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1、本讲内容,2.1 图形系统的硬件 2.2 图形系统的软件 2.3 图形核心与标准 2.4 图形（像）格式 2.5 常用的图形解决方案,计算机系统： 主机 外围设备： 存储设备、网络设备 图形输入： 键盘、鼠标、光笔、 数字化仪、扫描仪、 虚拟现实输入设备 输出设备： 显示器、绘图机、 打印机、投影仪、 三维立体显示设备 虚拟现实输出设备,2.1 图形系统的硬件,其他图形输入设备,逆向工程中常使用 三坐标测量仪 激光扫描仪,图形显示设备,阴极射线管(CRT：Cathode Ray Tube) 占统治地位的显示器件 液晶显示 等离子体显示 其他显示器 激光显示 光二极管显示,CRT显示器工作原理,
2、CRT的结构，由装在一个玻璃壳内的电子枪、偏转系统及荧光屏组成,彩色阴极射线管,RGB三支电子枪,CRT图形显示器,随机扫描的图形显示器 直视存储管图形显示器 光栅扫描的图形显示器,向量（vector）显示器、笔划（Stroke writing）显示器。 随机扫描（random-scan）的图形显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。,随机扫描的图形显示器,随机扫描的图形显示器,随机扫描图形显示器的工作原理,无冗余扫描、速度快、图像清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条； 不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较
3、复杂。,随机扫描的图形显示器,直视存储管图形显示器,工作原理,直视存储管DVST（direct-view storage tube）从表面上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。,无需刷新； 很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示； 成本较低； 不能显示彩色； 不能局部修改； 擦除和重画过程可能持续较长时间。,直视存储管图形显示器,光栅扫描图形显示器,光栅扫描原理,工作原理：光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图像是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。,光栅扫描图形显示器的工作原理,像素（pixel或pel，是pict
4、ure element的简写）: 像素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转换过程。 刷新缓冲存储器（refresh buffer）或称帧缓冲存储器（frame buffer）。,光栅扫描图形显示器,光点一般是指电子束打在显示器的荧光屏上，显示器能够显示的最小的发光点。 像素点是指图形显示在屏幕上时候，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。,相关概念分辨率,屏幕分辨率，也称为光栅分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率，任何显示控制器所提供的分辨率也不能超过这个物理分辨率。 通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示。,相关概念分辨率,显示分辨率是计算机显示控制
5、器所能够提供的显示模式分辨率，实际应用中简称为显示模式。 对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。 对于图形显示方式，则用水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。 显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同。,相关概念分辨率,分辨率,电子束产生的光点直径通常为0.25-0.5mm ,若取屏幕的有效面积为3030cm2，则可在屏幕上构成了10241024个网格,也称为栅格，其单位约等于0.3mm。 同样大小的屏幕，如光点直径小，则网格数就可增多，称分辨率高（分辨率是指两个光点之间的最小距离，是指分辨能力大小的物理量）。 分辨率越高图形线条越平滑，图形越
6、清晰。目前微机显示器的光点有约0.26及0.32mm等，分辨率可达1024768,象素的灰度和颜色,光栅化后的象素值存放在帧缓存中，每个单元地址与屏幕上的象素地址是一一对应的，但单元的位数可以不同： 当只存一位时，则代表该象素亮或不亮，图形只有黑白效果， 如有8位(如图中所示，也称位面1到位面8)，则每个象素值的变化有256种，就可用来表示不同灰度或颜色，图形就有灰度和彩色 常用的是4位或8位,16位，24位,32位，可以表示十分丰富的色彩等级,在颜色位面法中，帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（Bit Plane），每个位面控制一种单纯颜色值或者灰度，每一个图形象素点在每
7、个位面中占一位，通过几个位面中的同一位组合成一个象素。,相关概念像素与帧缓存,颜色位面法,具有24位面彩色帧缓存的显示器,颜色查找表也称调色板，是由高速的随机存储器组成，用来储存表达象素色彩的代码。此时帧缓冲存储器中每一象素对应单元的代码不再代表该象素的色彩值，而是作为查色表的地址索引。 显然，写入帧缓冲存储器的值不变，选择的调色板不同，则显示的图像色彩不同,相关概念颜色查找表,具有24位面彩色帧缓存和10位颜色查找表的显示器,2.2 图形系统的软件组成,系统组成 系统软件 支撑软件 应用软件,2.2.1 系统软件,概念 提供图形运行环境的通用软件或工具软件 分类 操作系统 Windows、U
8、nix、Linux、Dos、OS等 数据库管理系统（DBMS） SQL server、ORACLE、SYBASE、ACCESS 网络服务软件 服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等 基础算法、界面支撑类库 VC，VB的基础算法、图形界面类库,2.2.2 支撑软件,概念 在系统软件的基础上开发的满足CG用户一些共同需要的通用软件或工具软件 分类 计算机分析软件 常用数学方法库及其可视化 有限元分析 优化设计 集成化图形系统软件 AutoCAD、SolidWorks、UG、ProE、CATIA 数据库管理系统（DBMS） 图形核心系统（GKS,Parasolid,ACIS） 数据交换接口,2.
