计算机图形学第二章

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1、2010/11/81第二章：数据接口与交换标准v本章内容介绍计算机图形学标准中与数据接口和数据交换有关的标准。包括 GKSM，CGM和CGI等“低级”数据接口和交换标准，与最终用户密切 相关的DXF，IGES和STEP数据交换标准v计算机图形标准的历史50年代到70年代初是计算机图形学形成和发展期间，适用于各种不 同应用目的的图形硬件设备和针对具体设备和应用的各种图形软件 系统不断推出。这些系统由不同的开发者设计开发，通用性较差， 影响了计算机图形学的进一步的发展，这导致了计算机图形标准在 70年初出现2010/11/82第二章：数据接口与交换标准1974年美国成立了图形标准化规划委员会(GS

2、PC)，提出了世界上第 一个图形标准方案Core。同时，各国也都陆续制订自己的图形标准 ，以德国的GKS标准最为著名 图形标准的研究和制订在80年代进入了大发展时期。1985年，第一 个国际计算机图形信息标准计算机图形核心系统(GKS)正式颁布。之 后，三维图形核心系统(GKS-3D)、程序员层次交互式图形系统 (PHIGS)、计算机图形原文件(CGM)、计算机图形接口(CGI)、初始 图形交换规范(IGES)以及产品数据交换标准(STEP)等相继制订并颁 布各种计算机图形标准之间的关系下图2010/11/83第二章：数据接口与交换标准2010/11/84第二章：数据接口与交换标准v2.1 图

3、形核心系统GKSGKS(Graphics Kernal System)提供了在应用程序和图形输入输出设 备之间的功能接口，定义了一个独立于语言的图形核心系统，在具 体应用中，必须符合所使用语言的约定方式，把GKS嵌入到相应的 语言之中GKS在应用程序和图形输入输出设备之间提供了功能接口，它包括 一系列交互和非交互式图形设备的全部图形处理功能，大致分为以 下十类v控制功能执行打开、并闭GKS以及使工作站进入或退出活动状态和删除工作站等v输出功能确定输出图形类型2010/11/85第二章：数据接口与交换标准v输出属性图素的各种属性以及各种图素在工作站上的表现方式；(基本图素包括点、 直线、多边形、

4、三角形、三角形风格、矩形、圆和圆弧、字符、曲线和曲面 以及读写象素等)v变换功能实现规格化变换和工作站变换v图段功能对图形进行生成、删除、复制以及实现图段属性控制；(图形对象包括图元 primitive和图段segment。图元有点、线、面、字符、符号、像元阵列等。 图段是由图元组成，例如房子中的门、窗)v输入功能对各种输入设备初始化，设备工作方式、确定请求、采样和事件输入2010/11/86第二章：数据接口与交换标准v询问功能查询GKS描述表、状态表、出错表、工作站描述表、图素表等，查询GKS状 态值、级别、工作站类型、状态以及描述表，图段状态等内容v实用程序实现GKS的几何变换等v元文件处

5、理v出错处理GKS作为一个二维图形的功能描述独立于图形设备和各种高级语言 ，定义了应用程序与图形程序包的接口。在任何配有GKS的图形软 件中，用户可以在应用程序中调用GKS的各种功能，这样编制出来 的应用程序可方便地在具有GKS的不同图形系统之间移植2010/11/87第二章：数据接口与交换标准vGKS元文件标准GKSM功能GKSM是图形核心标准GKS用于保存信息的一种机制。在GKS中， 用图段来存贮GKS运行过程中的信息，在GKS关闭以后，图段将不 存在，所有存贮在图段中的信息连同图段本身也都自动丢失。为了 能够保存GKS运行中得到的图形信息，最方便的方法是采用文件的 形式进行保存。GKS标

