第2章計算機圖形系統(tǒng)2.1計算機圖形系統(tǒng)的組成、功能及分類2.2圖形設(shè)備2.3圖形軟件

2.1計算機圖形系統(tǒng)的組成、功能及分類

1.圖形系統(tǒng)的組成

計算機圖形系統(tǒng)應(yīng)由硬件設(shè)備及相應(yīng)的程序系統(tǒng)(即軟件)兩部分組成。

嚴格說來,用戶也是系統(tǒng)的組成部分。交互系統(tǒng)是人與計算機及圖形設(shè)備協(xié)調(diào)運行的系統(tǒng),并且人始終處于主導地位。

2.圖形系統(tǒng)的功能

作為一個圖形系統(tǒng),至少應(yīng)具有計算、存儲、輸入、輸出、對話等五方面的基本功能,各功能的關(guān)系如圖2-1所示。圖2-1圖形系統(tǒng)基本功能框圖圖形系統(tǒng)的各功能介紹如下：

(1)計算功能:包括圖形的描述、分析和設(shè)計;圖形的平移、旋轉(zhuǎn)、投影、透視等幾何變換;曲線、曲面的生成;圖形之間相互關(guān)系的檢測等。

(2)存儲功能:圖形數(shù)據(jù)庫可以存放各種圖形的幾何數(shù)據(jù)及圖形之間的相互關(guān)系,并能快速、方便地實現(xiàn)對圖形的刪除、增加、修改等操作。

(3)輸入功能:通過圖形輸入設(shè)備可將基本的圖形數(shù)據(jù)(如點、線等)和各種繪圖命令輸入到計算機中,從而構(gòu)造更復雜的幾何圖形。

(4)輸出功能:圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后可在顯示器上顯示當前的狀態(tài)以及經(jīng)過圖形編輯后的結(jié)果,同時還能通過繪圖儀、打印機等設(shè)備實現(xiàn)硬拷貝輸出,以便長期保存。

(5)對話功能:用戶可通過圖形顯示器及其他人機交互設(shè)備直接進行人機通信,可以通過顯示器觀察設(shè)計結(jié)果和圖形,用選擇拾取設(shè)備對不滿意部分作出修改。系統(tǒng)還可追溯以前的工

作步驟,對用戶操作執(zhí)行的錯誤給予必要的提示和跟蹤。

3.圖形系統(tǒng)的分類

1)以大型機為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)

該系統(tǒng)以大型機為主機,具有容量龐大的存儲器和極強的計算機功能。系統(tǒng)配有若干臺功能較強的高分辨率圖形顯示器,高速度、高精度、大幅面的繪圖機,大幅面的數(shù)字化儀及硬拷貝機。該系統(tǒng)所用軟件往往是自行開發(fā)的(尚無通用的)且僅限內(nèi)部使用。

2)以中型機或超級小型機為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)(20世紀70年代后期)

該系統(tǒng)主要是以32位超級小型機作為系統(tǒng)核心,配有大容量(硬盤)內(nèi)存和外存,高分辨率顯示器、一臺大幅面繪圖儀和大幅面數(shù)字化儀。

3)以圖形工程工作站為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要配置有:CPU至少為四核(頻率在2GHz以上),有條件的可配多處理器;內(nèi)存至少為2GB,最好選用4GB以上;硬盤容量應(yīng)大于146GB,硬盤的控制接口最好采用SAS或SSD接口,以加快存取速度并減少CPU的占用時間;配有專業(yè)圖形加速卡;24寸以上專業(yè)型圖形顯示器,點距要在0.24cm,分辨率為1600×1050以上;工程圖掃描輸入設(shè)備及矢量化軟件系統(tǒng)。

4)以微型機為基礎(chǔ)的圖形系統(tǒng)

該系統(tǒng)中，以高檔微機為基礎(chǔ),除配上一般的I/O外設(shè)外,為提高圖形設(shè)計計算速度,往往還應(yīng)配置一些專用硬件。

2.2圖形設(shè)備

2.2.1圖形輸入設(shè)備

1.鍵盤

鍵盤是計算機中使用最普遍的輸入設(shè)備,它一般由按鍵、導電塑膠、編碼器以及接口電路等組成。鍵盤上通常有上百個按鍵,每個按鍵負責一個功能,當用戶按下其中一個鍵時,鍵盤中的編碼器能夠迅速將此按鍵所對應(yīng)的編碼通過接口電路輸送到計算機的鍵盤緩沖器中,由CPU進

行識別處理。當用戶按下某個鍵時,它會通過導電塑膠將線路板上的這個按鍵排線接通以產(chǎn)生信號,產(chǎn)生的信號會迅速通過鍵盤接口傳送到CPU中。計算機鍵盤的功能就是及時發(fā)現(xiàn)被按下的鍵,并將該按鍵的信息送入計算機。鍵盤中有發(fā)現(xiàn)下按鍵位置的鍵掃描電路,產(chǎn)生被按下鍵代碼的編碼電路,將產(chǎn)生代碼送入計算機的接口電路,這些電路統(tǒng)稱為鍵盤控制電路。

