第2章 交互式圖形系統(tǒng)

第2章交互式圖形系統(tǒng)2.1交互式圖形系統(tǒng)及其組成2.2圖形輸入/輸出設(shè)備2.3圖形顯示設(shè)備習(xí)題2.1交互式圖形系統(tǒng)及其組成嚴(yán)格地說,一個(gè)交互式圖形系統(tǒng)應(yīng)由硬件、軟件和用戶三部分組成(如圖2.1所示)。軟件部分包括操作系統(tǒng)、圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或幾何模型、支撐軟件和應(yīng)用軟件。硬件部分則由輸入子系統(tǒng)、主機(jī)和輸出子系統(tǒng)構(gòu)成。用戶通過硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互,從而完成圖形的生成和處理操作。圖2.1交互式圖形系統(tǒng)的組成2.2圖形輸入/輸出設(shè)備2.2.1圖形輸入設(shè)備圖形軟件所需的信息是通過各種各樣的圖形輸入設(shè)備獲取的。為了使圖形軟件包獨(dú)立于具體的硬件設(shè)備,圖形輸入命令不涉及具體的輸入設(shè)備,而只涉及到該命令所需的數(shù)據(jù)性質(zhì)。根據(jù)圖形輸入信息的不同性質(zhì),GKS和PHIGS把輸入設(shè)備從邏輯上分成以下幾類:(1)定位設(shè)備(Locator)。(2)描畫設(shè)備(Stroke)。(3)定值設(shè)備(Valuator)。(4)選擇設(shè)備(Choice)。(5)拾取設(shè)備(Pick)。(6)字符串設(shè)備(String)。1.鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器是一種手持滾動(dòng)設(shè)備,其形狀如一方盒,上面有2~4個(gè)開關(guān)(如圖2.2所示),下面是兩個(gè)互相垂直的輪子,或是一個(gè)球。當(dāng)輪子或球滾動(dòng)時(shí),帶動(dòng)兩個(gè)角度/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置,產(chǎn)生出滾動(dòng)距離的x,y方向移動(dòng)值,開關(guān)則用于位置的選擇。圖2.2鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器按其測量位移的方式可分為三大類:1)光電式鼠標(biāo)2)光機(jī)式鼠標(biāo)3)機(jī)械式鼠標(biāo)2.鍵盤圖形學(xué)系統(tǒng)中的鍵盤中有ASCII編碼鍵、命令控制鍵和功能鍵,用以實(shí)現(xiàn)圖形操作的某一特定功能。字母數(shù)字鍵盤用作錄入文本串;鍵盤也能用來進(jìn)行屏幕坐標(biāo)的輸入、菜單選擇或圖形功能選擇;功能鍵允許用戶以擊鍵方式輸入常用的操作命令;而光標(biāo)控制鍵可用來選擇被顯示的對象或通過定位屏幕光標(biāo)來確定坐標(biāo)位置;數(shù)字鍵盤常常用來快速輸入數(shù)值數(shù)據(jù)。另外,某些鍵盤上還包含了其它類型的光標(biāo)定位設(shè)備,如跟蹤球和操縱桿。常見的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤如圖2.3所示。圖2.3鍵盤3.光筆光筆是一種檢測光的裝置,它直接在屏幕上操作,拾取位置。光筆的形狀和大小像一支圓珠筆,筆尖處開有一個(gè)圓孔,讓熒光屏的光通過這個(gè)孔進(jìn)入光筆。光筆的頭部有一組透鏡,把所收集的光聚集至光導(dǎo)纖維的一個(gè)端面上,光導(dǎo)纖維再把光引至光筆另一端的光電倍增管,從而將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過整形后輸出一個(gè)有合適信噪比的邏輯電平,并作為中斷信號送給計(jì)算機(jī)。光筆的這種結(jié)構(gòu)和工作過程如圖2.4所示。