第二章：計算機圖形系統(tǒng)

1、工程計算機制圖工程計算機制圖 Computer Drawing in Engineering 第二第二章章計算機圖形系統(tǒng)計算機圖形系統(tǒng) 清華大學土木工程系清華大學土木工程系 張建平張建平 第二章第二章：計算機圖形系統(tǒng)：計算機圖形系統(tǒng) Computer Graphics System 2-1計算機圖形系統(tǒng)的功能和組成 2-2圖形設備 2-3圖形軟件系統(tǒng) 2 1 計算計算 以各種形式，以各種形式， 輸輸 -入圖形設計 入圖形設計必必機圖形系統(tǒng)的功能和組成 機圖形系統(tǒng)的功能和組成 一一圖形系統(tǒng)的基圖形系統(tǒng)的基本功本功 能能 、計算、計算 機機 需的各種參數(shù)和需的各種參數(shù)和 命令。命令。 存取所設計形

2、體的幾存取所設計形體的幾 用交互設備輸入用交互設備輸入 何數(shù)據(jù)及在計算機形體何數(shù)據(jù)及在計算機形體 間的相互關系間的相互關系 可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時時 檢索以及變更、增刪等檢索以及變更、增刪等 交互設備交互設備 輸入輸入 處理。處理。 或獲取各種參數(shù)或獲取各種參數(shù) 通過屏幕觀察設通過屏幕觀察設 計計 圖形，并可對圖圖形，并可對圖 形進行實時修改形進行實時修改 計算計算交互交互存儲存儲顯示器顯示器 存儲存儲 設備設備 加調(diào)色板加調(diào)色板:加上一個具有加上一個具有2N項、每項具項、每項具有有W位的調(diào)色板位的調(diào)色板。 屏幕可不同時顯屏幕可不同時顯示示 2W 種灰度或顏色，但每次只有種灰度或顏

3、色，但每次只有2N種。種。 如如N=8，可顯示可顯示28=256種顏色，若種顏色，若加加3個個8 x256位的存儲位的存儲 作為調(diào)色作為調(diào)色板，則每次可板，則每次可從從224=1677726種顏色中選出種顏色中選出 28=256種顏色輸出。種顏色輸出。 光柵掃描顯示器光柵掃描顯示器：技術指標技術指標 技術指標技術指標 分辯率分辯率 顯示內(nèi)存顯示內(nèi)存 顯示速顯示速度度：刷新幀緩存的時間刷新幀緩存的時間 如分辨率如分辨率為為640 x480的顯示器，的顯示器，若若60次次/秒刷新，存取一個象素秒刷新，存取一個象素的的時時 間間: 1/(640 x480 x60)=54毫微秒毫微秒，（，（1秒秒=1

4、09毫微秒）；毫微秒）； 一般一般RAM的存取周期為的存取周期為200 毫微秒毫微秒， 即存取一個象素的時間為即存取一個象素的時間為 200 x10-9秒，對秒，對于于640 x480象素陣列的存取時間象素陣列的存取時間為為0.0614秒秒, 每秒鐘只每秒鐘只 能刷新能刷新16幅圖象幅圖象。 技術措施技術措施: 將屏幕象素分組存取，以減少存取時間；并行處理技術等。將屏幕象素分組存取，以減少存取時間；并行處理技術等。 圖形輸出設備圖形輸出設備：繪圖繪圖儀儀(Plotter) 畫線設備畫線設備 筆式繪圖儀筆式繪圖儀 靜電式繪圖儀靜電式繪圖儀 激光繪圖儀和彩色噴墨繪圖儀激光繪圖儀和彩色噴墨繪圖儀 產(chǎn)

