图形系统

一款通用编程软件包

图形系统是一款通用编程软件包，由图形I/O设备构成，基本功能是图元生成、属性设置。

构成

硬件：图形I/O设备

图形软件：通用编程软件包，专用应用软件包

通用类：提供一个可用于高级程序语言的图形功能扩展集（比如，OpenGL）

基本功能：图元生成，属性设置，选择观察及实施变换等

专用类：不关心图形操作过程（比如，CAD系统）

系统的组成

计算机图形系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括：主计算机、图形显示器以及I/O交互工具和存储设备；软件包括操作系统、高级语言、图形软件和应用软件。

现代计算机图形系统与一般计算机系统最主要的差别是具有图形的输入、输出设备以及必要的交互工具，在速度和存储容量上具有较高的要求。另外，人也是这个系统的组成部分。

一、图形系统的基本功能

1、计算功能

2、存储功能

3、输入功能

4、输出功能

5、对话功能

二、图形系统的分类

1、以大型机为基础的图形系统；

2、以中型机或超级小型机为基础的图形系统；

3、以工程工作站为基础的图形系统；

4、以微型机为基础的图形系统；

图形硬件设备

一、显示设备

显示设备是最终产生图形显示效果的部件，已有多种类型和技术的显示设备出现，但占统治地位的仍是阴极射线管（CRT）。

1、CRT

（1）单色CRT

原理：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。

组成：电子枪、偏转系统和荧光屏。

电子枪：电流通过灯丝产生热量，即对阴极加热而发出电子束，在聚焦极上加一定的正电压，使之聚焦成电子束，再由加速极（可能是多个）加上正电压对电子束加速，使之有足够的能量射向荧光屏；靠近阴极有一控制极，加上负电压后可控制电子束的强弱，也可截止电子束。

偏转系统：可用静电场或磁场控制偏转（多数使用磁偏转系统）。

使用静电场时，垂直和水平两套平板放在阴极射线管的管颈内部。

磁偏转系统是外部偏转系统，它有两个线圈绕在管颈上，当电子束通过线圈时，一个线圈的磁场使电子束产生水平偏转，另一使之产生垂直偏转。

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。

荧光屏：荧光屏上涂有荧光粉，电子束轰击荧光层某点产生荧光亮点，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值衰减到初始值的1/10所需的时间。用于图形设备的荧光物质的余辉时间一般是几十到几百毫秒。为得到稳定、不闪烁的画面，需不断进行刷新。

单色CRT显示图像的质量取决于：设备固有的单个光点直径的大小以及“可寻址能力”。可寻址能力可以理解为单位长度内能够利用的单个光点的数目。通常希望点的直径大于点间距。一个CRT在水平或垂直方向上能够识别出的最大光点数称为分辩率。

(2)彩色CRT

产生彩色显示的基本方法有两种：射线穿透法、影孔板法。

射线穿透法：用于随机扫描显示器中，它是在屏幕上涂有两层荧光粉（红和绿），显示的颜色取决于射线穿透荧光层的深浅：低速电子只能激励外层红粉、中速电子可以激励绿粉和红粉产生两种附加颜色：橙和黄、高速的电子可以穿透红色层而激励绿色粉。这是一种廉价的方法，但图形质量较低。

影孔板法：广泛用于光栅扫描系统，这种CRT屏幕内部涂有很多组呈三角形的荧光粉，每一组有三个荧光点，当某组荧光粉被激励时，分别发出三原色。与之对应的三个电子枪。屏幕后面有影孔板栅网，上面有很多小孔，与屏幕上的三元组对应，三束电子聚焦成一组射线，穿过小孔，激活屏幕上的一个三元组，出现色点，通过控制电子束的强弱，就可使激发出来的三原色混合成很宽的色彩等级。影孔板的径距对CRT的分辨率影响较大，径距小，图形质量好，但成本高难度大。

（3）直视型存储管DVST

这种存储管的写电子枪与普通的CRT没有区别，但电子束不是直接写在荧光屏上，而是写在荧光屏前的存储栅上，这是一个很细的金属网，上面有介质，由写电子枪射出的高能电子束将栅网上的介质的电子轰击出来，栅网上被轰击的地方呈正电荷，即形成正电荷轨迹。第二电子枪（读出电子枪）发出的低能电子向收集极流去，收集极使这些电子均匀散开，流向存储栅，存储栅上呈正电荷的地方吸引电子，使之通过轰击荧光屏而发光，其它位置不通过电子，即存储栅起存储图形和控制电子通过的作用。优点：价格低、不需高刷新；缺点：不能做选择性修改。

2、其它类型显示器件

A、等离子板显示器

优点：重量轻、不需要刷新缓存；缺点：分辨率低、价格高。

B、液晶显示器件LCD

优点：低价、重量轻、尺寸小且耗低；缺点：被动显示。

C、电子发光显示器

优点：亮度高、通断迅速；缺点：价格高、功耗大。

3、随机扫描显示器

显示的图形由计算机加工成显示器的显示指令，即显示档案或显示文件，显示指令经接口电路送到显示器的缓冲存储器，固定存储器中存放常用字符、数字等显示指令。图形控制器取出缓存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化为控制电子束偏转和明暗的物理量，即电压和电流。再由管头控制电路使电子束以所需亮度偏转到所需的位置。并不断进行刷新，使之稳定显示。由于电子束的定位及偏转具有随机性，故称随机扫描。

