《第3章计算机图形系统及硬件基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章计算机图形系统及硬件基础（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Computer Graphics第3章 计算机图形系统及硬件基础Computer Computer GraphicsGraphics主要内容v计算机中的图形设备 计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，由CPU，图形输出设备和图形输入设备构成。本章将介绍这些图形设备的构造和工作原理。v图形的输入输出处理流程 一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出、交互等基本功能，它们相互协作，完成对图形数据的处理过程。v图形工作站与PC机 PC机主要应用于办公、商务、教学和游戏等通用领域，而工作站主要应用于CAD/CAM 、3D动画以及特定的科学计算和软件开发等专业领域，通常工作站比PC具有更加
2、专业的图形系统、高性能的内存、高速大容量的存储系统、稳定的性能和强大的联网功能。 Computer Computer GraphicsGraphics章节内容概述3.1图形显示原理3.2绘图设备3.3图形输入设备3.4Computer Computer GraphicsGraphics3.1概述v3.1.1计算机系统中的图形设备计算机图形系统用来生成、处理和显示图形，通常由以下三部分构成：中央处理器图形输出设备图形输入设备中央处理器（CPU）l中央处理器完成对图形的描述、建立、修改等各种计算，并对图形实现有效的存储。l许多外设所增加的固化的图形处理功能，可接受更高级的绘图命令，实现图形的缓冲，
3、以及完成大部分图形函数的功能，从而大大减轻了CPU的负担。Computer Computer GraphicsGraphics图形输出设备包括图形显示设备和图形绘制设备图形显示设备: 用于在屏幕上输出图形u基于阴极射线管的监视器u液晶显示器u等离子显示器图形绘制设备: 用于把图形画在纸上，也称硬拷贝u打印机u绘图仪 图形输入设备常用的图形输入设备 u键盘u鼠标另外u跟踪球、空间球u光笔、触摸板、 图形扫描仪u数字化仪、手写输入板u语音输入u数据手套计算机系统中的图形设备Computer Computer GraphicsGraphics图形输出设备包括图形显示设备和图形绘制设备图形显示设备:
4、用于在屏幕上输出图形u基于阴极射线管的监视器u液晶显示器u等离子显示器图形绘制设备: 用于把图形画在纸上，也称硬拷贝u打印机u绘图仪 图形输入设备常用的图形输入设备 u键盘u鼠标另外u跟踪球、空间球u光笔、触摸板、 图形扫描仪u数字化仪、手写输入板u语音输入u数据手套计算机系统中的图形设备Computer Computer GraphicsGraphics3.1.2图形的输入输出处理流程一个计算机图形系统至少应具有计算、存储、输入、输出、交互等基本功能，各功能关系如下：图3.1 图形系统基本功能框图显示器交互输出计算输入存储数据库图形输出设备图形输入设备Computer Computer Gr
5、aphicsGraphics1.计算功能2.存储功能图形数据库可以存放各种图形的几何数据及图形之间的相互关系，实现对图形的删除、增加、修改等操作。计算机图形系统功能计算机图形系统功能3.输入功能4.输出功能5.交互功能包括：图形的描述、分析和设计；投影、透视等几何变换；曲线、曲面的生成；图形之间相互关系的检测等。可将基本的图形数据（如点、线等）和各种绘图命令输入到计算机中，从而构造更复杂的几何图形可在显示器上显示当前的状态以及经过图形编辑后的结果，同时还能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。设计人员可通过显示器或其他人机交互设备直接进行人机通信，对计算结果和图形利用定位、拾取
