第1章 计算机图形系统.ppt

计算机制图与数据库,主讲教师武法东,地球科学与资源学院遥感第四纪教研室,课程主要内容,绪论计算机图形学研究概述第一章计算机图形系统第二章图形生成技术简介第三章Worksheet的使用第四章Grapher绘制二维图形第五章Surfer绘制等值线图第六章Surfer绘制其它三维图形第七章CorelDRAW绘图简介第八章MapGIS绘图简介,第一章计算机图形系统,第一节计算机图形系统的组成第二节图形硬件设备简介第三节图形软件系统,,,,,第一节计算机图形系统的组成,一、计算机图形系统的结构二、计算机图形系统的基本功能三、计算机图形系统分类及硬件工作平台,,,,,一、计算机图形系统的结构,计算机图形系统由两部分组成,,软件,应用软件图形软件数据库高级语言操作系统,输入设备,键盘鼠标数字化仪光笔扫描仪,输出设备,显示器绘图仪打印机,主机,二、计算机图形系统的基本功能,1计算功能（1）形体设计和分析方法的程序库、描述形体的图形数据库（2）坐标的平移、旋转、投影、透视等几何变换程序的数据库（3）曲线、曲面生成和图形相互关系的检测库,计算机图形系统至少具有五种基功能,2存储功能在内外存储器中能存放各种形体的几何数据及形体之间的相互关系，并可实现对有关数据的实时性检索及保存对图形的删除、增加、修改等信息,,3输入功能由输入设备将图形形体的几何参数（包括大小、位置）和各种绘图命令输入的图形系统中,4输出功能为能较长时间保存分析计算的结果，应具有文字、图形、图像信息输出功能,5对话交互功能能完成对图形的绘制、修改，并能给出操作错误的必要提示,,二、计算机图形系统的基本功能,要实现上述功能，对图形系统的硬件性能要求,,1处理速度与硬件系统及图形软件的图形处理算法有关,2存储容量图形图像数据信息量非常大，要求有大的存储量，包括系统随机存储量、外部存储量和显示缓冲区容量,3处理精度主要是指图像采集和输入质量、显示输出的质量，包括图形分辨率、图像色彩的显示等，在很大程度上取决于图形处理软件,三、计算机图形系统分类及硬件工作平台,1计算机图形系统分类根据硬件配置和信息传递方式，系统可分为,（1）脱机绘图系统计算机主系统不直接与图形输出设备相连接，而是通过中间载体向绘图输出设备传送数据。将图形数据和图形输出分别进行处理，避免了计算机处于等待状态。,,脱机绘图系统流程示意图,（2）联机绘图系统计算机把图形处理信息直接传送到绘图仪输出图形。由于绘图仪是机械动作，形成了计算机对绘图仪的时间等待，降低了计算机的工作效率，往往用于小型或微型机。,（3）交互式绘图系统具有很强的人机交互功能，用户向绘图系统发出指令，系统根据指令处理并将结果输出到绘图终端。用户还可以再对图形进行编辑和标注。一般用于小型、微型计算机绘图系统，典型的代表是计算机辅助设计系统。,绘图应用程序,输入设备,大、中计算机,控制器,绘图仪,联机绘图系统流程示意图,2计算机图形系统的硬件平台平台是指操作者（用户）面对计算机的工作环境（包括软件和硬件平台两部分）,（1）微型计算机随着超大规模集成电路技术的发展，微机在处理速度、存储容量、显示性能等方面都有了飞速的发展，使其可以成为绘图平台的担当者。将图形数据和图形输出分别进行处理，避免了计算机处于等待状态。,,（2）中、小型计算机属于高级大规模的计算机工作环境，一般在特殊的部门、单位和应用领域采用。,（3）大型计算机以大型计算机为基础，具有庞大的存储器和极强的计算功能，有大量的显示终端和极高精度、大幅面的硬拷贝设备。,（4）计算机网络采用服务器式工作站，分为局域网、广域网、有线网和无线网。,第二节图形硬件设备简介,一、显示设备二、输入设备三、输出设备,,,,,1CRT显示器工作原理2显示器的类型,,一、显示设备,1CRT显示器工作原理（1）CRT单色显示原理它利用电场产生高速的聚焦电子束，偏转到屏幕表面的不同部位，以产生可见图形。