依據(jù)鍵盤工作原理,可以把計算機鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤的鍵盤控制電路的功能完全依靠硬件自動完成,能夠自動將按下鍵的編碼信息送入計算機,響應(yīng)速度快,但它以復雜的硬件結(jié)構(gòu)為代價,而且其復雜性會隨著按鍵功能的增加而增加。非編碼鍵盤的鍵盤控制電路的功能要依靠硬件和軟件共同完成,它的響應(yīng)速度不如編碼鍵盤快,但它可通過軟件為鍵盤的某些按鍵重新定義,為擴充鍵盤功能提供了極大的方便,因此,

得到了廣泛的使用。與編碼鍵盤不同,非編碼鍵盤并不直接提供按鍵的編碼信息,而是用較為簡單的硬件和一套專用程序來識別按鍵的位置。

2.鼠標器

鼠標器是一種移動光標、定位和做選擇操作的計算機輸入設(shè)備。除鍵盤外,它是目前使用最廣泛的計算機輸入裝置。鼠標器的基本工作原理是:當移動鼠標器時,鼠標器中的譯碼器把移動的距離和方向信息變成脈沖信號送入計算機。計算機再把脈沖信號換算成鼠標器的坐標數(shù)據(jù),從而達到指示位置的目的。市場上的鼠標有光電與機械、有線和無線、普通與人體工程學之分。按鼠標工作原理,可將其分為機械式鼠標、光電式鼠標、無線遙控式鼠標等;按照按鍵的數(shù)目,可分為兩鍵鼠標、三鍵鼠標及滾輪鼠標等;按照接口類型,可分為PS/2接口、串行接口、USB接口的鼠標。鼠標的主要性能指標有:

①分辨率。該值越大,鼠標越靈敏,定位也越精確。

②使用壽命。一般說來,光電式鼠標比機械式鼠標壽命長。③響應(yīng)速度。鼠標響應(yīng)

速度越快,意味著在快速移動鼠標時,屏幕上的光標能做出及時的反應(yīng)。

④抗震性。要選擇外殼材料比較厚實、內(nèi)部元件質(zhì)量較好的鼠標。

3.數(shù)字化儀

數(shù)字化儀的主要技術(shù)指標有:

①有效面積,是數(shù)字化儀上電磁感應(yīng)板的面積,即用戶可以在多大的面積上用光筆(或其他輸入筆)進行繪圖。有效面積越大,繪圖的擴展余地也就越大,當然由于使用的電磁感應(yīng)板的面積擴大,價格自然也就隨之上升了。②精度,是光筆在數(shù)字化儀的電磁感應(yīng)板上可以表現(xiàn)出的最小的精確度。精度越高,繪制出的圖形也就越精準。不過目前由于計量單位不同,因此有的產(chǎn)品是用英寸來標識的,有的是以毫米作為標識的,選購時應(yīng)該注意一下。③分辨率,是指數(shù)字化儀可以將被繪制對象每英寸上可以被表示成的點數(shù),點數(shù)值越大,繪制出的效果也就越好。目前數(shù)字化儀的分辨率都已經(jīng)達到了2000線以上,如果小于這個值的話則是淘汰的產(chǎn)品。④重復精度,也稱為最大精度,是指數(shù)字化儀在同一區(qū)域內(nèi),重復的繪制輸入的精確度。這個指標同樣使用英寸或毫米來標識。一般來說,目前數(shù)字化儀的重復精度在0.5英寸(或12.7mm)左右。

⑤波特率,是網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用的一個技術(shù)指標,在這里則是指數(shù)字化儀和計算機系統(tǒng)交換、傳輸?shù)乃俣取Ｋ侵该棵腌娫O(shè)備或網(wǎng)絡(luò)之間能夠傳輸?shù)亩M制信息位數(shù)。⑥數(shù)據(jù)傳輸速率,雖然波特率表示了數(shù)字化儀的傳輸速度,但是設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換往往是成組傳輸?shù)?因此在波特率提高的情況下,每秒鐘數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)慕M數(shù)也就成為影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕蛩亍?/p>

⑦輸出格式,對于數(shù)字化儀來說,在應(yīng)用中可能會遇到各種各樣的軟硬件系統(tǒng),因此支持的輸出格式越多越好,如果太少,則可能會造成操作中的局限性。

4.光筆

光筆是一種鉛筆狀的光檢出器,亦稱“光槍”,具有選圖和跟蹤兩種基本功能。選圖(又稱標定或指點)是對顯示器上已顯示的圖形或字符進行加工處理;跟蹤是用光筆拖動光標實現(xiàn)定位,可用于圖形編輯。

光筆的形狀和普通鋼筆相似光筆,它由透鏡組、光導纖維、光電元件、放大整形電路和接觸開關(guān)組成,如圖2-2所示。圖2-2光筆的結(jié)構(gòu)組成示意圖

