工程計算機繪圖

工程計算機繪圖

第二章計算機繪圖系統(tǒng)

清華大學土木工程系

張建平

第二章：計算機繪圖系統(tǒng)

.§2-1計算機繪圖系統(tǒng)的功能和組成

.§2-2圖形設備

.§2-3圖形軟件系統(tǒng)

?以各種形式，

§2輸入圖形設計必繪圖系統(tǒng)的功能和組成

需的各種參數(shù)和

、命令?！到y(tǒng)的基本功能

?存取所設計形體的幾

?用交互設備輸入何數(shù)據(jù)及在計算機形體

或獲取各種參數(shù)間的相互關(guān)系

?通過屏幕觀察設?可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時

計圖形，并可對圖檢索以及變更、增刪等

處理。

形進行實時修改輸入

?

交互存儲:

?實現(xiàn)設計過輸出

程中所需要的?支持各種圖

計算、變換、形輸出設備

分析等功能。?輸出設計結(jié)

果和圖形。

二計算機繪圖系統(tǒng)的組成

一個計算機繪圖系統(tǒng)定義為一系列硬件和軟

件的集合。

?計算機圖形硬件系統(tǒng)

?性能表現(xiàn)

■高速大容量的處理器；

■高精度、高速度、大幅面的圖形輸入輸出設

備

■支持較強的圖形支撐軟件。

?硬件系統(tǒng)配置

■主機

■常用外圍設備

■圖形輸入/輸出設備

?基本配置

鍵盤圖形輸入設備

打印機

■中央處理器（CPU）

控制和指揮整個系統(tǒng)運行、處理各種數(shù)據(jù)，

執(zhí)行實際運算和邏輯分析

■圖形輸入設備

輸入數(shù)據(jù)、圖形和各種信息，與圖形顯示設

備相結(jié)合，可實時修改圖形

■圖形顯示設備：顯示圖形，反饋信息。

■圖形輸出設備：永久輸出圖形。

■存儲設備：存儲信息。

■打印設備：打印文檔。

?集中式大中型機系統(tǒng)

磁帶機

打印機

主機

繪圖儀磁盤機

圖形終端字符終端字符終端［圖形終端

鍵盤鼠標/輸入板多用戶分享主機，主機鍵盤鼠標/輸入板

負載隨工作站多少變化，

系統(tǒng)響應不穩(wěn)定；

多個用戶同時使用工作

站，響應速度變慢；

主機發(fā)生故障，整個系

統(tǒng)不能工作。

?獨立式微機系統(tǒng)

鍵盤小型數(shù)字化儀/鼠標器

CPU硬盤

打印機圖形/文字顯示器繪圖儀

特點

1000MHz

kMercedchip

64-bit

配置方便，價格低廉，

a&尤越的性能價格比

lClustering

e

M

P

-

E16and32CPU5

HSMP

PentiumN-Tier

PersonalClientDistributed

ComputingGUIServerInternet

Software

?圖形工作站系統(tǒng)

■設計思想

□每個工程師使用一臺計算機——摒棄多

用戶分時系統(tǒng)

□能夠使用所有計算機——采用網(wǎng)絡技術(shù)

■特點

□具有多用戶性質(zhì)

□具有強大的分布式計算功能，支持多任

務進程

□良好的擴展性

w

每種原色有8個位

面，可有28種亮度

,三種原色的組合

為(28)3=224

□高速、大容量的處理器；▼

□大幅面、高分辨率(4096x4096)、24位面

全彩色顯示器；

□配有UNIX操作系統(tǒng)和標準化窗口管理系統(tǒng)；

□分布網(wǎng)絡功能；

□強大的三維圖形處理能力；

□多媒體軟、硬件的配置。

■當前主要廠商j

SUN、IBM、HP等

網(wǎng)絡型分布式作站在某個區(qū)域內(nèi)，把分

散的圖形工作站系統(tǒng)、

大容量存儲裝置、高性

能的圖形設備以及通信

裝置通過通信協(xié)議連接

起來；

Client滿足資源共享與相互

通訊的需求。

ServerInterneInternet

DatacollectionPromotions

CTient

?圖形軟件系統(tǒng)