CRT主要由3部分组成a电子枪电流通过灯丝对阴极加热而发射出电子束。在聚焦极上加上一定的正电压，使电子束聚焦并成为很细的电子束。再由加速极加上正电压对电子束加速，使其有足够的能量射向荧光屏。靠近阴极的控制极，加上负电压后能控制电子束的强弱，即能控制电子束打在荧光屏上所产生的光的强度,显示设备是最终产生图形效果的部件，目前占据主导地位的仍是阴极射线管（CRT－CathodeRayTube）显示器。,,CRT剖面示意图,磁偏转系统CRT剖面图,b偏转系统是能够在屏幕上产生图形的最关键的部分。可以用静电场或磁场控制电子束的偏转静电场偏转属内部偏转，在射线管内放置垂直和水平两套平板。磁偏转属外部偏转，有两个线圈绕在管颈上，一个线圈使电子束产生水平偏转，另一个线圈产生垂直偏转。偏转系统最重要的特性是灵敏度，它反映了偏转信号所能产生的偏转角度的大小。如果一个CRT的灵敏度低，为获得较大的偏转角度，只能加长管子的长度，其结果，显示器就非常笨重。静电偏转技术的灵敏度由下式确定tanα＝LVd／2DVaα为偏转角度；Va为加速电压；Vd为偏转电压；L为偏转板的长度；D为板间距离。显然，当偏转角α给定以后，Va愈大即电子束速度愈高，所要求的偏转电压Vd也愈高。,偏转灵敏度示意图,一般说来，磁偏转方法允许用较高速的电子束，因而能产生亮度较高的图象。另外，磁偏转系统可以使电子束会聚成更小的光点，且具有结构简单及所需电功率较小等优点，所以大多数CRT都用磁偏转系统。c荧光屏荧光屏上涂有荧光粉，电子束打在荧光屏上，荧光粉就会发光而形成光点。除了颜色不同外，各类荧光物质之间的主要区别在于荧光物质的余辉时间。通常，由电子束轰击荧光层某点产生荧光，当电子束离开该点后其亮度值随时间按指数规律衰减。余辉时间就是指光亮度值衰减到初始值的1／10所需的时间。各种荧光物质的余辉时间差别很大，可以从几微秒到几秒，而用于图形设备的大多数荧光物质的余辉时间一般为几十到几百毫秒。为了得到一幅稳定的、不闪烁的画面①使电子束不断重复地描绘出原来的图形，如果重复频率足够快，某点的亮度值对观察者来说是一个常数；②增长余辉时间。余辉时间是决定产生不闪烁图形所需刷新速率的主要因素。余辉时间越长，所需的刷新速率就越低。,c荧光屏一般短余辉的荧光物质适用于动画显示；而长余辉的荧光物质则适用于显示复杂的、静态的画面。单色CRT显示图象的质量取决于①设备固有的单个光点直径的大小②“可寻址能力”addressability。可寻址能力可以理解为单位长度内能够利用的光点的数目。下图表示不同寻址能力显示图形的效果。通常总是希望点的直径大于点间距，以得到较光滑的图形。,光点直径与点距比值不同时的图形效果,荧光屏的分辨率一个CRT在水平或垂直方向上能够识别出的光点最大数目称为分辨率。这是衡量CRT的重要指标，它取决于所用荧光物质的类型以及聚焦和偏转系统。有时我们也把分辨率理解成所能识别的光点的最小距离。显然，点数愈多，距离愈小，分辨率愈高，显示图形也就愈精确。分辨率与光点直径大小有关。（2）CRT彩色显示原理之所以能发出彩色，是由于使用了不同颜色荧光粉的结果。有两种类型a穿透式彩色CRT,采用多层不同的荧光粉，即在荧光屏上先涂上绿色荧光粉层，再涂上红色荧光粉。当电子束速度较低时，轰击荧光屏的能量只能使表层红色荧光粉受激励而产生红色亮点。当提高加速电压后，电子束速度增加，可以穿透到绿色荧光层形成绿色光点。通过改变电子束电压可以调节其穿透荧光粉层的厚度，从而改变红绿两种发光亮度的比例，产生红、橙、黄、绿四种颜色。价格低，但只能生成4种颜色，而且图形质量也差。,,,,,,,,,,,,荧光屏,红绿色涂层,b影孔板（荫罩）式彩色CRT它能显示的颜色要比前者宽的多，常用于光栅扫描显示器。这种CRT在屏幕内壁上涂有由红（R）绿（G）兰（B）三种颜色构成的荧光粉点，按RGB顺序分行交错排成密集的三角形形状。在距离荧光屏1cm处安装着影孔板，其上若干小孔，与屏幕上三原色组一一对应。