圖2.4光筆4.觸摸屏觸摸屏是利用手指等對屏幕相應(yīng)位置的觸摸進(jìn)行定位的。當(dāng)用手指或小桿等觸摸屏幕時(shí),觸點(diǎn)位置便以電子的、光學(xué)的或聲音的方式記錄下來,如圖2.5所示。圖2.5觸摸屏常見的觸摸屏有以下四種類型:(1)電阻觸摸屏。(2)光學(xué)觸摸屏。(3)聲學(xué)觸摸屏。(4)電容觸摸屏。5.數(shù)字化儀數(shù)字化儀是一種把圖形轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字形式的專用設(shè)備,其基本工作原理是采用電磁感應(yīng)技術(shù)。它通常由一塊數(shù)據(jù)板和一根觸筆組成。數(shù)據(jù)板中布滿了金屬柵格,當(dāng)觸筆在數(shù)據(jù)板上移動(dòng)時(shí),其正下方的金屬柵格上就會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流。根據(jù)已產(chǎn)生電流的金屬柵格的位置,就可以判斷出觸筆當(dāng)前的幾何位置。圖2.6所示的是幾種常見的數(shù)字化儀。

圖2.6數(shù)字化儀圖2.7操縱桿6.操縱桿操縱桿是由一個(gè)手柄通過一個(gè)球形軸承半固定在底座上,在手柄運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)一對電位器或電脈沖產(chǎn)生器,產(chǎn)生位置信號,控制屏幕上的光標(biāo)的坐標(biāo),如圖2.7所示。7.跟蹤球和空間球跟蹤球和空間球是根據(jù)球在不同方向受到的推或拉的壓力來實(shí)現(xiàn)定位的,從而控制屏幕上的光標(biāo)的坐標(biāo),如圖2.8所示。圖2.8跟蹤球和空間球8.數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套由一系列檢測手和手指運(yùn)動(dòng)的傳感器及天線構(gòu)成,數(shù)據(jù)手套通過傳感器和天線來獲得和發(fā)送手指的位置和方向信息,并形成三維笛卡爾坐標(biāo)系,如圖2.9所示。數(shù)據(jù)手套常用作虛擬場景中的對象定位操作及對虛擬場景進(jìn)行操縱。圖2.9數(shù)據(jù)手套9.掃描儀從專業(yè)工具變?yōu)榧矣秒娔X外設(shè)的最典型代表,要數(shù)圖形掃描儀。圖形掃描儀是直接把圖形和圖像掃描到計(jì)算機(jī)中以像素信息進(jìn)行存儲的設(shè)備?，F(xiàn)在市面上能見到的一般是36位或48位真彩色掃描儀,絕大多數(shù)采用的固態(tài)器件是電荷耦合器件(CCD-ChargeCoupledDevice)。圖2.10是常用圖形掃描儀的模塊框圖。圖2.10掃描儀的模塊框圖10.三維掃描儀在圖形輸入設(shè)備中還有一個(gè)特殊的領(lǐng)域,那就是真實(shí)物體三維信息的輸入。在實(shí)際的產(chǎn)生過程中許多零件和樣板要進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)就必須在計(jì)算機(jī)中生成三維實(shí)體模型,而這個(gè)模型有時(shí)要通過已有的實(shí)物零件得到,這時(shí)候就需要一種設(shè)備來采集實(shí)物表面各個(gè)點(diǎn)的位置信息。圖2.11MarcLevoy小組的工作現(xiàn)場2.2.2圖形繪制設(shè)備1.打印機(jī)打印機(jī)按其工作原理可分為噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)和針式打印機(jī)等。噴墨打印機(jī)用噴墨頭將三四種不同色的墨水射在打印紙上而印出圖案。噴墨頭中含有四組細(xì)小的噴嘴,分別噴射品紅、黃、青、黑四色。噴墨打印機(jī)的關(guān)鍵部件是噴墨頭,通常分為連續(xù)式和隨機(jī)式。