5、生點陣產(chǎn)生點陣 圖形圖形 繪圖儀：繪圖儀：筆式繪圖儀筆式繪圖儀 基本工作原理基本工作原理 -x+y 通過驅動電機與傳動機構使畫筆與紙相對移動從而將通過驅動電機與傳動機構使畫筆與紙相對移動從而將 圖形繪在紙圖形繪在紙上上。 筆式繪圖儀的基本操作是抬筆走和落筆走。筆式繪圖儀的基本操作是抬筆走和落筆走。 畫筆與紙的相對動作一般畫筆與紙的相對動作一般有有8或或4個方向。個方向。 一條直線是用一條直線是用4個個或或8個基本方向的直線段組合成的階個基本方向的直線段組合成的階 梯線近似而成。梯線近似而成。 +y+x+y +x -x -y +x-y -x-y 筆式繪圖筆式繪圖儀：儀：類型類型 滾筒式繪圖儀滾筒

6、式繪圖儀 構造簡構造簡單，價格便宜單，價格便宜 易于操作易于操作 占地面積小占地面積小 繪圖精繪圖精度和速度較低度和速度較低 平板式繪圖儀平板式繪圖儀 馬達驅動的機械傳動繪圖儀馬達驅動的機械傳動繪圖儀 平面電機驅動繪圖儀平面電機驅動繪圖儀 筆式繪圖筆式繪圖儀：儀：技術指標技術指標 繪圖速度繪圖速度 繪圖精度繪圖精度:重復精度和定位精度重復精度和定位精度 步距步距：每個電脈沖通過驅動電機與傳動機構，使畫筆移動每個電脈沖通過驅動電機與傳動機構，使畫筆移動 的距離。的距離。 一般步距一般步距：0.10.01 mm。 一般繪圖要求一般繪圖要求：0.1mm； 精密繪圖要精密繪圖要求求：0.00625 m

7、m。 可選筆數(shù)可選筆數(shù) 繪圖儀：繪圖儀：激光繪圖儀激光繪圖儀 采用靜電復印技術采用靜電復印技術 通過硒筒通過硒筒，在需要上墨的地方產(chǎn)生電子的靜電荷，在需要上墨的地方產(chǎn)生電子的靜電荷，干干 墨粉附著在筒上有電荷的地方，然后傳送到紙上，從墨粉附著在筒上有電荷的地方，然后傳送到紙上，從 而形成拷而形成拷貝貝。 特點特點 繪圖精度極高，其分辨率可達每英寸幾百個繪圖精度極高，其分辨率可達每英寸幾百個點點; 繪圖速度快、無噪繪圖速度快、無噪聲聲; 缺點是設備結構復雜缺點是設備結構復雜，不易維，不易維修修; 目前彩色的、目前彩色的、 大圖幅的激光繪圖儀價格還很昂貴。大圖幅的激光繪圖儀價格還很昂貴。 繪圖儀：

8、繪圖儀：彩色噴墨繪圖儀彩色噴墨繪圖儀 原理原理 將圖紙緊繃在一個快速旋轉的滾筒上，墨水噴頭則緩慢地沿將圖紙緊繃在一個快速旋轉的滾筒上，墨水噴頭則緩慢地沿 著導軌從滾著導軌從滾筒筒一一端移動到另端移動到另一一端端。繪圖時繪圖時，噴頭噴出墨噴頭噴出墨水水， 并使墨水帶電并使墨水帶電，x、y 偏轉板控制墨水噴射的軌跡，從而在偏轉板控制墨水噴射的軌跡，從而在 紙上畫出圖形和字符。每完成一行字符的噴射，滾筒轉動使紙上畫出圖形和字符。每完成一行字符的噴射，滾筒轉動使 走動一個行距，再進行新的一行噴射，這個過程類似于靜電走動一個行距，再進行新的一行噴射，這個過程類似于靜電 復印過程，完成一條光柵掃描線。復印

