圖形系統(tǒng)和標準化

1、第2章 圖形系統(tǒng)和標準化1內(nèi)容提要圖形系統(tǒng)的組成 常用的圖形輸入輸出設(shè)備 圖形處理器和工作站圖形軟件標準和窗口系統(tǒng)221 圖形系統(tǒng)的組成與功能計算機圖形系統(tǒng)是計算機圖形硬件和圖形軟件的集合。圖形硬件包括具有圖形處理能力的計算機、圖形顯示器以及鼠標和鍵盤等基本交互工具，還有圖形輸入板、繪圖儀、圖形打印機等輸入輸出設(shè)備，以及磁盤、光盤等存儲設(shè)備。圖形軟件包括計算機系統(tǒng)軟件、高級語言、圖形處理軟件和應(yīng)用軟件。 3圖形系統(tǒng)的組成 計算機圖形顯示終端繪圖儀圖形輸入板硬盤光盤驅(qū)動器鼠 標4圖形系統(tǒng)的基本功能一個計算機圖形系統(tǒng)至少應(yīng)當具有計算、存儲、對話、輸入、輸出五個方面的基本功能。（1）計算功能：圖形系

2、統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)設(shè)計過程中所需要的計算、變換和分析功能，如直線、曲線、曲面等幾何因素的生成，坐標的幾何變換，線段和形體間的求交、裁剪計算以及光、色模型的建立等，都需要快速的計算能力。（2）存儲功能：在計算機的內(nèi)存、外存中能存放圖形數(shù)據(jù)，尤其是存放形體幾何元素（點、邊、面）之間的連接關(guān)系以及各種屬性信息，并且可基于設(shè)計人員的要求對有關(guān)信息進行實時檢索、修改、增加、刪除等操作。（3）對話功能：圖形系統(tǒng)應(yīng)能通過圖形顯示器及其它人-機交互設(shè)備直接進行通信。利用定位、拾取等手段，輸入或獲取各種參數(shù)，同時應(yīng)能領(lǐng)會人的意圖，接收各種命令，實現(xiàn)增、刪、改等操作，并能觀察設(shè)計結(jié)果。（4）輸入功能：把圖形設(shè)計和繪圖過程

3、中的有關(guān)定位、定形尺寸及必要的參數(shù)和命令輸入到計算機中去。（5）輸出功能：圖形系統(tǒng)應(yīng)能在屏幕上顯示出設(shè)計過程當前的狀態(tài)，經(jīng)過增、刪、改后的結(jié)果，在得到滿意的設(shè)計結(jié)果或其它輸出要求時，應(yīng)能通過繪圖儀、打印機等設(shè)備實現(xiàn)硬拷貝輸出，以便長期保存。5圖形系統(tǒng)的選擇在選擇一個圖形系統(tǒng)時，首先要對圖形硬件和軟件的組成做出合理的選擇，其次還要考慮以下的因素：（1）系統(tǒng)如何與其他工作過程相互配合，如生產(chǎn)、設(shè)計以及人們的使用經(jīng)驗和習慣；（2）經(jīng)濟因素，以最少的投資獲得最大的收益，避免浪費；（3）系統(tǒng)安裝、運行、維護、管理的條件，選擇要求硬件配置低、易于使用和維護的圖形系統(tǒng)；（4）用戶接口，選擇界面友好，操作方便

4、的圖形系統(tǒng)。不少用戶對圖形系統(tǒng)了解不全面，他們只愿意出錢買硬件，不愿意花錢買軟件，這往往也使得圖形硬件得不到充分的發(fā)揮。目前采用的圖形系統(tǒng)最流行的是個人計算機圖形系統(tǒng)和工作站，再配上相應(yīng)的圖形輸入輸出設(shè)備和圖形軟件。62.2 常用的圖形輸入輸出設(shè)備在一個基本的計算機圖形系統(tǒng)中，圖形輸入設(shè)備是將用戶的圖形數(shù)據(jù)、各種命令轉(zhuǎn)換成電信號傳送給計算機，圖形輸出設(shè)備是將計算機處理好的結(jié)果轉(zhuǎn)換成圖形呈現(xiàn)在用戶面前，如圖形的顯示、繪制和打印。221 圖形輸入設(shè)備圖形輸入設(shè)備從邏輯上分為六種，如表2.1所示。但實際的圖形輸入設(shè)備往往是某些邏輯輸入功能的組合。 表2.1 圖形輸入設(shè)備的邏輯分類78下面簡要介紹幾種

5、常見的圖形輸入設(shè)備。（1）鼠標器（Mouse）鼠標器是一種移動光標和做選擇操作的計算機輸入設(shè)備，它和鍵盤一起成為現(xiàn)在計算機主要的輸入工具。隨著“所見即所得”（What you see is you want）環(huán)境越來越普及，使用鼠標器的機會也越來越多。鼠標器的工作原理是：當移動鼠標器時，它把移動距離及方向的信息變成電脈沖送給計算機，計算機再把電脈沖轉(zhuǎn)換成鼠標器光標的坐標數(shù)據(jù)，從而達到指示位置的目的。在圖形系統(tǒng)中，鼠標器可用來進行圖形定位、選擇對象、拾取圖形信息等功能。目前常用的鼠標器根據(jù)測量位移的部件可分為機械式、光電式和光機式三種。根據(jù)按鍵可分二鍵、9三鍵、四鍵式鼠標，在不同的圖形軟件中定義

