1、第5章计算机图形显示第5章计算机图形显示5.1计算机图形显示概述计算机图形显示概述5.2计算机图形显示系统的结构与组成计算机图形显示系统的结构与组成5.3CRT显示器显示器5.4常用图形的生成与运算常用图形的生成与运算思考与练习题思考与练习题第5章计算机图形显示计算机图形显示是随着计算机技术的发展而发展起来的一门综合技术，其科学技术基础是计算机图形学。计算机图形显示系统把所获得的信息，在进行一定的加工处理后，以文字、数据、图形图像的形式显示在屏幕上。本章将对计算机图形学及构成计算机显示系统常用的图形显示功能部件作一介绍。第5章计算机图形显示5.1 计算机图形显示概述计算机图形显示概述5.1.1
2、 计算机图形学简介计算机图形学简介1.计算机图形学的研究内容计算机图形学是研究怎样用数字计算机生成、处理和显示图形的一门学科。图形的具体应用范围很广，但是从基本的处理技术看只有两类，一类是线条，如工程图、地图、曲线图表等；另一类是明暗图，与照片相似。为了生成图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程人员构思的草图、地形航测的判读数据、飞机的总体方案模型、企业经营的月统计资料等。当然，计算机图形学还研究另一方面的内容，即把图形、图像经过计算机处理后变成数据输出。第5章计算机图形显示2.计算机图形显示的类型从总体来看，计算机图形显示可分为文字显示（专门显示文字及字符）和图形显示。往往又总称为图形显示
3、。所谓图形显示，就是利用现代电子技术和计算机技术，在显示器件上显示文字、图形等，并对文字、图形数据等加以灵活的实时加工、处理及显示。从不同的角度着眼，图形显示有各种不同的分类。一般从显示器件上的显示内容讲，图形显示主要分成以下三种类型。第5章计算机图形显示1）文字、数字显示（简称文字显示）计算机图形显示可以显示文字（拼音字、阿拉伯字、汉字等）及数字，并对文字、数字进行灵活的实时加工和处理。显示时，可以有黑白和彩色文字显示，有简单的和复杂一点的文字显示，如由简单的字符可拼凑成各种简单的图形，用以显示生产流程上各种简单的装置，如阀门、反应塔等。第5章计算机图形显示所谓进行灵活的实时加工和处理，是指
4、可以直接在显示屏上修改若干个字，可以根据人们的意图对显示屏上的文字进行取舍，直至满意时为止。这就如同在纸上编写修改一段文章一样，可以在显示屏上连续编写一页至若干页的文件，并逐页地送往存储器，或从存储器中取出逐页地进行重现，也可用照相的方法形成永久性的记录。第5章计算机图形显示这样，文字显示设备可提供像打字机打印出来的文件那样的形式，所以可作电子式打字机用；可提供信息、文章，并具有文件数据编辑的能力，如进行工业生产过程的文件、数据编排，表格显示；还可用于报社、出版杜、印刷厂稿件的存储、编排，对文章、课文及表格进行校对，以及图书馆书籍、资料、文献的检索，医院病人病历卡的检索等。第5章计算机图形显示
5、2）各种线条和各类图形显示计算机图形显示的各种线条和各类图形可以是简单的三角形或复杂的电路图、结构图、地图、三维空间旋转体的结构图、透视图等，并可与随机配置的各类字母、文字、数字及符号一起显示。在显示过程中，能对这些图形、字符（字母、文字、数字及符号）进行灵活的实时加工和处理，其加工和处理的程度取决于人们的意图及预定程序。所以，图形显示提供了一种产生几何图形加上字符的方法，并已广泛用于计算机辅助设计及监控系统中。第5章计算机图形显示3）形势显示形势显示是比上述两种显示更为广泛的一类显示。它是包括字符和各种线条、图形，连同某些背景信息在一起的显示。对所有这些信息都能进行灵活的实时加工和处理。大量
6、的这类信息可作为档案存储于存储器中，根据需要可以随时存取各种信息。形势显示比上述两种显示更为复杂，对其中器件的要求也更高。它主要用于指挥和控制系统中，如空中交通管理系统，其背景可以是雷达、声纳或地图信息，可以显示用这些作为背景的动态曲线，并加参数说明。第5章计算机图形显示3.计算机图形显示的主要技术指标现以应用最广，比较完善的CRT图形显示为例，说明其主要技术指标。但有些指标则是共同的，适用于各种显示器。1）帧频与荧光粉的余辉时间帧频是指文字或图形每秒钟在屏幕上出现的次数。它应保证显示的文字或图形不闪烁。它与环境平均照度、荧光粉余辉时间及图形的复杂程度有关，通常保持在30 Hz左右时，可对人形
