《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)》課件第2章

第2章圖形設(shè)備2.1圖形輸入設(shè)備

2.2圖形繪制設(shè)備

2.3圖形顯示系統(tǒng)

2.4圖形軟件

習(xí)題2

2.1圖形輸入設(shè)備

有許多設(shè)備可用于數(shù)據(jù)的輸入。通常圖形輸入設(shè)備是指那些常用的、大多數(shù)圖形系統(tǒng)都配備的圖形輸入設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、光筆、游戲桿、跟蹤球、觸摸屏等。近年來(lái)出現(xiàn)的新型輸入設(shè)備主要有數(shù)據(jù)手套等。

2.1.1常用的輸入設(shè)備

1.鍵盤(pán)(keyboard)

鍵盤(pán)是計(jì)算機(jī)的一種最基本的輸入設(shè)備，是用來(lái)輸入那些如輔助圖形顯示的圖片標(biāo)記等非圖形數(shù)據(jù)的高效率輸入設(shè)備，同時(shí)，鍵盤(pán)也能用來(lái)輸入圖形坐標(biāo)、選擇菜單、選擇圖形功能等。

2.鼠標(biāo)(mouse)

鼠標(biāo)是一種通過(guò)控制光標(biāo)移動(dòng)來(lái)輸入定位坐標(biāo)或選擇操作的輸入設(shè)備。它將移動(dòng)距離及方向的信息變成數(shù)字脈沖信息送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成光標(biāo)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而達(dá)到定位目的。根據(jù)鼠標(biāo)所采用的位移測(cè)量的方法不同，將其分為機(jī)電式、光機(jī)式和光電式三種。

Z鼠標(biāo)包含3個(gè)按鈕，它提供了6個(gè)自由度的空間位置選擇、旋轉(zhuǎn)和其他參數(shù)。用Z鼠標(biāo)可以拾取一個(gè)對(duì)象，使之旋轉(zhuǎn)，并按任意方向移動(dòng)。Z鼠標(biāo)的應(yīng)用領(lǐng)域包括虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、CAD和計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)等。圖2-1光筆的結(jié)構(gòu)

3.光筆(lightpen)

光筆是一種檢測(cè)裝置，它靠檢測(cè)熒光屏上的發(fā)光點(diǎn)來(lái)選擇屏幕的位置坐標(biāo)。它直接在屏幕上操作，拾取位置。圖2-1所示為光筆的結(jié)構(gòu)。光筆的形狀和大小像一只圓珠筆，筆尖處開(kāi)有一個(gè)圓孔，讓熒光屏上的光通過(guò)這個(gè)孔進(jìn)入光筆。光筆的頭部有一組透鏡，把所收集到的光聚集到光導(dǎo)纖維的一個(gè)端面上，光

導(dǎo)纖維再把光信號(hào)無(wú)折射地傳導(dǎo)到另一端，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；該電信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后成為一個(gè)有合適信噪比的邏輯電平，此電平就作為中斷信號(hào)送給計(jì)算機(jī)和顯示器的顯示控制器。光筆有3個(gè)基本功能：定位、拾取和筆劃跟蹤。拾取是指選中顯示器上已顯示的圖形或文字。筆劃跟蹤是用光筆拖動(dòng)光標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位。

4.操縱桿(joystick)

操縱桿是有一根手柄的可搖動(dòng)裝置，如圖2-2所示。大多數(shù)操縱桿都是以桿的移動(dòng)來(lái)選擇屏幕位置的，也有操作桿是依桿上的壓力作出響應(yīng)的。對(duì)于移動(dòng)式操縱桿，手柄通過(guò)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(duì)電位器或電脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生信號(hào)，控制屏幕上光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。圖2-2操縱桿

5.觸摸屏(touchscreen)

這種裝置以手指觸摸的方式選擇屏幕位置。當(dāng)手指或筆觸摸屏幕時(shí)，該位置的信號(hào)就被屏幕接收，傳入計(jì)算機(jī)，如圖2-3所示。根據(jù)觸點(diǎn)記錄方式，可將觸摸屏分為光學(xué)的、電子的和聲學(xué)的三類(lèi)。圖2-3觸摸屏2.1.2新型輸入設(shè)備

新型圖形輸入設(shè)備是指那些用于專(zhuān)門(mén)目的的圖形輸入設(shè)備。這里僅介紹數(shù)字化儀和數(shù)據(jù)手套。

1.數(shù)字化儀(digitizer)

數(shù)字化儀是一種能把書(shū)寫(xiě)板面內(nèi)的幾何位置轉(zhuǎn)換為數(shù)字坐標(biāo)的圖形輸入設(shè)備，如圖2-4所示。常用的數(shù)字化儀有電子式、超聲波式、磁致伸縮式和電磁感應(yīng)式等。圖2-4數(shù)字化儀通常，數(shù)字化儀在所繪制的圖或?qū)ο笊蠏呙?，并輸入一組隨機(jī)的坐標(biāo)位置，相互之間以直線段連接，以逼近曲線或表面形狀。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化儀有兩個(gè)主要部分：①堅(jiān)固的、內(nèi)部布滿(mǎn)金屬柵格的圖板；②提供位置信息的定位器。

