第1章 绪论与图形设备

第1章绪论图形设备第1章绪论与图形设备1.1计算机绘图的发展和研究内容1.2计算机绘图系统的组成1.3计算机绘图的应用1.4计算机绘图系统中的图形设备第1章绪论图形设备1.1计算机绘图的发展和研究内容1.1.1计算机绘图的发展概况显示器数控铣床平台式绘图机滚筒式绘图机ComputerGraphics硬件设备（光栅扫描显示器、数字化仪、绘图机)理论和软件系统(曲线、曲面、真实感生成等）1950年1952年1959年1962年1970～8080年代后AutoCAD、PD、I-DEASPro/E第1章绪论图形设备20世纪90年代计算机绘图的研究和发展有以下几个主要特点:①图形、图像的研究日益结合，许多商品化的图形处理系统同时具有图形、图像处理功能，这样的系统适应性、实用性更强。(AutoCAD、SolidEdge、Richno）②动画技术和自然景物模拟技术的研究更深入，动画软件走俏。(3DSMAX、Flash)③为提高CAD/CAM系统的集成化程度，特征造型理论和技术得到较快的发展。（PRO/E、I-DEAS、UG、CATIA)第1章绪论图形设备④可视化技术、虚拟现实技术（环境模拟）的研究与应用更加广泛。⑤多媒体计算机的发展带动语音输入设备的发展，语音输入设备作为计算机通用输入设备逐渐走向市场。⑥为适应多媒体计算机功能的要求，图像压缩、图形图像特技处理作为关键技术需要进一步去研究。第1章绪论图形设备图形、图像的输入1.1.2计算机绘图的研究内容如何用计算机来处理图形、图像？？其研究内容：硬件、软件、图形理论与算法计算机绘图过程图形、图像的处理图形、图像的显示图形、图像的输出具体内容有:第1章绪论图形设备（1）计算机绘图系统的硬件配置，图形输入、输出设备的结构、原理及性能（光栅扫描显示器、绘图机）（2）绘图软件的设计与使用，各种绘图软件的开发研究，绘图软件的标准化。（AutoCAD应用及其二次开发方法）（3）图形理论和算法，主要内容有:①基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如直线、字符、圆弧二次曲线、图案填充等。第1章绪论图形设备②图形变换，即对图形进行比例、平移、旋转、错切、反射变换和对物体进行投影变换。③图形裁剪与填充，包括二维开窗裁剪填充、三维裁剪。④自由曲线和曲面的插值、逼近、拼接、分解、过渡、光顺、整体和局部修改等。（Bizer、B-spline曲线与曲面）⑤三维图形中隐藏线、隐藏面的消除。⑥二维面素拼合构图（解决二维图形的并、交、差运算）、三维实体造型（研究体素的形成，体素间的并、交、差运算，局部造型等）、特征造型。第1章绪论图形设备⑦真实感图形（即逼真图像）的生成。⑧自然景物（如山、花、草、树、水、火、烟、云、雾等）的模拟生成和虚拟现实环境的生成算法研究。⑨科学计算可视化的研究（如温度、压力、电荷等标量场的可视表示和应力场、电场、磁场等矢量场的可视表示）。(10)图形数据结构及图形数据库。第1章绪论图形设备1.2计算机绘图系统的组成1.2.1计算机绘图系统的功能.输入功能、计算功能、存储功能、交互功能、输出功能1、计算功能：除了数值计算外，还应包括图形设计的程序库、图形分析的程序库以及描述图形的图形数据库。在图形数据库中应有坐标的几何变换、曲线曲面的形成、图形的交点计算等功能。第1章绪论图形设备2.存储功能在计算机的内、外存储器中能存放图形数据及其相互关系，便于有关信息的检索以及图形的变更、增加、删除等处理。3.输入功能通过键盘、图形输入板等输入设备能将图形的形状、尺寸以及必要的参数等送给计算机进行处理。4.对话功能设计人员能通过显示器观看设计的结果和图形，对不满意的地方，能用图形输入设备以人机对话方式进行修改。第1章绪论图形设备5.输出功能用于记录和保存设计结果，包括源程序、计算结果、设计图形等。根据需要，可以通过打印机、绘图机等输出结果，便于永久性保存；也可以通过磁盘、磁带、光盘等以文件形式输出，这种输出灵活性大，使用较广。