光筆的工作過程是:將光筆對準陰極射線管的顯示屏,在光筆指點處的光點被光筆感受后,將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)放大傳入計算機;通過程序翻譯,便可使計算機迅速知道光筆指點處所顯示的數(shù)據(jù),以及如何對它進行處理。

5.圖形掃描儀

掃描儀的工作過程是:將光線照射在掃描的材料上,光線反射回來后由電荷耦合器件(CCD)等光敏元件接收并實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成為用1和0的組合表示的數(shù)字信息,之后控制掃描

儀操作的掃描儀軟件讀入這些數(shù)據(jù),并重組為計算機圖像文件。掃描儀的技術(shù)指標有:

①分辨率:表示掃描儀對圖像細節(jié)上的表現(xiàn)能力,即決定了掃描儀所記錄圖像的細致度,其單位為dpi(dotsperinch)。通常用每英寸長度上掃描圖像所含有像素點的個數(shù)來表示。目前大多數(shù)掃描的分辨率在300～2400dpi之間。dpi數(shù)值越大,掃描的分辨率越高,掃描圖像的品質(zhì)越好,但這是有限度的。如對于絲網(wǎng)印刷應(yīng)用而言,掃描到6000dpi就已經(jīng)足夠了。②灰度級:表示圖像的亮度層次范圍。級數(shù)越多,掃描儀圖像亮度范圍越大、層次越豐富,目前多數(shù)掃描儀的灰度為256級。256級灰階中以真實呈現(xiàn)出比肉眼所能辨識出來的層次還多的灰階層次。③色彩數(shù):表示彩色掃描儀所能產(chǎn)生顏色的范圍,通常用比特位(bit)表示。bit是計算機中最小的存儲單位,以0或1來表示比特位的值,越多的比特位數(shù)可以表現(xiàn)越復雜的圖像信息。例如常說的真彩色圖像指的是每個像素點由三個8bit的彩色通道所組成即24位二進制數(shù)表示,將紅、綠、藍通道結(jié)合，可以產(chǎn)生224=16.67M(兆)種顏色的組合,色彩數(shù)越多,掃描圖像越鮮艷真實。④掃描速度:它與分辨率、內(nèi)存容量、軟盤存取速度以及顯示時間、圖像大小有關(guān),有多種表示方法,通常用指定

的分辨率和圖像尺寸下的掃描時間來表示。

⑤掃描幅面:表示掃描圖稿尺寸的大小,常見的有A4、A3、A0幅面等。

6.觸摸屏

1)電子觸摸屏

電子觸摸屏是將一個兩層導電和高透明度的物質(zhì)做的薄膜涂層涂在玻璃或塑料表面上,再裝到屏幕上;或直接將涂層涂到屏幕上。兩個透明涂層之間約有0.0025mm的距離,當手指觸到屏幕時,在接觸點產(chǎn)生一個電接觸,使該點處的電阻發(fā)生變化。通過測得電阻的改變量就能確定觸摸的位置。

2)光學觸摸屏

光學觸摸屏利用紅外線和光電轉(zhuǎn)換原理制成。在與屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直邊框上各安裝均勻密布的紅外線發(fā)送器和接收器。使用時,把框架安裝在屏幕四周,用手指在屏幕上點一下,在指點處障礙物擋住了一條垂直紅外線和一條水平紅外線,相應(yīng)的兩個紅外線接收器發(fā)出電信號,根據(jù)發(fā)出信號的接收器所在位置可知障礙物所在點坐標,將坐標值送入計算機進行處理。

3)聲學觸摸屏

聲學觸摸屏由發(fā)射器、反射器和觸摸屏等組成,其中發(fā)射器和反射器一起工作。聲源發(fā)射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地發(fā)射高頻聲波脈沖,當用手指觸摸屏幕時,有一部分聲波被反射回聲源處,通過計算聲波脈沖從發(fā)射到反射回聲源發(fā)射器的時間間隔,來確定手指的位置。

7.數(shù)據(jù)手套、跟蹤定位器和空間球

數(shù)據(jù)手套是一種多模式的虛擬設(shè)備。通過軟件編程,可進行虛擬場景中物體的抓取、移動、旋轉(zhuǎn)等動作,也可以利用它的多模式性,用作一種控制場景漫游的工具。在虛擬裝配和醫(yī)療手術(shù)模擬中,數(shù)據(jù)手套是不可缺少的一個組成部分。跟蹤定位器是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中用于空間跟蹤定位的裝置,一般與其他虛擬現(xiàn)實設(shè)備結(jié)合使用,如數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等,使參與者在空間上能夠自由移動、旋轉(zhuǎn),不局限于固定的空間位置,使操作更加靈活、自如、隨意。定位器有六個自由度和三個自由度之分?？臻g球是虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中的另一重要的交互設(shè)備。它用于六個自由度虛擬現(xiàn)實場景的模擬交互,可從不同的角度和方位對三維物體觀察、瀏覽、操縱；也可作為三維鼠標來使用;