6、等手段进行修改，给以必要的提示和帮助。Computer Computer GraphicsGraphics图形的基本处理流程l图形输入到计算机中；l对图形进行各种变换和运算；l在输出设备上输出。在交互式的系统中上述过程可重复进行多次，直至产生满意的结果返回Computer Computer GraphicsGraphics3.2 图形显示原理3.2.1 CRT显示器1.CRT显示器显示原理 CRT显示器主要由阴极、电平控制器（即控制极）、聚焦系统、加速系统、偏转系统和阳极荧光粉涂层组成，这六部分都在真空管内。CRT显示器原理图水平偏转板垂直偏转板灯丝阴极聚焦系统加速系统电平控制器石墨层吸收轰击
7、磷粉涂层后逃逸在荧光屏内的杂撒电子送至第二阳极,形成电流回路。 荧光纷（磷粉涂层） 电子枪 偏转系统 荧光屏第一阳极第一阳极 第二阳极第二阳极 偏转线圈 高压入口经石墨层接第二阳极 用于磁偏转系统 用于静电偏转系统荧光屏偏转的电子束图3.2 CRT原理图 Computer Computer GraphicsGraphics2.彩色CRT显示器的显示原理RBGRBGRBGRBGBRBGRGRBGRBGRBGRBGRBGRBGRBGBRBGRG图3.3 荫罩式CRT荧光点的排布方案彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，能发红、绿、蓝三种颜色的光。电子枪与CRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。
8、 电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属网格（即荫罩）。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束都汇聚于荫罩上。这样，就可避免和另外两种颜色的荧光点相交，而只能与自己对应颜色的荧光点相交。图3.4彩色CRT电子枪和荫罩的排布绿枪电子束蓝枪电子束红枪电子束荫罩屏幕红绿蓝荧光点Computer Computer GraphicsGraphics2.彩色CRT显示器的显示原理RBGRBGRBGRBGBRBGRGRBGRBGRBGRBGRBGRBGRBGBRBGRG图3.3 荫罩式CRT荧光点的排布方案彩色CRT光栅扫描显示器有三个电子枪，能发红、绿、蓝三种颜色的光
9、。电子枪与CRT屏幕上的三角形红、绿、蓝荧光点相对应。 电子枪和对应的荧光点必须在一条直线上。在电子枪和荧光屏之间放置一个有孔的金属网格（即荫罩）。调整彩色电子枪的排布方式可让三个电子束都汇聚于荫罩上。这样，就可避免和另外两种颜色的荧光点相交，而只能与自己对应颜色的荧光点相交。图3.4彩色CRT电子枪和荫罩的排布绿枪电子束蓝枪电子束红枪电子束荫罩屏幕红绿蓝荧光点Computer Computer GraphicsGraphics两个概念-刷新频率和隔行扫描技术 刷新频率刷新频率v刷新一次指电子束从上到下将荧光屏扫描一次，只有刷新频率高到一定值后，图像才能稳定显示。 隔行扫描技术隔行扫描技术奇数
10、场从第一行开始，水平回扫用虚线表示1234567图3.5有7条扫描线的隔行扫描v扫描从奇数场左上角开始，每一行都是自左向右同时以一个较低的速率向下移动，当扫描线到达屏幕右端时，就将其隐去并迅速返回屏幕左端。这个过程称为水平回扫。v当整场扫描完毕时，接着扫描线迅速回到屏幕顶部中央，这就是奇数场垂直回扫。v接着进行偶数场扫描，偶数场扫描结束于屏幕右下角，垂直回归后电子束返回屏幕左上角。Computer Computer GraphicsGraphics3.光栅扫描式图形显示器 可把光栅图形显示器看做许多离散点组成的矩阵，每个点都可以发光。 显然，只有画水平、垂直或正方形的对角线时，才能用点或像素画
11、出一条真正的直线，其他情况下的直线均呈阶梯状，这种现象称为走样或锯齿(如图3.6所示)。采用反走样技术可适当减轻阶梯效果。图3.6光栅化的直线(b)ABCD图像元素或象素可寻址点B(a)AComputer Computer GraphicsGraphics概念-帧缓冲存储器（帧缓存）1)帧缓冲存储器是一块连续的存储空间。2)光栅中的每个像素在帧缓存中至少要有1位（bit）,每个像素1位的存储容量称为位面（bit plane）。画面就是由帧缓存中的这些位信息组成的。 3)图形在计算机中是一位一位产生的，每一个存储位只有0或1两个状态，因此一个位面的帧缓存只能产生黑白图形。4)帧缓存是数字设备，光