皆彩秋代稱統(tǒng)是由匯編語言和高級語言編寫的

一些具有各種圖形功能的子程序組成的。

圖圖形應用軟件；

形

支圖形通用軟件

撐

軟

件圖形基本軟件

系統(tǒng)軟件

?系統(tǒng)軟件

■操作系統(tǒng)：一組對計算機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、調(diào)度和指揮作用；

■語言加工程序：各種計算機語言的編譯程序、調(diào)試

程序以及子程序庫等；

■服務性軟件：為用戶對計算機進行操作和維護提供

方便的程序

?圖形基本軟件：主要解決圖形設備與主機的通

訊、接口問題，即圖形設備驅(qū)動程序；

?圖形通用軟件：包括生成、顯示基本圖形，對

圖形進行輸入、變換、修改以及交互處理的程

序；

?圖形應用軟件：根據(jù)專業(yè)需要所設計的專業(yè)性

繪圖程序。

§2-2圖形設備

一、幾個基本概念

?二進制位（位）：Bit（Binarydigit）

二進制記數(shù)法中用1或0表示的、小于2的整數(shù)符

號，是二進制數(shù)的基本單位，計算機所能存貯

信息的最小單位。

?字節(jié)：Byte

作為一個單位來處理的一小組相鄰的二進制數(shù)

位，即若干個Bit組成一個字節(jié)，字節(jié)是存貯容

量的單位。

?機器字（字）：

為一個單元來傳送和處理、并可存放在存貯單元

中的一組二進制的數(shù)位。即若干個位或幾個字節(jié)

組成一個字。

二計算機的主要性能

?字長

指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，即計算機一次可

處理的二進制數(shù)位的數(shù)目。它標志著計算精度

,字長越長，數(shù)的表示范圍越大，有效數(shù)字的

位數(shù)越多，數(shù)的精度越高。同時字長越長，計

算機處理數(shù)據(jù)的速度越快。

?存貯容量

存貯設備中能夠保存的總信息量，一般以字節(jié)

為單位表示。

單位換算：若8個Bit=1個節(jié)，則：

?1024個字節(jié)=21。=1KB

?210KB=1MB(^)