并可與數(shù)據(jù)手套或立體眼鏡結(jié)合使用,作為跟蹤定位器;還可單獨用于CAD/CAM。2.2.2圖形顯示設(shè)備

圖形顯示設(shè)備是計算機圖形學中的關(guān)鍵設(shè)備,經(jīng)歷了多個發(fā)展階段,先后出現(xiàn)了隨機掃描顯示器、存儲管式顯示器、光柵掃描顯示器、平板顯示器等。

1.光柵掃描顯示器

光柵掃描顯示器是基于陰極射線管(CathodeRayTube,CRT)設(shè)計的。CRT是一種真空器件,由電子槍、聚焦系統(tǒng)、加速電極、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏組成,其原理是將電磁場產(chǎn)生的高速且經(jīng)過聚集的電子束,偏轉(zhuǎn)到屏幕的不同位置,轟擊屏幕表面的熒光材料,從而產(chǎn)生可見圖形。圖2-3給出了陰極射線管的原理示意圖。圖2-3陰極射線管原理示意圖電子槍的主要元件是燈絲、陰極和控制柵極。通過給燈絲的線圈加電來加熱陰極,引起受熱的電子從陰極表面“沸騰出”。電子束的強度由設(shè)置在控制柵極上的電壓電平控制?？刂茤艠O是一金屬圓筒,緊挨著陰極安裝。若在控制柵上加高負壓,則擋住電子,截斷電子束,使之停止從控制柵極末端的小孔通過。聚焦系統(tǒng)用來控制電子束,在轟擊熒光屏時會聚到一個小點。否則由于電子互相排斥,電子束在靠近屏幕時會散開。聚焦既可以用電場實現(xiàn)(靜電聚焦),也可以用磁場實現(xiàn)(磁場聚焦)。

加速陽極帶有高的正電壓,使聚集后的電子束高速運動,達到轟擊激發(fā)熒光屏應(yīng)有的速度。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)利用電場或磁場控制電子束的偏轉(zhuǎn),以達到指定位置。CRT通常配備兩對磁偏轉(zhuǎn)線圈,一對放在CRT頸部的水平位置,另一對放在垂直位置。一對線圈實現(xiàn)水平偏轉(zhuǎn),一對實現(xiàn)垂直偏轉(zhuǎn)。很明顯,如果電子束要到達屏幕的邊緣時,偏轉(zhuǎn)角度就會增大。到達屏幕最邊緣的偏轉(zhuǎn)角度被稱為最大偏轉(zhuǎn)角。屏幕越大,要求的最大偏轉(zhuǎn)角度就越大。熒光屏上涂有熒光物質(zhì),能夠吸收電子束的動能而發(fā)光。在高速電子的轟擊下,熒光物質(zhì)會吸收到能量,從低能態(tài)變?yōu)楦吣軕B(tài)。CRT采用的熒光層有不同類型。除了顏色外,這些熒光層之間的主要差異是它們的余輝時間,即CRT電子束移走后,熒光屏繼續(xù)發(fā)光多長時間。余輝時間的定義:從屏幕發(fā)光到衰減為其原光亮度1/10的時間。較短余輝時間的熒光屏需要較高的刷新速率來保持圖形不閃爍,主要用于動畫;而長余輝時間的熒光層則用于顯示

高復雜程度的靜態(tài)圖形。通常采用的余輝時間為10~60μs的材料。分辨率是一個非常重要的性能指標。它指的是屏幕上水平和垂直方向所能夠顯示的點數(shù)(屏幕上顯示的線和面都是由點構(gòu)成的)的多少。分辨率越高,同一屏幕內(nèi)能夠容納的信息就越多。對于一臺能夠支持1280×1024分辨率的CRT來說,無論圖像像素是320×240還是1280×1024,都能夠比較完美地表現(xiàn)出來(因為電子束可以做彈性調(diào)整)。光柵掃描式顯示器是畫點設(shè)備,可看成一個點陣單元發(fā)生器,并可控制每個點陣單元的亮度。它將整個屏幕分成m×n個像素,圖形由各個不同亮度的像素組成。CRT的水平和垂直偏轉(zhuǎn)線圈分別產(chǎn)生水平和垂直磁場,電子束在不同方向磁場力作用下進行行和列掃描。電子束在CRT的屏幕上形成的一條條的水平或垂直掃描線,稱為光柵。光柵掃描中,電子束的偏轉(zhuǎn)方式是固定的,從屏幕左上角的第一條掃描線開始,從左到右,從上到下,直至最后一條掃描線即右下角,從而完成一幀的掃描。在每條掃描線末端,電子束返回到屏幕的左邊,又開始顯示下一條掃描線,稱為電子束的水平回掃(HorizontalRetrace)。在每幀的終了,電子束返回到屏幕的左上角,開始下一幀,稱為垂直回掃(VerticalRetrace)。為了得到穩(wěn)定的畫面,光柵掃描顯示器要不斷地刷新屏幕,也即要定時地把一幀畫面的每個像素的值從幀緩存中取出,不管多簡單的圖形,每次都要掃遍全幀。每秒掃描的幀數(shù)被稱