7、成不闪烁的感觉。一般，根据环境平均照度，帧频可调节在2550 Hz范围内。第5章计算机图形显示对于随机扫描方式的显示设备，帧频越低，画面上所能画的线条数就越多，图形越细致。例如对于26 cm26 cm的显示画面，当帧频为25 Hz、数字扫描时钟频率为4 MHz时，能画的线条总长度为41 cm左右，若用来显示字符，大致在两千字左右。这是由于帧频为25 Hz，电子束扫完一帧的周期T=1/(25 MHz)=40 ms。时钟频率为4 MHz，其脉冲周期=1/(4 MHz)=0.25 s。在扫描一帧时间内，可产生40 ms/0.25 s=16104个脉冲。而26 m长对应着1024个栅格点，每两个栅格点
8、之间的距离为26/1024 cm，所以16104个脉冲可画成1610426/102441 cm的长。设显示一个字符需要80个栅格点（需80个脉冲），则可显示16104/80=2103个字。第5章计算机图形显示2）亮度和灰度等级由于图形显示要在比较亮的室内照度下使用，因此要求尽可能亮些，一般必须大于120 cd/m2，通常定为120150 cd/m2。为了获得不同的亮度，可将亮度划分为若干等级。一般分为四等：等为暗，等为淡，等为亮，为特亮。第5章计算机图形显示3）分辨率为了使小的字形及图形观看清楚，要求显示器具有较高的分辨能力。所谓分辨率，是描述分辨能力大小的物理量，它是两光点之间的最小距离。事
9、实上，肉眼能分辨的最近两点距离和肉眼离开屏面的远近有关。一般显示器的分辨率在0.40.5 mm。4）显示屏面的网格数显示屏面的网格数分为x方向网格数及y方向网格数。它们主要影响直线的平滑程度。在同样大小的屏面内，网格数越多，直线越平滑。第5章计算机图形显示5）时钟脉冲时钟脉冲决定了主偏速度，有4 MHz、8 MHz甚至12 MHz等。一般主偏的速度要求达到每走一个增亮点为0.25 s（对应于4 MHz），辅偏（字符偏转）速度达到每走一个增亮点为0.125 s（对应于8 MHz）。所以画线速度为2 mms，画矢量的总长大于40 m帧。第5章计算机图形显示6）每帧显示的字符数和线数显示器中显示的字
10、符有大、中、小之分。图形显示设备与文字显示设备又不同。一般，在图形显示设备中，每帧字符数由数百至一万（个别为2103），通常为21033103个。在中等水平下，文字显示时间小于20 s，自动间隔时间小于15 s，换行间隔时间小于40 s。写字符及汉字的方法根据采用的扫描方法不同而异。如在随机扫描中，字符常采用79 点阵或57点阵，汉字采用1516点阵，总称为点阵法；在电视扫描中，如大多数文字显示采用电视行扫描、场扫描的原理。第5章计算机图形显示在中等水平下，可保证产生满帧不闪烁的文字数为1000左右，高档可达2000左右，每帧显示2 cm长矢量不少于2000条。7）线段类型(线型)线型质量决定
11、了图形的质量。通常从工程图中选取几种线型（如实线、虚线、点线、点划线等），由电子电路保证CRT电子束扫出这些线型，以达到构成标准设计图的要求。8）再现图形用存储器（缓存或内存）再现图形用存储器是具有记忆功能的物理器件，用于存储信息，一般分为内部存储器和外部存储器。内部存储器是中央处理器能直接访问的存储器，它包括主存储器、高速缓冲存储器(Cache)和虚拟内存。主存储器又分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。第5章计算机图形显示9）光笔及键盘与人机联系功能光笔及键盘作为输入设备，是人机通信的重要工具。利用光笔可向计算机发中断，配合计算机在屏上任意画图和写字，实现有迹跟踪；也可将光标拖到
12、屏上某一预定位置，将光标中心坐标位置告之计算机，通过软件配合来做图，实现无迹跟踪，从而对图形进行修改，向计算机输入数据或调出数据。键盘的作用很广，利用它可直接在屏面上显示字符和汉字，并进行功能操作。键盘的好坏及功能的多少直接影响着显示器的功用。它与光笔一起是实现人机联系的重要工具，是图形显示器质量优劣的一个重要指标。第5章计算机图形显示4.计算机图形学的发展计算机图形学的研究起源于美国麻省理工学院。从20世纪50年代初到60年代中，麻省理工学院积极从事现代计算机辅助设计制造技术的开拓性研究。1952年在它的伺服机实验室里诞生了世界上第一台数控铣床的原型。1957年，美国空军将第一批三坐标数控铣
13、床装备了飞机工厂。大型精密数控绘图机也同时诞生。接着，麻省理工学院发展了APT数控加工自动编程语言，这是目前国际上最通用的加工编程工具。第5章计算机图形显示1964年孔斯（Steve Coons）在这里提出了用小块曲面片组合表示自由型曲面时使曲面片边界上达到任意高次连续阶的理论方法，此方法得到工业界和学术界的极大推崇，称之为孔斯曲面。孔斯和法国雷诺汽车公司的贝齐埃（Pierre Bzier）并列被称为现代计算机辅助几何设计技术的奠基人。第一台光笔交互式图形显示器于1962年在麻省理工学院林肯实验室研制成功。第5章计算机图形显示在美国工业界，研制交互图形显示器的工作也在平行开展。其中最重要的是I