6、鼠標按鍵的操作方式和功能各不相同。鼠標器按鍵一般具有下述五種操作方式： 點擊（Click）是按下一鍵并立即釋放，掀?。≒ress）是按下一鍵不釋放，拖動（Grag）是按下一鍵不釋放，并移動鼠標器，同時按?。–hord）是同時按下兩個或三個鍵，并且立即釋放，改變（Change）是不移動鼠標器，連續(xù)點擊同一個鍵二次或三次，也稱為雙擊或三擊。（2）坐標數(shù)字化儀（Digitizer）坐標數(shù)字化儀式一種把圖形轉(zhuǎn)變成計算機能夠接收的數(shù)字形式專用設(shè)備，是常見的定位設(shè)備，其基本原理是采用電磁感應(yīng)技術(shù)。數(shù)字化儀由兩部分組成，一個是堅固的、內(nèi)部有金屬柵格陣列的10圖板，在它上面對圖形進行數(shù)字化；另一個是游標，由它

7、來提供圖形的位置信息，一般的游標上面有一個叉絲和多個按鍵組成，如4鍵、16健等，每個鍵都可以定義特定的功能。如圖2.2所示。坐標數(shù)字化儀的工作原理：圖板在x,y方向上布滿了金屬柵格，游標中有一個線圈，當線圈中通有電流信號時，游標十字叉絲的中心便產(chǎn)生一個電磁場，當游標在平板上移動時，平板下的印制線上就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。印制板周圍的多路開關(guān)等線路可以檢測出最大信號的位置，即十字叉絲中心所在的位置，從而得到該點的坐標值。另外一個與坐標數(shù)字化儀在結(jié)構(gòu)和原理上類似的設(shè)備叫圖形輸入板（Tabet），只是面積較小而已，常見的面積為280mm280mm。1112在選擇和購買坐標數(shù)字化儀時要考慮一下主要性能指標。

8、 最大有效幅面：指能夠有效地進行數(shù)字化操作的最大面積，一般按工程圖紙的規(guī)格來劃分，如A4,A3,A1,A0幅面等。數(shù)字化速度：由每秒幾點到每秒幾百點，大多采用可變方式，由用戶進行選擇。最高分辨率：分辨率是指坐標數(shù)字化儀的輸出坐標顯示值增加1的最小可能距離，一般為每毫米幾十線到幾百線之間。最高分辨率取決于對電磁感應(yīng)信號的處理方法和技術(shù)。（3）圖形掃描儀圖形掃描儀是直接把圖形（如工程圖紙）和圖像13（如照片、廣告畫）掃描輸入到計算機中，以像素信息的形式進行存儲的設(shè)備。按照所支持的顏色分類，可分為單色掃描儀和彩色掃描儀；按掃描寬度和操作方式可分為大型掃描儀、臺式掃描儀和手持式掃描儀。圖形掃描儀和數(shù)碼

9、相機等輸入設(shè)備在計算機中都是以圖像形式存儲和顯示，因此是圖像處理的常用設(shè)備。不過有圖形與圖像之間關(guān)系與轉(zhuǎn)換日益緊密，在圖形處理系統(tǒng)中也離不開這些設(shè)備。其它的輸入設(shè)備還包括光筆、觸摸屏、跟蹤球、操縱桿、語音識別器等。 222 圖形輸出設(shè)備14圖形輸出設(shè)備包括圖形顯示設(shè)備及各種繪圖儀和打印機。（1）圖形顯示器圖形顯示器是計算機圖形系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備，現(xiàn)在使用的圖形顯示器主要是采用陰極射線管（CRT）原理的顯示器，另外還有液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器等。下面主要介紹CRT顯示器。CRT顯示器按照所顯示的顏色來分，可分為單色顯示器和彩色顯示器。按照工作原理可分為隨機掃描圖形顯示器、存儲管式圖形

10、顯示器和光柵掃描式圖形顯示器三種，前兩種方式的顯示器已基本被淘汰，現(xiàn)在用的顯示器都是光柵掃描式圖形顯示器。下面比較詳細地介紹光柵掃描式圖形顯 15 示器的工作原理，這對圖形和圖像編程很有幫助。 光柵掃描式圖形顯示器（簡稱光柵顯示器）是畫點設(shè)備，通過顯示器上的像素（Pixel）的亮度、顏色來顯示不同的形狀和顏色的圖形。光柵顯示器的性能指標主要有以下幾條：分辨率，表示顯示器在水平和垂直方向上能夠識別出的最大像素數(shù)，如640X480,1024X768,1280X1024等；顯示尺寸，即顯示器用于顯示圖形的面積，一般用顯示器對角線的距離來衡量，如15英寸、17英寸等； 點間距：即水平兩個相鄰像素點中心

11、之間的距離，如.28mm、.31mm顯示器等，這是將分辨率和顯示尺寸結(jié)合起來考慮的一個綜合指標，點間距越小，現(xiàn)實的圖形或圖像就越精細； 顯示速度：一般用顯示器每秒刷新屏幕的次數(shù)來表示，16CRT顯示器要求刷新頻率不低于每妙20-30幀，否則會出現(xiàn)屏幕閃爍現(xiàn)象。早期的顯示器刷新頻率較低，為了解決屏幕閃爍現(xiàn)象，一般采用隔行掃描線是技術(shù)，而現(xiàn)在的顯示器刷新品率一般都在每秒50幀以上，通常都是采用逐行掃描顯示技術(shù)。 光柵顯示系統(tǒng)由光柵顯示器和圖形適配器（即顯卡）組成。一個黑白光柵顯示系統(tǒng)，在顯卡的幀緩存（即顯存）中，每個像素需要1位存儲單元，只有0和1兩個狀態(tài)，只能產(chǎn)生黑白圖形。幀緩存是數(shù)字設(shè)備，光柵