12、栅显示器是模拟设备，要把帧缓存中的信息在光栅显示器屏幕上输出必须经过数字/模拟转换，这个工作由DAC（数模转换器）完成。实现光栅CRT图形显示器的最常见方法是使用帧缓存。图3.7具有1位帧缓存的黑白光栅显示器结构图帧缓冲存储器CRT光栅电子枪寄存器1DACComputer Computer GraphicsGraphics 光栅图形显示器中需要有足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。 如图3.8，显示器上每个像素的亮度由N个位面中对应的每个像素位置的内容共同决定，即每一位的二进制被存入指定的寄存器中,该寄存器中二进制的数被翻译成灰度等级，其范围在02N1之间。N00帧缓冲存储
13、器1N=3 2N级1004 2N DAC寄存器N电子枪CRT光栅图3.8具有N位帧缓存的黑白灰度光栅显示器结构图帧缓冲存储器（帧缓存）Computer Computer GraphicsGraphics帧缓冲存储器（帧缓存） 为避免帧缓存的增加，可采用颜色查找表来提高灰度级别，如图3.9所示，帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，颜色查找表必须有2N项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可有2W灰度等级，但每次只有2N个不同灰度等级可用。 图3.9具有N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器结构图N=3 2N表项N00帧缓冲存储器11004寄存器N2N为总光强等级2W为每次可显示 光强等级电子枪11
14、W查找表 2W DAC1 0 1 1W=4CRT光栅图3.10为简单的彩色光栅显示器，由分别对应红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的三个位面的帧缓存，DAC，三个电子枪和CRT光栅组成。CRT光栅300帧缓冲存储器1寄存器彩色电子枪0DAC蓝0DAC绿1DAC红图3.10一个简单的彩色帧缓冲存储器Computer Computer GraphicsGraphics帧缓冲存储器（帧缓存） 为避免帧缓存的增加，可采用颜色查找表来提高灰度级别，如图3.9所示，帧缓存中的位面号为颜色查找的索引，颜色查找表必须有2N项，每一项具有W位字宽。当W大于N时，可有2W灰度等级，但每次只有2N个不同灰度等级可用
15、。 图3.9具有N位帧缓存和W位颜色查找表的光栅显示器结构图N=3 2N表项N00帧缓冲存储器11004寄存器N2N为总光强等级2W为每次可显示 光强等级电子枪11W查找表 2W DAC1 0 1 1W=4CRT光栅图3.10为简单的彩色光栅显示器，由分别对应红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的三个位面的帧缓存，DAC，三个电子枪和CRT光栅组成。CRT光栅300帧缓冲存储器1寄存器彩色电子枪0DAC蓝0DAC绿1DAC红图3.10一个简单的彩色帧缓冲存储器Computer Computer GraphicsGraphics 对每个颜色的电子枪可通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如图
16、3.11，每种原色电子枪有8个位面的帧缓存和8位的DAC，每种原色有28种灰度等级，三种原色的组合有224种颜色。彩色电子枪蓝8位DAC8位DAC8位DAC绿红3寄存器蓝 17210011001N3绿 1200011000帧缓冲存储器3红 360001000 1CRT光栅图3.11一个具有24位面的彩色帧缓冲存储器帧缓冲存储器（帧缓存） 若各组位面存放的不是直接的颜色值而是颜色查找表的地址索引，则全色帧缓存的颜色还可进一步丰富。彩色电子枪8N8寄存器帧缓冲存储器8W位DAC红W位DAC绿W位DAC蓝CRT光栅2N表项颜色查找表W = 10图3.12一个具有24位面的彩色帧缓存和10位颜色查找表