14、BM公司，它在1964年秋推出了自己的设计方案，以后经过改进，成为IBM 2250显示器。这是IBM计算机上正式提供工业界使用的第一代刷新式随机扫描图形终端。它使用光笔作为交互输入手段，并且配有一组32个功能键，以便调用程序中的相应功能模块。洛克希德飞机公司利用IBM 2250开发的CAD/CAM绘图加工系统，从1974年起向外界转让，成为IBM主机上目前应用最广的CADCAM软件。第5章计算机图形显示IBM 2250在1978年前后改型为IBM 3250，但在原理上并无明显变化。1984年又改型为IBM5080，采用光栅扫描技术，带彩色，有局部处理能力，并可以用旋钮直接放大、平移、旋转画面。
15、光笔也改为电笔，与输入板配合使用，并操纵屏面上的光标。20世纪60年代末、70年代初，美国Tektronix公司发展了存储管技术。显示器型号先后有4006、4010、4012等。Tektronix 4014曾经是20世纪70年代末CAD和工程分析中应用最广的图形终端。它的屏面尺寸是19英寸，画面线条清晰，分辨率可以达到40963072，价格不到刷新式同类显示器的一半。它的缺点不是能局部动态修改显示画面。第5章计算机图形显示光栅扫描型显示器采用电视机的类似工作原理，最初主要用作图像处理。其屏面像素的分辨率不是很高，大多用512512，但是色彩层次十分丰富，可以高24个二进制位，即红、绿、蓝三原色
16、各占8位，各有28256种层次，最终组合成224种色彩或灰度等级。当分辨率低时，这类显示器显示线条的效果并不好，有明显的锯齿形，而且要作向量到点阵的相互转换，使交互响应速度受到一定影响。图形显示缓冲器占用的存储量大。第5章计算机图形显示到了20世纪80年代初，个人计算机如Apple、IBM-PC、Apollo和SUN等工程工作站问世，并迅速得到广大用户的欢迎，销售量激增。在这些设计中，主机和图形显示器融为一体，都用光栅扫描型显示，并可以同时生成高质量的线型图和逼真的彩色明暗图。大规模集成电路技术的发展和专用图形处理芯片的出现，使得光栅扫描显示的质量越来越好，价格越来越低，现已成为图形显示器的常
17、规形式。在工程设计中，联网的分布式工作站的应用也正在逐渐取代分时形式的大型主机连接几十个图形终端的结构。第5章计算机图形显示在图形显示技术发展的里程碑中，需要提出两家公司的产品，这就是Evans&Sutherland公司的PS300型和Silicon Graphics的IRIS型。它们采用了新的体系结构来提高图形的处理速度，在某种程度上达到了实时的要求。Evans 和Sutherland都是知名的计算机图形学专家。后者就是前面提到的光笔图形系统的研制人。PS300脱离了传统的冯诺依曼机结构，不是逐条执行操作命令，而是采用数据驱动式原理，各个操作的执行次序取决于数据的到达时刻。第5章计算机图形显
18、示当一次操作所需的全部输入数据都已齐备时，操作便启动执行，这样可以方便地组织并行处理。图形处理中的矩阵运算和其它基本算法使用三个位片处理机组成流水线，使得屏面上显示的线框图可以用旋钮实时旋转、平移和放大缩小，并且快速显示运动机构的动作过程，以便从不同角度观察各个元件间的协调关系。三维物体轮廓线的显示亮度可以随距离远近而变化，离眼睛越远的部分线条越淡，这样则可更好的体现出立体图的真实感。第5章计算机图形显示美国的J.H.Clark 从1979年至1981年在斯坦福大学计算机系统实验室试用专用的浮点运算器组成流水线来完成上述过程。他将这类专用处理器称为几何机器。Silicon Graphics 公
19、司的IRIS工作站就是采用上述工作原理的工业产品。此后，其它公司也纷纷效仿。这种持续不断的提高显示画面质量和加快交互呼应速度的努力将会继续进行，必将进一步推动计算机图形学技术的飞速发展。第5章计算机图形显示5.计算机图形学的应用随着计算机图形学的不断发展，其应用范围也日趋广泛。目前计算机图形学应用领域主要有以下几个方面。1）可视化科学技术的迅猛发展和数据量的与日俱增，使得人们对数据的分析和处理变得越来越难，人们无法从数据海洋中得到最有用的数据，找到数据的变化规律，提取本质特征。第5章计算机图形显示但是如果能将这些数据用图形的形式表示出来，情况就不一样了，事物的发展趋势和本质特征将会很清楚地呈现