12、顯示器是模擬設(shè)備，要把幀緩存中的信息在光柵顯示器屏幕上輸出，必須經(jīng)過數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換，在幀緩存中的每一位像素必須經(jīng)過存取轉(zhuǎn)換才能在光柵顯示器上產(chǎn)生圖形。如圖2.3所示。 1718在光柵顯示器中，需要用足夠的位面和幀緩存結(jié)合起來才能反映圖形的灰度等級和顏色。圖2.4是一個具有N位面灰度等級的幀緩存，即顯示器上每個像素的亮度是由N個位面中對應(yīng)的幀緩存單位中的值控制的，即每一位的二進制值（0或1）被存入指定的寄存器中，該寄存器中的二進制數(shù)被翻譯成灰度等級，其范圍在0到2N-1之間。顯示器的像素地質(zhì)通常以左上角為屏幕坐標系的原點（0，0）。亮度等級經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)變成驅(qū)動顯示器電子束的模

13、擬電壓，從而顯示出不同灰度的圖形或圖像。例如，對于具有三個位面的幀緩存，分辯率是1024X1024的顯示器，需要3X1024X1024位的存儲單元，即3M，每個像素可以表示23=8級灰度。為了在有限的幀緩存的條件下顯示更多的灰度等級，可以采用查找表技術(shù)。1920彩色顯示器的工作原理如圖2.5所示。對于紅綠藍（RGB）三原色彩色顯示器，每種顏色對應(yīng)一個電子槍和幀緩存。如果每個電子槍對應(yīng)一個位面的幀緩存，那么三個顏色的位面可以表示23=8種不同的顏色。如果每種顏色的電子槍對應(yīng)N個位面的幀緩存，則每個像素可以表示2NX2NX2N種顏色，例如，每種顏色的電子槍對應(yīng)8個位面的幀緩存，則每個像素可以表示2

14、8X28X28=224，即種顏色，這種顯示器稱為全色光柵顯示器。 2122常用的顏色有：黑色RGB(0,0,0)，紅色RGB(255,0,0)，綠色RGB(0,255,0)，藍色RGB(0,0,255)，黃色RGB(255,255,0)，青色RGB(0,255,255)，紫色RGB(255,0,255)和白色RGB(255,255,255)。（2）打印機（Printer） 圖形繪制設(shè)備就是將圖形畫在紙上，也稱為硬拷貝設(shè)備，分為打印機和繪圖儀兩種。打印機是廉價的產(chǎn)生圖紙的硬拷貝設(shè)備，從機械動作上常分為撞擊式和非撞擊式兩種。撞擊式打印機使用成型字符通過色帶印在紙上，如行式打印機、點陣打印機等。非撞

15、擊式打印機常用的技術(shù)有：噴墨技術(shù)和激光技術(shù)。噴墨打印機和激光打印機由于速度快、噪音小，已逐漸替代以往的撞擊式打印機。 23（3）繪圖儀（Plotter）現(xiàn)在常用的是筆式繪圖儀（Pen Plotter）。所謂筆式繪圖儀就是用墨水筆進行繪圖，它是矢量設(shè)備，繪圖筆相對圖紙做隨機移動。筆式繪圖儀分為滾筒式和平板式兩種。顧名思義，平板式筆式繪圖儀是在一塊平板上鋪上圖紙進行畫圖，繪圖筆分別由X、Y兩個方向進行驅(qū)動。而滾筒式繪圖儀是在一個滾筒上畫圖，圖紙在一個方向（如X方向）滾動，而繪圖筆在另一個方向（如Y方向）移動。如圖2.6所示。兩類繪圖儀都有各自的系列產(chǎn)品，其繪圖幅面從A3到A0以及加長A0等。 24

16、25筆式繪圖儀的主要性能指標包括：最大繪圖幅面、繪圖速度、優(yōu)化繪圖以及繪圖所用的語言等。在主機向繪圖儀發(fā)送圖形數(shù)據(jù)的同時，還要發(fā)送指揮繪圖儀實現(xiàn)各種動作的命令，如抬筆、落筆、畫直線段、畫圓弧等，然后由繪圖儀去解釋這些命令并執(zhí)行之。這些命令格式稱為繪圖語言。在每種繪圖儀中都有自己的繪圖語言，其中HP公司的HPGL繪圖語言應(yīng)用最廣泛，并可能成為各種繪圖儀未來移植的標準語言。除此之外，還有靜電繪圖儀、噴墨繪圖儀等。 262.3 圖形處理器和工作站2.3.1 圖形處理器在圖形硬件系統(tǒng)中，為了減輕主機負擔，加快圖形處理速度，一般都有兩個以上的處理器部件，采用流水線、并行處理等技術(shù)。除了中央處理器（CPU

17、）之外，還有一個專用的顯示處理機（DPU）,用來與CPU交互作用和控制顯示設(shè)備的操作。按照功能的不同，可分為簡單圖形處理器、單片圖形處理器和個人計算機圖形卡等多種形式。（1）簡單圖形處理器個人計算機上采用的光柵圖形系統(tǒng)含有一個CPU、系統(tǒng)總線、主存、幀緩存、視頻控制器和一個CRT，如圖2.3.1（a）所示。在這種結(jié)構(gòu)的圖形系統(tǒng)中，顯示刷新頻率和重新編址次數(shù)都很高，視頻控制27 器對內(nèi)存的存取操作次數(shù)也比較多，從而降低了CPU的工作速度。為此，在如圖2.3.1（b）所示的結(jié)構(gòu)中，增加一個圖形顯示處理器（DPU），專門用于執(zhí)行有關(guān)圖形處理的功能，如掃描轉(zhuǎn)換、光柵操作等，同時還設(shè)置了專門的圖像刷新幀