?21OMB=1GB

?運算速度

?用每秒鐘執(zhí)行指令的數(shù)量表示。通常用CPU的

主時鐘頻率來衡量計算機的速度。

?主時鐘脈沖信號是CPU一切操作的基本時鐘和

信號，其周期決定了每一個機器周期所包括的

標準時間間隔。

?機器周期是指計算機執(zhí)行一條指令所花的時間

「交互式圖形輸入設備

交互式圖形輸入設備用于輸入圖形數(shù)據(jù)和各種信

息,實時修改圖形,也是人機對話的工具

?鍵盤：輸入字符串，完成圖形操作的特定功能

?坐標數(shù)字化儀：圖數(shù)轉(zhuǎn)換設備

?鼠標器：輸入圖形的點坐標和進行選擇、拾取操

作

?觸摸屏：一種利用摸感新技術(shù)制成的屏幕，能對

用戶手指在顯示器上的接觸及運動作出響應的裝

置。

?圖形掃描儀：一種自動圖形輸出裝置，能直接把

圖形和圖象掃描輸入到計算機中，以象素信息進

行存儲。

?其他設備：光筆、操作桿、跟蹤球、語音輸入設

備。

?坐標數(shù)字化儀

?功能

■將各種幾何圖形轉(zhuǎn)換成精確坐標，并直接送

入計算機

■輸入圖形的點坐標

■選擇菜單

■拾取圖形

?類型和原理

■機械式、超聲波式

■全電子式：利用電磁感應原理，通過臺板上

X、Y方向間隔200微米的平行印刷線，以

及指示器游標上的線圈，產(chǎn)生感應電流，從

而測出最大信號，得出點的座標。

?技術(shù)指標

■有效幅面

1200mmX1000mm

280mmX280mm>220mmX300mm

■分辨率

□指輸入點時,相鄰兩點之間可分辨的最

小距離

□分辨率決定了使用該設備時，可顯示密

集點的精度。

□通常分辨率在025?0.025mm之間

?觸摸屏

一種利用摸感新技術(shù)制成的屏幕,能對用戶手

指在顯示器上的接觸及運動作出響應的裝置

?功能

通過手指在屏幕某一位置的接觸及若動，輸入

數(shù)據(jù)、拾取圖形、選取菜單。

?類型與原理

■低分辨率控制板：使用一系列光源和光敏元件

,在整個顯示表面形成一個網(wǎng)格，接觸屏幕時會中

斷一、二條垂直和水平的光束，從而測出手指的位

置

■高分辨率控制板：聲納型、電容式、紅外線式

電阻式：利用兩層稍微分開的透明材料，其中一層

涂有導電物質(zhì)，另一層則涂有電阻性物質(zhì)，手指的

壓力使兩層接觸，則可測出通過電阻層的電壓降，

以計算接觸位置。

?特點

■使用戶把注意力全部集中在屏幕上，并能在

屏幕上直接指出位置；

■既是輸入設備，又是輸出設備，用戶輸入與

顯示輸出直接對應，從而保證了用戶操作時

的手眼的直接協(xié)調(diào)。

■分辨率有限，不適合選擇屏幕上較小對象；

■輸入數(shù)據(jù)的效率遠不及鍵盤；

■手臂不停運動，容易疲勞，還會遮擋部分視

野

?圖形掃描儀

一種自動圖形輸入裝置,能直接把圖形和圖象掃

描輸入到計算機中,以象素信息進行存儲

?原理及特點

■利用光學掃描原理：以兩萬條光纖排列成圖

紙面寬的光源及光接受列陣，對已有圖形自

動地進行掃描；

■通過矢量化軟件，把掃描的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算

機系統(tǒng)能接受的矢量數(shù)據(jù)。

?技術(shù)指標

■有效幅面.

掃描儀的幅面有AO、ALA4等

■分辨率

□在原圖上單位長度上（英寸）取樣的點數(shù),單

位是dpi

□常用的分辨率有300dpi至UlOOOdpi之間

□掃描儀的分辨率越高，所需的存儲空間就越

大

■顏色和灰度

目前有4位、8位和24位面顏色、灰度等級的掃

描儀

四、圖形輸出設備

?顯示系統(tǒng)

?與圖形輸入設備相結(jié)合，具有交互功能，可快

速生成圖形，實時修改圖形，反饋信息。

?繪圖系統(tǒng)

?將圖形輸出在紙或其它介質(zhì)上，以永久保存。

圖形顯示器

?類型

?隨機掃描圖形顯示器

?存儲管式圖形顯示器

?光柵掃描式圖形顯示器

?液晶顯示器：功耗小、超薄、平面度好，對

比度差、灰度等級差、色彩不及光柵顯示器

豐富。

?等離子顯示器：分辨率高、亮度和對比度好

,灰度等級差、色彩不及光柵顯示器豐富。

圖形顯示器：基本原理

陰極射線管原理CRT(CathodeRay

Tubule)

控制電

聚集電

控制發(fā)射子束

?陰極方向和發(fā)子束

射率O

?控制柵o偏轉(zhuǎn)d

聚焦系統(tǒng)

加速結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

?控制柵

?聚焦系統(tǒng)燈絲

?偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

?熒光涂層陰極

.加速

發(fā)射電極

熒光層

電子

電弓

圖形顯示器：光柵掃描顯示器

?畫點設備，可看成是一個點陣單元發(fā)生器

?工作原理

?在CRT中裝有水平偏轉(zhuǎn)線圈和垂直偏轉(zhuǎn)線圈,

而產(chǎn)生水平磁埸和垂直磁埸.電子束在磁埸作

用下，作“水平掃描”和"垂直掃描”，在屏幕上

掃出點的列陣組成的光柵。

?基本概念屏幕上能

被控制的每幅圖象

象素最小單元掃描出的

電子束在屏

象素數(shù)