三維數(shù)字化儀用聲音或電磁波傳播記錄位置。它以電磁波在發(fā)送器和接收器之間的耦合參數(shù)來(lái)計(jì)算觸筆在非金屬對(duì)象表面移動(dòng)的位置；對(duì)金屬表面的物體，它用聲音或超聲波計(jì)算位置。

2.數(shù)據(jù)手套(dataglove)

數(shù)據(jù)手套是一種戴在手上的傳感器，它能給出用戶(hù)所有手指關(guān)節(jié)的角度變化，如圖2-5所示。

手套由一系列檢測(cè)手和手指運(yùn)動(dòng)的傳感器組成，發(fā)送天線和接收天線之間的電磁耦合用來(lái)提供關(guān)于手的位置和方向的信息。發(fā)送和接收天線各自由一組3個(gè)互相垂直的線圈構(gòu)成，形成三維笛卡兒坐標(biāo)系。來(lái)自手套的輸入，可用來(lái)給虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象定位或操縱該場(chǎng)景。虛擬景物的二維投影可在常用的視頻顯示器上觀察，其三維投影可用頭盔式顯示器進(jìn)行顯示。圖2-5數(shù)據(jù)手套圖2-6采用數(shù)據(jù)手套和頭盔式顯示器組成的虛擬場(chǎng)景交互系統(tǒng)圖2-6是采用數(shù)據(jù)手套配合頭盔式顯示器組成的虛擬場(chǎng)景交互系統(tǒng)。

2.2圖形繪制設(shè)備

很多時(shí)候需要將圖形系統(tǒng)的輸出繪制出來(lái)形成圖紙。圖形繪制通常指把圖形畫(huà)在紙上，也稱(chēng)硬拷貝。繪圖儀和打印機(jī)是兩種最常用的硬拷貝設(shè)備。

2.2.1繪圖儀

筆式繪圖儀又分滾筒式和平板式兩類(lèi)。顧名思義，平板式筆式繪圖儀是在一塊平板上繪圖的。繪圖筆分別由X、Y兩個(gè)方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；而滾筒式繪圖儀則是在滾筒上繪圖，圖

紙?jiān)谝粋€(gè)方向滾動(dòng)，而繪圖筆在另一個(gè)方向移動(dòng)。這兩類(lèi)繪圖儀都有自己的系列產(chǎn)品，由A-0到A-3幅面不等。繪圖時(shí)，由主機(jī)向繪圖儀發(fā)送數(shù)據(jù)，但主機(jī)并不直接指揮繪圖儀的各種動(dòng)作，而是發(fā)出各種規(guī)定好的命令，然后由繪圖儀解釋這些命令，并予以執(zhí)行。這些命令格式便是繪圖語(yǔ)言。每種繪圖儀都固化有自己的繪圖命令解釋程序，換句話說(shuō)，也就是都有自己的繪圖語(yǔ)言。目前，繪圖儀有逐步被打印機(jī)取代的趨勢(shì)。打印機(jī)精度高，速度快，但繪圖儀自身的優(yōu)勢(shì)不能忽視：筆式繪圖儀價(jià)格相對(duì)較低，打印紙張相對(duì)較大，由A-0到A-3幅面不等，繪圖速度也在不斷提高，而且進(jìn)行大紙幅繪圖時(shí)，可以在圖紙上反復(fù)修改，節(jié)省紙張。圖2-7所示為平板式繪圖儀。圖2-7平板式繪圖儀2.2.2打印機(jī)

打印機(jī)是畫(huà)點(diǎn)設(shè)備，可分為撞擊式和非撞擊式兩種。目前，撞擊式打印機(jī)已經(jīng)逐漸被淘汰，主流的打印機(jī)均為非撞擊式。常用的非撞擊式打印機(jī)主要有噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)。圖2-8所示為愛(ài)普生彩色噴墨打印機(jī)。

噴墨打印機(jī)是通過(guò)將墨滴噴射到打印介質(zhì)上來(lái)形成文字或圖像的。早期的噴墨打印機(jī)以及當(dāng)前大幅面的噴墨打印機(jī)都采用連續(xù)式噴墨技術(shù)，而當(dāng)前流行的噴墨打印機(jī)都普遍采用隨機(jī)噴墨技術(shù)。這兩種噴墨技術(shù)在原理上是有很大差別的。圖2-8愛(ài)普生彩色噴墨打印機(jī)激光打印機(jī)的工作原理(以HP的反轉(zhuǎn)顯影方式為例)是：激光頭以激光束方式將應(yīng)該成像的圖像照射在OPC上(OPC本身絕緣，表面已經(jīng)充上負(fù)電，打印機(jī)給其內(nèi)部一個(gè)正電