目前,常用的噴頭有四種:①壓電式;②氣泡式;③靜電式;④固體式。激光打印機(jī)以其高質(zhì)量的打印效果、快捷的打印速度,在圖形輸出設(shè)備中獨(dú)占鰲頭。激光打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,主要部分有墨粉、感光鼓(或稱硒鼓)、顯影軋輥、初級高壓電暈放電線等,均裝在一個(gè)可以取下的盒子中。2.繪圖機(jī)繪圖機(jī)是最常用的圖形輸出設(shè)備,它將計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)繪制的工程技術(shù)方面各種圖形(如機(jī)械上的三視圖,軸測圖和透視圖,各種管道布置圖,建筑上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖等)硬拷貝輸出在繪圖紙上,可以永久保存。繪圖機(jī)類似顯示器一樣分為隨機(jī)掃描和光柵掃描兩類。光柵式繪圖機(jī)(也稱無筆繪圖機(jī))主要是靜電繪圖機(jī),隨機(jī)式繪圖機(jī)(也稱矢量繪圖機(jī)或x-y繪圖機(jī))中最常見的是筆式繪圖機(jī)。按結(jié)構(gòu)不同筆式繪圖機(jī)又可以分為兩大類:平板式(Flat)繪圖機(jī)和滾筒式(Drum)繪圖機(jī)。2.3圖形顯示設(shè)備2.3.1陰極射線管(CRT)圖2.12給出了陰極射線管CRT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。它是一個(gè)真空器件,由電子槍發(fā)出電子束,經(jīng)過聚焦系統(tǒng)和加速系統(tǒng)產(chǎn)生高速的經(jīng)過聚焦的電子束,現(xiàn)經(jīng)過磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)到達(dá)熒光屏的特定位置,轟擊熒光屏表面的熒光物質(zhì)。圖2.12CRT監(jiān)視器的簡易結(jié)構(gòu)圖電子槍的作用是產(chǎn)生電子束,由圖2.12可以看出,它由一個(gè)加熱燈絲,一個(gè)金屬陰極和一個(gè)電平控制器組成。當(dāng)加熱燈絲加電發(fā)熱時(shí),金屬陰極被間接均勻加熱,當(dāng)熱至約2000K時(shí),金屬陰極便會大量發(fā)射電子。圖2.13電子束掃描過程示意圖要保持熒光屏上有穩(wěn)定的圖像就必須不斷地發(fā)射電子束。刷新一次是指電子束從上到下將熒光屏掃描一次,其掃描過程如圖2.13所示。只有刷新頻率高到一定值后,圖像才能穩(wěn)定顯示。大約達(dá)到每秒60幀,即60Hz時(shí),人眼才能感覺到屏幕不閃爍,但要使人眼覺得舒服,一般必須有85Hz以上的刷新頻率。2.3.2彩色CRT彩色圖形顯示器要采用彩色CRT,它有三種類型:穿透式、蔭罩式和蔭柵式彩色CRT。穿透式彩色CRT采用多層不同的熒光粉。在綠色熒光粉層上再沉積一層紅色熒光粉，當(dāng)電子束按不同的速度轟擊熒光屏?xí)r可顯示紅、橙、黃、綠四種顏色。目前應(yīng)用較廣的彩色顯像管是將紅、綠、藍(lán)三種彩色同時(shí)顯示在一個(gè)管屏上,合成一幅彩色圖形。彩色CRT顯示器的熒光屏上涂有三種熒光物質(zhì),它們分別能發(fā)紅、綠、藍(lán)三種顏色的光。而電子槍也發(fā)出三個(gè)電子束來激發(fā)這三種物質(zhì),中間通過一個(gè)控制柵格來決定三束電子到達(dá)的位置。根據(jù)屏幕上熒光點(diǎn)的排列不同,控制柵格也就不一樣。普通的監(jiān)視器一般用三角形的排列方式,這種顯像管被稱為蔭罩式顯像管。它的工作原理如圖2.14所示。圖2.14蔭罩式彩色CRT顯色原理圖2.15蔭柵式彩色CRT工作原理示意圖由于蔭罩式顯示器熒光屏是球面的,其幾何失真較大,而且三角形的熒光點(diǎn)排列造成即使點(diǎn)很密很細(xì)也不會特別清晰,因此，最近幾年蔭柵式顯示器逐漸流行起來了。