18、緩沖存儲器。因此，這種圖形系統(tǒng)具有兩個處理器，即一個是通用處理器（CPU），用于計算機正常的計算處理，另一個是顯示處理器（DPU），專用于圖形的處理。三個存儲器，即系統(tǒng)存儲器（主存）、顯示處理存儲器和幀緩沖存儲器。系統(tǒng)存儲器存放由CPU執(zhí)行的程序、圖形指令和操作系統(tǒng)命令等；顯示處理存儲器用于存放掃描轉(zhuǎn)換和光柵操作的程序；幀緩沖存儲器存放掃描轉(zhuǎn)換和光柵操作所產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)。 2829到目前為止還沒有一種圖形系統(tǒng)能滿足顯示圖形的復雜性和真實性，其中最主要的問題有兩個，即幀緩沖存儲器的存取速度和CPU處理復雜圖形的速度。由于幀緩沖存儲器的存取速度和CPU處理復雜圖形的速度不能滿足大量圖形數(shù)據(jù)的處理速

19、度，因此必須采用一些改進的措施。（2）單片圖形處理器單片圖形處理器是視頻控制器和顯示處理功能的結(jié)合，目前在市場上廣泛使用的單片圖形處理器有兩種，一是美國Texas儀器公司的TMS 34020，另一種是美國Intel公司的i860。 TMS 34020是用在PC個人計算機上加速二維圖形的顯示與處理，與其匹配的還有TMS 34082浮點處理器，用來加速三維圖形的幾何變換和裁剪。30 TMS 34020是一個可獨立編程的32位處理器。 Intel i860是第一個能直接處理三維圖形的微處理器芯片，其追求的目標是三維圖形處理的高性能、低價格和高集成度。在Intel i860中含有高性能的CPU及高速緩

20、存、輸入/輸出控制器以及支持特殊指令的邏輯單元。對于有主CPU的計算機，i860可作為圖形顯示處理器；i860也可以作為獨立的單片處理機。 （3）個人計算機圖形卡 在個人計算機上，將用于圖形顯示的處理器（DPU）、顯示處理存儲器、幀緩沖存儲器以及視頻處理控制器等集成在一起（圖2.3.1(b)中虛框部分），單獨做成一塊板，稱為圖形顯示適配器（Graphic Display Adapter,簡稱顯卡）。 311981年IBM公司推出PC機時提供了兩種顯卡，一種是單色顯示卡（簡稱MDA）,分辨率為720X350，另一種是彩色圖形顯示器（簡稱CGA），分辨率為640X200。1985年推出了增強型的圖

21、形適配器（簡稱EGA）以及隨后采用的視頻圖形適配器（簡稱VGA）,作為標準設(shè)備已廣泛應(yīng)用于PC計算機。80年代末期推出的TVGA和SVGA顯卡除了完全兼容MDA/CGA/EGA/VGA外，還支持分辨率高達60行X132列的字符模式和1024X768、256種顏色的圖形模式。1990年，IBM公司發(fā)布了XGA圖形顯示卡，能夠支持16位真彩色工作方式。 在對媒體技術(shù)和電腦游戲日益普及的今天，顯卡已成為PC機中重要的部件，它直接決定圖形、圖像和視頻動畫的顯示質(zhì)量。在購買顯卡時，要考慮它能支持的最大分辨率，顯示的顏色（24位或32位真彩色），顯存和緩存的大小等因素。 322.3.2 工作站工作站起源于

22、20世紀70年代，但是一些專家在設(shè)想下一代計算機時提出來的，其目的是想為程序設(shè)計人員提供一個功能強大、界面友好、圖形設(shè)計和程序設(shè)計方便的高檔計算機。1973年美國施樂（Xerox）研究中心生產(chǎn)出第一臺工作站樣機，取名為Alto。Alto采用了當時先進的計算機硬件設(shè)備和技術(shù)，如光柵顯示器，使圖文并茂，采用了鼠標器和光筆等交互設(shè)備等，同時Alto還安裝了傳輸速率為3MB/S的實驗以太網(wǎng)，增強了計算機之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸能力。直到1980年才正式推出商品化的工作站產(chǎn)品，1980年美國Apollo公司推出Domain工作站，1981年Sun公司推出Sun/1工作站，Xerox公司推出了面向辦公自動化的

23、Star 工作站，這些工作站都是采用Unix或類似于Unix33 操作系統(tǒng)，從而使Unix進一步得到普及。進入90年代，工作站作為獨立的機種在計算機行業(yè)中得到普及，并逐年處于上升的地位，特別是在CAD/CAM,電腦動畫、影視制作等圖形系統(tǒng)行業(yè)。 工作站是具有高速的科學計算、豐富的圖形功能處理、靈活的窗口及網(wǎng)絡(luò)管理功能的交互式計算機系統(tǒng)。一般地說，工作站具有如下的特點： （1）具有32位或64位字長的CPU，廣泛采用精簡指令系統(tǒng)（RISC）； （2） 配備大容量的內(nèi)存和外存，運算速度很高，可達20MIPS和5MFLOPS以上； （3） 一般采用UNIX及類似的操作系統(tǒng)，配有高性能的窗口管理系統(tǒng)，