背壓)，使OPC該上粉的位置的電阻降低，表面負(fù)電荷消失，形成所謂的靜電潛像。這樣，帶負(fù)電的墨粉與OPC內(nèi)部的正電異性相吸，墨粉被轉(zhuǎn)移到OPC上(當(dāng)然，這里不僅僅是這一個(gè)力，還有磁力、偏壓力、分子力等)，而不該有粉的地方，因?yàn)镺PC表面仍然帶有負(fù)電荷，同性相斥，墨粉不會(huì)跑到OPC上。打印機(jī)內(nèi)部有一個(gè)轉(zhuǎn)印輥，帶有更強(qiáng)大的正電荷，把OPC上的墨粉搶(轉(zhuǎn)移)到紙(或其他介質(zhì))上，紙(或其他介質(zhì))在經(jīng)過(guò)打印機(jī)的定影系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)上面加熱、下面加壓的方式熱融在紙(或其他介質(zhì))的纖維上，形成最終的打印稿。激光打印機(jī)有效地利用了激光的定向性、單色性和能量密集性，結(jié)合電子掃描技術(shù)的高靈敏度和快速存取等特性，使輸出圖形圖像的質(zhì)量非常高，是理想的圖形輸出設(shè)備。激光打印機(jī)正朝著高速度、高精度、低噪音、彩色化的方向發(fā)展。

2.3圖形顯示系統(tǒng)

圖形顯示指的是在屏幕上輸出圖形?，F(xiàn)在的圖形顯示設(shè)備絕大多數(shù)是基于陰極射線管(Cathode-RayTube，CRT)的監(jiān)視器。歷史上CRT顯示器經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，出現(xiàn)過(guò)

各種不同類(lèi)型的CRT監(jiān)視器，如存儲(chǔ)管式顯示器、隨機(jī)掃描顯示器(又稱(chēng)矢量顯示器)，但是這些顯示器的缺點(diǎn)是很明顯的，圖形表現(xiàn)能力也很弱。20世紀(jì)70年代開(kāi)始出現(xiàn)的刷新式光柵掃描顯示器是圖形顯示技術(shù)走向成熟的一個(gè)標(biāo)志，尤其是彩色光柵掃描顯示器的出現(xiàn)更將人們帶到了一個(gè)多彩的世界。近年來(lái)出現(xiàn)了各種平板顯示器，如液晶顯示器、等離子顯示器、激光顯示器等。在應(yīng)用中，液晶顯示器價(jià)格大幅降低，使用日漸增多，大有取代CRT顯示器的趨勢(shì)。

2.3.1

CRT顯示器

陰極射線管是CRT顯示器的主要組成部分。根據(jù)可顯示的顏色數(shù)，可將陰極射線管分為單色陰極射線管和彩色陰極射線管兩種。

1.單色陰極射線管

陰極射線管是一種真空器件，利用電磁場(chǎng)產(chǎn)生高速的、經(jīng)過(guò)聚焦的電子束，偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置，轟擊屏幕表面的熒光材料而產(chǎn)生可見(jiàn)圖形。CRT結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。圖2-9

CRT結(jié)構(gòu)圖(電偏轉(zhuǎn))從外形上看，陰極射線管分為管頸部分、錐體部分、屏幕部分。從結(jié)構(gòu)上看，CRT分為電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏。

陰極射線管的工作原理如下：高速的電子束由電子槍發(fā)出，經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)、加速系統(tǒng)和磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)之后到達(dá)熒光屏

的特定位置。由于熒光物質(zhì)在高速電子的轟擊下會(huì)發(fā)生電子躍遷，即電子吸收到能量從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)，而高能態(tài)很不穩(wěn)定，在很短的時(shí)間內(nèi)熒光物質(zhì)的電子會(huì)從高能態(tài)重新回到低能態(tài)，這時(shí)將發(fā)出熒光，屏幕上的那一點(diǎn)就會(huì)亮了。

