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1、图形的标准化和窗口系统2024/7/221图形的标准化和窗口系统图形系统标准图形系统标准n图形标准：图形系统及其相关应用系统中图形标准：图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标各界面之间进行数据传送和通信的接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者称为能及其格式标准，前者称为数据及文件格数据及文件格式标准式标准，后者称为，后者称为子程序界面标准子程序界面标准。n作用：方便不同系统间的数据交换；方便作用：方便不同系统间的数据交换；方便程序移植；硬件隔离，实现图形系统的硬程序移植；硬件隔离，实现图形系统的硬件无关性。件无
2、关性。*2图形的标准化和窗口系统图形标准历史图形标准历史n20世纪世纪70年代初，开始研究计算机图形软件功能标准化问年代初，开始研究计算机图形软件功能标准化问题；题； n1974年美国成立了图形标准化规划委员会（年美国成立了图形标准化规划委员会（GSPC），提），提出了其提出了世界上第一个图形标准方案出了其提出了世界上第一个图形标准方案Core。同期，德。同期，德国制订出著名的国制订出著名的GKS标准；标准； n1985年计算机图形信息标准既计算机图形核心系统年计算机图形信息标准既计算机图形核心系统（GKS）正式颁布；）正式颁布； n之后，三维图形核心系统（之后，三维图形核心系统（GKS-3D
3、）、程序员层次交互）、程序员层次交互式图形系统（式图形系统（PHIGS）、计算机图形原文件（）、计算机图形原文件（CGM）、）、计算机图形接口（计算机图形接口（CGI）、初始图形交换规范（）、初始图形交换规范（IGES）以）以及产品数据交换标准（及产品数据交换标准（STEP）等相继制订并颁布。）等相继制订并颁布。 *3图形的标准化和窗口系统图形系统标准分类图形系统标准分类n面向图形设备的接口标准：面向图形设备的接口标准：l计算机图形元文件计算机图形元文件(CGM)，(CRT,绘图仪绘图仪,打印机，打印机，)l计算机图形接口计算机图形接口(CGI)，（设备驱动程序），（设备驱动程序）n面向应用软
4、件的标准：面向应用软件的标准：l程序员层次交互式图形系统（程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL (图形程序包图形程序包)l（三维）图形核心系统（三维）图形核心系统（3D-)GKSn面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式：件格式：l基本图形转换规范（基本图形转换规范（IGES）l产品数据转换规范（产品数据转换规范（STEP）*4图形的标准化和窗口系统图形标准的作用图形标准的作用应用系统图形系统GKS, PHIGS, Open GL设备驱动设备驱动设备驱动CGI元文件输出程序元文件输入程序CGM数据库IGES,STEP*5图形的标准化和窗
5、口系统CGI(Computer Graphics Interface)n计算机图形接口标准是计算机图形接口标准是ISO TC97组提出的图组提出的图形设备标准。形设备标准。CGI是一个针对图形设备接口，是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。而不是应用程序接口的交互式计算机图形标准。CGI的目标是使应用程序和图形库直接与各种的目标是使应用程序和图形库直接与各种不同的图形设备相作用，使其在各种图形设备不同的图形设备相作用，使其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设备之间以一
6、种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信。息的描述和通信。*6图形的标准化和窗口系统n不同的系统与系统之间、应用程序与应用程序间不同的系统与系统之间、应用程序与应用程序间产生的图形信息共享问题是计算机图形标准化的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。方向之一。1980年开始，美国国家标准委员会年开始，美国国家标准委员会ANSI和国际标准化组织和国际标准化组织ISO专门成立了标准化组专门成立了标准化组着手计算机图形元文件标准的制定，并于着手计算机图形元文件标准的制定，并于1987年年正式成为正式成为ISO标准。标准。 nCGM提供了一个在虚拟设备接口上存贮与传输图提供了一个在虚拟