24、如Motif或OpenLook等； 34 （4）具有很強的圖形圖像處理功能，配有專用的圖形圖像處理器，大尺寸高分辨率的顯示器，如19英寸或21英寸，1280X1024以上的分辨率，顏色深度可達100個位面以上；（5）具有網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP協(xié)議； （6） 基本用戶是工程和產(chǎn)品的設(shè)計師，主要用于工程和產(chǎn)品的設(shè)計與繪圖、工業(yè)模擬和藝術(shù)設(shè)計等。 從用戶角度來看，除工作站比大、中、小型計算機價格便宜外，更主要的是工作站將多種功能集于一身，體積小，通常配有高分辨率的大屏幕顯示器及容量很大的內(nèi)存儲器和外部存儲器，并且具有較強的信息處理功能和高性能的圖形、圖像處理功能以及聯(lián)網(wǎng)功能，為程序設(shè)計人員提供3

25、5一個功能強大、使用方便的工作環(huán)境。根據(jù)工作站本身的特點，從使用的方便性來講，它更類似于PC機，有人說：工作站是高檔的PC機；從功能和性能方面，它越來越多地覆蓋了大、中、小型計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。常用的工作站有Sun Microsystem公司的Sun Sparc工作站、HP公司的HP-PA工作站、DEC公司的Alpha工作站、IBM公司的RS/6000工作站以及SGI（Silicon Graphics）公司的IRIS工作站。其中， Sun Sparc工作站是美國Sun Microsystem公司在90 年代的主流產(chǎn)品，從1990年連續(xù)多年在工作站銷售市場上名列榜首。主要產(chǎn)品有SPARC Stat

26、ion 2(簡稱SS2)、SPARC Station 10(簡稱SS10)、SPARC Station 20(簡稱SS20)等。操作系統(tǒng)采用SunOS和Solaris，圖形支持XLIB、XGL、36 PostScript等，窗口系統(tǒng)支持Open Window、Xview和SunView，但處理機速度達100MIPS。DEC公司1993年推出的Alpha工作站是當時單CPU速度最快的RISC工作站芯片，字長64位，峰值處理速度達400MIPS。SGI工作站圖形處理能力很強，特別適合圖形處理和產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域。 評價工作站性能的指標主要是開放性、計算能力、圖形處理和網(wǎng)絡(luò)能力四個方面。開放性是指獨立于各

27、廠商并遵循國際標準的應(yīng)用開發(fā)平臺，包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、窗口系統(tǒng)和開發(fā)工具等部分組成。在開放環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用軟件可保證它們的交互操作性、規(guī)?？勺冃?、可移植性及相互連接性。對計算能力、圖形處理和網(wǎng)絡(luò)能力等性能的評測常采用基準測試法，即選擇具有代表性的各類應(yīng)用或具有某種特性的程序組作為37 基準測試程序，通過在目標工作站上實際運行這些程序得到有關(guān)的測試數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可客觀地對工作站進行測試。 另外，在選擇工作站時，需要把工作站的設(shè)計生產(chǎn)公司與CAD/CAM系統(tǒng)集成開發(fā)公司區(qū)分開來，前者主要是從事工作站硬件及其系統(tǒng)軟件的開發(fā)和生產(chǎn)，如Sun、SGI等公司，而后者主要從事CAD/CAM支撐軟件和

28、應(yīng)用軟件的開發(fā)以及與工作站的集成，如Computer Vision公司（Proengineer 軟件）、SDRC公司（IDEAS軟件）。 38 2.4 圖形軟件標準和窗口系統(tǒng)隨著計算機圖形學應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，各種圖形軟件日益增多，圖形設(shè)備品種繁多，如果沒有統(tǒng)一的標準，對應(yīng)用軟件的開發(fā)和移植等工作將造成很多的困難。為了提高圖形軟件的可移植性、與圖形硬件設(shè)備的無關(guān)性，國際標準化組織（ISO）針對圖形系統(tǒng)的不同層次的接口，制定了一系列的國際標準，如圖2.4所示，從下往上分別包括：（1） 計算機圖形元文件（Computer Graphics Metafile,簡稱CGM）；（2） 計算機圖形接口（C

29、omputer Graphics Interface,簡稱CGI）；（3） 圖形軟件包，如GKS，GKS-3D，PHIGS，GL等；（4） 圖形應(yīng)用接口標準，如IGES和STEP；3940其中，CGM和CGI是面向設(shè)備的接口標準。GKS，GKS-3D，PHIGS，GL是面向圖形應(yīng)用軟件的標準。IGES和STEP是面向圖形應(yīng)用系統(tǒng)中工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及其文件交換各式的標準。另外，窗口系統(tǒng)是近年來應(yīng)用最為廣泛的圖形化的用戶接口，其典型代表有工作站上的X-Windows，Motif和OpenLook，個人計算機上的Microsoft Windows系列產(chǎn)品，這些窗口系統(tǒng)已成為用戶接口事實上的工業(yè)標準

30、。理解和學習這些圖形軟件標準，有助于規(guī)范圖形系統(tǒng)，涉及符合國際標準的圖形軟件，以便于圖形應(yīng)用軟件的兼容性以及與設(shè)備無關(guān)性，也便于應(yīng)用現(xiàn)有的圖形軟件產(chǎn)品。41241 計算機圖形元文件（CGM）CGM是ANSI 1986年公布的標準，1987年成為ISO標準。它是一套與設(shè)備無關(guān)的圖形文件格式的國際標準，它定義了圖形文件的語義和詞法，以便于不同的圖形設(shè)備都可以接受這種圖形格式。CGM規(guī)定了生成、存儲、傳送圖形信息的格式。設(shè)計CGM的主要目的是：（1）提供圖形存儲的數(shù)據(jù)格式；（2）假脫機繪圖的圖形協(xié)議；（3）為設(shè)備接口標準化創(chuàng)造條件；（4）便于檢查圖形中的錯誤，保證圖形質(zhì)量；（5）提供了把不同圖形系統(tǒng)

