后的电子束高速运动,达到轰击激发荧光屏应有的速度。偏转系统利用电场或磁场控制电子束的偏转,以达到指定位置。CRT通常配
28、备两对磁偏转线圈,一对放在CRT颈部的水平位置,另一对放在垂直位置。一对线圈实现水平偏转,一对实现垂直偏转。很明显,如果电子束要到达屏幕的边缘时,偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角。屏幕越大,要求的最大偏转角度就越大。荧光屏上涂有荧光物质,能够吸收电子束的动能而发光。在高速电子的轰击下,荧光物质会吸收到能量,从低能态变为高能态。CRT采用的荧光层有不同类型。除了颜色外,这些荧光层之间的主要差异是它们的余辉时间,即CRT电子束移走后,荧光屏继续发光多长时间。余辉时间的定义:从屏幕发光到衰减为其原光亮度1/10的时间。较短余辉时间的荧光屏需要较高的刷新速率来保持图形不闪烁,
29、主要用于动画;而长余辉时间的荧光层则用于显示高复杂程度的静态图形。通常采用的余辉时间为1060 s的材料。分辨率是一个非常重要的性能指标。它指的是屏幕上水平和垂直方向所能够显示的点数(屏幕上显示的线和面都是由点构成的)的多少。分辨率越高,同一屏幕内能够容纳的信息就越多。对于一台能够支持12801024分辨率的CRT来说,无论图像像素是320240还是12801024,都能够比较完美地表现出来(因为电子束可以做弹性调整)。光栅扫描式显示器是画点设备,可看成一个点阵单元发生器,并可控制每个点阵单元的亮度。它将整个屏幕分成mn个像素,图形由各个不同亮度的像素组成。CRT的水平和垂直偏转线圈分别产生水
30、平和垂直磁场,电子束在不同方向磁场力作用下进行行和列扫描。电子束在CRT的屏幕上形成的一条条的水平或垂直扫描线,称为光栅。光栅扫描中,电子束的偏转方式是固定的,从屏幕左上角的第一条扫描线开始,从左到右,从上到下,直至最后一条扫描线即右下角,从而完成一帧的扫描。在每条扫描线末端,电子束返回到屏幕的左边,又开始显示下一条扫描线,称为电子束的水平回扫(Horizontal Retrace)。在每帧的终了,电子束返回到屏幕的左上角,开始下一帧,称为垂直回扫(Vertical Retrace)。为了得到稳定的画面,光栅扫描显示器要不断地刷新屏幕,也即要定时地把一帧画面的每个像素的值从帧缓存中取出,不管多
31、简单的图形,每次都要扫遍全帧。每秒扫描的帧数被称为帧频或刷新频率,用单位Hz来描述。如果刷新速率是 75 Hz,表示每秒扫描75帧。大约达到每秒60帧即60 Hz时,人眼才能感觉到屏幕不闪烁。要使人眼觉得舒服,屏幕一般必须有85 Hz以上的刷新频率。有些扫描速度较慢的显示器,为了能得到好的显示效果,采用一种叫隔行扫描的技术。首先从第0行开始,每隔一行扫描,将偶数行都扫描完毕垂直回扫后,电子束从第1行开始扫描所有奇数行。这样的技术相当于将扫描频率加倍,比如逐行扫描30 Hz,人们会觉得闪烁;但是同样的扫描频率,如果用隔行扫描技术人们就不会觉得闪烁。当然这样的技术和真正逐行60 Hz的效果还是有差
32、距的。荫罩法用于彩色光栅扫描系统,如图2-4所示。对应每个像素位置,紧靠荧光涂层的荧光屏后有三个荧光点,按三角形排列:一个点发红光,一个发绿光,一个发蓝光。同时,有三支电子枪,分别与这三个荧光点对应。三支电子束被加速、聚焦、偏转,形成一组电子束射向荫罩,通过小孔,并分别打在对应像素位置的三个荧光点上,三个荧光点分别发出红绿蓝的光。由于三点距离很近,因此肉眼看见的是这三种颜色光的混合色。图2-4 荫罩式彩色CRT显色原理示意图光栅扫描显示器将图形定义存放在刷新缓冲存储器(Refresh Buffer)或帧缓冲存储器(Frame Buffer)中。显示屏上的每个像素都对应帧缓冲存储器中的若干位,最
33、简单的黑白图像每个像素只需要一位。若该位为0,表示该像素为暗;若该位为1,表示该像素为亮。这样的图像称为二值图像。要能显示彩色并且强度可变,就需附加位。如果每个像素用 i 位表示它的灰度,那么就能产生2i级灰度等级或颜色种类。比如,要一个像素能显示256个灰度级,则需要8位数据,也即一个字节。帧缓存是数字设备,光栅显示器是模拟设备。要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须经过数字/模拟转换,这个工作由DAC(数模转换器)完成,如图2-5所示。图2-5 具有1位帧缓存的黑白光栅扫描显示器结构示意图对红、绿、蓝三个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如图2-6所示,每种原