9、2.3 应用软件,在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门领域的需要而研制的软件 通常由用户结合当前设计工作自行开发，也称为“二次开发” 与支撑软件比较： 应用软件主要是为某一特定产品开发出来的软件，而支撑软件是一些通用性的软件 应用软件通常利用已有的支撑软件的技术及二次开发功能，而不是从头开始 支撑软件一般市场上买的到，而应用软件需要用户开发 应用软件逐步商品化成通用软件后，也可以称为支撑软件,2.3 图形核心与图形标准,向高级语言提供相应的接口程序(图形库)，以实现图形向设备的输出 依赖于所用的操作系统的图形接口 DOS下graphic库 Borland C+的DOS版提供BGI接口 W
10、indows的GUI提供与设备无关的绘图函数，WPF/SiverLight（.Net Framework 4） UNIX操作系统由具有统一接口的Xlib库 统一不同硬件环境和操作系统平台下的接口 GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OpenGL、Java2d/3d、DirectX/3d,图形交换标准,为了满足不同应用系统之间对工程产品数据模型的交换、共享需要，制订了图形(产品)信息交换标准,IGES: Initial Graphics Exchange Specification DXF: Drawing Exchange Format STL：STereoLithogrphy VRML：
11、Visual Reality Markup（标记） Language STEP: Standard for the Exchange of Product model Data,IGES,在不同的CAD/CAM系统之间进行交换数据 过去常采用的方法是把一个系统产生的数据文件翻译成另一个CAD/CAM系统能识别的数据文件 多个CAD/CAM系统就需要多个翻译器 基本图形转换规范IGES 如数据要从系统A传递到系统B，必须由系统A中的IGES前处理器把这些传送的数据格式转换为IGES格式，再由系统B中的IGES后处理器把其从IGES格式转换为该系统内部的数据格式，反之亦然 IGES 1982年成为
12、ANSI标准，目前虽然不是ISO标准，实际上已是工业标准,IGES特点,数据格式相对简单 不能精确地完整转换数据，其原因是在不同的CAD/CAM系统之间许多概念不一样，使得某些定义数据或信息会丢失 在转换数据的过程中可能会产生错误，且很难确定，常要人工去处理IGES文件 产生的数据量太大,DXF格式,AutoCAD(Drawing Interchange Format或者Drawing Exchange Format) 绘图交换文件。DXF 是Autodesk公司开发的用于AutoCAD与其它软件之间进行CAD数据交换的CAD数据文件格式。DXF是一种开放的矢量数据格式，可以分为两类：ASCI
13、I格式和二进制格式；ASCII具有可读性好，但占有空间较大；二进制格式占有空间小、读取速度快。由于Autocad现在是最流行的cad系统，DXF也被广泛使用，成为事实上的标准。绝大多数CAD系统都能读入或输出DXF文件。 DXF文件是由很多的“代码”和“值”组成的“数据对”构造而成，这里的代码称为“组码”（group code），指定其后的值的类型和用途。每个组码和值必须为单独的一行的。 DXF文件被组织成为多个“段”（section），每个段以组码“0”和字符串“SECTION”开头，紧接着是组码“2”和表示段名的字符串（如HEADER）。段的中间，可以使用组码和值定义段中的元素。段的结尾使
14、用组码“0”和字符串“ENDSEC”来定义。,DXF文件格式,ASCII 格式的 DXF 可以用文本编辑器进行查看。DXF 文件的基本组成如下所示： HEADER 部分 - 图的总体信息。每个参数都有一个变量名和相应的值。 CLASSES 部分 - 包括应用程序定义的类的信息，这些实例将显示在 BLOCKS、ENTITIES 以及 OBJECTS 部分。通常不包括用于充分用于与其它应用程序交互的信息。 TABLES 部分 - 这部分包括命名条目的定义。 Application ID (APPID) 表 Block Recod (BLOCK_RECORD) 表 Dimension Style (
15、DIMSTYPE) 表 Layer (LAYER) 表 Linetype (LTYPE) 表 Text style (STYLE) 表 User Coordinate System (UCS) 表 View (VIEW)表 Viewport configuration (VPORT) 表 BLOCKS 部分- 这部分包括 Block Definition 实体用于定义每个 Block 的组成。 ENTITIES 部分 - 这部分是绘图实体，包括 Block References 在内。 OBJECTS 部分 - 包括非图形对象的数据，供 AutoLISP 以及 ObjectARX 应用程序所使
16、用。 THUMBNAILIMAGE 部分 - 包括 DXF 文件的预览图。 END OF FILE,VRML格式,VRML即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无关性。是目前Internet上基于 WWW的三维互动网站制作的主流语言。 VRML是虚拟现实造型语言的简称，本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的VR（虚拟世界）。,VRML支持多媒体 其实体模型可由CAD软件直接输出,STL格式,STL文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个顶点的三维坐标，三角形面片的法矢量。三角形顶点的排列顺序遵循右手法则，三角形面片的个数则按STL文件的类型，有直接给出的，也有不给出的。STL文件中还包括其它一些信息，如文件名，文件描述等等。 STL文件有两种类型，ASC格式和二进制格式： ASC格式，即文本格式，使
