清华大学工程制图02计算机绘图系统

第二章：计算机绘图系统‹§2-1计算机绘图系统的功能和组成‹§2-2图形设备‹§2-3图形软件系统§2-1计算机绘图系统的功能和组成一、计算机绘图系统的基本功能计算交互输入输出存储z实现设计过程中所需要的计算、变换、分析等功能。z存取所设计形体的几何数据及在计算机形体间的相互关系z可实现对数据的实时检索以及变更、增删等处理。z用交互设备输入或获取各种参数z通过屏幕观察设计图形，并可对图形进行实时修改z以各种形式，输入图形设计必需的各种参数和命令。z支持各种图形输出设备z输出设计结果和图形。交互设备绘图仪显示器存储设备&数据库二、计算机绘图系统的组成‹一个计算机绘图系统定义为一系列硬件和软件的集合。计算机绘图系统硬件软件计算机及外围设备图形输入设备图形输出设备系统软件图形支撑软件图形应用软件‹计算机图形硬件系统z性能表现„高速大容量的处理器；„高精度、高速度、大幅面的图形输入输出设备„支持较强的图形支撑软件。z硬件系统配置„主机„常用外围设备„图形输入/输出设备GreatGreatClientClient图形输入设备图形显示器图形输出设备CPU键盘存储设备打印机字符显示器z基本配置„中央处理器（CPU）控制和指挥整个系统运行、处理各种数据，执行实际运算和逻辑分析„图形输入设备输入数据、图形和各种信息，与图形显示设备相结合，可实时修改图形„图形显示设备：显示图形，反馈信息。„图形输出设备：永久输出图形。„存储设备：存储信息。„打印设备：打印文档。主机键盘鼠标/输入板磁盘机打印机字符终端图形终端绘图仪磁带机字符终端键盘鼠标/输入板图形终端z集中式大中型机系统„多用户分享主机，主机负载随工作站多少变化，系统响应不稳定；„多个用户同时使用工作站，响应速度变慢；„主机发生故障，整个系统不能工作。z独立式微机系统CPU键盘小型数字化仪/鼠标器硬盘打印机图形/文字显示器绘图仪特点特点HardwareHardware10001000MHzMHzMercedchipMercedchip6464--bitbitPentiumPentiumClusteringClustering1616and32CPUsand32CPUsSMPSMPPersonalPersonalComputingComputingGUIGUIClientClientServerServerNN--TierTierDistributedDistributedInternetInternetSoftwareSoftware配置方便，价格低廉，配置方便，价格低廉，具有优越的性能价格比具有优越的性能价格比z图形工作站系统„设计思想†每个工程师使用一台计算机——摒弃多用户分时系统†能够使用所有计算机——采用网络技术„特点†具有多用户性质†具有强大的分布式计算功能，支持多任务进程†良好的扩展性GreatGreatClientClient„当前发展†高速、大容量的处理器；†大幅面、高分辨率（4096×4096）、24位面全彩色显示器；†配有UNIX操作系统和标准化窗口管理系统；†分布网络功能；†强大的三维图形处理能力；†多媒体软、硬件的配置。„当前主要厂商SUN、IBM、HP等每种原色有8个位面，可有28种亮度，三种原色的组合为（28）3=224zz网络型分布式工作站网络型分布式工作站InternetInternetInternetServerServerDatacollectionDatacollectionPromotionsPromotionsClientClientClientClient†在某个区域内，把分散的图形工作站系统、大容量存储装置、高性能的图形设备以及通信装置通过通信协议连接起来；†满足资源共享与相互通讯的需求。‹图形软件系统图形软件系统是由汇编语言和高级语言编写的一些具有各种图形功能的子程序组成的。系统软件图形基本软件图形通用软件图形应用软件图形支撑软件z图形基本软件：主要解决图形设备与主机的通讯、接口问题，即图形设备驱动程序；z图形通用软件：包括生成、显示基本图形,对图形进行输入、变换、修改以及交互处理的程序；z图形应用软件：根据专业需要所设计的专业性绘图程序。