34、色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的DAC,每种原色有28种灰度等级,三种原色的组合有224种颜色。这种显示器称为全色光栅扫描图形显示器,其帧缓存称为全色帧缓存。光栅扫描系统对屏幕每一像素都有存储强度和色彩信息的能力,使其较好地适用于包含细微阴影和彩色模式的场景的逼真显示。图2-6 具有24位彩色帧缓存的光栅扫描显示器结构示意图电子束从一侧匀速地移到另一侧,然后迅速返回原处,再匀速地移向另一侧,如此反复,将这个过程叫做扫描。扫描有两种方式,即光栅扫描和随机扫描。在表2-1中,比较了光栅扫描显示器和随机扫描显示器。2.平板显示器1)液晶显示器液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质。它的物理特性是:
35、当通电时导通,排列变得有秩序,使光线容易通过;不通电时排列混乱,阻止光线通过。这个物理特性让液晶如闸门般地阻隔光线或让光线穿透。在液晶显示器中,液晶是灌入两个列有细槽的平面之间。液晶显示器依靠极化滤光器(片)影响光线穿过液晶。自然光线是朝所有方向随机发散的。极化滤光器实际是一系列逐步变细的平行线,这些线阻断不与它们平行的所有光线。只有两个滤光器的线完全平行,或者通过第一个极化滤光器的光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配,光线才得以穿过第二个极化滤光器。如图2-7(a)所示,两个极化滤光器互相垂直,穿过第一个极化滤光器的光线,经过扭曲的液晶后,光线被扭曲90,正好可以穿过第二个极化滤光器。但
36、若为液晶加一个电压,液晶分子又会重新排列并完全平行,使光线不再扭转,将被第二个滤光器挡住,如图2-7(b)所示。总之,加电光线将被阻断,不加电光线将射出。图 2-7 单色液晶显示器的原理液晶材料本身不发光,所以显示屏两边设有作为光源的灯管。液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜,背光板由荧光物质组成,可以发射光线,提供均匀的背景光源。背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中,一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。玻璃板与液晶材料之间的透明电极分为行和列,在行与列的交叉点上,通过改变电压而改变液晶的旋光状态,从而改变屏幕上相应像素的亮度。彩色液
37、晶显示器要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。它的面板中的每一个像素由3个液晶单元格构成,每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样,通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。2)等离子显示器等离子显示器是一种利用气体放电的显示装置。它的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屏幕。每个等离子对应的每个小室内部充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压后,封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光,从而激励平板显示器上的红、绿、蓝三基色荧光粉发出可见光。每个离子管作为一个像素,由这些像素的明暗和颜色变化组合,产生各种灰度和色彩的图像。等离子显示器一般由三
38、层玻璃板组成,第一层的内里涂有垂直的导电材料,第二层是灯泡阵列,第三层表面涂有水平导电条。要点亮某个地址的灯泡,开始要在相应行和列上加较高的电压,等该灯泡点亮后,可用低电压维持氖气灯泡的亮度；要关掉某个灯泡,只需将相应的电压降低。灯泡开关的周期时间是15 ms,通过改变控制电压,可以使等离子板显示不同灰度的图形。最后,我们给出三种显示设备的比较结果,见表2-2所示。2.2.3 图形硬拷贝设备图形硬拷贝设备1.绘图仪在计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)与计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)中,绘图仪是必不可少的,它能