20、在人们面前。1986年，美国科学基金会（NSF）专门召开了一次研讨会，会上提出了“科学计算可视化”。第二年，美国计算机成像专业委员会向NSF提交了“科学计算可视化的研究报告”后，VISC就迅速发展起来了。第5章计算机图形显示目前科学计算可视化广泛应用于医学、流体力学、有限元分析和气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。依靠精密机械做脑部手术以及由机器人和医学专家配合做远程手术是目前医学上很热门的课题，而这些技术的实现基础则是可视化。可视化技术将医用CT扫描的数据转化为三维图像，并通过一定的技术生成在人体内漫游的图像，使得医生能够看到并准确地判别病人体内的患处，然后通过碰撞检测一
21、类的技术实现手术效果的反馈，帮助医生成功完成手术。第5章计算机图形显示从目前的研究状况来看，这项技术还远未成熟，离实用还有一定的距离。主要难点在于生成人体内漫游图像的三维体绘制技术还没有达到实时的程度，而且现在大多的体绘制技术是基于平行投影的，而漫游则需要真实感更强的透视投影技术，然而体绘制的透视投影技术到还没有很好地解决。第5章计算机图形显示2）真实感图形实时绘制与自然景物仿真在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单地说，就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等。其中光照和表面属性是最难模拟的。为了
22、模拟光照，已有各种各样的光照模型，从简单到复杂排列分别是简单光照模型、局部光照模型和整体光照模型。从绘制方法上看有模拟光的实际传播过程的光线跟踪法，也有模拟能量交换的辐射度方法。第5章计算机图形显示除了建造计算机可实现的逼真物理模型外，真实感绘制还有一个研究重点是研究加速算法，力求能在最短时间内绘制出最真实的场景，例如求交算法的加速和光线跟踪的加速等。包围体树、自适应八叉树都是著名的加速算法。实时的真实感绘制已经成为当前真实感绘制的研究热点，而真实感图形实时绘制的两个热点问题则是物体网格模型的面片简化和基于图像的绘制(Image Based Rendering,IBR)。第5章计算机图形显示网
23、格模型的面片简化，就是指对网格面片表示的模型，在一定误差的精度范围内，删除点、边、面，从而简化所绘制场景的复杂程度，加快图形绘制速度。IBR完全摒弃传统的先建模、然后确定光源的绘制的方法，而直接从一系列已知的图像中生成未知视角的图像。这种方法省去了建立场景的几何模型和光照模型的过程，也不用进行如光线跟踪等极费时的计算。该方法尤其适用于野外极其复杂场景的生成和漫游。第5章计算机图形显示真实感绘制已经从最初绘制简单的室内场景发展到现在大量模拟野外自然景物，比如绘制山、水、云、树、火等。人们提出了多种方法来绘制这些自然景物，比如绘制火和草的粒子系统（Particle System），基于生理模型的绘
24、制植物的方法，绘制云的细胞自动机方法等。另外也出现了一些自然景物仿真/绘制的综合平台。第5章计算机图形显示3）计算机动画随着计算机图形学和计算机硬件的不断发展，人们已经不满足于仅仅生成高质量的静态场景，于是计算机动画就应运而生。事实上，计算机动画也只是生成一幅幅静态的图像，但是每一幅都是对前一幅做一小部分修改（如何修改便是计算机动画的研究内容），这样，当这些画面连续播放时，整个场景就动起来了。第5章计算机图形显示早期的计算机动画灵感来源于传统的卡通片，在生成几幅被称为“关键帧”的画面后，由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键帧就被有机地结合起来了。计算机动画内容丰富
25、多彩，生成动画的方法也多种多样，比如基于特征的图像变形、二维形状混合、轴变形方法、三维自由形体变形(Free-Form Deformation，FFD)及其直接操作等。第5章计算机图形显示近年来人们普遍将注意力转向基于物理模型的计算机动画生成方法，这是一种崭新的方法，该方法大量运用弹性力学和流体力学的方程进行计算，力求使动画过程体现出最适合真实世界的运动规律。然而要真正到达真实的运动是很难的，比如人的行走或跑步是全身的各个关节协调的结果，要实现很自然的人走路的动画，计算方程非常复杂，计算量极大，基于物理模型的计算机动画还有许多内容需要进一步研究。第5章计算机图形显示20世纪90年代是计算机动画