2.彩色陰極射線管

產(chǎn)生彩色的常用方法包括射線穿透法和影孔板法。

射線穿透法的原理是采用兩層熒光涂層——紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質(zhì)，通過(guò)電子束轟擊穿透熒光層的深淺來(lái)決定所產(chǎn)生的顏色。射線穿透法主要用于畫(huà)線顯示器，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，而缺點(diǎn)是只能產(chǎn)生有限的幾種顏色。最常用的CRT彩色顯示器采用的是影孔板法彩色顯像管。影孔板被安裝在熒光屏的內(nèi)表面，用于精確定位像素的位置，如圖2-10所示。圖2-10影孔板法的熒光涂層蔭罩式彩色CRT顯示屏采用的是點(diǎn)狀影孔板。顯示屏上顯示圖形的每個(gè)點(diǎn)由三個(gè)小的色點(diǎn)構(gòu)成，它們排成三角形。這三個(gè)小色點(diǎn)的熒光粉配方不同，分別能發(fā)出紅色光、綠色光和藍(lán)色光。該點(diǎn)的顯示顏色為其混合色。紅、綠、藍(lán)被稱(chēng)做CRT彩色顯示器的三基色。這種顯示器的內(nèi)部有三只電子槍?zhuān)a(chǎn)生的電子束分別作用于同一點(diǎn)中三個(gè)不同的小色點(diǎn)上。如果調(diào)整三只電子束的強(qiáng)度，它們所作用的三個(gè)小色點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度就會(huì)不同，于是就能調(diào)配出不同的顏色。蔭罩又叫影孔板，是一塊帶孔的金屬板，如圖2-11所示。它被安放在靠近屏幕內(nèi)表面熒光粉涂層的位置上，且圓孔與構(gòu)成三角形的三個(gè)小色點(diǎn)組一一對(duì)應(yīng)。圖2-11蔭罩及彩色顯像管當(dāng)三只電子束被偏轉(zhuǎn)匯集成一組并通過(guò)蔭罩上的小圓孔時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的三個(gè)小色點(diǎn)就被激活發(fā)光，在屏幕上就出現(xiàn)了一個(gè)彩色的光點(diǎn)。當(dāng)這三只電子束從一個(gè)光點(diǎn)向另一個(gè)光點(diǎn)偏轉(zhuǎn)時(shí)，就偏離了該孔，被蔭罩阻斷。這樣，在電子束偏轉(zhuǎn)過(guò)程中，蔭罩就確保電子束不會(huì)作用在不該作用的光點(diǎn)上，這就是影孔板的定位作用。調(diào)節(jié)各電子槍發(fā)出的電子束中所含電子的數(shù)目，即可控制各色光點(diǎn)的亮度，如圖2-12所示。

如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強(qiáng)度有256個(gè)等級(jí)，則顯示器能同時(shí)顯示256×256×256=16M種顏色，稱(chēng)為真彩系統(tǒng)。圖2-12控制各色光點(diǎn)的亮度

3.光柵掃描式顯示器

按其掃描方式，CRT顯示器可分為隨機(jī)掃描顯示器(又稱(chēng)矢量顯示器)、直視存儲(chǔ)管圖形顯示器和光柵掃描式顯示器三種。

隨機(jī)掃描的圖形顯示器是為畫(huà)線應(yīng)用設(shè)計(jì)的，并不能顯示逼真的有陰影場(chǎng)景,其應(yīng)用領(lǐng)域主要是軍事、CAD等。

直視存儲(chǔ)管圖形顯示器無(wú)需刷新，很復(fù)雜的圖形也可以在極高的分辨率下無(wú)閃爍地顯示，成本較低,但不能顯示彩色，不能局部修改，擦除和重畫(huà)過(guò)程對(duì)復(fù)雜圖形來(lái)講可能需要幾秒鐘。目前使用最廣泛的CRT顯示器是基于電視技術(shù)的光柵掃描式顯示器。在光柵掃描系統(tǒng)中，電子束橫向掃描屏幕，一次一行，從頂?shù)降醉槾芜M(jìn)行，如圖2-13所示。當(dāng)電子束橫向沿一行移動(dòng)時(shí)，電子束強(qiáng)度的不斷變化可建立亮點(diǎn)的圖案。由于CRT內(nèi)側(cè)的熒光粉在接受電子束的轟擊時(shí)只能維持短暫的發(fā)光時(shí)間，根據(jù)人眼視覺(jué)暫留的特性，刷新頻率高到一定值后，圖像才能穩(wěn)定顯示。圖2-13光柵掃描示意圖

1) 光柵掃描式顯示器的幾個(gè)概念

將水平掃描頻率稱(chēng)為行頻，垂直掃描頻率稱(chēng)為幀頻。水平掃描的方式分為兩種：逐行掃描和隔行掃描。逐行掃描是掃描線從屏幕的頂端開(kāi)始，即從0行光柵開(kāi)始，逐行下掃，直到屏幕底部；隔行掃描方式是先掃偶數(shù)行掃描線，再掃奇數(shù)行掃描線。隔行掃描技術(shù)主要應(yīng)用于刷新頻率較低的顯示器。如30幀/秒的逐行掃描顯示器，刷新時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的閃爍現(xiàn)象，但采用隔行掃描，刷新頻率可接近60幀/秒，這樣就避免了閃爍現(xiàn)象。目前刷新頻率標(biāo)準(zhǔn)為50～120幀每秒。像素構(gòu)成屏幕(圖像)的最小元素，若將整個(gè)屏幕掃描線分成n行，而每行有m個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)為一個(gè)像素，則整個(gè)屏幕有m×n個(gè)像素。與像素相關(guān)的一個(gè)概念是點(diǎn)距，它是指相鄰像素點(diǎn)之間的距離。點(diǎn)距也與分辨率指標(biāo)相關(guān)。分辨率是指CRT在水平或垂直方向的單位長(zhǎng)度上能分辨出的最大光點(diǎn)(像素)數(shù)，分為水平分辨率和垂直分辨率。通常用屏幕上像素的數(shù)目來(lái)表示。比如上述有n行掃描線，每行m點(diǎn)的屏幕分辨率為m×n。分辨率越高，相鄰像素點(diǎn)之間的距離越小，顯示的字符或圖像也就越清晰。分辨率受顯示器生產(chǎn)工藝、掃描頻率以及顯示存儲(chǔ)器容量的限制。在假定屏幕尺寸一定的情況下，分辨率也可用整個(gè)屏幕所能容納的像素個(gè)數(shù)描述，如640×480、800×600、1024×768、2800×1024等。顯示器的亮度等級(jí)又稱(chēng)灰度，主要指單色顯示器的亮度變化。顯示器色彩包括可選擇顏色的數(shù)目以及一幀畫(huà)面可同時(shí)顯示的顏色數(shù)，與熒光屏的質(zhì)量有關(guān)，并受顯示存儲(chǔ)器VRAM容量的影響。