z系统软件„操作系统：一组对计算机的硬件资源和软件资源进行统一管理的程序，对整个计算机系统起到监控、管理、调度和指挥作用；„语言加工程序：各种计算机语言的编译程序、调试程序以及子程序库等；„服务性软件：为用户对计算机进行操作和维护提供方便的程序§2-2图形设备一、几个基本概念‹二进制位(位)：Bit(Binarydigit)二进制记数法中用1或0表示的、小于2的整数符号，是二进制数的基本单位，计算机所能存贮信息的最小单位。‹字节：Byte作为一个单位来处理的一小组相邻的二进制数位，即若干个Bit组成一个字节，字节是存贮容量的单位。‹机器字(字)：为一个单元来传送和处理、并可存放在存贮单元中的一组二进制的数位。即若干个位或几个字节组成一个字。二、计算机的主要性能‹字长指参与运算的数的基本位数，即计算机一次可处理的二进制数位的数目。它标志着计算精度，字长越长，数的表示范围越大，有效数字的位数越多，数的精度越高。同时字长越长，计算机处理数据的速度越快。‹存贮容量存贮设备中能够保存的总信息量，一般以字节为单位表示。单位换算：若8个Bit=1个节，则：z1024个字节=210=1KBz210KB=1MB(兆)z210MB=1GB‹运算速度z用每秒钟执行指令的数量表示。通常用CPU的主时钟频率来衡量计算机的速度。z主时钟脉冲信号是CPU一切操作的基本时钟和信号，其周期决定了每一个机器周期所包括的标准时间间隔。z机器周期是指计算机执行一条指令所花的时间三、交互式图形输入设备交互式图形输入设备用于输入图形数据和各种信息，实时修改图形，也是人机对话的工具‹键盘：输入字符串，完成图形操作的特定功能‹坐标数字化仪：图数转换设备‹鼠标器：输入图形的点坐标和进行选择、拾取操作‹触摸屏：一种利用摸感新技术制成的屏幕，能对用户手指在显示器上的接触及运动作出响应的装置。‹图形扫描仪：一种自动图形输出装置，能直接把图形和图象扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储。‹其他设备：光笔、操作杆、跟踪球、语音输入设备。‹坐标数字化仪z功能„将各种几何图形转换成精确坐标，并直接送入计算机„输入图形的点坐标„选择菜单„拾取图形z类型和原理„机械式、超声波式„全电子式：利用电磁感应原理，通过台板上X、Y方向间隔200微米的平行印刷线，以及指示器游标上的线圈，产生感应电流，从而测出最大信号，得出点的座标。z技术指标„有效幅面1200mmX1000mm280mmX280mm、220mmX300mm„分辨率†指输入点时，相邻两点之间可分辨的最小距离†分辨率决定了使用该设备时，可显示密集点的精度。†通常分辨率在0.25~0.025mm之间‹触摸屏一种利用摸感新技术制成的屏幕，能对用户手指在显示器上的接触及运动作出响应的装置z功能通过手指在屏幕某一位置的接触及运动，输入数据、拾取图形、选取菜单。z类型与原理„低分辨率控制板：使用一系列光源和光敏元件，在整个显示表面形成一个网格，接触屏幕时会中断一、二条垂直和水平的光束，从而测出手指的位置„高分辨率控制板：声纳型、电容式、红外线式电阻式：利用两层稍微分开的透明材料，其中一层涂有导电物质，另一层则涂有电阻性物质，手指的压力使两层接触，则可测出通过电阻层的电压降，以计算接触位置。zz特点特点„使用户把注意力全部集中在屏幕上，并能在屏幕上直接指出位置；„既是输入设备，又是输出设备，用户输入与显示输出直接对应，从而保证了用户操作时的手眼的直接协调。„分辨率有限，不适合选择屏幕上较小对象；„输入数据的效率远不及键盘；„手臂不停运动，容易疲劳，还会遮挡部分视野‹图形扫描仪一种自动图形输入装置，能直接把图形和图象扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储z原理及特点„利用光学扫描原理：以两万条光纤排列成图纸面宽的光源及光接受列阵，对已有图形自动地进行扫描；„通过矢量化软件，把扫描的数据转换成计算机系统能接受的矢量数据。