26、应用辉煌的十年，Disney公司每年都要出一部制作精美的卡通动画片，好莱坞的大片屡屡大量运用计算机生成各种各样精彩绝伦的特技效果，广告设计、电脑游戏也频频运用计算机动画。计算机动画也因这些商业应用的大力推动而有了极大的发展。第5章计算机图形显示4）用户接口技术用户接口技术主要包括用户界面和图形化操作系统两方面的内容。图形化的用户界面比文字、报表更直观、逼真。所谓“一目了然”、“耳闻不如目睹”，都是说明形象观察的优越性和必要性。Macintosh微机首先在商品化产品上用形象的图形表示操作命令，使得学龄前儿童也会用计算机画图和算数，从而打破了操作计算机的神秘感。图、文两种形式相结合大大改善了计算机
27、交互操作的用户界面，开辟了计算机应用的很多新领域。第5章计算机图形显示用户界面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，编写一个图形化的界面要费去大量的劳动，过去传统的软件中有60%的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能的。进入20世纪80年代后，随着Xwindow标准的提出，苹果公司图形化操作系统的推出，特别是微软公司Windows操作系统的普及，标志着图形学已经全面融入计算机的方方面面。如今在任何一台普通计算机上都可以看到图形学在用户接口方面的应用。第5章计算机图形显示 操作系统和应用软件中的图形、动画比比皆是，程
28、序直观易用，很多软件几乎可以不看任何说明书，而根据它的图形或动画界面的指示进行操作。目前几个大的软件公司都在研究下一代用户界面，开发面向主流应用的，自然、高效多通道的用户界面。研究多通道语义模型、多通道整合算法及其软件结构和界面范式是当前用户界面和接口方面研究的主流方向，而图形学在其中将起主导作用。第5章计算机图形显示5）工业过程参数控制计算机过程控制是使用计算机系统实现生产过程的在线监视、操作指导、控制和管理的技术。计算机通过把与它连通的实时测试体、传感器等采集到的非图形信号加工处理成图像，显示在屏幕上。图形显示清晰明了，便于操作人员观察审视操作过程中各个环节的状态情况。控制对象（如发电厂、
29、化工厂等生产过程）操作既安全又方便，且可提高工作效率。在过程控制中，用户利用计算机图形学实现与其控制或管理对象的相互作用。过程控制的应用领域十分广泛，例如产品和工程的设计、数控加工、石油化工、金属冶炼、矿井监测系统（如图5-1所示）和交通运输监控系统等。第5章计算机图形显示图5-1 一个简单的矿井监测系统第5章计算机图形显示6）计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外型和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等。有时，着眼于产生工程和产品相应结构的
30、精确图形，然而更常用的是对所设计的系统、产品和工程的相关图形进行人机交互设计和修改，经过反复的迭代设计，便可利用结果数据输出零件表、材料单、加工流程和工艺卡，或者数据加工代码的指令。第5章计算机图形显示在电子工业中，计算机图形学应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路版图根本不可能用手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能进行设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，把其结果直接送至后续工艺进行加工处理。在飞机工业中，美国波音飞机公司已用有关的CAD系统实现波音777飞机的整体设计和模拟，其中包括飞机外型、内部零部件的安装和检验。第
31、5章计算机图形显示随着计算机网络的发展，在网络环境下进行异地异构系统的协同设计，已成为CAD领域最热门的课题之一。通俗地说，协同设计就是一种让不同用户在不同地点共同设计一个产品模型的新技术。现代产品设计已不再是一个设计领域内孤立的技术问题，而是综合了产品各个相关领域、相关过程、相关技术资源和相关组织形式的系统化工程。它要求设计团队在合理的组织结构下，采用群体工作方式来协调和综合设计者的专长，并且从设计一开始就考虑产品生命周期的全部因素，从而达到快速响应市场需求的目的。第5章计算机图形显示协同设计的出现使企业生产的时空观发生了根本的变化。异地设计、异地制造、异地装配成为可能，从而为企业在市场竞争
32、中赢得了宝贵的时间。与此相关，异构CAD系统间的数据通信，随着STEP标准的制定与完善，正成为一个新的热门课题。而数据通信中的几何问题，更是计算机辅助几何设计中的重要研究方向，它主要解决异构CAD系统间不同曲面形式间的转化和模型表示的数据简化问题。第5章计算机图形显示CAD领域另一个非常重要的研究领域是基于工程图纸的三维形体重建。三维形体重建就是从二维信息中提取三维信息，通过对这些信息进行分类、综合等一系列处理，在三维空间中重新构造出二维信息所对应的三维形体，恢复形体的点、线、面及其拓扑关系，从而实现形体的重建。二维图纸设计在工程界中仍占有主导地位，工程上有大量的旧的透视图和投影图片可以利用、