2)幀緩存(顯示存儲(chǔ)器)

幀緩存是存儲(chǔ)用于刷新的圖像信息的存儲(chǔ)器。幀緩存的大小通常用X方向(行)和Y方向(列)可尋址的地址數(shù)的乘積來(lái)表示，稱(chēng)為幀緩存的分辨率。圖形顯示系統(tǒng)中的三種分辨率概念如下：

(1)屏幕分辨率，也稱(chēng)為光柵分辨率或物理分辨率，是指CRT顯示器顯示系統(tǒng)能夠顯示的最大光點(diǎn)數(shù)，通常用水平方向上的光點(diǎn)數(shù)與垂直方向上的光點(diǎn)數(shù)的乘積來(lái)表示。

(2)顯示分辨率，是顯示控制器所能提供的顯示模式分辨率。顯示系統(tǒng)的顯示模式分為文本模式和圖形模式。對(duì)于文本模式，顯示分辨率用水平和垂直方向上所能顯示的字符總數(shù)的乘積表示。對(duì)于圖形模式，顯示分辨率是指屏幕上所包含像素的個(gè)數(shù)，通常用水平和垂直方向上所能顯示的像素點(diǎn)總數(shù)的乘積表示。顯示器的顯示模式不同，其顯示分辨率可能不同，它所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)大小也會(huì)不同。任何顯示控制器所提供的分辨率都不能超過(guò)屏幕分辨率。

(3)圖形的存儲(chǔ)分辨率，是指幀緩存的大小，一般用字節(jié)數(shù)表示。存儲(chǔ)分辨率不僅與顯示分辨率有關(guān)，還與像素點(diǎn)的色彩有關(guān)，其值等于顯示分辨率乘上每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的字節(jié)數(shù)，如圖2-14所示。圖2-14幀緩存三種分辨率的概念既有區(qū)別又有聯(lián)系，對(duì)圖形的顯示都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。屏幕分辨率決定了所能顯示的最高分辨率；顯示分辨率和存儲(chǔ)分辨率對(duì)所能顯示的圖形也有控制作用。

具有一位面幀緩存的黑白灰度光柵顯示器的結(jié)構(gòu)如圖2-15所示。其中幀緩存是一塊連續(xù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。對(duì)于黑白灰度顯示器，每一像素需要一位存儲(chǔ)器。如對(duì)一個(gè)由1024×1024像素組成的黑白灰度顯示器，所需要的最小緩存為220，并在一個(gè)位面上。一個(gè)位面的緩存只能存儲(chǔ)黑白圖形。幀緩存是數(shù)字設(shè)備，光柵顯示器是模擬設(shè)備，因而還需要數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)。圖2-15具有一位面幀緩存的黑白灰度光柵顯示器結(jié)構(gòu)圖2-16具有N位面幀緩存的黑白灰度光柵顯示器結(jié)構(gòu)在光柵圖形顯示器中需要足夠的位面和幀緩存結(jié)合起來(lái)才能反映圖形的顏色和灰度等級(jí)。圖2-16所示是一個(gè)具有N位面幀緩存黑白灰度光柵顯示器結(jié)構(gòu)。顯示器上每個(gè)像素的亮度是由N位面中對(duì)應(yīng)的每個(gè)像素位置的內(nèi)容控制的。該幀緩存中的二進(jìn)制數(shù)被翻譯成灰度等級(jí)，范圍是0～2N－1。圖2-17一個(gè)簡(jiǎn)單的彩色光柵顯示器結(jié)構(gòu)彩色光柵顯示器對(duì)于紅、綠、藍(lán)三原色有三個(gè)位面的幀緩存和三個(gè)電子槍?zhuān)鐖D2-17所示。圖2-18一個(gè)具有24位面的彩色光柵顯示器結(jié)構(gòu)每個(gè)顏色的電子槍可以通過(guò)增加幀緩存位面來(lái)提高顏色種類(lèi)的灰度等級(jí)。若每種顏色的電子槍有8個(gè)位面的幀緩存和8位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，則每種顏色可有256種灰度，三原色的組合將是2563種，如圖2-18所示。若顯示器的分辨率為M×N，則顏色個(gè)數(shù)K與顯存大小V的關(guān)系為