17、的结构图Computer Computer GraphicsGraphics光栅扫描显示器的主要性能参数v分辨率指显示器在屏幕水平(垂直)方向可显示多少像素分辨率越高，显示的字符或图像越清晰v亮度等级数目和色彩指单种颜色亮度可变化的数目亮度等级范围的提升可使图像看上去更柔和自然v点距指相邻像素点之间的距离（即像素的直径）v显示速度指显示字符、图形，特别是动态图像的速度Computer Computer GraphicsGraphics4.随机扫描的图形显示器v随机扫描的图形显示器是画线设备，在屏幕上显示一条直线是从屏幕上的一个可编址点直接画到另一个可编址点。v电子束的定位和偏转具有随机性，在某
18、一时刻，显示屏上只有一个光点发光，因而可画出线很细的图形，故又称之为画线式显示器。基本工作过程v从显示文件存储器中取出指令送到显示控制器。v显示控制器控制电子束的偏转，轰击荧光屏上的荧光材料，从而呈现出一条发亮的图形轨迹。v由于屏幕采用短余辉的荧光粉，因此，必须不断地重复扫描显示文件（即刷新），以获得稳定的画面。Computer Computer GraphicsGraphics3.2.2 液晶显示器液晶显示器（LCD）依驱动方式分为静态驱动、单纯矩阵驱动和主动矩阵驱动3种。1.液晶的物理特性v液晶即液态晶体，具有线状结晶结构的分子，可象液体那样流动。v液晶分子的排列柔软易变形，受电场、磁场、
19、温度、应力等外部条件作用时会重新排列。v当通电和不通电时液晶分子处于两种不同的排列，一种排列光线容易通过，而另一种排列阻止光线通过。 Computer Computer GraphicsGraphics2.单色液晶显示器的原理v在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之间。 v液晶显示器依靠极化滤光器（片）影响光线穿过液晶。只有两个滤光器的线完全平行，或者通过第一个极化滤光器的光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿过第二个极化滤光器。 如图3.13所示，两个极化滤光器互相垂直，穿过第一个极化滤光器的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲90，正好可以穿过第二个极化滤光器。光线方
20、向3.13光线穿透示意图Computer Computer GraphicsGraphics2.单色液晶显示器的原理v在液晶显示器中，液晶是灌入两个列有细槽的平面之间。 v液晶显示器依靠极化滤光器（片）影响光线穿过液晶。只有两个滤光器的线完全平行，或者通过第一个极化滤光器的光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿过第二个极化滤光器。 如图3.13所示，两个极化滤光器互相垂直，穿过第一个极化滤光器的光线，经过扭曲的液晶后，光线被扭曲90，正好可以穿过第二个极化滤光器。光线方向3.13光线穿透示意图Computer Computer GraphicsGraphics 但若为液晶加一个
21、电压，液晶分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，将被第二个滤光器挡住。如图3.13所示单色液晶显示器的原理3.14光线阻断示意图v液晶材料本身不发光，所以显示屏两边设有作为光源的灯管v液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜，背光板由荧光物质组成，可以发射光线.v背光板发出的光线穿过第一层偏振过滤层后进入液晶层。v玻璃板与液晶材料之间的透明电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，从而改变屏幕上相应像素的亮度。Computer Computer GraphicsGraphics3.单色液晶显示器的工作原理v彩色LCD要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。v彩色LCD面
