《计算机图形学第二讲 绘图系统及标准讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机图形学第二讲 绘图系统及标准讲解（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2讲 计算机图形系统 2.1 计算机图形系统概述 2.2 图形程序示例 2.3 常用绘图软件介绍 2.1 计算机图形系统概述 计算机图形系统由硬件系统和软件系统组成 。 激光打印机激光打印机 喷墨打印机喷墨打印机 计算机计算机 台式绘图机台式绘图机 滚筒绘图机滚筒绘图机 幅面受限制 精度高 幅面不受限 制，精度低 计算机图形系统的主要硬件：计算机、打印机、绘图机。 2.1.1 计算机图形外部设备 目前应用最普及的是基于阴极射线管(CRT)的光栅扫描显示器 。阴极射线管(CRT)的结构如图2-1所示，主要由电子枪、聚焦 系统、加速电极、偏转系统和荧光屏五部分组成。 显示器显示器 电子枪发射电子
2、束，经过聚焦在偏转系统控制下电子束轰击荧光 屏，在荧光屏上产生足够小的光点，光点称为像素像素( (pixel)pixel)。阴极 射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数称为分 辨率，分辨率越高，显示的画面越清晰。 彩色显示器的色彩是发出不同颜色的荧光物质进行组合而得到 的，每个像素由三个荧光点组成，这三个荧光点分别为发红、 绿和蓝色光的三种荧光物质，有三支电子枪分别与这三个荧光 点相对应。因为荧光点非常小而且充分靠近，所以我们看到的 是具有它们混合颜色的一个光点，即像素。 通过调节电子枪发出的电子束中所含电子的多少，可以控制击 中的相应荧光点的亮度，因此以不同的强度击中荧光点，就能
3、 够在像素点上生成极其丰富的颜色。 如图2-2是一个具有24位 面的帧缓冲存储器，红、 绿、蓝各8个位面，其值 经数模转换控制红、绿、 蓝电子枪的强度，每支电 子枪的强度有256(8位)个 等级，则能显示 256*256*256=16兆种颜色 ，16兆种颜色也称作(24 位)真彩色。 新型显示器 20世纪80年代中期产生了平板显示器，如液晶显示器和等离 子显示器等。液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD) 的原理是利用液晶的物理特性，通电时导通，晶体在电场作用 下，排列变得有秩序，通过它的光的折射角度会发生变化，使 光线容易通过；不通电时，晶体排列变得混乱，光被遮
4、挡，不 能通过。 等离子显示器(Plasma Display Panel,简称PDP)是一种利用气 体放电激发荧光粉发光的显示装置。等离子管作为等离子显示 器的发光元件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕。 平板显示器具有超薄超轻、无辐射、低功耗等优良特性，近几 年来正在逐步普及。 显存参数 显存容量 ：显存容量是显卡上本地显存的容量数，这是选择显卡的关键 参数之一。 显存容量屏幕分辨率颜色位数/8 显存位宽: 显存位宽是显存在一个时钟周期内所能传送数据的位数，位 数越大则瞬间所能传输的数据量越大，这是显存的重要参数之一。 目前市场上的显存位宽有64位、128位和256位三种 . 显存带宽:显存
5、带宽是指显示芯片与显存之间的数据传输速率，它以字节 /秒为单位。显存带宽是决定显卡性能和速度最重要的因素之一。 显存带宽工作频率显存位宽/8 目前大多中低端的显卡都能提供6.4GB/s、8.0GB/s的显存带宽，而对于高 端的显卡产品则提供超过20GB/s的显存带宽。 计算机图形输入设备 计算机图形输入设备是一种交互式输入设备，这些设备包括键 盘、鼠标、轨迹球和触摸屏等，其中键盘和鼠标是我们经常使 用和熟悉的输入设备。 键盘最早从打字机演变而来，在发展的过程中，键盘的按键构 造也不断发展，由开始的机械式到改进为电容式和薄膜式。随 着键盘技术的成熟，还出现了无线键盘，带手写板的键盘等等 。 鼠标