33、借鉴，许多新的设计可凭借原有的设计基础做修改即可完成。第5章计算机图形显示三维几何造型系统因为可以做装配件的干涉检查以及有限元分析、仿真、加工等后续操作，所以代表了CAD技术的发展方向。目前国际上主要的三维形体重建算法是针对多面体和对主轴方向有严格限制的二次曲面体的。图5-2所示为三维重建的两个例子。第5章计算机图形显示图5-2 三维重建的两个例子第5章计算机图形显示5.1.2 计算机图形学的特点计算机图形学的特点由于应用环境以及所配置的主机、图形设备、图形软件的不同，图形系统所能提供的功能、实时执行的速度、使用的方式也各不相同。因此，计算机产生的具体图形随之而异，但它们有如下的一些共同特点：
34、（1）计算机产生的图形有规律、光滑。它是按数学方法产生的，规矩整齐，有着像数学一样的严格性。（2）计算机产生的图形纯净美观、无噪声干扰。第5章计算机图形显示（3）计算机产生的图形不仅能描绘客观世界的各种对象，而且能描绘纯粹是想像的主观世界中的各种对象。后者可称之为“主观图像”，可以发挥人的创造性和想像力，构成绚丽多彩、变化多端的画面，其效果并不亚于“客观图像”。（4）交互式计算机图形显示可由用户控制，产生的图形可修改性强，且速度快、差错少。第5章计算机图形显示5.2 计算机图形显示系统的结构与组成计算机图形显示系统的结构与组成 5.2.1 人机交互系统的组成人机交互系统的组成近十几年来，计算机
35、技术在工业自动化领域中得到了广泛的应用。现代的信息显示设备是由计算机驱动的，图形显示器是计算机的一种重要外部设备。长期以来，人们总在寻找一种能够将理解的人的意图及时方便地告知计算机，并能把计算机处理的一些中间结果及最终结果迅速客观地告诉操作人员的相互联系系统，以便加强“人机联系”。第5章计算机图形显示计算机图形显示设备作为计算机的输入/输出设备，就是这样一种比较满意的“人机联系”工具。它不仅能用字符和数字，而且还可以用图形把计算机处理过程中的中间数据及处理结果按需要显示出来，操作者也可以利用计算机通信装置（如键盘、光笔等）进行设计修正或追加数据内容。即通过计算机图形显示设备进行实时的“人机对话
36、”。通常把“计算机显示器信息通信装置 操作人员”的组合称为“人机交互系统”，如图5-3所示。第5章计算机图形显示图5-3 人机交互系统第5章计算机图形显示人机交互系统是基于计算机的系统，由软件系统和硬件系统组成。其中，软件是人机交互系统的核心，而相应的硬件系统设备则为软件的正常运行提供了基础保障和运行环境。另外，任何功能强大的人机交互系统都只是一个辅助工具，系统的运行离不开系统使用人员的创造性思维活动。因此，使用人机交互系统的技术人员也属于系统组成的一部分。将软件、硬件及人这三者有效地融合在一起，是发挥人机交互系统强大功能的前提。第5章计算机图形显示1.人机交互系统的硬件组成通常，将用户可进行
37、人机交互的独立硬件环境称做人机交互的硬件系统。人机交互的硬件主要有主机、输入设备(键盘、鼠标、扫描仪等)、输出设备(显示器、绘图仪、打印机等)、信息存储设备(主要指外存，如硬盘、软盘、光盘等)，以及网络设备、多媒体，如图5-4所示。第5章计算机图形显示图5-4 人机交互系统的硬件组成第5章计算机图形显示1)主机主机由中央处理器(CPU)和内存储器(简称为内存)等组成，是整个人机交互系统的核心。衡量主机性能的指标主要有两项：CPU性能和内存容量。(1)CPU性能。CPU的性能决定着计算机的数据处理能力、运算精度和速度。CPU的性能通常用每秒可执行的指令数目或进行浮点运算的速度指标来衡量，其单位符
38、号为MI/s(每秒处理1百万条指令)和GI/s(每秒处理10亿条指令)。目前，CPU的速度已达到160 GI/s以上。一般情况下，用芯片的时钟频率来表示运算速度更为普遍，时钟频率越高，运算速度越快。第5章计算机图形显示(2)内存容量。内存是存放运算程序、原始数据、计算结果等内容的记忆装置。如果内存容量过小，将直接影响计算机软件系统的运行效果。因为，内存容量越大，主机能容纳和处理的信息量也就越大。2)外存储器外存储器简称为外存。虽然内存储器可以直接和运算器、控制器交换信息，存取速度很快，但内存储器成本较高，且其容量受到CPU直接寻址能力的限制。外存作为内存的后援，使计算机交互系统将大量的程序、数