幕上掃描出

的每一個點分辨率

光柵掃描顯示器：工作步驟

?將象素編址；

?設定每個象素的亮度和顏色等屬性；

?將象素的屬性以數(shù)組形式存入幀緩沖存貯器

?提取該數(shù)組，就能確定每個象素的亮度和顏

色，即電子束按順序掃描屏幕時，只使經(jīng)過

圖形所在位置上的象素輝亮，從而在屏幕上

產(chǎn)生圖形。

?為了使圖象不閃爍，要求30或外幅圖象/秒

,即在1/30■1/60秒內(nèi)把一幀畫面的每個象

素的值從幀緩存中取出。

光柵掃描顯示器：光柵化

?顯示水平或垂直線：將沿水平或垂直方向的

一組象素點亮；

?顯示45。直線：將沿45。線方向的一組象素

點亮；

光柵掃描顯示器：光柵化

?任意方向直線：用一組發(fā)亮的象素逼近該直

線。

?一這個過程稱為光柵化

光柵掃描顯示器：幀緩存器

?幀緩存器通常由三維空間確定：

?象素X,y方向的編址與屏幕地址一一對應；

?亮度與顏色由每一位深度N確定，N也稱為位面。

如果屏幕分辨率為：XXJ

顯示器所需的最小幀緩存為：Nxxxy

單色光柵掃描顯示器

有N位幀緩存的單色光柵顯示器結(jié)構(gòu)

幀緩存的深度N反

映了每個象素的

灰度值，即圖形

的灰度等級為2N

計算機中每個

存儲位只有0或

1兩個狀態(tài)

彩色光柵掃描顯示器

?顏色范圍用RGB（紅、綠、藍）電視原色

?RGB三原色具有疊加性

RGB顏色模型

彩色光柵掃描顯示器：RGB

幀緩存值

號紅綠藍幡

0000Black

1100Red

2110KHow

3010Green

4011C^an

5001Blue

6101Nfegaita

7111White

彩色光柵掃描顯示器：簡單結(jié)構(gòu)

?N=3,每個位面對應一種顏色，每個象素的屬性

用三個5"表示，可同時顯示23=8種顏色口

彩色光柵掃描顯示器

?N=4,每個象素的屬性用4個3"表示《紅、藍

、綠、灰度），可同時顯示24=16種顏色。

?紅、藍、綠、黃、青、紫紅、黑、白；

?淺紅、淺藍、淺綠、淺黃…

?N=6,每位原色有2個位面的幀緩存，每個象

素的屬性用6個3"表示，可同時顯示M=64種

顏色

?不同灰度的紅、藍、綠、….

?每種原色有8個位面，可有28種亮度，三種原

色的組合為（28）3=224種顏色一24位面全

彩色。

調(diào)色板技術(shù)

?節(jié)省存儲容量

?提高顯示圖形的灰度等級和顏色數(shù)