,呈三角形排列安装着三支电子枪同时发射三条电子束，由偏转系统共同控制，使三条电子束聚焦于影孔板上的小孔中，并穿过小孔轰击荧光屏。由于三支电子枪在不同于位置，经聚焦后可以分别击中RGB三个点。由于RGB三个荧光点相距太近，以至于分不清三原色而形成混合色。因此通过调节各个电子枪的电流强度，可以改变相应颜色荧光点的亮度，从而产生各种合成色。,例如，关闭RG电子枪就能得到B色，三支电子枪以相同的强度同时激发三个荧光点，就会得到白色等。在廉价的显示器中，电子束只有发射和关闭两种状态，因此只能有8种颜色；在比较复杂的系统中，则可以发射中间强度的电子束，因而能产生多达几百万种的颜色。影孔板彩色CRT的影响因素影孔板和三元组对其分辨率有较大的影响。一般高分辨显管三元组的平均径距pitch约为0.21mm，家用电视显象管约为0.6mm。因为聚焦的光束不能保证精确地穿过影孔板上对应孔的中心，所以，电子束的直径必须为影孔板径距的7／4倍。例如，若影孔板的径距为0.25mm0.01英寸，则电子束的直径就为0.45mm0.018英寸。影孔板的径距对CRT的分辨率有很大的限制。随着径距减小，分辨率会高。但是径距愈小，管子生产就愈困难。小径距的影孔板很脆，难于安装，也容易因电子加热而弯曲。影孔板也限制了CRT的亮度。一般来说，只有20％的电子束轰击荧光屏，其余则轰击影孔板。因此，与单色CRT相比，能产生光的电子要少得多。可以增加电子束电流来增强亮度，但这又引起聚焦的困难，且也使影孔板更热而更易弯曲。,CRT的刷新频率刷新频率是指每秒重画图象的次数。为了得到稳定的画面，通常刷新频率应为50帧／秒。随着刷新频率的降低，会出现闪烁。使图象不闪烁的刷新频率称为临界停闪频率CFFcriticalfusionfrequency。决定CFF的因素有荧光屏的余辉时间，图象亮度及环境光的亮度，发射光的波长以及观察者本身。,,2显示器的类型图形显示器根据电子束轰击屏幕的方式和组成结构分为三种随机扫描式显示器存储管式显示器光栅扫描显示器图形显示器的主要技术指标有两项分辨率，颜色数（1）随机扫描显示器,随机扫描显示器结构,,（1）随机扫描显示器随机扫描显示器的工作流程和原理要显示的图形由计算机生成显示器的显示指令，显示指令经接口电路送到显示器的缓冲存储器，而固定存储器中则存放各种常用字符、数字等显示指令。图形控制器取出缓冲存储器或固定存储器中的显示指令，依次执行。显示指令中的亮度、位移量等数字信息经线产生器的处理转换为控制电子束偏转和明暗的物理量，即电压或电流。再由管头控制电路使电子束以所需的亮度偏转到所需的位置。为了得到稳定的图形，还需要不断地重复扫描显示档案，即所谓的刷新。刷新频率通常为每秒2550次，即每秒2550帧左右。特点能实时地进行数字－视频转换；交互性好，扫描速度快，图形质量好。不能产生多级灰度的真实感图形，复杂图形受扫描速度的限制，价格高,（2）存储管式显示器随机扫描器使用独立的存储器存储图形信息，然后不断读取并刷新屏幕。这就带来了显示稳定图形时画线长度有限，且造价高。存储管式显示器利用显示管本身存储信息。其原理如下,存储管的写电子枪和普通的CRT一样，经聚焦的电子束在X，Y两个方向上偏转，其定位和偏转有随机性，但电子束不是直接写在荧光屏上，而是写在荧光屏前面的存储栅上。存储栅是一个很细的金属栅网，由写电子枪射出的高能量电子束将栅网上介质的电子轰击出来，轰击出来的电子比写上去的电子要多，所以栅网上遭电子束轰击的地方呈正电荷，电子束书写的轨迹在栅网上形成正电荷轨迹即电子束描绘的轨迹。在直视型的存储管内还有一个电子枪，叫第二电子枪，或称读出电子枪。它射出的低能量漂浮电子流泛流电子大面积向收集栅流去，收集栅使这些电子均匀散开，流向存储栅。存储栅上呈现正电荷的地方吸引电子，使电子通过并轰击荧光屏而发光，而其它位置则不通过电子。所以存储栅既存储图形，又控制电子通过，并在屏幕上形成图形。