為幀頻或刷新頻率,用單位Hz來描述。如果刷新速率是75Hz,表示每秒掃描75幀。大約達到每秒60幀即60Hz時,人眼才

能感覺到屏幕不閃爍。要使人眼覺得舒服,屏幕一般必須有

85Hz以上的刷新頻率。有些掃描速度較慢的顯示器,為了能得到好的顯示效果,采用一種叫隔行掃描的技術(shù)。首先從第0行開始,每隔一行掃描,將偶數(shù)行都掃描完畢垂直回掃后,電子束從第1行開始掃描

所有奇數(shù)行。這樣的技術(shù)相當于將掃描頻率加倍,比如逐行掃描30Hz,人們會覺得閃爍;但是同樣的掃描頻率,如果用隔行掃描技術(shù)人們就不會覺得閃爍。當然這樣的技術(shù)和真正逐行

60Hz的效果還是有差距的。蔭罩法用于彩色光柵掃描系統(tǒng),如圖2-4所示。對應(yīng)每個像素位置,緊靠熒光涂層的熒光屏后有三個熒光點,按三角形排列:一個點發(fā)紅光,一個發(fā)綠光,一個發(fā)藍光。同時,有三支電子槍,分別與這三個熒光點對應(yīng)。三支電子束被加速、聚焦、偏轉(zhuǎn),形成一組電子束射向蔭罩,通過小孔,并分別打在對應(yīng)像素位置的三個熒光點上,三個熒光點分別發(fā)出紅綠藍的光。由于三點距離很近,因此肉眼看見的是這三種顏色光的混合色。圖2-4蔭罩式彩色CRT顯色原理示意圖光柵掃描顯示器將圖形定義存放在刷新緩沖存儲器(RefreshBuffer)或幀緩沖存儲器(FrameBuffer)中。顯示屏上的每個像素都對應(yīng)幀緩沖存儲器中的若干位,最簡單的黑白圖像每個像素只需要一位。若該位為0,表示該像素為暗;若該位為1,表示該像素為亮。這樣的圖像稱為二值圖像。要能顯示彩色并且強度可變,就需附加位。

如果每個像素用i位表示它的灰度,那么就能產(chǎn)生2i級灰度等級或顏色種類。比如,要一個像素能顯示256個灰度級,

則需要8位數(shù)據(jù),也即一個字節(jié)。

幀緩存是數(shù)字設(shè)備,光柵顯示器是模擬設(shè)備。要把幀緩存中的信息在光柵顯示器屏幕上輸出必須經(jīng)過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換,這個工作由DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)完成,如圖2-5所示。圖2-5具有1位幀緩存的黑白光柵掃描顯示器結(jié)構(gòu)示意圖對紅、綠、藍三個顏色的電子槍可通過增加幀緩存位面來提高顏色種類的灰度等級。如圖2-6所示,每種原色電子槍有8個位面的幀緩存和8位的DAC,每種原色有28種灰度等

級,三種原色的組合有224種顏色。這種顯示器稱為全色光柵掃描圖形顯示器,其幀緩存稱為全色幀緩存。光柵掃描系統(tǒng)對屏幕每一像素都有存儲強度和色彩信息的能力,使其較好地適用于包含細微陰影和彩色模式的場景的逼真顯示。圖2-6具有24位彩色幀緩存的光柵掃描顯示器結(jié)構(gòu)示意圖電子束從一側(cè)勻速地移到另一側(cè),然后迅速返回原處,再勻速地移向另一側(cè),如此反復,將這個過程叫做掃描。掃描有兩種方式,即光柵掃描和隨機掃描。在表2-1中,比較了光柵掃描

顯示器和隨機掃描顯示器。

2.平板顯示器

1)液晶顯示器

液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質(zhì)。它的物理特性是:當通電時導通,排列變得有秩序,使光線容易通過;不通電時排列混亂,阻止光線通過。這個物理特性讓液晶如閘門般地阻隔光線或讓光線穿透。在液晶顯示器中,液晶是灌入兩個列有細槽的平面之間。液晶顯示器依靠極化濾光器(片)影響光線穿過液晶。自然光線是朝所有方向隨機發(fā)散的。極化濾光器實際是一系列逐步變細的平行線,這些線阻斷不與它們平行的所有光線。只有兩個濾光器的線完全平行,或者通過第一個極化濾光器的光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個極化濾光器相匹配,光線才得以穿過第二個

極化濾光器。如圖2-7(a)所示,兩個極化濾光器互相垂直,穿過第一個極化濾光器的光線,經(jīng)過扭曲的液晶后,光線被扭曲90°,正好可以穿過第二個極化濾光器。但若為液晶加一個電壓,液晶分