其工作原理如圖2.15所示。圖2.16表示了一個(gè)蔭柵式與蔭罩式的熒光屏的點(diǎn)排列,其中距離d就是人們平常所說的點(diǎn)距。圖2.16柱面和球面顯示器點(diǎn)距定義示意圖2.3.3隨機(jī)掃描式圖形顯示器隨機(jī)掃描圖形顯示器中,電子束的定位和偏轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性,即電子束的掃描軌跡隨顯示內(nèi)容而變化,只在需要的地方掃描,而不是全屏掃描。這種掃描方式免除了全屏掃描中無圖形處的冗余掃描,因此速度快,圖像清晰。隨機(jī)掃描工作原理如圖2.17所示。隨機(jī)掃描顯示器的基本工作原理是從顯示文件存儲器得到指令,送到顯示控制器控制電子束的偏移,從而在屏幕上產(chǎn)生圖形,如圖2.18所示。圖2.17隨機(jī)掃描顯示器工作原理示意圖圖2.18隨機(jī)掃描顯示器顯示過程示意圖2.3.4光柵掃描式圖形顯示器目前使用得最廣泛的CRT圖形顯示器是基于電視技術(shù)的光柵掃描顯示器。如前所述,CRT中的水平和垂直偏轉(zhuǎn)線圈分別產(chǎn)生水平和垂直磁場,電子束則在不同方向磁場力作用下進(jìn)行行和列掃描,將屏幕分成由像素構(gòu)成的光柵網(wǎng)格,由多個(gè)具有灰度和顏色的像素點(diǎn)便可構(gòu)成所需要的圖形。光柵掃描顯示器的顯示方式類似于電視機(jī),電子束按固定的掃描順序進(jìn)行掃描,產(chǎn)生N條掃描線,而每條掃描線具有M個(gè)點(diǎn),在熒光屏上形成M×N的點(diǎn)矩陣,并由顯示內(nèi)容來控制所掃描的點(diǎn)是否發(fā)亮從而形成圖形,每掃描一遍稱為一幀。其圖形繪制過程如圖2.19所示。

圖2.19光柵掃描顯示器繪圖過程示意圖與電視機(jī)不同的是,光柵掃描顯示器的顯示內(nèi)容不是來自天線所接收的信號,而是來自一個(gè)專門的內(nèi)存區(qū),稱為幀緩存寄存器(FrameBuffer)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.20(a)所示。光柵掃描顯示器的組成與工作原理如圖2.20(b)所示。圖2.20光柵掃描圖形顯示器(a)光柵掃描顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)光柵掃描顯示器的組成與工作原理圖2.20光柵掃描圖形顯示器(a)光柵掃描顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)光柵掃描顯示器的組成與工作原理圖2.21三角形的掃描轉(zhuǎn)換2.3.5液晶顯示器CRT顯示器技術(shù)目前已經(jīng)越來越成熟,顯示質(zhì)量也越來越好,大屏幕也逐漸成為主流,但CRT固有的物理結(jié)構(gòu)限制了它向更廣的顯示領(lǐng)域發(fā)展。如屏幕尺寸的加大必然導(dǎo)致顯像管的加長,顯示器的體積必然要加大,在使用的時(shí)候就會受到空間的限制。另外,由于CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來產(chǎn)生圖像的,因此產(chǎn)生輻射與電磁波干擾便成為其最大的弱點(diǎn),而且長期使用會對人的健康產(chǎn)生不良影響。在這種情況下,人們推出了液晶顯示器(LCD-LiquidCrystalDisplay),如圖2.22所示。圖2.22LCD顯示器圖2.23液晶顯示器原理示意圖液晶顯示器的主要基本技術(shù)指標(biāo)有:1)可視角度由于液晶的成像原理是通過光的折射而不是像CRT那樣由熒光點(diǎn)直接發(fā)光來實(shí)現(xiàn)的,因此在不同的角度看液晶顯示屏必然會有不同的效果。2)點(diǎn)距和分辨率液晶屏幕的點(diǎn)距就是兩個(gè)液晶顆粒(光點(diǎn))之間的距離,一般點(diǎn)距為0.28～0.32mm就能得到較好的顯示效果。2.3.6顯示適配器一個(gè)顯示適配器的