6、准提供了能够顺序读写，用于长期存贮(传输) 图形信息的机制，称为GKS元文件(GKSM)2010/11/88第二章：数据接口与交换标准利用GKSM可实现v图形信息的存档v不同GKS应用之间图形信息的传送和使用v不同的图形系统之间图形信息的传送和使用v异地之间图形信息的传送(利用磁盘、网络等媒体)v与图形信息相伴随的应用程序定义的非图形信息的存贮和复用2010/11/89第二章：数据接口与交换标准GKSM的内容和格式不是GKS标准的组成部分，它在ISO的另一个标 准，计算机图形元文件(CGM)中规定。但在GKS标准文本ISO 7942 的附录E中给出了一个为GKS设计的元文件，旨在提供一种记录方

7、法 的元文件类型，功能覆盖了GKS输出功能的全部范围，适用于图形 获取、结构化图形获取和对话获取。CGM只适用于图形获取，对结 构化图形获取和对话获取，CGM显得无能为力。GKSM虽然不是 GKS标准的一部分，但由于它是专为GKS设计，特别适合于图形信 息从一个GKS应用程序到另一个应用程序之间的传递，不少GKS实 现系统仍采用该附录中元文件规定的内容做为实现GKS元文件功能 的基础2010/11/810第二章：数据接口与交换标准GKS提供了一个与元文件的接口，规定如何写/读元文件。为了能在 GKS中以一致和容易使用的方式来处理各种事务，GKS没有采用通 常的文件管理方式来处理元文件，而是把它

8、做为工作站(在GKS中， 工作站是图形设备的一种抽象)来处理。元文件的写、读分别对应 GKS元文件输出/输入工作站MO/MI，一个GKS元文件的建立通过 MO种类的工作站来完成，而将一个GKS元文件读入GKS则由MI种类 的工作站执行，如图6.2所示。GKS所提供的与元文件的接口对元文 件的内容和格式并无特定要求，但GKS的实现系统在实现该接口的 功能时，必然依赖于元文件的内容和格式2010/11/811第二章：数据接口与交换标准2010/11/812第二章：数据接口与交换标准vGKSM生成GKSM定义了一个明文编码方案，是可以被大多数系统和设备应用的 与系统无关的图形元文件。它提供了可向上兼

9、容的文件格式，其结 构是一个逻辑数据项目的序列。如图6.3所示，GKSM以固定格式的 文件首部开始，后跟一系列的项目，最后以一个指出GKSM结尾的结 束项目结束整个图形元文件项目=项目首部+项目数据记录，GKSM的基本信息单位项目首部=任选GKSM项目类型项目数据记录的长度项目分类v控制、输出原语、图原属性、工作站属性、变换、图段操作、图段属性 和用户等八类，控制项目包括文件首部和结束项目2010/11/813第二章：数据接口与交换标准2010/11/814第二章：数据接口与交换标准GKSM的生成v在GKS运行中，通过一个GKSM输出工作站MO的打开启用 停用 关闭整个过程后形成的v打开工作站

10、时建立一个文件以及描述该文件的文件首部v记录该文件具体信息的各个项目是在该工作站从启用到停用期间由MO 种类工作站的GKS功能调用按下图依次添入。启用到停用的这个过程在 执行中可以反复多次以便控制在GKSM中保存的项目内容，直到关闭该 工作站后，整个GKSM就生成了v一旦这个GKSM生成后，就不能对其做为MO工作站再次打开，只有通过 对应的GKSM输入MI种类工作站才能读出2010/11/815第二章：数据接口与交换标准2010/11/816第二章：数据接口与交换标准vGKSM输入一个GKSM的输入由GKSM输入工作站(MI工作站)的打开关闭过 程完成。与GKS的INPUT工作站类似，MI工作

11、站属于输入类工作站 ，不需要进行启用和停用的控制GKSM中每个项目的输入，依次通过如下三个动作完成，每个动作分 别用一个GKS功能来实现v获得项目类型v读入项目v解释项目2010/11/817第二章：数据接口与交换标准v2.2 计算机图形元文件标准 CGMv2.2.1 CGM功能不同的系统与系统之间、应用程序与应用程序之间产生的图形信息 共享问题是计算机图形标准化的方向之一GKS标准本身的制定目标主要是计算机图形生成，而不是信息存贮 与传输，其GKSM仅适用于GKS生成的图形信息1980年，美国国家标准委员会ANSI和国际标准化组织ISO专门成立 了标准化组着手计算机图形元文件(Compute