子又會重新排列并完全平行,使光線不再扭轉(zhuǎn),將被第二個濾光器擋住,如圖2-7(b)所示。總之,加電光線將被阻斷,不加電光線將射出。圖2-7單色液晶顯示器的原理液晶材料本身不發(fā)光,所以顯示屏兩邊設(shè)有作為光源的燈管。液晶顯示屏背面有一塊背光板和反光膜,背光板由熒光物質(zhì)組成,可以發(fā)射光線,提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線穿過第一層偏振過濾層后進入液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結(jié)構(gòu)中,一個或多個單元格構(gòu)成屏幕上的一個像素。玻璃板與液晶材料之間的透明電極分為行和列,在行與列的交叉點上,通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài),從而改變屏幕上相應(yīng)像素的亮度。彩色液晶顯示器要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。它的面板中的每一個像素由3個液晶單元格構(gòu)成,每一個單元格前面都分別有紅色、綠色或藍色的過濾器。這樣,通過不同單

元格的光線可在屏幕上顯示出不同的顏色。

2)等離子顯示器

等離子顯示器是一種利用氣體放電的顯示裝置。它的屏幕采用了等離子管作為發(fā)光元件,大量的等離子管排列在一起構(gòu)成屏幕。每個等離子對應(yīng)的每個小室內(nèi)部充有氖氙氣體。在等離子管電極間加上高壓后,封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會產(chǎn)生紫外光,從而激勵平板顯示器上的紅、綠、藍三基色熒光粉發(fā)出可見光。每個離子管作為一個像素,由這些像素的明暗和顏色變化組合,產(chǎn)生各種灰度和色彩的圖像。等離子顯示器一般由三層玻璃板組成,第一層的內(nèi)里涂有垂直的導電材料,第二層是燈泡陣列,第三層表面涂有水平導電條。要點亮某個地址的燈泡,開始要在相應(yīng)行和列上加較高的電壓,等該燈泡點亮后,可用低電壓維持氖氣燈泡的亮度；要關(guān)掉某個燈泡,只需將相應(yīng)的電壓降低。燈泡開關(guān)的周期時間是15ms,通過改變控制電壓,可以使等離子板顯示不同灰度的圖形。

最后,我們給出三種顯示設(shè)備的比較結(jié)果,見表2-2所示。2.2.3圖形硬拷貝設(shè)備

1.繪圖儀

在計算機輔助設(shè)計(ComputerAidedDesign,CAD)與計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)中,繪圖儀是必不可少的,它能將圖形準確地繪制在圖紙上輸出,供工程技術(shù)人員參考。如果我們把繪圖儀中使用的繪圖筆換為刀具或激光束發(fā)射器等切割工具就能加工機械零件了。從原理上分類,繪圖儀分為筆式、噴墨式、熱敏式、靜電式等；而從結(jié)構(gòu)上分,它又可以分為平板式和滾筒式兩種。平板式繪圖儀的工作原理是:在電腦信號的控制下,筆或噴墨

頭在X、Y方向移動,而紙在平面上不動,從而繪出圖來,見圖

2-8(a)。滾筒式繪圖儀的工作原理是:筆或噴墨頭沿X方向移動,紙沿Y方向移動,這樣,可以繪出較長的圖樣,見圖2-8(b)。圖2-8繪圖儀的結(jié)構(gòu)示意圖

2.打印機

目前常用的打印機有激光打印機和噴墨打印機。

激光打印機的機械結(jié)構(gòu)十分復雜,但其最主要的部件,如墨粉、感光鼓(硒鼓)、顯影軋輥、初級高壓電暈放電極等,都裝在一個可以取下的盒子中,這個盒子稱為墨粉盒或EP盒。當墨

粉用完或這部分損壞,可以將整個盒子取下更換,給維修帶來極大方便。圖2-9是激光打印機的內(nèi)部構(gòu)造示意圖。圖2-9激光打印機的內(nèi)部構(gòu)造示意圖激光打印機在電子控制電路的控制下,接收主機發(fā)送來的打印數(shù)據(jù)和控制命令,控制各機械部件的有效配合,使要打印的信息通過激光來顯影在感光鼓上。墨粉由顯影軋輥傳送到鼓上,在轉(zhuǎn)換電暈的作用下,將打印信息印在打印紙上,最后墨粉由定影軋輥加熱熔融到打印紙上。打印紙在取紙軋輥、進紙軋輥、傳送帶和出紙軋輥的作用下,在激光打印機內(nèi)部的旅行,形成信息載體后,被送出打印機。激光打印機有效地利用了激光定向性、單色性和能量密集性,并結(jié)合了電子掃描技術(shù)的高靈敏度和快速存取等特性。輸出圖形圖像的質(zhì)量非常高,分辨率可達300～600點/英寸。

圖形及文本質(zhì)量非常高,可直接作為制版的原稿。噴墨打印機利用控制指令來控制噴墨打印頭上的噴嘴孔,讓噴嘴孔噴出定量的墨水,進而打印在紙張上。所以,決定彩色噴墨打印機優(yōu)劣的主要原因之一,就是噴墨的控制方法,也