,直视型存储管原理,特点存储管式显示器显示图形不需要附加存储器和有关电路，能在几小时内显示不闪烁的复杂图形。它可在较低的传输速率下工作，如300或1200波特率，并具有价格便宜的优点。但是这种显示器不能做选择性修改，所以难以进行动态显示。近年有些直视型存储管提供了某种“写入通过”模式，它降低了写电子束的能量，使写电子不是保存在存储栅上，而是直接写在屏幕上，因而具有一定的动态性能。但是，由于写电子束的速度低，故所显示的直线段数目，也即图形的复杂性受到限制,（3）光栅扫描式显示器这种显示器的CRT屏幕可分为m行，每行又可分为n个点，即屏幕可分为mn个点，称其为像素。屏幕上的每个像素都对应帧缓冲存储器中的若干位，最简单的黑白图像只需一位若该位为0，表示像素为暗，该位1表示像素为亮。因此，光栅扫描显示器的帧缓存中存放的不是显示指令，而是对应各个像素的亮度或色彩信息，称其为位图（Bitmap）。其原理如下计算机将要显示的图形图像转换为位图，经接口电路送入帧缓存；图像控制器控制电子束按自上而下、由左到右的顺序依次扫描整个屏幕。同时，把一帧画面中的每个像素的值从帧缓存中读出，二者同步进行，以使读出的值控制电子束的能量大小，并决定像素的亮度。,光栅扫描显示器基本结构,光栅扫描方式有两种，逐行扫描和隔行扫描。逐行扫描由上而下逐行依次扫描，直至将屏幕扫描完毕。隔行扫描屏幕扫描分两次完成，先扫描偶数行，而后再扫描奇数行。光栅扫描显示器的主要技术参数包括①显示分辨率指屏幕上水平和垂直方向上可以显示像素的数目。高性能显示器每屏可显示像素达1MP（pPixel）中性能显示器每屏可显示像素达（0.3-0.5）MP640480307200＝0.3MP一般显示器每屏可显示像素达（0.05-0.2）MP640200＝128000＝0.12MP②颜色数或亮度等级数亮度等级是指单色显示器的像素亮度可变化数目。彩色显示器颜色数是指显示器可以显示的所有颜色总数。③画图速度指图像生成器把基本画图命令转换成显示存储器位图的速度。④其它屏幕大小，刷新频率，纵横比，余晖长度等。,光栅扫描器的优点可显示真实感图形，容易实现图像的数字化转换，图形文件的格式比较固定。技术成熟，存储芯片价格便宜，故光栅显示器的应用比较广泛。不足分辨率低，使斜线和曲线不光滑，提高分辨率的制约因素较多。,（4）其它显示器a液晶显示器液晶显示器－LCD（Liquid-crystaldisplay）由6层组成。液晶材料由细长的晶状颗粒组成，所有的晶粒以螺旋形式排列，经光电共同作用而达到显示图形的目的。b等离子显示器主要由小氖灯等离子体（plasmapanel）阵列构成的显示器，由三个玻璃层组成，每个氖灯有“亮”和“暗”两种状态，第一第三层组成矩阵式编址，用来控制氖灯的开与关。c电子发光显示器结构类似于LCD离子体显示器，在前后板之间是一个500mμm的电子发光材料层。当在105v/cm强电场中时可发射光线。这种显示器较亮，且通断迅速，但耗电大，价格高。,,二、计算机图形输入设备,,三、计算机图形输出设备,主要包括显示器、绘图仪、打印机等。1绘图仪（1）笔式绘图仪a平台式绘图仪b滚筒式绘图仪c平面电机式绘图仪d小型绘图仪绘图仪绘图质量取决于以下主要技术指标绘图速度指画笔移动的快慢，一般为12-48m/分钟。笔和纸的运动加速度也影响绘图速度。步距也称分辨率，一般0.01-0.1mm，步距越小，绘出图形精度越高。绘图精度指实际绘图线与理论图形线之间的相近程度，包括静态精度画笔单方向移动时，实际移动距离与理论计算距离间的误差重复精度画笔从出发点移动一定距离后再回到出发点时的位置差。,,（2）喷墨绘图仪（3）静电绘图仪绘图纸带有负电荷，吸有调色剂的针尖带有正电荷，当程序控制的电压按阵列式输出并选中某针尖时，就将调色剂附着到纸上，产生极小的静电点。静电绘图仪可输出具有明暗度的面图，分辨率较高，速度较高，运行可靠，噪声小。