39、将图形准确地绘制在图纸上输出,供工程技术人员参考。如果我们把绘图仪中使用的绘图笔换为刀具或激光束发射器等切割工具就能加工机械零件了。从原理上分类,绘图仪分为笔式、喷墨式、热敏式、静电式等；而从结构上分,它又可以分为平板式和滚筒式两种。平板式绘图仪的工作原理是:在电脑信号的控制下,笔或喷墨头在X、Y方向移动,而纸在平面上不动,从而绘出图来,见图2-8(a)。滚筒式绘图仪的工作原理是:笔或喷墨头沿X方向移动,纸沿Y方向移动,这样,可以绘出较长的图样,见图2-8(b)。图 2-8 绘图仪的结构示意图2.打印机目前常用的打印机有激光打印机和喷墨打印机。激光打印机的机械结构十分复杂,但其最主要的部件,如
40、墨粉、感光鼓(硒鼓)、显影轧辊、初级高压电晕放电极等,都装在一个可以取下的盒子中,这个盒子称为墨粉盒或EP盒。当墨粉用完或这部分损坏,可以将整个盒子取下更换,给维修带来极大方便。图 2-9 是激光打印机的内部构造示意图。图2-9 激光打印机的内部构造示意图激光打印机在电子控制电路的控制下,接收主机发送来的打印数据和控制命令,控制各机械部件的有效配合,使要打印的信息通过激光来显影在感光鼓上。墨粉由显影轧辊传送到鼓上,在转换电晕的作用下,将打印信息印在打印纸上,最后墨粉由定影轧辊加热熔融到打印纸上。打印纸在取纸轧辊、进纸轧辊、传送带和出纸轧辊的作用下,在激光打印机内部的旅行,形成信息载体后,被送出
41、打印机。激光打印机有效地利用了激光定向性、单色性和能量密集性,并结合了电子扫描技术的高灵敏度和快速存取等特性。输出图形图像的质量非常高,分辨率可达300600点/英寸。图形及文本质量非常高,可直接作为制版的原稿。喷墨打印机利用控制指令来控制喷墨打印头上的喷嘴孔,让喷嘴孔喷出定量的墨水,进而打印在纸张上。所以,决定彩色喷墨打印机优劣的主要原因之一,就是喷墨的控制方法,也就是将墨点均匀且精确地喷在纸上的能力。由于各厂商开发出的喷墨打印头不同,其喷墨的控制方法也有少许不同,主要有热气泡喷墨技术和微压电喷墨技术。热气泡式喷墨打印机以惠普、佳能、利盟的为代表,此类型的打印机喷嘴上有许多微加热原件,利用加
42、热空气后产生膨胀的方式,让墨嘴中的墨水迅速达到沸点,墨水沸腾时所产生的气泡会产生极大压力,将墨水自喷头挤压而出,落在需要打印的纸张上。此种打印机还具有喷嘴密度高以及成本低的优点,但相对来说,由于喷嘴时冷时热的动作,容易造成喷墨打印头老化的现象。压电式喷墨打印机则以爱普生的为代表,其中控制喷墨的介质不是空气,而是一个晶体。因为晶体具有导电性,且当通电的时候,晶体会产生膨胀的作用。简单地说,就是因此种打印机的喷嘴内含微小的晶体,当电流通过晶体时,会使晶体产生膨胀,将墨水自喷嘴内挤压而出,从而打印在纸张上。没有电流通过时,晶体管便会收缩,打印头就会停止打印。2.3 图图 形形 软软 件件2.3.1
43、图形软件类型图形软件类型图形软件通常分为两类,即通用图形编程软件包和专用应用图形软件包。通用图形编程软件包通常是图形库，提供一个可用于高级程序语言如C或Fortran的图形功能扩展集,如应用于Silicon Graphics设备上的图形库(Graphics Library,GL)系统。图形、定义属性、输入/输出操作、几何变换、观察变换。专用应用图形软件包是为非程序员设计的,是具有图形处理能力的交互式图形软件系统,如AutoCAD、3DS MAX等，往往应用于某个或某些领域。专用应用图形软件包也提供了用户编程语言供用户在更高层次上应用和开发。图形软件也可以定义在三个层次上。第一层次是面向操作系统
44、的，主要解决图形设备与计算机的通信接口等问题，称为设备驱动程序，包括一些最基本的输入、输出程序。事实上，设备驱动程序现在已被作为操作系统的一部分，由操作系统或设备硬件厂商开发。第二层次是面向图形软件的，完成图元的生成、设备的管理等功能，目前这个层次上的图形支撑软件已经标准化，如GKS、PHIGS、CGI等。第三层次是面向具体应用的，是在中间层基础上编写的，其主要任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形，要求具有较强的交互功能、使用方便、风格好、概念明确、容易阅读、便于维护和移植，OpenGL、DirectX便属于这一层次的软件。2.3.2 图形软件标准图形软件标准从1974年起,国际标准化