6、是计算机的主要输入设备，它的发展经历了机械式鼠标、 光学机械式鼠标、老式光电式鼠标和新型光电式鼠标阶段。新 型光电式鼠标比起老式光电式鼠标最大的优点是不需要在特殊 的鼠标光电板上操作。现在还出现了利用红外线和无线电技术 进行通讯的无线鼠标，无线鼠标更灵活自由。 空间球和数据手套是三维定位设备。主要应用于虚拟现实等高 级计算机图形学应用系统中。 计算机图形输出设备 图形显示器作为图形输出设备，只能够在屏幕上显示图形，图 形要想长期保存，应将图形输出到打印机或绘图仪等图形输出 设备上，形成图形的硬拷贝。能够形成图形硬拷贝的常用图形 输出设备有笔式绘图机、喷墨打印机、静电绘图仪、激光打印 机、照相排
7、版设备等等。 激光打印机 喷墨打印机台式绘图机 滚筒绘图机 2.1.2 计算机图形软件 通用编程软件包一般由程序员在开发时使用。常常是 图形库，提供了生成各种图形、实现图形的处理和输 入输出操作、控制和处理各种图形设备以及交互过程 中的各种事件，如OpenGL。 专用应用图形软件包是具有图形处理能力的交互式图 形软件系统，为非程序员提供的而且往往应用于某个 或某些领域，如AutoCAD、3DS MAX等。专用应用 图形软件包使用范围广，使用人员众多。 几何造型平台 两种流行的几何造型平台：ACIS和Parasolid，现今大多数著名 的CAD/CAM软件是基于ACIS或Parasolid开发的
8、。几何造型平 台ACIS和Parasolid最早都源于英国剑桥大学。 Braid Ian于1973年以博士论文的形式发表了使用体素拼合和边 界表示的第一个实体造型实验系统。此后吸收了Baumgart B.G. 在研究机器人视觉景物造型系统GEOMED中的多面体建模技术( 该技术用翼边结构描述多面体的面、边、点之间的拓扑关系以及 用欧拉算子构造和修改多面体模型)，逐步建立起用边界表示法 (B-rep)生成三维实体的理论体系。 1974年Braid Ian和他的导师Charles Lang以及同窗Alan Grayer 等创办了Shape Data公司，开发了第一代实体造型软件Romulus ，1
9、988年又改进为Parasolid，并被美国麦道公司集成到UGII CAD系统中。由于此软件性能好、知名度高，已被近百家公司 和研究单位购买，作为它们自己CAD系统的核心软件。 1989年Braid Ian等人推出了第三代几何造型系统ACIS，ACIS 为三位核心技术人员名字和实体(Solid)的第一个字母的组合。 ACIS的开发者后来与成立于1986年的美国空间技术公司 (Spatial Technology Inc.)联合，把NURBS技术纳入其中，增 加了NURBS曲面模块，成为商品化的几何造型核心系统。ACIS 的特点是采用面向对象的数据结构，利用C+语言对源代码重写 使数据结构更加严
10、谨、运行速度也大大加快。1989年推出的 ACIS由于算法上的改进，其运行速度是第一代Romulus的420 倍，是第二代Parasolid的26倍。 Parasolid现在是EDS(Electronic Data Systems)公司推出的 CAD/CAM开发平台，其先驱是剑桥大学开发的早期实体造型 Romulus系统，Shape Data公司在1985年推出了一个以复杂曲 面为边界的实体造型领域提供通用的开发平台，由此诞生了 Parasolid。 常用计算机绘图软件 AutoCAD: 是世界第四大PC软件公司Autodesk的主导产品。 Unigraphics(UG)：是Unigraphi
11、cs Solutions公司的产品，最早 源于美国麦道飞机公司，以Parasolid几何造型核心为基础。采用 参数化和变量化技术。 Pro/Engineer：是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation简称PTC)的产品。1985年于波士顿成立，是世界第 一大CAD/CAE/CAM软件公司。基于特征造型。 I-DEAS：是美国SDRC公司的产品，是全世界制造业广泛应用 的大型CAD/CAE/CAM软件。采用变量化技术。 CATIA：是法国达索公司20世纪70年代开始开发的，目前已与 美国IBM公司合作，该软件广泛应用于飞机设计，如波音777、 阵风战斗
