第二章計算機圖形系統

與一般計算機系統一樣，計算機圖形系統也是由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括主機、輸入設備和輸出設備。輸入設備通常為鍵盤、鼠標、數字化儀、掃描儀和光筆等。輸出設備則為圖形顯示器、繪圖儀和打印機。這里主要介紹圖形輸出設備，而圖形輸入設備的內容放在交互技術那一章去介紹。而輸出設備主要為顯示設備和硬拷貝設備。2.1圖形硬件設備2.1.1顯示設備2.1.2硬拷貝設備2.2圖形軟件系統主要內容：CRT顯示器經歷了多個發展階段，出現過各種不同類型的CRT顯示器，如存儲式顯示器、隨機掃描顯示器，但是這些顯示器有明顯的缺點，圖形表現能力也很弱。20世紀70年代開始出現的刷新式光柵掃描顯示技術走向成熟的一個標志。尤其是彩色光柵掃描顯示器的出現，將人們帶入一個多彩的世界。是一種真空器件，它利用電磁場產生高速的、經過聚焦的電子束，偏轉到屏幕的不同位置轟擊屏幕表面的熒光材料而產生可見圖形。CRT由五部分組成：電子槍、加速電極、聚焦系統、偏轉系統和熒光屏，這五部分都封裝在真空管內，其構造見下圖。一CRT顯示器工作原理燈絲陰級控制柵聚焦系統偏轉系統熒光涂層加速電極二彩色CRT顯示器CRT顯示器利用能發射不同顏色的熒光物質的組合來顯示彩色圖形。組合不同熒光物質的發射光，便能生成一定范圍的彩色。用CRT產生彩色顯示的兩種基本技術是電子束穿透法和蔭罩法。根據屏幕上熒光點的排列不同，控制柵也就不一樣。普通的顯示器一般用三角的排列方式，這種顯像管被稱為蔭罩式顯像管。蔭罩法常用于光柵掃描系統，因為它能產生的彩色范圍比電子束穿透法寬廣得多。2、蔭罩式三色熒光屏蔭罩三個電子槍能顯示16兆種顏色的顯示系統叫做真彩色顯示系統3、蔭柵式普通的顯象管采用的都是蔭罩式顯象管，顯象管的表面呈略微凸起的球面狀，故稱之為“球面管”。蔭罩式球面顯示器幾何失真大，而且三角形的熒光點排列造成即使點很密很細也不會特別清晰，所以近幾年蔭柵式顯示器逐漸流行起來。采用蔭柵式顯像管的顯示器有柱面顯示和平面顯示器。柱面顯示它的表面在水平方向仍然略微凸起，但是在垂直方向上卻是筆直的，可將屏幕上方的光線反射到下方，減弱眩光。平面顯示器，屏幕完全平面，大大提高質量。蔭柵式與蔭罩式顯像管的區別主要表現在選色板及熒光粉的排列方式。蔭罩式顯像管的選色板為孔狀金屬板，熒光粉為點狀排列，點距是0.28；蔭柵式顯像管的選色板采用垂直金屬線組成，熒光粉的排列為R、G、B三色熒光粉條，點距是0.25，透光率更強，因而顯示色彩更豐富亮麗。蔭柵式顯像管在垂直方向不存在弧度，所以垂直方向無失真。柱面和球面顯示器點距定義示意圖三、隨機掃描的圖形顯示器

隨機掃描顯示器又稱矢量顯示器、筆劃顯示器，隨機掃描顯示器電子束的定位和偏轉具有隨機性，只在需要的地方掃描，而不必全屏掃描。隨機掃描顯示器特點由計算機加工成為顯示器的顯示文件。顯示文件經接口電路送到顯示器的緩沖存儲器，而固定存儲器中則存放各種常用字符、數字等顯示指令。DPU取出緩沖存儲器或固定存儲器中的顯示指令，依次執行，再由控制電路使電子束以所需的亮度偏轉到所需的位置。四、存儲管式的圖形顯示器

是20世紀60年代后期開始出現的圖形顯示器，最大特點在于它的熒光粉能夠在足夠長的時間內（以小時計）保持圖形而不需要刷新，因此價格低廉，可以不閃爍地顯示任意多的線條和字符，而且相當清晰。致命弱點在于圖形的修改和刪除方面，它只能一次擦除整屏的圖形，而且擦除時間長達數秒，若想有選擇地擦除某一部分圖形則是不可能的。這樣，就限制了它在動態作圖和交互修改作圖方面的應用。體現。

顯示圖形的方式和隨機掃描顯示器一樣，電子束在屏幕上隨機繪出圖形，同樣它也只能畫線圖，不能進行實面積填充。存儲管式顯示器特點1、無需刷新、很復雜的圖形都可以在極高的分辨率下無閃爍地顯示。2、成本較低，不需要太大內存。3、不能顯示彩色、不能局部修改、動畫效果不好。五、光柵掃描式圖形顯示器