z技术指标„有效幅面扫描仪的幅面有A0、A1、A4等„分辨率†在原图上单位长度上(英寸)取样的点数，单位是dpi†常用的分辨率有300dpi到1000dpi之间†扫描仪的分辨率越高，所需的存储空间就越大„颜色和灰度目前有4位、8位和24位面颜色、灰度等级的扫描仪四、图形输出设备‹显示系统z与图形输入设备相结合，具有交互功能，可快速生成图形，实时修改图形，反馈信息。‹绘图系统z将图形输出在纸或其它介质上，以永久保存。图形显示器‹类型z随机扫描图形显示器z存储管式图形显示器z光栅扫描式图形显示器z液晶显示器：功耗小、超薄、平面度好，对比度差、灰度等级差、色彩不及光栅显示器丰富。z等离子显示器：分辨率高、亮度和对比度好，灰度等级差、色彩不及光栅显示器丰富。画线设备画点设备图形显示器：基本原理阴极射线管原理CRT(CathodeRayTubule)‹阴极‹控制栅‹加速结构‹聚焦系统‹偏转系统‹荧光涂层灯丝荧光层控制栅控制发射方向和发射率加速电极加速电子阴极发射电子聚焦系统聚集电子束偏转系统控制电子束图形显示器：光栅扫描显示器‹画点设备,可看成是一个点阵单元发生器‹工作原理z在CRT中装有水平偏转线圈和垂直偏转线圈，而产生水平磁埸和垂直磁埸．电子束在磁埸作用下，作“水平扫描”和“垂直扫描”，在屏幕上扫出点的列阵组成的光栅。‹基本概念象素屏幕上能被控制的最小单元分辨率电子束在屏幕上扫描出的每一个点每幅图象扫描出的象素数光栅扫描显示器：工作步骤‹将象素编址；‹设定每个象素的亮度和颜色等属性；‹将象素的属性以数组形式存入帧缓冲存贮器‹提取该数组，就能确定每个象素的亮度和颜色，即电子束按顺序扫描屏幕时，只使经过图形所在位置上的象素辉亮，从而在屏幕上产生图形。‹为了使图象不闪烁，要求30或60幅图象／秒，即在1/30-1/60秒内把一帧画面的每个象素的值从帧缓存中取出。光栅扫描显示器：光栅化‹显示水平或垂直线：将沿水平或垂直方向的一组象素点亮；‹显示45o直线：将沿45o线方向的一组象素点亮；光栅扫描显示器：光栅化‹任意方向直线：用一组发亮的象素逼近该直线。----这个过程称为光栅化光栅扫描显示器：帧缓存器‹帧缓存器通常由三维空间确定：z象素x，y方向的编址与屏幕地址一一对应；z亮度与颜色由每一位深度N确定，N也称为位面。如果屏幕分辨率为：xxy显示器所需的最小帧缓存为：Nxxxy单色光栅扫描显示器具有N位帧缓存的单色光栅显示器结构帧缓存的深度N反映了每个象素的灰度值，即图形的灰度等级为2N计算机中每个存储位只有0或1两个状态寄存器帧缓存器数模转换器电子枪CRT光栅彩色光栅扫描显示器‹颜色范围用RGB（红、绿、蓝）电视原色‹RGB三原色具有叠加性RGB颜色模型彩色光栅扫描显示器：RGB具有3位面的彩色帧缓存器结构图颜色帧缓存器存贮的颜色值显示代号红绿蓝颜色0000Black1100Red2110Yellow3010Green4011Cyan5001Blue6101Magenta7111White彩色光栅扫描显示器：简单结构寄存器帧缓存器数模转换器电子枪CRT光栅‹‹N=3，每个位面对应一种颜色，每个象素的属性用三个Bit表示，可同时显示23=8种颜色。彩色光栅扫描显示器‹N=4，每个象素的属性用4个Bit表示（红、蓝、绿、灰度），可同时显示24=16种颜色。z红、蓝、绿、黄、青、紫红、黑、白；z浅红、浅蓝、浅绿、浅黄…‹N=6，每位原色有2个位面的帧缓存，每个象素的属性用6个Bit表示，可同时显示26=64种颜色z不同灰度的红、蓝、绿、….‹每种原色有8个位面，可有28种亮度，三种原色的组合为（28）3=224种颜色----24位面全彩色。调色板技术‹节省存储容量‹提高显示图形的灰度等级和颜色数寄存器帧缓存器数模转换器电子枪CRT光栅2N项调色板W位‹若N位面的帧缓存，可显示2N种灰度或颜色;‹加调色板:加上一个具有2N项、每项