12、r Graphic Metafile， CGM)标准的制定，1987年正式成为ISO标准，标准号为ISO 86322010/11/818第二章：数据接口与交换标准CGM提供了一个在虚拟设备接口上存贮与传输图形数据及控制信息 的机制。作用类似于GKSM，但不只局限于GKS生成的图形，具有 广泛的适用性，大部分的二维图形软件都能够通过CGM进行信息存 贮和交换CGM标准的目的 v提供图形存档的数据格式 v提供一种以假脱机方式绘图的图形协议 v为图形设备接口标准化创造条件 v便于检查图形中的错误，保证图形的质量 v提供把不同图形系统产生的图形集成到一起的手段2010/11/819第二章：数据接口与交

13、换标准v2.2 CGM描述CGM标准组成v一套标准的与设备无关的定义图形的语法和词法元素CGM的四个部分v第一部分是功能描述，包括元素标识符、语义说明以及参数描述v其余为CGM标准的三种标准编码形式，即字符、二进制数和明文编码CGM标准本身并不提供元文件生成和解释的具体方法，而利用上述 三种不同的标准数据编码形式来实现元文件的元素功能2010/11/820第二章：数据接口与交换标准元文件一个元文件描述若干逻辑上独立的画面集画面一个画面描述一个包含实际画面定义的画面体画面的独立性质vCGM标准最具有特色的设计准则之一。在一个画面描述解释之后，画面 就随机存取和解释，而不要解释任何前趋画面，改变前

14、趋画面的状态丝 毫不影响后面的画面状态2010/11/821第二章：数据接口与交换标准2010/11/822第二章：数据接口与交换标准CGM信息文件格式的元素集：八类约九十个元素v分界用于识别一个元文件及其图形画面的表示。包括BEGIN METAFILE(元文件 开始)、END METAFILE(元文件结束)、BEGIN PICTURE(画面开始)、END PICTURE(画面结束)以及BEGIN PICTURE BODY(画面体开始)v元文件描述描述和解释指定元文件的实际能力。如元文件的版本及其描述、VDC(虚拟 设备坐标系)类型、数的精度、颜色精度、索引精度和最大颜色索引、元文 件提供的元

15、素表、字体表和字符集表等v画面描述阐述与该画面有关的元素的参数方式。如比例、颜色选择、线宽和边宽描 述、记号大小描述方式以及背景色等2010/11/823第二章：数据接口与交换标准v控制用于画面的控制。包括VDC的整数、浮点数精度、辅助颜色、透明性、剪取 框以及剪取指示器等v图原分为Line、Marker、Text、Filled、Area、Cell Array、GDP六类，每一类又 细分为若干基本图原v属性CGM图原的属性可以成束指定或单独指定。图原和属性详细内容见表6.1v逸出描述与设备相关或与系统实现相关的信息v外部除了消息功能外，CGM标准有一个应用数据(APPLICATION DATA

16、)元素， 用于用户所需要的任何非图形目标的信息通讯2010/11/824第二章：数据接口与交换标准2010/11/825第二章：数据接口与交换标准v2.3 计算机图形接口标准CGI (Computer Graphics Interface)第一个针对图形设备接口，而不是应用程序接口的交互式计算机图 形标准。目标是使应用程序和图形库在各种图形设备上不经修改就 可以运行，即在用户程序和虚拟设备之间以一种独立于设备的方式 提供图形信息的描述和通信v2.3.1 CGI功能 CGI功能集包括控制功能集、独立于设备的图形对象输出功能集、图 段功能集、输入和应答功能集以及产生、修改、检索和显示以象素 数据形式存储的光珊功能集。在二维图形设备中可以找到CGI支持的 功能，但没有一个图形设备包含由CGI定义的所有功能，从这个意义 上说，CGI定义了与虚拟设备的接口2010/11/826第二章：数据接口与交换标准CGI实现(对象)v既可以是硬件设备也可以是一个程序CGI