灰度光柵顯示器結構在光柵掃描系統中，電子束橫向掃描屏幕，一次一行，從頂到底順次進行。當電子束橫向沿每一行移動時，電子束的強度隨幀緩存器中的值而變化，從而在屏幕上建立亮點的圖案。可顯示真實感圖形圖形的動畫效果較好顯示斜線時有階梯效應光柵掃描顯示器的特點液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發生形變，此時通過它的光的折射角度就會發生變化，而產生色彩，生成圖形的機理是通過能阻塞或傳遞光的液晶材料，傳遞來自周圍的或內部光源的偏振光。六液晶顯示器等離子體顯示（PlasmaPanel），其結構為用通常包括氖氣的混合氣體充入兩塊玻璃板之間的區域。一塊玻璃板上放置一系列垂直導電帶，而另一玻璃板上構造一組水平帶,如下圖所示。七等離子顯示器

在成對的水平和垂直導電帶上施以點火電壓，導致兩導電帶交叉點處的氣體進入輝光放電的等離子區。圖形的定義被存儲在刷新緩沖器，點火電壓以每秒60次的速率，用于刷新象素位置（導電帶的交叉處），使用交變電流方法快速提供點火電壓，可得到較亮的顯示。等離子體顯示技術適合于制造較大屏幕的顯示器。

圖形顯示器用于觀察、修改圖形，但是屏幕上的圖形不可能長久地保存下來，在工程界還需要變成圖紙或膠片用于生產，因此在計算機圖形系統中還應該有繪圖機這樣的圖形硬拷貝輸出設備。象顯示器一樣，圖形硬拷貝輸出設備的發展也非常迅速，且種類繁多，它的發展動向正朝著高速度、高精度、高性能、大面積、低成本的方向發展。

2.1.2硬拷貝設備激光打印機結構圖二、激光設備在激光設備里，激光束把要打印的圖形寫在感光鼓上，鼓再把這一圖形轉移到紙上。激光打印機的主要構成部分有感光鼓、炭粉、打底電暈絲和轉移電暈絲。噴繪儀實物圖三、噴墨設備噴墨法產生的輸出，是沿包裹在鼓上的紙卷逐行噴墨水來實現的。在高壓下墨水形成墨霧，充電荷的墨霧在電場控制下發生偏轉，將墨霧噴印到紙上。靜電繪圖儀結構圖

四、靜電設備靜電設備沿紙的寬度方向一次一整行地置負電荷于紙上，爾后，面對調色劑曝光。調色劑充以正電，被吸引到充以負電的區域，從而產生指定的輸出。靜電繪圖儀分辨率可達200dpi，其速度比筆繪儀高，運行可靠，噪聲小，但用紙特殊而價格昂貴。熱升華打印機

五、電熱式設備電熱式利用點陣打印頭的熱度，在熱感應紙上輸出圖案。平面電機式繪圖儀結構圖機械傳動式繪圖儀結構圖

六、筆繪儀筆繪儀有一支或多支筆安裝在橫跨紙的筆架或滑桿上，各種彩色和不同粗細的筆用來繪制各種陰影和線型。與前面幾種點陣硬拷貝設備不同，筆繪儀屬于隨機畫線硬拷貝設備。筆繪儀的繪圖速度取決于繪圖筆移動的速度和加速度。這里，加速度和筆繪儀筆頭的質量有關。2.2圖形軟件系統

硬件是實現繪圖的必要條件，但要保證具有良好的信息處理能力、較高的繪圖速度與精度、清晰美觀的圖形、操作使用方便，則必須有足夠先進的軟件支持系統。圖形軟件系統涉及：圖形應用數據結構、圖形應用程序、圖形軟件包及圖形接口等內容。

一、圖形應用數據結構圖形應用數據結構實際上是一組圖形數據文件，其中存儲了欲生成圖形對象的全部描述信息。這些信息包括對象的幾何坐標數據，對象的顏色、線型（實線、虛線、點劃線等）、紋理等屬性，以及對象各部分之間連接關系的數據，有時還可能包括對象的某些專業屬性，如：比重、價格、材料、高程、植被等。在計算機圖形學中，根據這類信息的詳細描述，生成對應的圖形，并完成對這些圖形的操作和處理。所以，圖形應用數據結構是生成圖形的基礎。二、圖形應用程序圖形應用程序在整個圖形軟件系統中起著主控的作用。它一方面根據應用問題的要求，從應用數據結構中提取數據，調用圖形包的相關子程序，完成作圖或對圖形進行各種處理；另一方面，它又接受操作員的輸入信息，作出相應的反應（如修改或增刪數據結構中的數據項，改變作圖模式，重新作圖等）；此外，它還包括用戶界面的一些操作：菜單提示、文件存取、圖形設備接口的調用、圖形圖像格式的轉換、系統維護、信息提示、幫助等等，從而構成一個功能完整的圖形軟件系統環境。三、圖形軟件包圖形軟件包是圖形軟件的核心，它實際上是由許多圖形子程序所組成。圖形軟件包在操作系統上建立了面向圖形的輸入、輸出、生成、坐標變換、修改等功能命令，以及系統調用和定義標準，而且要求對用戶透明，與所采用的圖形設備無關，與所使用的程序設計語言無關，接口友善、技術相容。這些被用戶所承認和廣泛應用的圖形軟件包，形成了一個為大家都接受的圖形標準，就像現在所通用流行的GKS（圖形核心系統