31、中所產(chǎn)生的圖形集成到一起的一種手段。CGM是一個靜態(tài)的圖形文件格式，即它不能產(chǎn)生所定義圖形的動態(tài)效果。通用性是CGM的關(guān)鍵屬性，廣泛適用于各種設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)。42CGM標準主要有兩部分組成，其一是功能規(guī)格說明，以抽象的詞法描述了相應(yīng)的文件格式，包括元素標志符、含義的定義以及參數(shù)描述。其二是描述了CGM的三種標準編碼形式，即字符、二進制數(shù)和正文編碼。CGM的結(jié)構(gòu)如圖所示2.4-2所示。每個圖形文件中有一個元文件描述體和若干個邏輯上獨立的圖形描述順序組成。每個圖形描述體由一個圖形描述單元和一個圖形數(shù)據(jù)單元構(gòu)成。4344242 計算機圖形接口（CGI） CGI(Computer Graphics I

32、nterface)是ISO TC97提出的圖形設(shè)備接口標準，其目的是提供控制圖形硬件的一種與設(shè)備無關(guān)的方法，使得有經(jīng)驗的用戶最大限度地、靈活地控制圖形設(shè)備。CGI是圖形設(shè)備驅(qū)動程序的一種標準。通過CGI?？梢跃毥Y(jié)合驅(qū)動各種不同的圖形設(shè)備，真正實現(xiàn)與設(shè)備的無關(guān)性。 CGI是在用戶應(yīng)用程序和虛擬設(shè)備之間以一種獨立設(shè)備的方式提供圖形信息的描述和通信，它所提供的功能集包括： （1）控制功能集：包括虛擬設(shè)備、坐標空間、出錯控制、系統(tǒng)控制、詢問功能五個方面的功能； （2）輸出功能集：設(shè)計圖元、屬性、對象的構(gòu)成及有關(guān)的控制和詢問； 45 （3）圖段功能集：定義了圖形對象如何組合到圖段中，并用唯一的圖段標識符

33、標識，還提供了產(chǎn)生、修改和操縱圖段的功能； （4）輸入和應(yīng)答功能集：按數(shù)據(jù)的類型將邏輯輸入設(shè)備分成八類，即定位、筆劃、取值、選擇、拾取、字符串、光柵和其它輸入設(shè)備。每個邏輯設(shè)備有四種輸入方式，即請求、采樣、事件和應(yīng)答。在應(yīng)答請求方式下，允許將該邏輯輸入設(shè)備的當前值應(yīng)答在相應(yīng)的CGI虛擬設(shè)備上。 (5) 光柵功能集：提供了產(chǎn)生、檢索、修改和顯示像素數(shù)據(jù)的功能。46243 圖形軟件包圖形軟件包是應(yīng)用程序和圖形設(shè)備驅(qū)動程序之間的接口，應(yīng)用程序通過調(diào)用圖形軟件包中的圖形函數(shù)，驅(qū)動相應(yīng)的圖形設(shè)備，繪出各式各樣的圖形。作為ISO標準的圖形軟件包有GKS，GKS-3D，PHIGS，GL等。 1GKS和GKS

34、-3DGKS(Graphics Kernel System)提供了在應(yīng)用程序和圖形輸入輸出設(shè)備之間的功能接口，定義了一個獨立于語言的圖形核心系統(tǒng)。GKS是一個圖形軟件包，在具體使用時，必須嵌在宿主語言中使用，如C語言等。GKS和具有圖形處理功能的程序設(shè)計語言是有區(qū)別的，程序語言中的圖形處理函數(shù)是該語言的一47 部分，語法和語義與具體的語言有關(guān)，而GKS是獨立于宿主語言之外相對獨立的系統(tǒng)，不同的宿主語言都可以調(diào)用GKS中的圖形處理語句。 GKS作為一個圖形系統(tǒng)核心，其意義在于它提供的圖形功能和各種特殊的圖形設(shè)備是無關(guān)的。GKS中系統(tǒng)可調(diào)用的圖形輸出和輸入設(shè)備稱為圖形工作站，它是一個抽象的物理設(shè)備

35、。GKS共有六種工作站：輸入、輸出、輸入輸出、獨立圖段存儲（WISS）、元文件輸出（MO）、元文件輸入(MI)工作站。 GKS提供了一系列交互和非交互圖形設(shè)備的全部圖形處理功能，包括：控制功能、輸出功能、輸出屬性、變換功能、圖組功能、輸入功能、詢問功能、實用功能、元文件處理和出錯處理。48 GKS包括下列幾個基本的圖素，即點元素、線元素、字符元素和光柵元素。 在GKS中，圖素能以圖段方式組合，并以圖段為單位進行圖形輸出，各圖段由應(yīng)用程序定義，GKS根據(jù)所指定的圖段名進行識別與選擇，而且還可以對圖段進行變換、可見性、改名、監(jiān)測及刪除等一系列操作。 GKS采用元文件在圖形系統(tǒng)之間傳送圖形信息，其功