7、设备接口上存贮与传输图形数据及控制信息的机制，它具有广泛的适用性，形数据及控制信息的机制，它具有广泛的适用性，大部分的二维图形软件都能够通过大部分的二维图形软件都能够通过CGM进行信息进行信息存贮和交换。存贮和交换。 CGM(Computer Graphic Metafile)*7图形的标准化和窗口系统nCGM的功能如下：l提供提供图形存档的数据格式图形存档的数据格式 l提供一种以假脱机方式绘图的图形协议提供一种以假脱机方式绘图的图形协议 l为图形设备接口标准化创造为图形设备接口标准化创造条件条件 l便于检查图形中的错误，保证图形的质量便于检查图形中的错误，保证图形的质量 l提供了把不同图形系
8、统所产生的图形集成到提供了把不同图形系统所产生的图形集成到一起的一种手段一起的一种手段*8图形的标准化和窗口系统GKS(Graphics Kernal System)n提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功提供了在应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口能接口n与语言无关与语言无关n应用程序的所有图形资源由应用程序的所有图形资源由GKS控制（通过控制（通过GKS元文件元文件）nGKSM用于用于:图形信息存档；系统传送图形信息；图形信息存档；系统传送图形信息；GKS应用程序间传送图形信息；与图形信息相关应用程序间传送图形信息；与图形信息相关的非图形信息的存储和复用的非图形信息的存储和复用*9
9、图形的标准化和窗口系统PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)n向应用程序员提供的控制图形设备的图形向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口系统接口n图形数据按层次结构组织图形数据按层次结构组织n提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。提供动态修改和绘制显示图形数据的手段。是一个高度动态化和交互式图形系统是一个高度动态化和交互式图形系统*10图形的标准化和窗口系统GL(Graphics Library)n图形程序库图形程序库(Windows下为下为OpenGL)nUNIX下运行，下运行，nOpenGL微机，微机，n
10、分类：基本图素；坐标变换；设置属性和分类：基本图素；坐标变换；设置属性和显示方式；显示方式；I/O 处理；真实图形显示。处理；真实图形显示。*11图形的标准化和窗口系统IGES (Initial Graphics Exchange Specification)nCAD/CAM系统的不同，提出了在各个系统中进系统的不同，提出了在各个系统中进行产品信息的交换的要求，从而导致了产品数据行产品信息的交换的要求，从而导致了产品数据交换标准的制订交换标准的制订;n1980年，由美国国家标准局主持成立了由波音公年，由美国国家标准局主持成立了由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会，制订了司和通用电气公司参加
11、的技术委员会，制订了IGES;n1982,1988 IGES 4.0, IGES 5.0n文件格式是文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口码，五节：开始节，目录入口(DE)，参数参数(DP)节，整体节和结束节节，整体节和结束节*12图形的标准化和窗口系统IGES实体实体n允许在允许在CAD/CAM系统之间进行产品数据交换系统之间进行产品数据交换的文件结构至少要支持产品的几何数据、标注的文件结构至少要支持产品的几何数据、标注和数据组织方式的通信。和数据组织方式的通信。IGES标准定义的文件标准定义的文件格式将产品数据看作独立于应用的实体格式将产品数据看作独立于应用的实体（Entity）的
12、集合）的集合n在在IGES标准中定义了五类实体：标准中定义了五类实体：l曲线和曲面几何实体曲线和曲面几何实体 l构造实体几何构造实体几何CSG实体实体 l边界边界B-Rep实体实体 l标注标注实体实体 l结构结构实体实体 *13图形的标准化和窗口系统STEP (Standard for the Exchange of Product model Data)n覆盖产品整个生命周期，包覆盖产品整个生命周期，包括设计、制造、括设计、制造、使用、维护、报废等。使用、维护、报废等。n强调建立能存入数据库中的一个产品模型强调建立能存入数据库中的一个产品模型的完整表示。的完整表示。n克服克服IGES中的问题