V≥M×N×log2K

例如，3個(gè)位面分辨率是1024×1024的顯示器，需要3×1024×1024(3145728)位的存儲(chǔ)器。若存儲(chǔ)器位長(zhǎng)固定，則屏幕分辨率與同時(shí)可用的顏色種數(shù)成反比關(guān)系。1MB的幀緩存，若設(shè)分辨率為640×480，則幀緩存每個(gè)單元可有24位，可以同時(shí)顯示224種顏色，若設(shè)分辨率為1024×768，則每個(gè)單元分得的位數(shù)僅略多于8，只能工作于256色顯示模式下。高分辨率和真彩要求有大的顯存，如1024×768真彩模式，需要接近3M字節(jié)顯存。解決顯存容量的主要方法是采用顏色查找表(LookupTable)或稱(chēng)彩色表(ColorTable)。顏色查找表是由高速隨機(jī)存儲(chǔ)器組成的，用來(lái)存儲(chǔ)表達(dá)像素色彩的代碼。在使用顏色查找表的顯示系統(tǒng)中，幀緩存中的每一像素對(duì)應(yīng)單元的代碼不再代表該像素的色彩值，而是作為顏色查找表的地址索引。圖2-19給出了具有n位幀緩存和w位顏色查找表的顯示器的示意圖，其中，n<w。使用顏色查找表的意義在于，即使容量小的幀緩存也能表達(dá)出較大的顏色選擇范圍。值得注意的是，盡管采用顏色查找表后顏色的選擇范圍擴(kuò)大到了2w，但同一屏圖形中所使用的顏色數(shù)并未增加，仍是2n。圖2-19具有n位幀緩存和w位顏色查找表的顯示器圖2-20常用的光柵掃描顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.3.2顯示卡

顯示卡將顯示器連接到系統(tǒng)總線上，并與顯示器共同構(gòu)成計(jì)算機(jī)的顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將信息從顯示器輸出的功能。其結(jié)構(gòu)如圖2-20所示。幀緩存由顯示控制器直接訪問(wèn)，顯示圖

形時(shí)所需的掃描轉(zhuǎn)換工作由CPU完成，加重了CPU的負(fù)擔(dān)。幀緩存可以是主存中劃出的一個(gè)固定區(qū)域，也可以是一個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)存儲(chǔ)器。它的主要功能是為顯示裝置提供刷新信息。幀緩存中的存儲(chǔ)單元與顯示屏幕上的像素一一對(duì)應(yīng)，單元中存有與之對(duì)應(yīng)的像素的強(qiáng)度值。通常將顯示控制器和幀緩存等做在一個(gè)板卡上，稱(chēng)為圖形適配卡或圖形顯示卡(簡(jiǎn)稱(chēng)顯卡)，它直接插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽上，顯示器通過(guò)它與計(jì)算機(jī)相連。早期的顯卡只起到CPU與顯示器之間的接口作用，負(fù)責(zé)把需要顯示的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成視頻控制信號(hào)，控制顯示器顯示圖形。高級(jí)光柵圖形顯示子系統(tǒng)增加了顯示處理器(又稱(chēng)顯示協(xié)處理器)，把CPU從圖形顯示處理的事務(wù)中解脫出來(lái)。其主要任務(wù)是掃描轉(zhuǎn)換待顯示的圖形，甚至包括一些基本圖形操作，還具有與鼠標(biāo)等交互輸入設(shè)備的接口。圖2-21是具有顯示處理器的光柵掃描顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖2-21具有顯示處理器的光柵掃描顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯示處理器的組成包括顯示主芯片、顯示緩存、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。顯示主芯片是顯卡的核心，俗稱(chēng)GPU，它的主要任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)輸入的視頻信息進(jìn)行構(gòu)建和渲染。顯示緩存(簡(jiǎn)稱(chēng)顯存)用來(lái)存儲(chǔ)將要顯示的圖形信息以及保存圖形運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)，其大小和速度直接影響著顯示主芯片性能的發(fā)揮。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的作用就是把二進(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成和顯示器相適應(yīng)的模擬信號(hào)。顯示處理器的作用是代替CPU完成部分圖形處理功能，如掃描轉(zhuǎn)換、幾何變換、裁剪、光柵操作、紋理映射等。通常視頻控制器加上顯存和顯示處理器便組成了圖形加速卡。2.3.3液晶顯示器