就是將墨點均勻且精確地噴在紙上的能力。由于各廠商開發(fā)出的噴墨打印頭不同,其噴墨的控制方法也有少許不同,主要有熱氣泡噴墨技術(shù)和微壓電噴墨技術(shù)。熱氣泡式噴墨打印機以惠普、佳能、利盟的為代表,此類型的打印機噴嘴上有許多微加熱原件,利用加熱空氣后產(chǎn)生膨脹的方式,讓墨嘴中的墨水迅速達到沸點,墨水沸騰時所產(chǎn)生的氣泡會產(chǎn)生極大壓力,將墨水自噴頭擠壓而出,落在需要打印的紙張上。此種打印機還具有噴嘴密度高以及成本低的優(yōu)點,但相對來說,由于噴嘴時冷時熱的動作,容易造成噴墨打印頭老化的現(xiàn)象。壓電式噴墨打印機則以愛普生的為代表,其中控制噴墨的介質(zhì)不是空氣,而是一個晶體。因為晶體具有導電性,且當通電的時候,晶體會產(chǎn)生膨脹的作用。簡單地說,就是因此種打印機的噴嘴內(nèi)含微小的晶體,當電流通過晶體時,會使晶體產(chǎn)生膨脹,將墨水自噴嘴內(nèi)擠壓而出,從而打印在紙張上。沒有電流通過時,晶體管便會收縮,打印頭就會停止打印。

2.3圖形軟件

2.3.1圖形軟件類型

圖形軟件通常分為兩類,即通用圖形編程軟件包和專用應(yīng)用圖形軟件包。

通用圖形編程軟件包通常是圖形庫，提供一個可用于高級程序語言如C或Fortran的圖形功能擴展集,如應(yīng)用于SiliconGraphics設(shè)備上的圖形庫(GraphicsLibrary,GL)系統(tǒng)。圖形、定義屬性、輸入/輸出操作、幾何變換、觀察變換。專用應(yīng)用圖形軟件包是為非程序員設(shè)計的,是具有圖形處理能力的交互式圖形軟件系統(tǒng),如AutoCAD、3DSMAX等，往往應(yīng)用于某個或某些領(lǐng)域。

專用應(yīng)用圖形軟件包也提供了用戶編程語言供用戶在更高層次上應(yīng)用和開發(fā)。圖形軟件也可以定義在三個層次上。第一層次是面向操作系統(tǒng)的，主要解決圖形設(shè)備與計算機的通信接口等問題，稱為設(shè)備驅(qū)動程序，包括一些最基本的輸入、輸出程序。事實上，設(shè)備驅(qū)動程序現(xiàn)在已被作為操作系統(tǒng)的一部分，由操作系統(tǒng)或設(shè)備硬件廠商開發(fā)。第二層次是面向圖形軟件的，完成圖元的生成、設(shè)備的管理等功能，目前這個層次上的圖形支撐軟件已經(jīng)標準化，如GKS、PHIGS、CGI等。第三層次是面向具體應(yīng)用的，是在中間層基礎(chǔ)上編寫的，其主要任務(wù)是建立圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義、修改和輸出圖形，要求具有較強的交互功能、使用方便、風格好、概念明確、容易閱讀、便于維護和移植，OpenGL、DirectX便屬于這一層次的軟件。2.3.2圖形軟件標準

從1974年起,國際標準化組織(ISO)已經(jīng)批準的與計算機圖形有關(guān)的標準有圖形核心系統(tǒng)(GKS)及其語言聯(lián)編、三維圖形核心系統(tǒng)(GKS-3D)及其語言聯(lián)編、程序員層次交互式圖形

系統(tǒng)(PHIGS)及其語言聯(lián)編、計算機圖形元文件(CGM)、計算機圖形接口(CGI)和基本圖形交換規(guī)范(IGES),它們的層次關(guān)系如圖2-10所示。圖2-10圖形標準的層次關(guān)系

1.圖形標準

GKS(GraphicalKernelSystem)、GKS-3D和PHIGS

(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicalSystem)

這三個標準都是有關(guān)于應(yīng)用程序與圖形軟件包的接口,通常也稱為應(yīng)用接口。圖形軟件包是一組常用的有關(guān)于圖形處理的子程序的集合,它隔離了應(yīng)用程序與圖形物理設(shè)備的聯(lián)系,該接口的標準化可實現(xiàn)應(yīng)用程序在源程序級的可移植性。

GKS提供了在應(yīng)用程序和圖形輸入/輸出設(shè)備之間的功能接口,定義了一個獨立于語言的圖形核心系統(tǒng),在具體應(yīng)用中,必須符合所使用語言的約定方式,把GKS嵌入到相應(yīng)的語言之中。GKS包括一系列交互和非交互圖形設(shè)備的全部圖形處理功能,大致可分為以下十類:

(1)控制功能:執(zhí)行打開、關(guān)閉GKS以及使系統(tǒng)進入、退出活動狀態(tài)等;