13、和缺点中的问题和缺点lIGES过于冗长，有些数据也不能表达，网络传过于冗长，有些数据也不能表达，网络传输等问题输等问题*14图形的标准化和窗口系统nSTEP的产品模型数据是覆盖产品整个生命周期的的产品模型数据是覆盖产品整个生命周期的应用而全面定义的产品模型信息；应用而全面定义的产品模型信息；n产品模型信息包括进行设计、分析、制造、测试、产品模型信息包括进行设计、分析、制造、测试、检验零件或机构所需的几何、拓扑、公差、关系、检验零件或机构所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等信息，也包括一些和处理有关的信属性和性能等信息，也包括一些和处理有关的信息；息；nSTEP的产品模型对于生产制造，直接
14、质量控制测的产品模型对于生产制造，直接质量控制测试和支持产品新功能的开发提供了全面的信息。试和支持产品新功能的开发提供了全面的信息。其中形状特征信息模型是其中形状特征信息模型是STEP的产品模型的核心的产品模型的核心是，在此基础上可以进行各种产品模型定义数据是，在此基础上可以进行各种产品模型定义数据的转换。的转换。*15图形的标准化和窗口系统GKS详细介绍详细介绍nGKS的功能的功能l控制功能（对工作站的控制）控制功能（对工作站的控制）l输出功能输出功能l输出属性输出属性l变换功能（规格化变换和工作站变换）变换功能（规格化变换和工作站变换）l图段功能（增删改、拷贝、属性等的控制）图段功能（增删
15、改、拷贝、属性等的控制）l输入功能输入功能l询问功能（询问状态表、描述表、出错表等）询问功能（询问状态表、描述表、出错表等）l实用程序，实现几何变换实用程序，实现几何变换l元文件处理元文件处理l出错处理出错处理*16图形的标准化和窗口系统nGKS中的图形输入与输出中的图形输入与输出l六种输入功能六种输入功能u定位、笔划、取值、选择、拾取、字符串定位、笔划、取值、选择、拾取、字符串u可在请求、采样、事件三种模式中操作可在请求、采样、事件三种模式中操作l六种输出图素六种输出图素u折线（折线（Polyline）、相同符号集）、相同符号集（Polymarker）、文本（）、文本（Text）、填充区）、
16、填充区（Fill Area）、单元阵列（）、单元阵列（Cell Array）、）、一般图素（一般图素（GDP：Generalized Drawing Primitive）*17图形的标准化和窗口系统*18图形的标准化和窗口系统*19图形的标准化和窗口系统nGKS中的工作站中的工作站l逻辑概念，具有逻辑上的矩形绘图区域逻辑概念，具有逻辑上的矩形绘图区域l六种工作站：输入、输出、输入输出、独立图段存储、六种工作站：输入、输出、输入输出、独立图段存储、元文件输入、元文件输出元文件输入、元文件输出nGKS中的坐标系中的坐标系l三种：用户坐标系（三种：用户坐标系（WC），设备坐标系（），设备坐标系（DC
17、），规），规格化的设备坐标系（格化的设备坐标系（NDC）n图段图段l具有相同属性的一组输出图元的集合（早期概念）具有相同属性的一组输出图元的集合（早期概念）l可变换性，可见性，醒目性，可检测性，优先级可控可变换性，可见性，醒目性，可检测性，优先级可控性性l方便对一组图元进行二维坐标变换，提供不同工作站方便对一组图元进行二维坐标变换，提供不同工作站上的图段传输上的图段传输*20图形的标准化和窗口系统nGKS的分级管理的分级管理l九级管理，从九级管理，从L0aL2cl每一级有相应的适应领域和必备设备，并向上每一级有相应的适应领域和必备设备，并向上兼容兼容nGKS-3Dl对对GKS-2D进行扩充，增
18、加进行扩充，增加13个三维相关功能个三维相关功能l增加观察坐标系和规格化投影坐标系增加观察坐标系和规格化投影坐标系l二、三维功能可混合应用二、三维功能可混合应用*21图形的标准化和窗口系统OpenGL介绍介绍nOpenGL是一个功能强大的开放图形库（是一个功能强大的开放图形库（Open Graphics Library）。其前身是）。其前身是SGI公司为其图公司为其图形工作站开发的形工作站开发的IRIS GL。为使其能够更加容易地。为使其能够更加容易地移植到不同的硬件和操作系统，移植到不同的硬件和操作系统，SGI开发了开发了OpenGL。n从程序开发人员的角度来看，从程序开发人员的角度来看，O
19、penGL是一组绘是一组绘图命令的图命令的API集合。利用这些集合。利用这些API能够方便地描述能够方便地描述二维和三维几何物体，并控制这些物体按某种方二维和三维几何物体，并控制这些物体按某种方式绘制到显示缓冲区中。式绘制到显示缓冲区中。*22图形的标准化和窗口系统OpenGL特点特点n跨平台特性跨平台特性lOpenGL与硬件、窗口和操作系统是相互独立与硬件、窗口和操作系统是相互独立的。为了构成一个完整功能的图形处理系统，的。为了构成一个完整功能的图形处理系统，其设计实现共分其设计实现共分 5 层：图形硬件、操作系统、层：图形硬件、操作系统、窗口系统、窗口系统、 OpenGL和应用软件。和应用