36、能包括GKS元文件的生成、讀入和解釋等。GKS元文件結(jié)構(gòu)及其讀、寫過程如圖所示。 4950 GKS是一個二維圖形的標準，它不適合三維圖形的處理，為此，ISO/IEC制定了三維圖形核心系統(tǒng)GKS-3D。GKS-3D是一個完全的三維系統(tǒng)，即所有的圖段、圖素數(shù)據(jù)都是三維格式，即使原來的GKS中的二維數(shù)據(jù)也要轉(zhuǎn)換成三維的格式。GKS-3D的功能包括三維輸入、三維圖素、三維幾何屬性、具有視圖操作的三維變幻以及隱藏線、面的消除等。GKS-3D和GKS是完全兼容的，它們在功能上可以混合使用，但在GKS-3D處理GKS定義的功能之前，需要把GKS定義的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成三維的格式，即GKS的功能只是在GKS-3D某個

37、具體平面上的實現(xiàn)。 2. PHIGS PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System，程序員層次交互圖形系統(tǒng))是51 ISO1986年公布的計算機圖形標準，它為應(yīng)用程序員提供控制圖形設(shè)備的子程序接口標 準。與GKS不同，PHIGS的圖形數(shù)據(jù)按照層次結(jié)構(gòu)組織，使多層的應(yīng)用模型能方便地利用PHIGS進行描述，而且PHIGS提供了動態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。PHIGS提供的功能包括以下三個方面的含義： （1）向應(yīng)用程序員提供了控制圖形設(shè)備的圖形系統(tǒng)接口； （2）圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)組織，使多層次的應(yīng)用模型能方便地應(yīng)用PHIGS

38、進行描述； （3）提供了動態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。PHIGS是為具有高度動態(tài)性、交互性的三維圖形應(yīng)用而設(shè)計的圖形軟件工具庫，其最主要的特點是能夠在系統(tǒng)中高效率地描述應(yīng)用模型，迅速修改52 圖形模型的數(shù)據(jù)，并能繪制顯示修改后的圖形模型，它也是在應(yīng)用程序和圖形設(shè)備之間提供了一種功能接口。 PHIGS的標準功能可劃分為九個程序模塊來分別實現(xiàn)，各模塊相對獨立，一個模塊僅通過系統(tǒng)的公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與其它模塊間接連接。如圖所示。 53 圖2.4-4 PHIGS的程序模塊結(jié)構(gòu)54 PHIGS和GKS-3D的功能類似，但存在以下幾個方面的差別：（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) GKS-3D提供了單層、平面的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其

39、圖段用來表示的是圖像信息而不是圖形的構(gòu)造信息，圖段數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標規(guī)格化變換后，不再是定義該圖段的坐標空間的數(shù)據(jù)。而PHIGS的結(jié)構(gòu)始終是在造型空間中定義的數(shù)據(jù)。（2）可修改性 GKS產(chǎn)生的圖段，其內(nèi)容不能修改，但影響圖段整個特征的某些屬性，如可見性、高光、可檢測性、圖段的幾何變換等則是可以修改的。而PHIGS中的任何結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的任何一部分元素則可以在任何時候進行修改。55（3）屬性的存儲 GKS把圖素屬性和圖素在一起存入圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，為了修改某圖段中的一個圖素屬性，必須去除該圖素的舊屬性，重新生成一個新屬性。在PHIGS中，只有當遍歷一個結(jié)構(gòu)并要顯示該結(jié)構(gòu)時，其中的圖素才變成輸出圖素，此時，

40、那些屬性結(jié)構(gòu)元素才連接到輸出圖素上，因此，圖形數(shù)據(jù)的修改更容易。56（4）輸出流水線 GKS-3D設(shè)置了三種不同的坐標系，首先在用戶坐標系（WC）中定義圖素，經(jīng)規(guī)格化變換后到規(guī)格化設(shè)備坐標系（NDC），這是與設(shè)備無關(guān)的二維直角坐標系，取值范圍在0.0到1.0之間。然后，在NDC中經(jīng)圖段變換、規(guī)格化裁剪、視圖變換及視圖映像等操作后，轉(zhuǎn)換到與設(shè)備有關(guān)的設(shè)備坐標系(DC)中進行輸出。 PHIGS則定義了五種坐標系，其輸出流水線為：造型坐標系(MC)，經(jīng)局部、整體變換到用戶坐標系（WC），經(jīng)視圖變換到觀察坐標系（UVN），在經(jīng)觀察投影變換后到規(guī)格化的投影坐標系(NPC)，最后經(jīng)工作站映像到設(shè)備坐標系(

41、DC)輸出。57 3GL GL(Graphics Library，圖形庫)是近年來在工作站上廣泛應(yīng)用的一個工業(yè)標準圖形程序庫，按其功能可劃分為如下幾類： （1）基本圖素：包括點、直線、多邊形、三角形、矩形、圓和圓弧、字符、曲線和曲面等； （2）坐標變換：支持旋轉(zhuǎn)、平移、比例變換以及窗口視圖變換、投影變換和裁剪，同時支持用戶定義的各種變換； （3）設(shè)置屬性和顯示方式：可定義選擇線型、填充圖案、字體和光標，可設(shè)置RGB和顏色表兩種選色方式，以及明暗效果、雙緩沖、各種位圖等多種繪圖方式； （4）輸入/輸出處理：用于啟動輸入輸出設(shè)備，并對相應(yīng)的事件隊列進行處理； （5）真實圖形的顯示：消除隱藏線、面、