22、板中的每一个像素由3个液晶单元格构成，每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线可在屏幕上显示出不同的颜色。 4. 液晶显示器的特点v优点：工作电压低、功耗小；无辐射，对人体健康无损害；完全平面，无闪烁、失真，可视面积大，又薄又轻，能大量节省空间；抗干扰能力比CRT显示器强得多。 v缺点：视角太小、亮度和对比度不够大 Computer Computer GraphicsGraphics3.2.3 等离子显示器 等离子显示器是新一代显示设备，它采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术。1.等离子显示器的工作原理v 等离子显示器由密封在玻璃膜夹层中的晶格矩阵（光
23、栅）组成，每个晶格充有低压气体。v 在高电压作用下，气体会电离解。所以这种显示器称为等离子显示器。v 当电子又重新与原子结合在一起时，气体就会释放出具有特征的辉光。直流激发的等离子显示器的基本结构如下图所示。阴极阴极玻璃玻璃电介质隔板电介质隔板透明阳极透明阳极玻璃玻璃气泡气泡图3.15 直流激发的等离子显示器的基本结构 Computer Computer GraphicsGraphics2.等离子显示器的特点v优点：重量较轻、完全无X射线辐射；屏幕亮度非常均匀，不存在明显的亮区和暗区；不存在某些区域聚焦不良或散焦的毛病 ；屏幕更平展，观察视角更大 。 v缺点：价格较高 显示屏上的玻璃较薄使屏幕
24、较脆弱。Computer Computer GraphicsGraphics3.2.4 3种显示技术的比较性质阴极射线管液晶显示器等离子显示器功耗大小中屏幕大小大厚度大小小平面度一般好好亮度好适中好分辨率中一般好对比度中差好灰度等级好差好视角大小大色彩丰富中丰富价格低中高Computer Computer GraphicsGraphics3.2.4 3种显示技术的比较性质阴极射线管液晶显示器等离子显示器功耗大小中屏幕大小大厚度大小小平面度一般好好亮度好适中好分辨率中一般好对比度中差好灰度等级好差好视角大小大色彩丰富中丰富价格低中高Computer Computer GraphicsGraphi
25、cs3.2.5 显卡v显卡根据CPU提供的指令和有关数据将程序运行过程和结果进行相应的处理、并转换成显示器能够接受的文字和图形显示信号，通过屏幕显示出来。v显示器必须依靠显卡提供的显示信号才能显示出各种字符和图像。 常见显卡的结构中包括：显卡BIOS芯片、图形处理芯片、显存、数模转换器(RAMDAC)芯片、接口等。下图为显卡的工作原理。计算机接口主芯片显示存储器RAMDAC显示器显卡 3.16显卡工作原理图Computer Computer GraphicsGraphics1. 显卡BIOS芯片v显卡BIOS芯片主要用于保存VGA(Video Graphics Array，视频图形阵列)BIO
26、S程序。vVGA BIOS是视频图形卡基本输入、输出系统，主要用于显卡上各器件之间正常运行时的控制和管理。2. 图形处理芯片v图形处理芯片是显卡的核心，可将它看作是完成图像生成与操纵的、独立于CPU的一个本地处理器，它管理与系统总线的接口，这个接口应具有零等待的猝发式传送能力。v图形处理芯片的主要作用是依据设定的显示工作方式，自主地、反复不断地读取显示存储器中的图像点阵数据，即刷新屏幕。图形处理芯片应具有：一个由系统总线至显示存储器总线的通路颜色查找表的功能 图形加速功能 Computer Computer GraphicsGraphics3.显示存储器v显存(也称为“帧缓存”)的用途主要用来
27、保存图形显示数据，然后由数模转换器转换为模拟视频信号再提供给显示器使用。显存的大小直接影响到显卡可以显示的颜色多少和可以支持的最高分辨率。v衡量显存的技术性能的指标 数据存取速度（可通过工作时钟频率体现）显存容量 显存的种类v单端口显存：从显示芯片读取数据以及向RAMDAC传输数据都是经过同一个端口，这样数据的读写和传输就无法同时进行。v双端口显存：可以同时进行数据的“读”和“写”，从而提高了显存的效率，满足了高分辨图形显示的需要。Computer Computer GraphicsGraphics4. 数模转换器v将数字信号转换为模拟信号，使显示器能够显示图像v数模转换器的另一个重要作用是提