20、软件。l 因而，因而， OpenGL可以集成到各种标准窗口和可以集成到各种标准窗口和操作系统中。例如，操作系统包括操作系统中。例如，操作系统包括UNIX，Windows NT， Windows 95/98， DOS等；等；窗口系统包括窗口系统包括X Windows， Microsoft Windows等。等。*23图形的标准化和窗口系统n应用的广泛性应用的广泛性lOpenGL是目前最主要的二、三维交互式是目前最主要的二、三维交互式图形应用程序开发环境，已成为业界最图形应用程序开发环境，已成为业界最受推荐的图形应用编程接口。自从受推荐的图形应用编程接口。自从1992年发表以来，年发表以来，Ope
21、nGL已被广泛地应用于已被广泛地应用于CAD/CAM、三维动画、数字图像处理以、三维动画、数字图像处理以及虚拟现实等领域，三维动画软件及虚拟现实等领域，三维动画软件3D Studio Max就是突出的代表。无论是在就是突出的代表。无论是在PC机上，还是在工作站甚至是大型机和机上，还是在工作站甚至是大型机和超级计算机上，超级计算机上，OpenGL都能表现出它的都能表现出它的高性能和强大威力。高性能和强大威力。*24图形的标准化和窗口系统n网络透明性网络透明性l建立在客户建立在客户/服务器模型上的网络透明性是服务器模型上的网络透明性是OpenGL的固有特性，它允许一个运行在工作的固有特性，它允许一
22、个运行在工作站上的进程在本机或通过网络在远程工作站上站上的进程在本机或通过网络在远程工作站上显示图形。利用这种性质能够均衡各工作站的显示图形。利用这种性质能够均衡各工作站的工作负荷工作负荷,共同承担图形应用任务。共同承担图形应用任务。n高质量和高性能高质量和高性能l无论是在无论是在CAD/CAM、三维动画还是可视化仿、三维动画还是可视化仿真等领域，真等领域，OpenGL高质量和高效率的图形生高质量和高效率的图形生成能力都能得到充分的体现。在这些领域中，成能力都能得到充分的体现。在这些领域中，开发人员可以利用开发人员可以利用OpenGL制作出效果逼真的制作出效果逼真的二、三维图像来。二、三维图像
23、来。*25图形的标准化和窗口系统n出色的编程特性出色的编程特性lOpenGL在各种平台上已有多年的应用实在各种平台上已有多年的应用实践，加上严格的规范控制，因此践，加上严格的规范控制，因此OpenGL具有良好的稳定性。具有良好的稳定性。lOpenGL具有充分的独立性与易使用性等。具有充分的独立性与易使用性等。*26图形的标准化和窗口系统Windows系统下的系统下的OpenGLn#include （基本库）（基本库）lOpenGL的核心函数库，在这个函数库中，提供了的核心函数库，在这个函数库中，提供了115个函数，这些函数都是以个函数，这些函数都是以“gl”为前缀。这类为前缀。这类API的主要
24、的主要功能包括物体描述、平移、旋转、缩放、光照、纹理、功能包括物体描述、平移、旋转、缩放、光照、纹理、材质、像素、位图、文字处理等。材质、像素、位图、文字处理等。l l用用用用OpenGLOpenGL开发的浏览开发的浏览开发的浏览开发的浏览3DS3DS模型的例子模型的例子模型的例子模型的例子l所有所有OpenGL 提供的操作都可以使用这些函数来实现，提供的操作都可以使用这些函数来实现，而且，对于不同的软件和硬件平台，这些函数的使用而且，对于不同的软件和硬件平台，这些函数的使用是是完全相同的，这个特性注定了的，这个特性注定了OpenGL程序完美的可程序完美的可移植性。移植性。*27图形的标准化和
25、窗口系统n#include （实用库）（实用库）lOpenGL基本库的一套子程序，它提供了基本库的一套子程序，它提供了43个个函数，这些函数都是以函数，这些函数都是以”glu”为前缀。基本的为前缀。基本的OpenGL不支持传统图形标准相关的一些几何不支持传统图形标准相关的一些几何对象，为了减少一些编程负担，对象，为了减少一些编程负担，OpenGL提供提供了实用库。主要功能包括绘制二次曲面、了实用库。主要功能包括绘制二次曲面、NURBS（非均匀有理（非均匀有理B样条样条 ）曲线曲面、复）曲线曲面、复杂多边形以及纹理、矩阵管理等。杂多边形以及纹理、矩阵管理等。l实用库中的所有函数全都是由实用库中的