第1章绪论图形设备计算机绘图系统硬件配置软件配置1.2.2计算机绘图系统的配置第1章绪论图形设备图1.2.1计算机绘图系统硬件配置外存储器主机图形输入设备绘图机等显示器第1章绪论图形设备1.主机主机主要由CPU（中央处理器）和内存储器（RAM,简称内存）组成。绘图系统中的主机有大型机、中型机、小型机以及微型机。2.外存储器外存储器包括磁带存储器、硬磁盘存储器（简称硬盘）、软磁盘存储器、光盘存储器、磁光盘器存储器、U盘等。第1章绪论图形设备3.图形输入、输出设备图形输入设备包括键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板等。图形输出设备包括显示器、打印机、绘图机等。关于图形设备的结构原理、性能等请参阅1.3节。返回配置第1章绪论图形设备系统软件支撑软件各类应用软件1.2.3计算机绘图系统的软件配置第1章绪论图形设备1.系统软件系统软件也称为一级软件，它包括各种操作系统（如DOS、UNIX、Windows98、Windows2000系列、WindowsXP、WindowsNT等），各种高级语言系统（如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等），数据库管理系统（如FoxBASE、PARADOX、FoxPro、Oracle等），网络系统（如Novell、WindowsNTServer等）。第1章绪论图形设备2.支撑软件支撑软件也称为二级软件，它是软件公司、高级软件技术人员利用一级软件开发出来的，如绘图软件、动画软件、几何造型系统、有限元分析软件、热分析软件、各种软件平台等。第1章绪论图形设备3.应用软件应用软件也称为三级软件，它是专业技术人员或软件公司利用一级、二级软件开发出来的各类应用软件，如汽车CAD软件、各类模具CAD软件、建筑CAD软件、服装CAD软件及课程CAI软件等。第1章绪论图形设备1.3计算机绘图的主要应用绘制工程图样CAD/CAM（ComputerAidedDesign/Manufacturing)CAI（ComputerAidedInstruction）过程监控动画与模拟(Animatureandsimulation)图形和图像处理第1章绪论图形设备1.4计算机绘图系统中的图形设备输入设备显示设备输出设备本节介绍主要图形设备的组成、工作原理、性能指标。第1章绪论图形设备1.4.1图形输入设备图形输入设备：负责图形的形状、尺寸、绘图命令、菜单项、必要的参数及图形输入的设备。功能：定位选择拾取笔划、数值、字符串返回图形设备第1章绪论图形设备1.4.1图形输入设备图形输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪、图形输入板、数字化仪、触摸屏、数字摄像头、操纵杆、跟踪球、光笔等。键盘是计算机通用的输入设备。通过按键操作，配合各种事先编排好的程序，可以输入字符、图表数据及图形命令等。返回图形设备第1章绪论图形设备1.鼠标器种类：鼠标器（mouse）有光电式、机电式和光机式几种类型。工作原理：下图为光电式鼠标器。光电式鼠标器带有特制的反射式衬垫（印有间隔相同的网格），其传感系统是发光二极管(LED)、反射式衬垫和光敏元件。工作时，鼠标在衬垫上移动，通过反射光的强弱变化，系统便能检测出鼠标的移动。按钮反射式衬垫第1章绪论图形设备机电式鼠标－－传感系统是小球、译码轮（由小球带动旋转）、电刷（电位器）。光机式鼠标－－传感系统是小球、发光二极管、透光译码轮、光敏元件。功能：所有鼠标均有拾取、定位和选择功能。返回输入设备第1章绪论图形设备2.图形扫描仪图形扫描仪起步于20世纪70年代中期，到20世纪90年代扫描仪才得到迅猛发展，应用领域不断拓广。功能：图形扫描仪是一种输入设备，它能对已有的图形、图像（或实物）、文字进行扫描并以点阵形式将其输入计算机内供计算机处理。主要用在图形图像处理、排版印刷、人事档案管理、图纸存档管理、文字识别、机器翻译等领域。第1章绪论图形设备工作原理：扫描仪的主要部件为灯管和光电耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）。