28、供显卡能够达到的刷新率，它也影响着显卡输出的图像质量。v技术指标：主要是工作时钟频率3.2.6 显卡对OpenGL的支持vOpenGL为图形设备的软件接口，只要操作系统安装了支持OpenGL的显卡以及对OpenGL支持的应用程序就可以使用vOpenGL的主要目的是把二维和三维的图形图像绘制到帧缓存中。vOpenGL的功能由主CPU转移到加速卡上实现，大大加速了图形的处理速度。返回Computer Computer GraphicsGraphics3.3 绘图设备 3.3.1 喷墨绘图机 喷墨绘图机是一种光栅类型的图形输出设备，基本原理是将小墨点喷射到介质上。 如图3.14所示，绘图机的墨水泵将
29、黄、品红、青三种颜色的墨水分别注入3支很细的喷笔中。在高压下，墨水通过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。 图3.17喷墨绘图机的结构绘图机控制部件墨水泵滚筒喷笔笔架丝杠电机步进电机纸或胶片v喷墨绘图机的分辨率取决于墨滴的大小，也就是喷嘴的大小。v某些喷墨绘图机可以接收视频及数字信号，因此可用于光栅显示屏幕的硬拷贝，此时图像分辨率受到视频输入分辨率的限制。Computer Computer GraphicsGraphics3.3 绘图设备 3.3.1 喷墨绘图机 喷墨绘图机是一种光栅类型的图形输出设备，基本原理是将小墨点喷射到介质上。 如图3.14所示，绘图机的墨水泵将黄、品红、青三种颜色的墨水
30、分别注入3支很细的喷笔中。在高压下，墨水通过喷笔内细而长的玻璃毛细管喷到纸上。 图3.17喷墨绘图机的结构绘图机控制部件墨水泵滚筒喷笔笔架丝杠电机步进电机纸或胶片v喷墨绘图机的分辨率取决于墨滴的大小，也就是喷嘴的大小。v某些喷墨绘图机可以接收视频及数字信号，因此可用于光栅显示屏幕的硬拷贝，此时图像分辨率受到视频输入分辨率的限制。Computer Computer GraphicsGraphics3.3.2 激光打印机 激光打印机是一种既可用于打印字符又可用于绘图的设备 。激光打印机的工作原理1）激光打印机主要由感光鼓、粉盒、打底电晕丝和转移电晕丝等组成，如图（a）所示。 滚筒转移电晕丝打印纸打
31、底电晕丝感光鼓碳粉(a) 2）激光打印机开始工作时，感光鼓旋转通过打底电晕丝，使整个感光鼓的表面带上电荷，如图（b）所示。 打底电晕丝(b)+鼓表面未带电荷感光鼓旋转方向鼓表面带电荷Computer Computer GraphicsGraphics3）打印机处理器将打印数据转换成可以驱动打印引擎动作的类似数据表的信号组，并送至激光发射器。发射器发射的激光照射在多棱反射镜上，随着反射镜的转动，不断变换角度，将激光点反射到感光鼓上，如图（c）所示。(c)碳粉滚筒感光鼓旋转方向4）感光鼓上被激光照到的点将失去电荷，在感光鼓表面形成一幅肉眼看不到的磁化现象。感光鼓旋转到上粉盒，其表面被磁化的点将吸附
32、碳粉形成碳粉图像，如图（d）所示。 (d)感光鼓碳粉转移电晕丝激光打印机的工作原理Computer Computer GraphicsGraphics激光打印机的优点v有效利用了激光定向性、单色性和能量密集性，并结合了电子扫描技术的高灵敏度和快速存取等特性。v输出图形图像的质量非常高，分辨率可达300600点/英寸。v图形及文本质量非常高，可直接作为制版的原稿。 5）打印纸从感光鼓和转移电晕丝之间通过，转移电晕丝将产生比感光鼓上更强的磁场，碳粉受吸引从感光鼓上脱离，向转移电晕丝方向移动，结果是在不断向前运动的打印纸上形成碳粉图像。打印纸继续向前运动，通过高温的溶凝部件，定型在打印纸上，产生永久