39、据库、图形库存放在外存储器中，待需要时再调入内存进行处理。外存储器通常包括硬盘、软盘、光盘等。第5章计算机图形显示3)图形输入设备在计算机绘图作业过程中，不仅要求用户能够快速输入图形，而且还要求能够将输入的图形以人机交互方式进行修改，以及对输入的图形进行图形变换(如缩放、平移、旋转)等。因此，图形输入设备在计算机绘图硬件系统中占有重要的地位。目前，计算机绘图系统常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。第5章计算机图形显示事实上最常用的图形输入设备就是基本的计算机输入设备键盘和鼠标。人们一般通过一些图形软件由键盘和鼠标直接在屏幕上定位和输入图形，如人们常用的CAD系统就是用鼠标和键盘命令绘制各种工
40、程图的。此外还有跟踪球、空间球、数据手套、光笔、触摸屏等输入设备。第5章计算机图形显示(1)跟踪球和空间球都是根据球在不同方向受到的推或拉的压力来实现定位和选择的。数据手套则是通过传感器和天线来获得和发送手指的位置和方向的信息。这几种输入设备在虚拟现实场景的构造和漫游中特别有用。第5章计算机图形显示(2)光笔是一种检测光的装置，它直接在屏幕上操作，拾取位置。光笔的形状和大小像一支圆珠笔，笔尖处开有一个圆孔，让荧光屏的光通过这个孔进入光笔。光笔的头部有一组透镜，把所收集的光聚集至光导纤维的一个端面上。光导纤维再把光引至光笔另一端的光电倍增管，从而将光信号转换成电信号，经过整形后输出一个有合适信噪
41、比的逻辑电平，并作为中断信号送给计算机。光笔的这种结构如图5-5所示。第5章计算机图形显示图5-5 光笔结构示意图第5章计算机图形显示(3)数字化仪是一种把图形转变成计算机能接收的数字形式的专用设备，其基本工作原理是采用电磁感应技术。它通常由一块数据板和一根触笔组成。数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置。许多数字化仪提供了多种压感电流，用不同的压力就会有不同的信息传向计算机。第5章计算机图形显示这对于电脑艺术家来说尤其有用，他们可以通过控制笔的压力来产生不同风格的笔画。现在非常
42、流行的汉字手写系统就是一种数字化仪，可见数字化仪已经由一种专业工具变为一种普通的电脑外设了。(4)图形扫描仪是直接把图形和图像扫描到计算机中以像素信息进行存储的设备。现在市面上能见到的一般是36位或48位真彩色扫描仪，绝大多数采用的固态器件是电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）。图5-6是常用图形扫描仪的模块框图。第5章计算机图形显示图5-6 常用扫描仪的模块框图第5章计算机图形显示CCD扫描仪的工作原理其实很简单，用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，得到元件的颜色信息，再经过模/数转换器、图像数据暂存器等，最终输入到计算机。为了使投射在原稿
43、上的光线均匀分布，扫描仪中使用的是长条形光源。扫描仪的两个重要指标是分辨率和支持的颜色，比如600 d/inch，36位真彩色。不用说，这两项指标当然是越高越好，但是制造难度和价格当然也会相应提高。第5章计算机图形显示(5)专用的软件和硬件系统。在图形输入设备中还有一个特殊的领域，那就是真实物体的三维信息的输入。在实际的产生过程中，许多零件和样板要进行大规模的生产就必须在计算机中生成三维实体模型，而这个模型有时要通过已有的实物零件得到，这时候就需要一种设备来采集实物表面各个点的位置信息。一般的方法是通过激光扫描来实现，现在国外已经有许多这样的商业仪器。第5章计算机图形显示这项技术的另一个应用就
44、是扫描保存古代名贵的雕塑和其它艺术品的三维信息，这样可以在计算机中生产这些艺术品的三维模型。美国斯坦福大学计算机系的著名图形学专家Marc Levoy曾经带领他的30人的工作小组（包括美国斯坦福大学及美国华盛顿大学的教师和学生）于19981999学年专门在意大利对文艺复兴时代的雕刻大师米开朗基罗的众多艺术品进行扫描，保存其形状和面片信息。当然工作难度是相当大的，他们为此专门设计了一套硬件和软件系统。数据量也是惊人的，仅大卫像（The David）就有20亿个多边形和7000张彩色图像，总共需要72 GB的磁盘容量。这次工作可以说是实体图形输入的一个巅峰之作。第5章计算机图形显示4)图形输出设备