45、组织(ISO)已经批准的与计算机图形有关的标准有图形核心系统(GKS)及其语言联编、三维图形核心系统(GKS-3D)及其语言联编、程序员层次交互式图形系统(PHIGS)及其语言联编、计算机图形元文件(CGM)、计算机图形接口(CGI)和基本图形交换规范(IGES),它们的层次关系如图2-10所示。图2-10 图形标准的层次关系1.图形标准GKS(Graphical Kernel System)、GKS-3D和PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphical System)这三个标准都是有关于应用程序与图形软件包的接口,通常也称为应用接口。
46、图形软件包是一组常用的有关于图形处理的子程序的集合,它隔离了应用程序与图形物理设备的联系,该接口的标准化可实现应用程序在源程序级的可移植性。GKS提供了在应用程序和图形输入/输出设备之间的功能接口,定义了一个独立于语言的图形核心系统,在具体应用中,必须符合所使用语言的约定方式,把GKS嵌入到相应的语言之中。GKS包括一系列交互和非交互图形设备的全部图形处理功能,大致可分为以下十类:(1)控制功能:执行打开、关闭GKS以及使系统进入、退出活动状态等;(2)输出功能:确定输出图形的类型;(3)输出属性:设定图素的各种属性以及各种图素的输出表现方式;(4)变换功能:实现规格化;(5)化图段功能:对图
47、形进行生成、删除、复制以及实现图段属性控制;(6)输入功能:对各种输入设备进行初始化,设定设备工作方式,确定请求、采样和事件输入;(7)询问功能:查询GKS描述表、状态表、出错表、图素表等;(8)实用程序:实现GKS的几何变换等;(9)元文件处理;(10)出错处理。PHIGS是向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口,其图形数据按层次结构组织,使多层次的应用模型能方便地应用PHIGS进行描述,提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。PHIGS是为具有高度动态性、交互性的三维图形应用而设计的图形软件工具库,其最主要的特点是能够在系统中高效率地描述应用模型,迅速修改图形模型的数据,并能绘制显示修
48、改后的图形模型。图形标准是一组由基本图元(点、线、面)和属性(线型、颜色等)构成的标准通用图形系统,它们以子程序的形式支持应用图形系统。应用程序通过调用这些图形标准子程序,即可生成图形和图像,并通过交互显示设备实现图形的输入与输出。这三个图形标准中所谓的“语言联编”是指这些图形标准都已按照所使用的语言的约定嵌入到程序设计语言中。目前使用较多的语言有C、PASCAL、FORTRAN和BASIC。因此,程序设计人员只要按照所使用语言的语法规定调用该语言所提供的图形程序(函数)库,就可开发出符合图形标准的图形软件。因此,一般用户不必详细了解具体详细的图形标准。2.图形设备接口标准CGI(Comput
49、er Graphics Interface)标准是ISO TC97组提出的图形软件与图形输入/输出设备之间的接口标准,称为“虚拟图形设备接口”(Virtual Device Interface,VDI)。CGI是第一个针对图形设备的接口,而不是应用程序接口的交互式计算机图形标准。CGI的目标是使应用程序和图形库直接与各种不同的图形设备相作用,使其在各种图形设备上不经过修改就可以运行,即在用户程序和虚拟设备之间以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。CGI规定了发送图形数据到设备的输出和控制功能,用图形设备接收图形数据的输入、查询和控制功能。CGI提供的功能集包括控制功能集、独立于设备的
50、图形对象输出功能集、图段功能集、输入和应答功能集以及产生、修改、检索和显示像素数据的光栅功能集。CGI是设备级的计算机图形接口,该接口的标准化即可实现图形软件与图形设备的无关性。CGI的目的是提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法,实际上也可看做是图形设备驱动程序的一种标准。它既可以以子程序包的形式直接提供给用户使用,也可作为隐含的标准支持软件实现GKS、PHIGS等高层的图形标准。3.图形元文件标准CGM(Computer Graphics Metafile)是一种数据接口,它规定了记录图形信息的数据文件的格式。该标准使程序与程序之间或系统与系统之间相互交换图形数据成为了可能。CGM标准由一