优点：分辨率高、对比明显、软件丰富；缺点：价格贵。

4、光栅扫描显示器

光栅扫描CRT的屏幕可分为m行扫描线，每行分为n个小点，每个小点称为象素，每个象素都对应帧缓冲存储器中的若干位，黑白图象只需一位；若每个象素用i位表示其灰度，则可产生2i级灰度或颜色。即光栅扫描显示器的帧缓存中，存放的不是显示指令，而是对应象素的亮度或色彩信息，这种信息称为位图。

计算机将要显示的图形、图象转化为位图，经接口电路送入帧缓存，图形控制器控制电子束按照固定的扫描线和扫描顺序，按从帧缓存中读出象素值对整个屏幕进行扫描。扫描完成后，显示控制器向计算机申请中断，使计算机能利用帧回扫的时间修改帧缓存中的内容，以实现画面的修改。

要得到稳定的画面，需进行刷新；需高速大容量存储器；扫描分为隔行、逐行。

光栅扫描显示器的优点：线、面图形，图感真实；价格低；缺点：转换费时、软件复杂。

5、显示处理机(DPU)

图形系统中，为减轻主机负担，一般除CPU外，还有一个专用的显示处理机(DPU)，用来与CPU交互和控制显示设备的操作。

（1）随机扫描系统的DPU

随机扫描系统的DPU差别很大，复杂度各有不同。

这种DPU可以设有缓存，也可不设（借助主存），不设缓存时，由主机CPU运行程序，形成DPU的显示文件，并由主机CPU把显示文件的起始地址送入DPU的指令计数器。DPU按这个起始地址从内存中依次读出显示指令，并送入指令寄存器，然后对操作码译码，在控制逻辑的参与下执行指令，这种DPU较简单。而具有缓存的则较复杂，功能也较强。

（2）光栅扫描系统的DPU

简单的光栅扫描系统是由CPU先计算出每个象素点坐标所对应的帧缓存地址，并赋以亮度或颜色值，但功能弱、效率低。具有独立DPU的光栅扫描系统可以克服上述缺陷。

这种DPU专门用来将输出图素扫描转换成象素位图，同时执行一些如象素或象素块的移位、拷贝、修改等光栅操作。具有独立DPU的光栅扫描系统有三个存储器：系统存储器、显示处理机存储器、帧缓冲存储器。

简单的DPU只执行某些有可能实现的与图形有关的操作；而较强的则可以实现裁剪、窗口视图变换，还有与拾取有关的逻辑及反馈等交互操作。有的DPU还具有显示表存储器按段存放显示指令，通过这些段可进行变换重画等操作。

（3）DPU的发展阶段

第一代单片图形处理器：1984年日立公司的HD-63484;1986年德克萨斯公司的TMS34010；Intel公司的82786。

第二代单片图形处理器：日本电气公司的72120;1988年德克萨斯公司的TMS34020；日立公司的GDP。

多片图形处理器：AMD公司的9560四象点数据流管理器;美国国家半导体公司的高级图形芯片组（ADCS）。

通用微处理器用作图形处理器：福兰第公司VARS。

流水线多处理器结构的图形机：每个高级图示命令都需要经过逐步进行几何变换的过程，最后才形成位图形式的输出。典型的流水线结构包括三个独立的处理器：显示表或命令处理器、几何处理器以及显示控制器或显示处理器，实际比三个要细得多。其性能要比单片图形处理器高得多，德克萨斯仪器公司的88XX。

阵列结构的图示系统：因莫斯公司的T800。

二、硬拷贝设备

1、点阵式打印机

2、笔式绘图仪

3、静电绘图仪

4、激光打印机

5、喷墨绘图仪

6、热转换打印机

7、摄象机

三、输入设备

图形输入设备可将用户的图形数据及各种命令等转换为电信号，并传递给计算机。从逻辑上看，可分为六种功能，即定位、笔划、送值、选择、拾取及字符串，也称六种逻辑设备。所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备，并非具体的物理设备，实际的物理设备往往是某些逻辑设备的组合。

1、定位器：用于指示一个位置，其输入量是x,y。常见的定位器有：坐标数字化仪、图形输入板、鼠标器、跟踪球、操纵杆、接触控制板、声学输入板等。

2、拾取器：用于拾取显示屏上的一个形体、图组或图素。典型的拾取器有光笔、图形输入板。

3、定值器：是提供标量值的物理设备。

4、键盘：用来输入字符或字符串等。

5、按键：用于从一组动作或功能中作出选择，如已编程的功能键盘。

6、其它设备：如语音识别器等。

图形软件系统

一、图形软件的组成

图形软件系统应该具有良好的结构，要有合理的层次结构的模块结构，以便于设计、维护和调试。

1、零级图形软件：是最底层的软件，主要解决图形设备与主机的通讯、接口等问题，又称设备驱动程序，是一些最基本的输入、输出子程序，要求程序质量高，它是面向系统的，而不是面向用户的。