但纸张特殊，而价格高。2打印机根据打印机制式不同，可分为点阵式打印机和激光打印机。（1针式打印机（2喷墨打印机（3激光打印机激光打印机把数据转换为电信号，用激光束在光敏鼓（硒鼓）上扫描，通过控制激光束的开与关来控制光敏鼓是否吸附碳粉，在纸上滚动的的光敏鼓将图形印在了纸上达到输出的目的。激光打印分辨率高，图形文本质量非常高。打印机的发展方向高精度、高速度、低噪音、彩色化。,,第三节图形软件系统,一、图形软件的组成二、基本图形软件三、图形软件与其它软件资源的联系四、实用图形软件包简介,,,,,,,,一、图形软件的组成,图形软件系统应该具有良好的结构，有合理的层次结构和模块结构。使系统容易设计、调试和维护，便于扩充和移植。,,,,一级图形软件,二级图形软件,三级图形软件,,零级图形软件,零级图形软件底层软件，又称设备驱动程序，面向系统。一级图形软件基本子程序，包括生成基本图形元素即对设备进行管理的程序模块，既面向系统又面向用户。二级图形软件功能子程序，建立图形数据结构，定义、修改和输出图形，主要面向用户。三级图形软件解决应用问题的图形软件，通常由用户编写。零到二级为基本图形软件，或支撑软件，三级或以上为应用图形软件。,图形设备指令功能命令集计算机操作系统,,二、基本图形软件,1基本图形软件的内容零级－二级图形软件称为基本图形软件，作为图形系统的支撑软件，其基本内容包括系统管理程序；定义和输出基本图素及复合图素图形的程序；通讯变换。包括几何变换、开窗、裁减等程序；实时输入处理程序；交互处理程序；2建立基本图形软件的方法通常采用以下三种方法建立基本图形软件（1图形程序包以某种高级语言为基础，加上扩充处理图形功能的子程序包。实现起来比较容易，便于修改扩充。由于高级语言（FORTRAN,BASIC等）并不是专为处理图形而设计，有不妥之处。（2修改高级语言修改高级语言的编译系统，扩充一些处理图形的语言和数据类型，改变原高级语言不适应图形处理的缺点。但是，修改语言的编译系统并非易事，而且难于彻底解决问题。,,二、基本图形软件,（3专用高级图形语言一种从语句、数据结构到输入、输出的各方面都按照处理图形需要而设计的图形语言，有自己独立的编译器。由于应用领域中设计到的领域各不相同，图形系统也不相同，因此编译器设计也比较困难目前，国内外通用的图形软件系统绝大多数都采用前两种方法，特别是图形程序包的方法。,,三、图形软件与其它软件资源的联系,1高级语言的选择图形程序包以高级语言为基础，选择哪种高级语言应考虑的因素（1选择图形工程领域中较为通用的语言；（2图形软件包是模块结构，最好选择模块化结构的高级语言；（3选择支持性软件（数学软件包、数据库管理等）比较丰富的高级语言（4选择数据类型比较灵活和丰富的高级语言5选择输出功能比较强的高级语言（6）图形处理要求响应速度快，要选择目标程序质量比较高的语言显然，完全满足这些要求的高级语言并不存在，这也就是需要研制专门处理图形的高级语言的理由。目前只能从比较通用的高级语言中选择,,BASIC简单易学，有会话功能，应用普遍，但计算功能较弱，一般只适应于微机图形系统。FORTRAN具有模块结构，与图形软件包的联结非常方便，有丰富的支持软件，而且工程界通用。但数据类型不够丰富，处理复杂图形对象也不够方便。PASCAL是结构化的程序设计语言，有丰富的数据库结构，便于表述复杂的图形结构，但在工程界应用不够普及。C语言与PASCAL相仿，由于接近机器语言，效率较高有良好的发展前景。2操作系统的选择是计算机最基本的系统软件，他的功能直接影响其它系统功能的强弱。研制专门图形操作系统既是十分有意义又是非常困难的。通常都是以现有的操作系统为基础建立图形处理系统，选择时特别要考虑容易扩充图形设备，或允许作为用户设备由图形软件包自己管理。由于UNIX系统灵活方便，功能齐全和易于移植、扩充，被越来越多的图形处理系统所采用。,,本部分内容略...,,