45、图形输出设备包括图形显示器、绘图仪、打印机等。图形显示器是计算机交互系统中最为重要的硬件设备之一，主要用于图形图像的显示和人机交互操作，是一种交互式的图形显示设备。这里主要介绍绘图机和打印机等目前常用的图形输出设备。第5章计算机图形显示(1)喷墨绘图机。喷墨绘图机是一种光栅类型的图形输出设备，基本原理是将小墨点喷射到介质上。如图5-7所示，喷墨装置多数情况安装在类似打印机的机头上，纸绕在滚筒上快速旋转，喷墨头则在滚筒上缓慢水平运动。绘图机的墨水泵将黄、品红、青三种颜色的墨水分别注入三支很细的喷笔中。在高压下，墨水通过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。第5章计算机图形显示图5-7 喷墨绘图机的结
46、构第5章计算机图形显示喷墨绘图机的分辨率取决于墨滴的大小，也就是喷嘴的大小。某些喷墨绘图机可以接收视频及数字信号，因此可用于光栅显示屏幕的硬拷贝，此时图像分辨率受到视频输入分辨率的限制。(2)激光打印机。激光打印机是一种既可用于打印字符又可用于绘图的设备。激光打印机主要由感光鼓、滚筒、碳粉盒、打底电晕丝和转移电晕丝等组成，如图5-8所示。第5章计算机图形显示图5-8 激光打印机的组成第5章计算机图形显示图5-9显示了激光打印机的工作原理。图5-9 激光打印机的工作原理第5章计算机图形显示激光打印机开始工作时，感光鼓旋转通过打底电晕丝，使整个感光鼓的表面带上电荷，如图5-9（a）所示。打印机处理
47、器将打印数据转换成可以驱动打印引擎动作的类似数据表的信号组，并送至激光发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜上，反射镜的旋转和激光的发射同时进行，依照打印数据来决定激光的发射或停止。每个光点打在反射镜上，随着反射镜的转动，不断变换角度，将激光点反射到感光鼓上，如图5-9（b）所示。第5章计算机图形显示感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化现象。感光鼓旋转到上粉盒，其表面被磁化的点将吸附碳粉，从而在感光鼓上形成将要打印的碳粉图像，如图5-9（c）所示。打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间通过，转移电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝
48、方向移动，结果是在不断向前运动的打印纸上形成碳粉图像。打印纸继续向前运动，通过高温的溶凝部件，定型在打印纸上，产生永久图像，如图5-9（d）所示。第5章计算机图形显示(3)笔式绘图机。笔式绘图机是矢量型设备，在操作过程中，绘图笔相对纸作随意移动。笔式绘图机分为滚筒式和平板式。2.人机交互系统的软件组成计算机软件是指控制计算机运行，并使计算机发挥最大功效的各种程序、数据及文档的集合。在人机交互系统中，软件配置水平决定着整个人机交互系统的性能优劣。从人机交互系统的发展趋势来看，软件占据着愈来愈重要的地位，目前，系统配置中的软件成本已经超过了硬件。第5章计算机图形显示可以将人机交互系统的软件分为三个
49、层次，即系统软件、支撑软件和应用软件。系统软件是与计算机硬件直接关联的软件，一般由专业的软件开发人员研制，它起着扩充计算机的功能以及合理调度与使用计算机的作用。系统软件有两个特点：一是公用性，无论哪个应用领域都要用到它；二是基础性，各种支撑软件及应用软件都需要在系统软件的支撑下运行。第5章计算机图形显示支撑软件是在系统软件的基础上研制的，它包括进行计算机所需的各种通用软件。应用软件则是在系统软件及支撑软件支持下，为实现某个应用领域内的特定任务而开发的软件。下面分别对这三类软件进行具体介绍。1)系统软件系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制、运行，以及计算机程序的编译、装载和运行。系统软件包括
50、操作系统和编译系统。第5章计算机图形显示操作系统主要承担对计算机的管理工作，其主要功能包括文件管理(建立、存储、删除、检索文件)、外部设备管理(管理计算机的输入、输出等外部硬件设备)、内存分配管理、作业管理和中断管理。操作系统的种类很多，在工作站上主要采用UNIX、Windows 2000/NT/XP等；在微机上主要采用UNIX的变种XENIX、ONIX、VENIX，以及Windows 系列操作系统。第5章计算机图形显示编译系统的作用是将用高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指令。有了编译系统，用户就可以用接近于人类自然语言和数学语言的方式编写程序，而翻译成机器指令的工作则由编译系