(2)輸出功能:確定輸出圖形的類型;

(3)輸出屬性:設(shè)定圖素的各種屬性以及各種圖素的輸出表現(xiàn)方式;

(4)變換功能:實現(xiàn)規(guī)格化;

(5)化圖段功能:對圖形進行生成、刪除、復制以及實現(xiàn)圖段屬性控制;

(6)輸入功能:對各種輸入設(shè)備進行初始化,設(shè)定設(shè)備工作方式,確定請求、采樣和事件輸入;

(7)詢問功能:查詢GKS描述表、狀態(tài)表、出錯表、圖素表等;

(8)實用程序:實現(xiàn)GKS的幾何變換等;

(9)元文件處理;

(10)出錯處理。

PHIGS是向應(yīng)用程序員提供的控制圖形設(shè)備的圖形系統(tǒng)接口,其圖形數(shù)據(jù)按層次結(jié)構(gòu)組織,使多層次的應(yīng)用模型能方便地應(yīng)用PHIGS進行描述,提供動態(tài)修改和繪制顯示圖形數(shù)據(jù)的手

段。PHIGS是為具有高度動態(tài)性、交互性的三維圖形應(yīng)用而設(shè)計的圖形軟件工具庫,其最主要的特點是能夠在系統(tǒng)中高效率地描述應(yīng)用模型,迅速修改圖形模型的數(shù)據(jù),并能繪制顯示

修改后的圖形模型。圖形標準是一組由基本圖元(點、線、面)和屬性(線型、顏色等)構(gòu)成的標準通用圖形系統(tǒng),它們以子程序的形式支持應(yīng)用圖形系統(tǒng)。應(yīng)用程序通過調(diào)用這些圖形標準子程序,即可

生成圖形和圖像,并通過交互顯示設(shè)備實現(xiàn)圖形的輸入與輸出。這三個圖形標準中所謂的“語言聯(lián)編”是指這些圖形標準都已按照所使用的語言的約定嵌入到程序設(shè)計語言中。目前使用較多的語言有C、PASCAL、FORTRAN和BASIC。因此,程序設(shè)計人員只要按照所使用語言的語法規(guī)定調(diào)用該語言所提供的圖形程序(函數(shù))庫,就可開發(fā)出符合圖形標準的圖形軟件。因此,一般用戶不必詳細了解具體詳細的圖形標準。

2.圖形設(shè)備接口標準

CGI(ComputerGraphicsInterface)標準是ISOTC97組提出的圖形軟件與圖形輸入/輸出設(shè)備之間的接口標準,稱為“虛擬圖形設(shè)備接口”(VirtualDeviceInterface,VDI)。CGI是第一個針對圖形設(shè)備的接口,而不是應(yīng)用程序接口的交互式計算機圖形標準。

CGI的目標是使應(yīng)用程序和圖形庫直接與各種不同的圖形設(shè)備相作用,使其在各種圖形設(shè)備上不經(jīng)過修改就可以運行,即在用戶程序和虛擬設(shè)備之間以一種獨立于設(shè)備的方式提供圖形信息的描述和通信。CGI規(guī)定了發(fā)送圖形數(shù)據(jù)到設(shè)備的輸出和控制功能,用圖形設(shè)備接收圖形數(shù)據(jù)的輸入、查詢和控制功能。CGI提供的功能集包括控制功能集、獨立于設(shè)備的圖形對象輸出功能集、圖段功能集、輸入和應(yīng)答功能集以及產(chǎn)生、修改、檢索和顯示像素數(shù)據(jù)的光柵功能集。

CGI是設(shè)備級的計算機圖形接口,該接口的標準化即可實現(xiàn)圖形軟件與圖形設(shè)備的無關(guān)性。CGI的目的是提供控制圖形硬件的一種與設(shè)備無關(guān)的方法,實際上也可看做是圖形設(shè)備驅(qū)動程序的一種標準。它既可以以子程序包的形式直接提供給用戶使用,也可作為隱含的標準支持軟件實現(xiàn)GKS、PHIGS等高層的圖形標準。

3.圖形元文件標準

CGM(ComputerGraphicsMetafile)是一種數(shù)據(jù)接口,它規(guī)定了記錄圖形信息的數(shù)據(jù)文件的格式。該標準使程序與程序之間或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間相互交換圖形數(shù)據(jù)成為了可能。

CGM標準由一套標準的、與設(shè)備無關(guān)的定義圖形的語法和詞法元素組成。它分為四個部分:第一部分是功能描述,包括元素標識符、語義說明以及參數(shù)描述;其余三部分為CGM標準的三種編碼形式,即字符編碼、二進制數(shù)編碼和正文編碼。CGM標準本身并不提供生成和解釋元文件的具體方法,而是利用上述三種不同的標準數(shù)據(jù)編碼形式來實現(xiàn)元文件的元素功能。一個符合CGM標準的圖形元文件是一個有序的元素序列。