2、一级图形软件：又称基本子程序，包括生成基本图形元素，对设备进行管理的各程序模块，既面向系统又面向用户。

3、二级图形软件：也称功能子程序，是在一级图形软件基础上编制的，其主要任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形；以及建立各图形设备之间的联系，要具有较强的交互功能，它是面向用户的。（以上三级通常称为支撑软件）

4、三级图形软件：是为解决某种应用问题的图形软件，是整个应用软件的一部分，通常由用户编写或与设计者一起编写。

二、基本图形软件

1、基本图形软件的内容

基本图形软件作为图形系统的支撑软件，其功能可根据需要而有所不同，但其基本内容一般应包括：

（1）系统管理程序；

（2）定义和输出基本图素及复合图素图形的程序；

（3）图形变换，包括几何变换、开窗、裁剪等程序；

（4）实时输入处理程序；

（5）交互处理程序；

2、建立基本图形软件的方法

（1）在高级语言的基础上增加图形程序包；

（2）修改高级语言；

（3）专用高级图形语言；

三、图形软件与其它软件资源的联系

1、高级语言的选择

图形软件包是以某种高级语言为基础，选择哪种高级语言应考虑以下几种因素：

应该选择在工程技术领域较为通用的语言；

模块化结构的高级语言；

支持性软件比较丰富的语言；

数据类型较为丰富灵活的语言；

I/O功能比较强的语言；

目标程序质量较好的语言；

2、OS选择

OS系统的强弱大大影响其它系统软件的功能，另外图形系统有很多I/O设备，要管理这些设备，可以有：开发图形OS、修改OS和由图形软件包自己管理。

四.实用图形软件包

1、IBM-PC基本汇编指令驱动

（1）设置屏幕状态；

（2）绘制一个点；

（3）设置屏幕为字符方式；

2、M icrosoft C/C++运行库例程

（1）配置方式与环境；

（2）设置坐标；

（3）设置低级图形调色板；

（4）设置属性值；

（5）产生图形及文本输出；

（6）传送图象与显示字型；

图形软件标准

已经制订的图形标准都是接口标准，这些标准旨在使图形系统中两部分之间的接口标准化，分为两大类：

数据接口标准：用以确定系统各界面之间数据传递和通讯的标准；

子程序接口标准：规定应用程序调用子程序的功能及格式的标准；

标准所处的位置不同，所起的作用的提供的服务也不同。

（1）基本图形交换规范IGES

1981年成为ANSI标准，其作用是在不同的图形系统之间交换数据，其基本单元是实体，实体分为三类：几何实体、描述实体和结构实体。其文件格式是由ASCII码、记录长度为80个字符的顺序文件组成，文件分五节，并提供出错处理机制。

（2）图形核心系统GKS

GKS提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口，是一个子程序接口标准，是一个独立于语言的图形系统核心。

GKS作为一个系统核心，它提供的图形功能和特殊的图形设备是无关的，它可调用输入、输出、输入输出、独立图段存储、元文件输出、元文件输入等六种抽象的物理设备（图形工作站），它允许输出图素在不同的工作站上变换和传送；它包括线元素、点元素、字符元素和光栅元素等基本图素，以图段方式工作和组合，采用元文件在图形系统间传送图形。GKS是一个二维图形标准，而GKS-3D是一个三维图形标准。

（3）程序员级层次结构图形系统PHIGS

是ANSI在1986年公布的为应用程序员提供的控制图形设备的子程序接口标准，可分为九个程序模块来分别实现，各模块间独立，仅通过公共数据结构与其它模块连接。所有图形数据组织在称为结构的单元中，结构间通过层次调用发生联系，结构中可包括图形元素、模型变换矩阵元素、观察选择元素、应用数据元素和结构调用元素等。应用程序可通过调用一个不存在的结构、打开已存在结构、一个不存在的结构登录到工作站上、改变结构标识符时引用一个结构名等四种方式创建结构。并提供了有效的编辑结构的手段。与GKS相比，其差别体现在：数据结构、可修改性、属性存储、输出流水线等方面。

（4）计算机图形设备接口CGI

是由ISO TC 97提出的设备接口草案，与1985年ANSI公布的VDI标准一致，提供了一种可视图形设备驱动程序的标准，属于程序接口标准。

（5）计算机图形元文件CGM

是由ANSI在1986年提出的标准，1987年成为ISO标准，是一套与设备无关的语义、词法定义的图形文件格式，提供了随机存取、传送、简洁定义图像的手段。通用性是它的关键属性，是一种静态的图形生成元文件。其标准有两部分组成，一是功能规格说明，以抽象的词法描述了相应的文件格式；二是描述了CGM的三种标准编码形式，即字符、二进制和清晰的正文编码。

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