33、图像，如图（e）所示。(e)多棱反射镜激光发射器激光打印机的工作原理Computer Computer GraphicsGraphics3.3.3 笔式绘图机 笔式绘图机是矢量型设备，操作过程中，绘图笔相对纸作随意移动。笔式绘图机分为滚筒式和平板式。滚筒式绘图机平板式绘图机1. 滚筒式绘图机 笔和纸都是运动的。绘图纸卷在滚筒上，步进电机带动链轮作正向和反向旋转，带动图纸作X方向的正向和负向运动，两种运动的结合使画笔画出各种图形。图3.19滚筒式绘图机结构Y Y方向步进电机方向步进电机X X笔架笔架落笔落笔抬笔抬笔+ +X X+ +Y YComputer Computer GraphicsGra
34、phics2. 平板式绘图机 绘图笔在纸上沿X和Y两个方向运动，图纸通常静止不动，装有笔架的导轨作X方向移动，笔架在导轨上作Y方向移动，两种运动配合画出多种图形。图3.20平板式绘图机结构X方向步进电机Y方向步进电机+Y抬笔落笔+X 平板式绘图机的分类v机械传动驱动装置一般为钢丝绳或齿轮条箱速度低、精度低、寿命短，价格相对便宜 v平面电机驱动绘图台有两块平板，上面的平板称为滑动导板，即电机定子。画笔装在电机动子的下部，画笔之下是绘图台板。返回Computer Computer GraphicsGraphics2. 平板式绘图机 绘图笔在纸上沿X和Y两个方向运动，图纸通常静止不动，装有笔架的导轨
35、作X方向移动，笔架在导轨上作Y方向移动，两种运动配合画出多种图形。图3.20平板式绘图机结构X方向步进电机Y方向步进电机+Y抬笔落笔+X 平板式绘图机的分类v机械传动驱动装置一般为钢丝绳或齿轮条箱速度低、精度低、寿命短，价格相对便宜 v平面电机驱动绘图台有两块平板，上面的平板称为滑动导板，即电机定子。画笔装在电机动子的下部，画笔之下是绘图台板。返回Computer Computer GraphicsGraphics3.4 图形输入设备v各种图形模型的建立、操作和修改都离不开图形输入设备。v常用的图形输入设备有： 键盘、鼠标光笔、数字化仪触摸板、图形扫描仪、手写输入板语音输入、数据手套3.4.1
36、 光笔v光笔有选图和跟踪两种基本功能。选图（又称标定或指点）是对显示器上已显示的图形或字符进行加工处理。跟踪是用光笔拖动光标实现定位，可用于图形编辑。Computer Computer GraphicsGraphics 光笔的形状和普通钢笔相似，它由透镜、光导纤维、光电元件、放大整形电路和接触开关组成（如下图）。图 3.21光笔结构示意图光笔光笔的优缺点 优点与触摸屏的设备相比较，价格便宜许多； 在一些不适宜使用鼠标的地方，可以起到替代作用。 缺点 手和笔迹可能将遮挡屏幕图像的一部分； 会造成手腕的疲劳； 光笔不能检测黑暗区域内的位置； 会因房间背景光的影响产生误读现象。Computer Co
37、mputer GraphicsGraphics3.4.2 数字化仪和手写输入板1. 数字化仪 数字化仪是一种把图形转变为计算机能接受的数字形式的专用设备，它可以采样几何图形上的关键数据点，然后由程序进行处理。 数字化仪的工作原理：v在一块布满金属栅格的绝缘平面板上放置一个可移动的定位设备；v当电流通过定位设备上的电感线圈时产生相应的感应电流；v根据已产生电流的金属栅格的位置，判断出定位设备当前所处的坐标位置传送给计算机，就实现了图形的数字化。 Computer Computer GraphicsGraphics数字化仪的主要技术指标： l最大有效幅面指能够有效地进行数字化操作的最大面积，一般按
38、照工程图纸的规格来划分。 l数字化的速率每秒几点到几百点，多采用可变方式，由用户选择。 l最高分辨率指输出坐标显示值增加1的最小可能距离，一般每毫米几十线到几百线。最高分辨率取决于电磁技术。 2.手写输入板手写输入板是最常见的定位设备，工作原理同数字化仪相同，不同之处是前者的台面较小，分辨率也低；而后者的台面较大，分辨率和精度也高。 Computer Computer GraphicsGraphics3.4.3触摸屏 触摸屏是一种定位设备，它通过手指触摸屏幕显示的物体或位置来实现选择的操作。根据采用的技术不同分为电子式、光学式和声学式触摸屏。 1. 电子触摸屏v将一个两层导电和高透明度的物质做