?若N位面的幀緩存，可顯示2'種灰度或顏

色；

?加調(diào)色板：加上一個具有2N項、每項具有

W位的調(diào)色板。屏幕可不同時顯示2皿種灰

度或顏色，但每次只有2'種。

?如N=8,可顯示28=256種顏色，若加3個8

X256位的存儲作為調(diào)色板，則每次可從

224=7677726種顏色中選出28=256種顏色輸

出。

光柵掃才-苗顯示器：技術(shù)指標

?技術(shù)指標

?分辯率

?顯示內(nèi)存

?顯示速度：刷新幀緩存的時間

＞如分辨率為640x480的顯示器，若60次/秒刷新

,存取一個象素的時間：1/(640x480x60)=54毫

微秒，(1秒=109毫微秒)；

＞一般RAM的存取周期為200毫微秒，即存取一

個象素的時間為200x10-9秒，對于640x480象素

庫列的存取時間為0.0614秒，每秒鐘只能刷新16

幅圖象。

＞技術(shù)措施：將屏幕象素分組存取，以減少存取

時間；并行處理技術(shù)等。

交互式圖形輸出設備：繪圖儀

?筆式繪圖儀畫線設備

?靜電式繪圖儀

產(chǎn)生點陣

?激光繪圖儀和彩色噴墨繪圖儀圖形

繪圖儀：筆式繪圖儀

?基本工作原理

?通過驅(qū)動電機與傳動機構(gòu)使畫筆與紙相對移動從而將

圖形繪在紙上

?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有8或4個方向

?一條直線是用4個或8個基本方向的直線段組合成的階

梯線近似而成

?X+Y+Y+X+Y

+X

+X-Y

-X-Y-V

筆式繪圖儀：類型

?滾筒式繪圖儀

?構(gòu)造簡單，價格便宜

?易于操作

?占地面積小

?繪圖精度和速度較低

?平板式繪圖儀

?馬達驅(qū)動的機械傳動繪圖儀

?平面電機驅(qū)動繪圖儀

筆式繪圖儀：技術(shù)指標

?繪圖速度

?繪圖精度：重復精度和定位精度

?步距：每個電脈沖通過驅(qū)動電機與傳動機構(gòu)

，使畫筆移動的距離。

?一般步距：0.1-0.01mmo

?一般繪圖要求：0.1mm；

?精密繪圖要求：0.00625mmo

?可選筆數(shù)

繪圖儀：激光繪圖儀

?采用靜電復印技術(shù)

?通過硒筒，在需要上墨的地方產(chǎn)生電子的靜電荷，干

墨粉附著在筒上有電荷的地方，然后傳送到紙上，從

而形成拷貝。

?特點

?繪圖精度極高，其分辨率可達每英寸幾百個點

?繪圖速度快、無噪聲

?缺點是設備結(jié)構(gòu)復雜，不易維修

?目前彩色的、大圖幅的激光繪圖儀價格還很昂

貴

繪圖儀：彩色噴墨繪圖儀

?原理

將圖紙緊繃在一個快速旋轉(zhuǎn)的滾筒上，墨水噴頭

則緩慢地沿著導軌從滾筒一端移動到另一端。繪

圖時，噴頭噴出墨水，并使墨水帶電，X、上偏轉(zhuǎn)

板控制墨水噴射的軌跡，從而在紙上畫出囪形和

字符。每完成一行字符的噴射，滾筒轉(zhuǎn)動使走動

一個行距，再進行新的一行噴射，這個過程類似

于靜電復印過程，完成一條光柵掃描線。

?特點

?可輸出美麗的彩色畫面，因為只要增加不同顏

色的墨水箱就可以完成

?由于墨水控制技術(shù)難度大，其速度和精度不如

激光繪圖儀

交互式圖形輸出設備：打印機

?撞擊式打印機

?價格低廉、配置簡單，易維護

?繪圖精度和繪圖質(zhì)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

般適合輸出作為技術(shù)資料的圖形

?非撞擊式打印機

?這類打印設備速度快、無噪聲

?繪圖精度和繪圖質(zhì)量好

?可輸出的圖幅仍受到限制，而且價格較貴

2-3圖形軟件系統(tǒng)

?軟件

?計算機的邏輯部分

?包括程序以及相應的文檔

?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

一、系統(tǒng)軟件

?任務

?使計算機系統(tǒng)的各個部件、相關(guān)的軟件和數(shù)據(jù)

協(xié)調(diào)、高效的工作

?類型

?操作系統(tǒng)

?語言編譯程序

?匯編程序

?調(diào)試程序

?服務性程序：為用戶對計算機進行操作和維護提供

方便的程序

?子程序庫

?操作系統(tǒng)

?定義

一組對計算機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、調(diào)度和指揮作用

?任何程序必須在操作系統(tǒng)的支持下才能工作

?核心功能

?進程管理

?存儲器管理

?設備管理

?文件管理.

?作業(yè)管理

入圖形支撐軟件

?提供圖形開發(fā)、服務工具

?圖形支撐軟件的類型

?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，里加

些由形處理語句，便之具有圖形生成功股

■特點：系統(tǒng)簡練、緊湊、執(zhí)行速度較快。

?專用的圖形設計語言

■專用圖形設計語言具有自己的詞法、語法規(guī)

貝I」、數(shù)據(jù)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。需要專用的編譯器和數(shù)據(jù)結(jié)

構(gòu)。

■特點：

□其編譯系統(tǒng)比較復雜；