9、過程，完成一條光柵掃描線。 特點特點 可輸出美麗的彩色畫可輸出美麗的彩色畫面，因為只要增加不同顏色的墨面，因為只要增加不同顏色的墨 水箱就可以完成。水箱就可以完成。 由于墨水控制技術難度由于墨水控制技術難度大，其速度和精度不如激光繪大，其速度和精度不如激光繪 圖儀。圖儀。 交互式圖形輸出設交互式圖形輸出設備備：打印打印機機(printer) 撞擊式打印機撞擊式打印機 價格低廉價格低廉、配置簡單，易維、配置簡單，易維護護； 繪圖精度和繪圖質量較差、速度慢，而且噪音大；繪圖精度和繪圖質量較差、速度慢，而且噪音大； 可輸出的圖幅小，不能滿足工程圖紙要求。一般適合輸可輸出的圖幅小，不能滿足工程圖紙要求

10、。一般適合輸 出作為技術資料的圖出作為技術資料的圖形形。 非撞擊式打印機非撞擊式打印機 這類打印設備速度快、無噪聲；這類打印設備速度快、無噪聲； 繪圖精度和繪圖質量好；繪圖精度和繪圖質量好； 可輸出的圖幅仍受到限可輸出的圖幅仍受到限制，而且價格較貴制，而且價格較貴。 2-3 圖形軟件系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng) (Graphics software System) 軟件軟件 計算機的邏輯部分計算機的邏輯部分 包括程序以及相應的文檔包括程序以及相應的文檔 圖形軟件系統(tǒng)圖形軟件系統(tǒng) 完成圖形設計所需的計算機軟件資源的全體。完成圖形設計所需的計算機軟件資源的全體。 一、系統(tǒng)軟一、系統(tǒng)軟件件(System sof

11、tware) 任務任務 使計算機系統(tǒng)的各個部件、相關的軟件和數(shù)據(jù)協(xié)使計算機系統(tǒng)的各個部件、相關的軟件和數(shù)據(jù)協(xié) 調(diào)、調(diào)、高效的工高效的工作作。 類型類型 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 語言編譯程序語言編譯程序 服務性程序：為用戶對計算機進行操作和維護提服務性程序：為用戶對計算機進行操作和維護提 供方便的程供方便的程序序。 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 定義定義 一組對計算一組對計算機機 的硬件資源和軟件資源進行統(tǒng)一的硬件資源和軟件資源進行統(tǒng)一 管理的程序，對整個計算機系統(tǒng)起到監(jiān)控、管理、管理的程序，對整個計算機系統(tǒng)起到監(jiān)控、管理、 調(diào)度和指揮作調(diào)度和指揮作用用。 核心功能核心功能 進程管理進程管理 存儲器管理存儲器管理

12、 設備管理設備管理 文件管理文件管理 作業(yè)管理作業(yè)管理 二、圖形支撐軟件二、圖形支撐軟件 (Graphics support software) 提供圖形開提供圖形開發(fā)、發(fā)、服務工具服務工具 圖形支撐軟件的類型圖形支撐軟件的類型 具有圖形功能的高級語言具有圖形功能的高級語言 將某一種高級語言的功能加以擴充，增加一些圖形處將某一種高級語言的功能加以擴充，增加一些圖形處 理語句，理語句，使之具有圖形生成功能使之具有圖形生成功能。 特點：特點： 系統(tǒng)簡練、緊湊、執(zhí)行速度較快。系統(tǒng)簡練、緊湊、執(zhí)行速度較快。 專用的圖形設計語言專用的圖形設計語言 專用圖形設計語專用圖形設計語言具有自已言具有自已的的詞法

13、、語法規(guī)則、數(shù)詞法、語法規(guī)則、數(shù)據(jù)據(jù) 類型、表達式等，給用戶提供描述、設計和分析圖形類型、表達式等，給用戶提供描述、設計和分析圖形 的功能，而且具有某些高級語言的功能。需要專用的的功能，而且具有某些高級語言的功能。需要專用的 編譯器和數(shù)據(jù)結構編譯器和數(shù)據(jù)結構。 特點：特點： 其編譯系統(tǒng)比較復雜；其編譯系統(tǒng)比較復雜； 難以做到與設備無關難以做到與設備無關； 建立編譯系統(tǒng)的工作量大。建立編譯系統(tǒng)的工作量大。 圖形設計功能強、速度快。圖形設計功能強、速度快。 圖形程序庫圖形程序庫 用高級語言編寫的圖形子程序包，是高級語言用高級語言編寫的圖形子程序包，是高級語言 中擴展的一系列過程調(diào)用。中擴展的一系列