工作时，灯管点亮，光电耦合器件接收从被扫描物（图片、实物等）上反射或透射（透明胶片扫描仪）的光线，并根据光线的强弱不同将其转换成不同的电平值。种类：按颜色等级划分，扫描仪有黑白式、灰度式和彩色式三种。返回输入设备第1章绪论图形设备3.图形输入板与数字化仪结构与工作原理：下图是某电磁感应式图形输入板的外形图，它由台板和游标（或触笔）组成。台板内在X、Y方向有许多平行的印制线，每隔一定距离一条。游标的前端是一检测线圈，当线圈中通有交流信号时，在十字叉线的中心产生一个电磁场。当游标移动时，继而产生感应电流。游标按钮台板第1章绪论图形设备种类：按结构与工作原理分，有电位梯度式、电容耦合式、超声波式及电磁感应式等，其中电磁感应式应用较多。功能：具有定位、拾取、选择三个基本功能。主要性能指标有:(1)分辨率:指每英寸或每毫米长度上印制线的条数。(2)数据精度:指图形输入板输出点坐标时的精度。(3)幅面:指可数字化的区域。返回输入设备第1章绪论图形设备图1.3.3数字化仪支架游标返回输入设备第1章绪论图形设备4.触摸屏触摸屏最早应用在机场管制方面，后来作为计算机输入设备应用得越来越广泛。触摸屏是一种能对物体触摸产生反应的屏幕，当人的手指或其他物体触到屏幕不同位置时，计算机能接收到触摸信号并按照软件要求进行相应的处理。按工作原理划分，触摸屏有电阻式、电容式、红外线式、声表面波式几种。返回输入设备第1章绪论图形设备5.数字摄像头数字摄像头是一种连机图像实时输入设备，在多媒体课堂教学、视频电话通信、网络会议、电脑摄影等方面有着广泛的应用。数字摄像头的尺寸比鼠标还小，通常安放在显示器或支架上，镜头对着要拍摄的目标。数字摄像头的核心部件是CCD器件。CCD器件很小，面积只有3mm×5mm，在此面积上分布着250～350万个与光学像素点相对应的单元，每一单元又包含红、绿、蓝三列色彩基元，以实现彩色图像输入。CCD将光信号转换为电信号，摄像头内部的电路将电信号再转换为数字信号并直接输入计算机。返回输入设备第1章绪论图形设备1.4.2图形显示设备常用的有光栅扫描图形显示器、液晶显示器（LCD）、等离子体显示器（PDP）等，它们都属于点阵显示设备，其图形显示及显示控制的基本原理是相同的，不同的是监视器的物理结构和“点亮”像素的方式。本节学习（1）基本概念（2）光栅扫描显示器的结构、工作原理（3）各种基本的坐标系（3）字符和图线的生成原理。返回图形设备第1章绪论图形设备液晶显示器LED等离子显示器气体放电显示器通常情况下，液晶分子呈“开态”排列，光线经过偏振器成为偏振光，偏振光在通过液晶材料时发生扭曲，可以顺利通过对面的偏振器，这是像素是亮的；当在水平和垂直导体的交叉位置加上电压，液晶分子会因为电场的作用对齐排列，此时通过液晶材料的偏振光不会发生扭曲，无法通过对面的偏振器，此时像素是暗的。第1章绪论图形设备光栅扫描显示器概念象素点（Pixel):屏幕分辨率(ScreenResolution)点阵纵横比(AspectRatio)前景(Foreground)背景(Background)返回显示器第1章绪论图形设备X地址寄存器地址Y地址寄存器地址光栅扫描发生器颜色值寄存器数据帧缓冲存储器亮度信号偏转信号显示控制器CRT一、显示器的结构组成123第1章绪论图形设备1.图形监视器图形监视器是一个单独的部件，它类似于家用电视机，但无调谐系统。大多数图形监视器采用了电视扫描（光栅扫描）技术来不断刷新屏幕上的图像。图形监视器的核心部件是阴极射线管（CathodeRayTube，CRT），与电视机显像管类似。下图为CRT结构示意图。第1章绪论图形设备荧光层加速电极阴极灯丝控制栅聚焦系统偏转系统阴极－－》当灯丝加热它时发射出电子；控制栅－－它既控制发射的电子方向又控制电子的发射率；CRT结构灯丝、阴极、控制栅、加速电极以及聚焦系统组成电子枪。第1章绪论图形设备加速结构－－》它将提高电子的速度以使电子束轰击荧光屏时能产生一个可见的亮点；聚焦系统－－》使电子束变细以使它轰击荧光屏时成为一个细小的点；偏转系