39、的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上，再装到屏幕上，或直接涂到屏幕上。v两个透明涂层之间约有0.0025mm的距离，当手指触到屏幕时，在接触点产生一个电接触，使该点处的电阻发生变化。通过测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。 Computer Computer GraphicsGraphics3.4.3触摸屏 触摸屏是一种定位设备，它通过手指触摸屏幕显示的物体或位置来实现选择的操作。根据采用的技术不同分为电子式、光学式和声学式触摸屏。 1. 电子触摸屏v将一个两层导电和高透明度的物质做的薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上，再装到屏幕上，或直接涂到屏幕上。v两个透明涂层之间约有0.0025mm的距离，当手指触
40、到屏幕时，在接触点产生一个电接触，使该点处的电阻发生变化。通过测得电阻的改变量就能确定触摸的位置。 Computer Computer GraphicsGraphics2. 光学触摸屏v利用红外线和光电转换原理制成。v与屏幕尺寸相仿的框架的水平和垂直边框上各安装均匀密布的红外线发送器和接收器。v使用时把框架安装在屏幕四周，用手指在屏幕上点一下，在指点处障碍物挡住了一条垂直红外线和一条水平红外线，相应的两个红外线接收器发出电信号，根据发出信号的接收器所在位置可知障碍物所在点坐标，将坐标值送入计算机进行处理。3. 声学触摸屏v由发射器、反射器和触摸屏等组成v声源发射器沿玻璃板的水平和垂直方向交替地
41、发射高频声波脉冲，当用手指触摸屏幕时，有一部分声波被反射回声源处，通过计算声波脉冲从发射到反射回声源发射器的时间间隔，来确定手指的位置。 Computer Computer GraphicsGraphics3.4.4图形扫描仪 图形扫描仪是直接把图形（如工程图纸）和图像（如照片、广告画等）扫描并输入到计算机中，以像素信息进行存储表示的设备。 图形扫描仪的模块框图220V+5 V-5 V+12 V-12 V透镜荧光灯被扫描的材料步进电机计算机打印机或绘图仪荧光灯电源CCD驱动器电源信号处理器步进电机驱动控制器输出接口存储器微机系统图3.22 扫描仪的模块框图Computer Computer G
42、raphicsGraphics电荷耦合器件(CCD)扫描仪的工作原理用光源照射被扫描的材料，投射光线经过一组光学镜头射到CCD器件上，再经模/数转换器，图像数据暂存器等，最终输入到计算机或图形/文字输出设备中。为了使投射在被扫描材料上的光线分布均匀，扫描仪中使用的是长条形光源。 Computer Computer GraphicsGraphics3.4.5数字墨水 数字墨水是一种新的以人为中心的人机界面技术，它充分利用了书写的自然性和墨水丰富的表达能力，可直接使用手写内容。 v数字墨水的处理包括了数字墨水的表示、压缩和显示，智能的墨水分析，墨水标记和注解，墨水的智能操作以及墨水存储和搜索等技术
43、。 v数字墨水可用“墨水格式”（ink文件）进行保存。Computer Computer GraphicsGraphics3.4.6数据手套v数据手套测量戴者手指的运动，并传送给计算机，复杂的数据手套也测量肘和腕的运动。v数据手套可包含控制按钮，也可作为输出设备v数据手套能够指向、握紧或推动物体。 数据手套由一系列 检测手和手指三维位置和运动的传感器构成。 也可以使用机电技术，在手套的指关节中嵌入压力传感器。 Computer Computer GraphicsGraphics3.4.6数据手套v数据手套测量戴者手指的运动，并传送给计算机，复杂的数据手套也测量肘和腕的运动。v数据手套可包含控制按钮，也可作为输出设备v数据手套能够指向、握紧或推动物体。 数据手套由一系列 检测手和手指三维位置和运动的传感器构成。 也可以使用机电技术，在手套的指关节中嵌入压力传感器。 Computer Computer GraphicsGraphics3.4.7三维鼠标v是三维空间控制器的一种，有六个自由度，分别描述三维对象的宽度、深度、高度、 俯仰角、转动角、偏转角。三维鼠标产生的空间位置是相对的，多用于需要三维空间绝对定位技术的应用系统（如虚拟现实系统）。 返回