14、過程調(diào)用。 特點：特點： 無需專用編譯器，易研制、功能無需專用編譯器，易研制、功能全全; 便于移植推便于移植推廣廣； 執(zhí)行速度相對較慢執(zhí)行速度相對較慢。 交互式圖形系統(tǒng)交互式圖形系統(tǒng) 用高級語言編寫的繪圖軟件包，它自成系用高級語言編寫的繪圖軟件包，它自成系統(tǒng)統(tǒng)， 具有自己的圖形編輯系統(tǒng)、圖形數(shù)據(jù)庫以及交具有自己的圖形編輯系統(tǒng)、圖形數(shù)據(jù)庫以及交 互式用戶界面，又具有與高級語言聯(lián)接功能?；ナ接脩艚缑?，又具有與高級語言聯(lián)接功能。 特點特點： 繪圖與編輯功能繪圖與編輯功能強強; 通用性好通用性好, 應用范圍廣應用范圍廣; 掌握容易掌握容易, 操作方便操作方便; 支持多種硬件平支持多種硬件平臺臺; 提供

15、多種開發(fā)工具。提供多種開發(fā)工具。 如：如：AutoCAD，MicroStation。 圖形支撐軟件的基本功能圖形支撐軟件的基本功能 基本圖形功能基本圖形功能 繪制基本圖形，通常稱之繪制基本圖形，通常稱之“圖元圖元”、“實體實體”。 點、線、圓點、線、圓弧等二維圖形；弧等二維圖形； 多面體、多面體、錐體、球體、圓柱等三維形體錐體、球體、圓柱等三維形體； 曲線和曲面。曲線和曲面。 圖形變換功能圖形變換功能 提供多種靈活的圖形變換和修改功提供多種靈活的圖形變換和修改功能能。 圖形移動、旋轉、縮放等幾何變換；圖形移動、旋轉、縮放等幾何變換； 圖形復制、刪除等修改功能；圖形復制、刪除等修改功能； 窗口、

16、視窗口、視口、裁剪等顯示功口、裁剪等顯示功能能。 圖形數(shù)據(jù)庫和圖形庫存取功能圖形數(shù)據(jù)庫和圖形庫存取功能 存放圖形構造、顯示等圖形數(shù)據(jù)；存放圖形構造、顯示等圖形數(shù)據(jù)； 存放圖形庫的構圖數(shù)據(jù)。存放圖形庫的構圖數(shù)據(jù)。 提供圖形庫及其管理系統(tǒng)提供圖形庫及其管理系統(tǒng) 交互式圖形輸入和處理功能交互式圖形輸入和處理功能 提供各種交互方式，使用戶通過圖形輸入設備方提供各種交互方式，使用戶通過圖形輸入設備方 便地輸入圖形或參數(shù)，并能對計算機提供的各種便地輸入圖形或參數(shù)，并能對計算機提供的各種 信息作出反信息作出反應應。 提供各種交互設備的驅動程序；提供各種交互設備的驅動程序； 提供各種圖形及參數(shù)的輸入方式；提供各種圖形及參數(shù)的輸入方式； 提供各種圖形交互方提供各種圖形交互方式式。 圖形輸出功能圖形輸出功能 系統(tǒng)提供各種圖形輸出設備的驅動程序，使用戶系統(tǒng)提供各種圖形輸出設備的驅動程序，使用戶 通過簡單的操作和圖形輸出設備自動輸出圖形。通過簡單的操作和圖形輸出設備自動輸出圖形。 各種輔助功能各種輔助功能 為方便用戶作圖，所提供的必不可少的功為方便用戶作圖