26、所有函数全都是由OpenGL基本库基本库函数来编写的，所以，在使用上和函数来编写的，所以，在使用上和OpenGL基基本库的使用是完全相同的，而且，用户也可以本库的使用是完全相同的，而且，用户也可以使用基本函数库来实现实用库的函数功能。使用基本函数库来实现实用库的函数功能。*28图形的标准化和窗口系统n#include （辅助库）lOpenGL的辅助库是为了方便用户用标准的辅助库是为了方便用户用标准C编编写写OpenGL程序而编写的。程序而编写的。OpenGL是一个图是一个图形标准，所以，在形标准，所以，在OpenGL中没有提供窗口管中没有提供窗口管理和消息事件响应的函数，这样使用标准理和消息事
27、件响应的函数，这样使用标准C 编编写写OpenGL程序是很不方便的，所以提供了辅程序是很不方便的，所以提供了辅助库。它提供了助库。它提供了31个函数，这些函数都是以个函数，这些函数都是以“aux”为前缀。为前缀。OpenGL辅助库提供了一些基辅助库提供了一些基本的窗口管理函数、事件处理函数和一些简单本的窗口管理函数、事件处理函数和一些简单模型的制作函数等，例如，定义窗口的大小、模型的制作函数等，例如，定义窗口的大小、处理键盘时间、鼠标击键事件、绘制多面体等处理键盘时间、鼠标击键事件、绘制多面体等等。等。l目前在集成开发环境中可不用辅助库目前在集成开发环境中可不用辅助库*29图形的标准化和窗口系
28、统DirectX介绍介绍nDirectXDirectX是是MicrosoftMicrosoft公司开发的运行于计公司开发的运行于计算机平台的多媒体控制处理引擎算机平台的多媒体控制处理引擎n能够对显存和硬件直接访问能够对显存和硬件直接访问n图形应用程序接口图形应用程序接口（APIAPI）nDirectXDirectX通过通过COMCOM的技术，以及一套由的技术，以及一套由MicrosoftMicrosoft和硬件厂商共同编写的驱动程序和硬件厂商共同编写的驱动程序和程序库，可以提供对所有设备的硬件级和程序库，可以提供对所有设备的硬件级的控制的控制*30图形的标准化和窗口系统图形部分图形部分nDir
29、ect DrawDirect Draw：负责负责2 2D D加速加速(DirectX8.0(DirectX8.0以上的版本不包含此以上的版本不包含此项项) ) nDirect 3DDirect 3D：负责负责3 3D D加速加速*31图形的标准化和窗口系统声音部分声音部分nDirectAudioDirectAudio：由由DirectSoundDirectSound和和DirectMusicDirectMusic整合整合而成而成；lDirectSound:DirectSound:只支持数字化的声音，不支持只支持数字化的声音，不支持MIDIMIDI。lDirectMusic:DirectMusi
30、c:支持支持MIDI,MIDI,是一种基于是一种基于DLSDLS（Downloadable Downloadable SoundSound）数据的）数据的实时音音乐编排和回放技排和回放技术；nDirectShow DirectShow ：提供了在提供了在windowswindows平台上对多媒体平台上对多媒体数据流的高质量的捕捉和回放的支持；数据流的高质量的捕捉和回放的支持；nDirectShowDirectShow支持多种多媒体格式，包括支持多种多媒体格式，包括AVIAVI、MP3MP3、WAVWAV等；等； *32图形的标准化和窗口系统输入部分输入部分nDirect Input Direc
31、t Input ：提供了对游戏输入设备提供了对游戏输入设备的的支持，包括键盘、鼠标、手柄等；支持，包括键盘、鼠标、手柄等；n支持力反馈设备，模拟使用者的真实感觉。支持力反馈设备，模拟使用者的真实感觉。*33图形的标准化和窗口系统网络支持网络支持nDirectPlayDirectPlay：提供了玩家进行多人游戏中提供了玩家进行多人游戏中信息通讯和玩家互动交流的平台环境；信息通讯和玩家互动交流的平台环境；n提供多种连接方式如提供多种连接方式如TCP/IPTCP/IP，IPXIPX，ModemModem，串口等，使计算机之间互联无障碍；串口等，使计算机之间互联无障碍；*34图形的标准化和窗口系统三维图形高效显示的原理三维图形高效显示的原理n双缓冲技术双缓冲技术l把要显示的物体全部绘制到把要显示的物体全部绘制到“后缓冲区后缓冲区”l快速的把它翻动到可见的快速的把它翻动到可见的“前缓冲区前缓冲区” ” l快速而连续的重复此过程快速而连续的重复此过程n四缓冲技术四缓冲技术l用于真立体感图形的显示用于真立体感图形的显示l类似于双缓冲技术，每个眼睛对应一个双缓冲类似于双缓冲技术，每个眼睛对应一个双缓冲区区l需要立体眼镜需要立体眼镜*35图形的标准化和窗口系统图形的标准化和窗口系统