42、光照處理和深度排隊。 58 GL在UNIX操作系統(tǒng)下運行，具有C、Fortran、Pascal三種語言聯(lián)編形式。在Windows環(huán)境中提供了類似的圖形程序庫，即OpenGL。GL和GKS-3D、PHIGS三維圖形標準相比具有以下特點：（1）圖元豐富：除具有一般圖元外，還具有B樣條曲線、Bezier曲面和NURBS曲面等；（2）強大的顏色功能：GL具有RGB和顏色表索引兩種方式，有Gourand和Phong光照模型，使表面顯示的亮度與色彩變化柔和；（3）Z緩沖技術(shù)：Z緩沖技術(shù)是在每個像素上附加一個24位或48位的表示Z值的緩沖存儲器，這對曲線曲面的消隱、亮度隨深度變化的處理、提高圖形處理效率都具

43、有重要的作用；（4）光源：GL提供了充分的光源處理能力，使用戶能得到非常生動的圖像；（5）X窗口系統(tǒng)：GL既可以單獨運行，也可以在X窗口環(huán)境下運行，進而可支持網(wǎng)絡(luò)上的用戶。 在第六章講三維曲面時，要講解OpenGL的編程。 59244 基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范（IGES） IGES(Initial Graphics Exchange Specification，基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范)是為了解決數(shù)據(jù)在不同CAD/CAM系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)傳送的問題，它定義一套表示CAD/CAM系統(tǒng)中常用的幾何和非幾何數(shù)據(jù)格式以及相應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)。1982年，IGES成為ANSI標準，1988年以后又相繼發(fā)布IGES 4.0、IGE

44、S5.0。 IGES的作用是在不同的圖形系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。6061 IGES中的基本單位是實體，它分為三類。其一是幾何實體，如點、直線、圓弧、樣條曲線、曲面等。其二是描述實體，如尺寸標注、繪圖說明等。其三是結(jié)構(gòu)實體，如組合項、圖組、特性等。從目前國內(nèi)外常用的CAD/CAM系統(tǒng)中的IGES來看，其中的實體基本上是IGES定義實體的子集。 IGES的文件格式是由ASCII碼、記錄長度為80個字符的順序文件組成。文件分成五個節(jié)，如圖3.4.2所示。開始節(jié)存放用戶可閱讀的定義信息，整體節(jié)和結(jié)束節(jié)存放數(shù)據(jù)的原始信息和文件本身的信息，實體信息存放在目錄入口（DE）和參數(shù)數(shù)據(jù)(PD)中，在D

45、E和PD節(jié)中還存放實體的有關(guān)指針及相互關(guān)系。6263 IGES的出錯處理也是十分重要的，因為在不同系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)會產(chǎn)生錯誤，如重字符、錯字符，開發(fā)的轉(zhuǎn)換器會對IGES文件產(chǎn)生不正確地解釋等，這就要求IGES轉(zhuǎn)換程序能報告并校正有關(guān)的錯誤。64245 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準（STEP） 作為在不同CAD/CAM系統(tǒng)之間交換圖形數(shù)據(jù)的IGES文件標準，雖然已在大多商品化的CAD/CAM系統(tǒng)中采用，但IGES在實踐中還存在一些問題，如不能精確地完整轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、不能轉(zhuǎn)換屬性信息、層信息常丟失、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量太大等。為了克服IGES存在的問題，擴大轉(zhuǎn)換CAD/CAM系統(tǒng)中幾何、拓撲數(shù)據(jù)的范圍，ISO/IEC

46、JTC1的一個分技術(shù)委員會(SC4)開發(fā)了產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準STEP(Standard for the Exchange of Product model data)。65 STEP的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)是覆蓋產(chǎn)品整個生命周期的應(yīng)用而全面定義的產(chǎn)品所有數(shù)據(jù)元，從產(chǎn)品的概念設(shè)計、工程分析，到制造生產(chǎn)和產(chǎn)品文檔的建立，是包括CAD/CAM整個過程全方位的信息，而不像IGES只是一種圖形數(shù)據(jù)描述格式。 在STEP中，產(chǎn)品模型信息分為三層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層、邏輯層和物理層，它們之間的關(guān)系如圖3.4.3所示。其中，應(yīng)用層主要用來描述圖形的形狀模型、顯示與繪圖（即拓撲與幾何）、形狀特征和公差四個部分；邏輯層是將應(yīng)用

47、層中采用的各種數(shù)據(jù)模型集成為一個冗余最少、無二義性的集成產(chǎn)品信息模型（IPIM, Integrated Product Information Model）。物理層主要是自由格式的順序文件，物理文件用形式化的詞法定義。6667 STEP是為CAD/CAM系統(tǒng)提供中性產(chǎn)品數(shù)據(jù)的公共資源和應(yīng)用模型，即各種CAD/CAM系統(tǒng)都可以承認的數(shù)據(jù)模型，STEP的基本組成包括：（1）描述方法標準；（2）實現(xiàn)方法標準；（3）一致性測試方法與工具標準；（4）信息模型標準；（5）應(yīng)用協(xié)議。STEP標準內(nèi)容豐富，是定義應(yīng)用產(chǎn)品全局模型的工具。68246 窗口系統(tǒng) 從80年代中期以來，不論是個人計算機、工作站，還是大、中型計算機，都配備了圖形畫的用戶接口，即窗口系統(tǒng)，如工作站上的X-Windows、OpenLook和News，PC機上的MS-Windows。 窗口系統(tǒng)起源于70年代中期，美國Xeror（施樂）公司開發(fā)出的Smalltalk語言，它是第一個提出面向?qū)ο蟮膱D形化程序設(shè)計語言。1984年Apple公司開發(fā)的Macintosh使窗口系統(tǒng)成為第一個廣泛應(yīng)用的窗口系統(tǒng)。目前，常用的窗口系統(tǒng)有PC機上的MS-Windows，UNIX操作系統(tǒng)下的X-Windo