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。屏幕的加大必然導(dǎo)致顯像管的加長(zhǎng)，顯示器的體積必然要加大，在使用時(shí)就會(huì)受到空間的限制。再加上CRT顯示器是利用電子槍發(fā)射電子束來(lái)產(chǎn)生圖像的，容易受電磁波干擾，長(zhǎng)期電磁輻射會(huì)對(duì)人們的健康產(chǎn)生不良影響。

液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)是由六層薄板組成的平板式顯示器。液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)，它具有液體的流態(tài)性質(zhì)和固體的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)液晶受到電壓的影響時(shí)，就會(huì)改變它的物理性質(zhì)而發(fā)生形變，此時(shí)透過(guò)它的光的折射角度就會(huì)發(fā)生變化，而產(chǎn)生色彩。液晶顯示器的結(jié)構(gòu)如圖2-22所示。第一層是垂直偏振板，第二層是鍍?cè)谑⑵矫嫔系拇怪本W(wǎng)格線板，第三層是液晶層，第四層是水平網(wǎng)格線板，第五層是水平偏振板，第六層是反射層。液晶的晶體由長(zhǎng)晶線分子構(gòu)成，各分子在空間的排列通常處于和極化方向垂直的位置。光線進(jìn)入第一層時(shí)和極化方向垂直，當(dāng)光線通過(guò)液晶時(shí)，極化方向和水平方向的夾角成90°，這樣光線可以通過(guò)水平板，到達(dá)兩個(gè)極板之間的液晶層。晶體在電場(chǎng)的作用下將排列成行且具有相同方向。晶體在這種情況下不改變穿透光的極化方向。若光在垂直方向被極化，則光被遮擋，就不能穿透后面的偏振板，在表面會(huì)看到一個(gè)黑點(diǎn)。圖2-22液晶顯示器的六層結(jié)構(gòu)液晶顯示器的缺點(diǎn)是壽命短，怕振動(dòng)，對(duì)溫度敏感，分辨率相對(duì)較低，色彩不夠鮮艷，且價(jià)格偏高。未來(lái)顯示器的發(fā)展趨勢(shì)是采用空氣等離子體技術(shù)，它無(wú)需刷新緩沖存儲(chǔ)器，每個(gè)空氣等離子體可想象成一個(gè)微型霓虹燈，即紅、綠、藍(lán)三種顏色的像素。另外，可采用發(fā)光聚合物技術(shù)，聚合物堅(jiān)不可摧，柔韌性好，可以卷起來(lái)，其顯示畫(huà)面具有無(wú)與倫比的清晰度，無(wú)鋸齒現(xiàn)象，可做到真正的平面直角。 2.4圖形軟件

2.4.1圖形軟件的類(lèi)型與功能

根據(jù)功能和使用情況，可將圖形軟件分為基本繪圖指令軟件、圖形支撐軟件和專(zhuān)用圖形軟件三類(lèi)。

(1)基本繪圖指令軟件常用匯編語(yǔ)言或機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)，通常是一些最基本的繪圖指令，如畫(huà)點(diǎn)、線等。

(2)圖形支撐軟件的工作方式有兩種：一是子程序軟件包方式；二是交互式繪圖軟件方式。

(3)專(zhuān)用圖形軟件指的是在某種基本繪圖軟件或支撐軟件基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的、針對(duì)某種特定領(lǐng)域、特定專(zhuān)業(yè)或特定用途的圖形軟件，如標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件圖形軟件、機(jī)械裝配圖繪制軟件、服裝設(shè)計(jì)軟件、建筑物設(shè)計(jì)生成軟件、電子線路板繪圖軟件等。作為一個(gè)圖形支撐環(huán)境應(yīng)具有如下基本功能：

①定義窗口與可見(jiàn)區(qū)；

②圖形描述功能；

③圖形編輯與變換功能；

④圖形控制功能；

⑤圖形文件處理功能；

⑥交互處理功能。2.4.2圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)

伴隨著圖形硬件的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)軟件和應(yīng)用都在迅速發(fā)展，并在圖形系統(tǒng)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。由于早期各硬件開(kāi)發(fā)商專(zhuān)注于自己硬件平臺(tái)的圖形軟件包開(kāi)發(fā)和相應(yīng)語(yǔ)言接口，使得圖形軟件包及其應(yīng)用程序互不兼容，沒(méi)有可移植性。1974年，美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)圖形學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)(ACMSIGGRAPH)召開(kāi)了一個(gè)題為“與機(jī)器無(wú)關(guān)的圖形技術(shù)”的工作會(huì)議，開(kāi)始進(jìn)行有關(guān)圖形標(biāo)準(zhǔn)的制定和審批工作。圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)是一組通用的、獨(dú)立于設(shè)備的、由標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布實(shí)施的圖形系統(tǒng)軟件包，它提供圖形描述、應(yīng)用程序和圖形輸入/輸出接口等功能，使應(yīng)用軟件系統(tǒng)更易于移植，信息資源更易于共享，CAD／CAM集成更易于實(shí)現(xiàn)。制定圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)有利于發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性，將他們從大量繁瑣的重復(fù)勞動(dòng)中解放出來(lái)，可以減少設(shè)計(jì)、計(jì)算、制圖、制表所需的時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期。由于采用了計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)，可以從多方案中進(jìn)行分析、比較，選出最佳方案，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，減少零件在車(chē)間的流通時(shí)間和在機(jī)床上裝卸、調(diào)整、測(cè)量、等待切削的時(shí)間，提高加工效率。先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備既有較高的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平，又能在較大范圍內(nèi)適應(yīng)加工對(duì)象的變化，有利于企業(yè)提高應(yīng)變能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率。CAD、CAM的一體化，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造過(guò)程形成一個(gè)有機(jī)的整體，通過(guò)信息的集成，在經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上給企業(yè)帶來(lái)綜合效益。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)先后批準(zhǔn)了多個(gè)圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，主要包括圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形和圖像編碼、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)等三個(gè)方面。