12、机、F22等。 Cimatron：是成立于1982年的以色列Cimatron公司的产品。 采 用ACIS几何造型平台。 MasterCAM：美国CNC公司(1984年成立)基于PC的CAD/CAM软 件，采用Parasolid。采用NURBS设计曲面，CAM功能较强。 国内国内CADCAD状况状况 北航金银花、CAXA 清华高华CAD 华中开目CAD 浙江大学大天等 计算机动画软件 最早出名计算机动画软件有三大公司的产品：加拿大Softimage 公司Softimage、美国的Alias Research公司的Alias、Wavefront Technologies公司的Wavefront。
13、Softimage公司1986年成立于加拿大的蒙特利尔，公司创始人丹 尼尔朗格鲁斯是三维动画技术的先驱。他发明了反向动力学和运 动捕获等众多重要的三维动画技术,是模拟物理运动和角色动画方 面最优秀的制作软件。曾用 Softimage创作的大片有泰坦尼克 、木乃伊复活、侏罗纪公园、人工智能等。 1994年Softimage被微软公司收购，1996年推出基于NT平台的 Softimage 3D。Softimage 3D最擅长卡通造型和角色动画以及模 拟各种虚幻的情景、光影。电影侏罗纪公园中的恐龙就是用 Softimage 3D制作完成的。国内电视台和一些影视广告公司都是 用它来制作片头和动画的，如
14、中央电视台东方时空和中国 新闻等。Softimage现在隶属于Avid公司，2000年4月推出 Softimage|XSI，率先推出了非线性动画编辑工具。 Alias和Wavefront以及法国一家公司被美国SGI公司并购， 1998年推出Maya，它凝结着无数3D动画精英们的心血，电影 星际战队体现了Maya强大的功能。 Renderman是Pixar公司的一款可编程的三维创作软件，它在 三维电影的制作中取得了重大成功，玩具总动员中的三维 造型全部是由Renderman绘制的。 此外，美国Autodesk公司的3DStudio MAX是国内广泛使用 的三维动画软件，它运行于Windows平台
15、，广泛应用于电影、 电视、计算机游戏、多媒体和出版等行业。在迷失的太空 中，绝大部分的太空镜头就是由3DSMax制作的。3DS MAX最 大的优点在于插件特别多，许多的专业技术公司都在为3DS MAX设计各种插件，其中许多插件是非常专业的，如专用于 设计火、烟、云效果的After-burn，制作肌肉的Metareye等， 利用这些插件可以制作出精彩的效果。 可视化软件 AVS系统是美国Advanced Visual Systems Inc.公司推出的一个 通用的体数据可视化系统，主要运行在大型机和工作站上。 VolVis是美国纽约州立大学以Arie E.Kaufman教授为首的研 究小组设计的
16、体数据可视化系统,是在X/Motif的支持下开发的 ，主要运行在工作站上。 ApE是美国TaraVisual Inc.公司设计的一个通用的科学可视化 系统。主要运行于大型机和工作站上，具有很好的可移植性和 可扩展性，提供一套可视数据流流程语言，用户选择一组功能 模块，构成一个管道(Pipe)，这样就建立了一个应用实例。 Visualizer是中科院自动化所国家模式识别实验室医学图像处 理分析研究小组设计开发的一个可视化系统。 2.1.3 图形标准 图形标准的制定是为了在不同的计算机系统和外设之 间进行图形应用软件的移植。为了实现这些可移植性 ，有三个接口必须实现统一标准。 应用接口:应用程序与图形软件的接口，它隔离了应 用程序与处理图形的实际物理设备的联系，从而保证 了应用程序在不同系统之间的可移植性。 虚拟图形设备接口:图形