1.圖形標(biāo)準(zhǔn)

(1)圖形核心系統(tǒng)(GKS)。GKS是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1985年采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它是一個(gè)為應(yīng)用程序服務(wù)的基本圖形系統(tǒng)。它提供了應(yīng)用程序和一組圖形輸入、輸出設(shè)備之間的功能性接口。這是一個(gè)二維圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)。

(2)程序員層次交互圖形系統(tǒng)(PHIGS)。PHIGS是美國(guó)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)委員會(huì)于1986年推出的，后被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它是為應(yīng)用程序員提供的控制圖形設(shè)備的圖形軟件系統(tǒng)接口及動(dòng)態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手段。

2.圖形和圖像編碼

(1)計(jì)算機(jī)圖形元文件編碼(CGM)。它采用了高效率的圖形編碼方法，規(guī)定了存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)的格式，由一套與設(shè)備無(wú)關(guān)的用于定義圖形的語(yǔ)法和詞法元素組成，作為圖形數(shù)據(jù)的中性格式，能適用于不同的圖形系統(tǒng)和圖形設(shè)備。

(2)計(jì)算機(jī)圖形接口編碼(CGI)。它描述了通用的抽象圖形設(shè)備的軟件接口，定義了一個(gè)虛擬的設(shè)備坐標(biāo)空間、一組圖形命令及其參數(shù)格式。

3.數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

(1)初始圖形交換規(guī)范(IGES)。它建立了用于產(chǎn)品定義的數(shù)據(jù)表示方法與通信信息結(jié)構(gòu)，作用是在不同的CAD/CAM系統(tǒng)間交換產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)。IGES定義了文件結(jié)構(gòu)格式、格式語(yǔ)言以及幾何、拓?fù)浼胺菐缀萎a(chǎn)品定義數(shù)據(jù)在這些格式中的表示方法，其表示方法是可擴(kuò)展的，并且獨(dú)立于幾何造型方法。

(2)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(STEP)。它是一套系列標(biāo)準(zhǔn)，其目的是在產(chǎn)品生存周期內(nèi)為產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表示與通信提供一種中性數(shù)字形式，這種數(shù)字形式可完整地表達(dá)產(chǎn)品信息并獨(dú)立于應(yīng)用軟件，也就是建立統(tǒng)一的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)描述。新的CAD、CAM軟件的開(kāi)發(fā)，需要一個(gè)適應(yīng)集成、開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)化和并行工程的支撐環(huán)境，這就要遵循STEP等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，依托面向?qū)ο蠊こ虜?shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信、電子數(shù)據(jù)交換技術(shù)，建立好為產(chǎn)品整個(gè)生存周期服務(wù)的統(tǒng)一的全局信息模型。而在該模型中，統(tǒng)一幾何建模方法、圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)往往又起著決定性作用。2.4.3三維實(shí)時(shí)圖形軟件包

OpenGL是一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形庫(kù)，用戶(hù)可以很方便地利用它開(kāi)發(fā)出有多種特殊視覺(jué)效果(如光照、紋理、透明、陰影)的三維圖形。OpenGL的前身是SGI公司為其圖形工作站設(shè)計(jì)的一個(gè)圖形開(kāi)發(fā)軟件庫(kù)IRISGL(GraphicsLibrary)，由于其性能優(yōu)越，因此受到了用戶(hù)的一致推崇。SGI公司有針對(duì)性地對(duì)GL進(jìn)行了改進(jìn)，特別是擴(kuò)展了GL的可移植性，使之成為一個(gè)跨平臺(tái)的開(kāi)放式圖形編程接口，這就是OpenGL。

1992年，OpenGL1.0版正式發(fā)布，立即得到了迅速的應(yīng)用推廣。1995年12月，由OpenGLARB(ArchitectureReviewBoard，體系結(jié)構(gòu)評(píng)審委員會(huì))批準(zhǔn)了OpenGL1.1版本，這一版本的Op