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1、第1章 绪论与图形设备,1.1 计算机绘图的发展和研究内容 1.2 计算机绘图系统的组成 1.3 计算机绘图的应用 1.4计算机绘图系统中的图形设备,1.1 计算机绘图的发展和研究内容,1.1.1 计算机绘图的发展概况,显示器,数控铣床,平台式绘图机,滚筒式绘图机,Computer Graphics,硬件设备（光栅扫描显示器、数字化仪、绘图机),理论和软件系统(曲线、曲面、真实感生成等）,1950年 1952年 1959年,1962年,197080,80年代后,AutoCAD、PD、I-DEAS Pro/E,20世纪90年代计算机绘图的研究和发展有以下几个主要特点:图形、图像的研究日益结合，许
2、多商品化的图形处理系统同时具有图形、图像处理功能，这样的系统适应性、实用性更强。(AutoCAD、SolidEdge、Richno）动画技术和自然景物模拟技术的研究更深入，动画软件走俏。(3DS MAX、Flash)为提高CAD/CAM系统的集成化程度，特征造型理论和技术得到较快的发展。（PRO/E、I-DEAS、UG、CATIA),可视化技术、虚拟现实技术（环境模拟）的研究与应用更加广泛。多媒体计算机的发展带动语音输入设备的发展，语音输入设备作为计算机通用输入设备逐渐走向市场。为适应多媒体计算机功能的要求，图像压缩、图形图像特技处理作为关键技术需要进一步去研究。,图形、图像的输入,1.1.2
3、 计算机绘图的研究内容 如何用计算机来处理图形、图像？其研究内容：硬件、软件、图形理论与算法,计算机绘图过程,图形、图像的处理,图形、图像的显示,图形、图像的输出,具体内容有:,（1）计算机绘图系统的硬件配置，图形输入、输出设备的结构、原理及性能（光栅扫描显示器、绘图机）（2）绘图软件的设计与使用，各种绘图软件的开发研究，绘图软件的标准化。（AutoCAD应用及其二次开发方法）（3）图形理论和算法，主要内容有:基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如直线、字符、圆弧二次曲线、图案填充等。,图形变换，即对图形进行比例、平移、旋转、错切、反射变换和对物体进行投影变换。图形裁剪与填充，包括二维开窗裁
4、剪填充、三维裁剪。自由曲线和曲面的插值、逼近、拼接、分解、过渡、光顺、整体和局部修改等。（Bizer、B-spline曲线与曲面）三维图形中隐藏线、隐藏面的消除。二维面素拼合构图（解决二维图形的并、交、差运算）、三维实体造型（研究体素的形成，体素间的并、交、差运算，局部造型等）、特征造型。,真实感图形（即逼真图像）的生成。自然景物（如山、花、草、树、水、火、烟、云、雾等）的模拟生成和虚拟现实环境的生成算法研究。科学计算可视化的研究（如温度、压力、电荷等标量场的可视表示和应力场、电场、磁场等矢量场的可视表示）。(10)图形数据结构及图形数据库。,1.2 计算机绘图系统的组成,1.2.1 计算机绘
5、图系统的功能.输入功能、计算功能、存储功能、交互功能、输出功能 1、计算功能：除了数值计算外，还应包括图形设计的程序库、图形分析的程序库以及描述图形的图形数据库。在图形数据库中应有坐标的几何变换、曲线曲面的形成、图形的交点计算等功能。,2.存储功能 在计算机的内、外存储器中能存放图形数据及其相互关系，便于有关信息的检索以及图形的变更、增加、删除等处理。3.输入功能 通过键盘、图形输入板等输入设备能将图形的形状、尺寸以及必要的参数等送给计算机进行处理。4.对话功能 设计人员能通过显示器观看设计的结果和图形，对不满意的地方，能用图形输入设备以人机对话方式进行修改。,5.输出功能 用于记录和保存设计
6、结果，包括源程序、计算结果、设计图形等。根据需要，可以通过打印机、绘图机等输出结果，便于永久性保存；也可以通过磁盘、磁带、光盘等以文件形式输出，这种输出灵活性大，使用较广。,计算机绘图系统,硬件配置,软件配置,1.2.2 计算机绘图系统的配置,图1.2.1 计算机绘图系统硬件配置,1.主机 主机主要由CPU（中央处理器）和内存储器（RAM,简称内存）组成。绘图系统中的主机有大型机、中型机、小型机以及微型机。2.外存储器 外存储器包括磁带存储器、硬磁盘存储器（简称硬盘）、软磁盘存储器、光盘存储器、磁光盘器存储器、U盘等。,3.图形输入、输出设备 图形输入设备包括键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板
7、等。图形输出设备包括显示器、打印机、绘图机等。关于图形设备的结构原理、性能等请参阅1.3节。,返回配置,1.2.3 计算机绘图系统的软件配置,1.系统软件 系统软件也称为一级软件，它包括各种操作系统（如DOS、UNIX、Windows 98、Windows 2000系列、Windows XP、Windows NT等），各种高级语言系统（如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等），数据库管理系统（如FoxBASE、PARADOX、FoxPro、Oracle等），网络系统（如Novell、Windows NT Server等）。,2.支撑软件 支撑软件也称为二级软件，它是软件公司、高级软件
8、技术人员利用一级软件开发出来的，如绘图软件、动画软件、几何造型系统、有限元分析软件、热分析软件、各种软件平台等。,3.应用软件 应用软件也称为三级软件，它是专业技术人员或软件公司利用一级、二级软件开发出来的各类应用软件，如汽车CAD软件、各类模具CAD软件、建筑CAD软件、服装CAD软件及课程CAI软件等。,1.3 计算机绘图的主要应用,绘制工程图样 CAD/CAM（Computer Aided Design/Manufacturing)CAI（Computer Aided Instruction）过程监控 动画与模拟(Animature and simulation)图形和图像处理,1.4
9、计算机绘图系统中的图形设备,输入设备,显示设备,输出设备,本节介绍主要图形设备的组成、工作原理、性能指标。,1.4.1 图形输入设备,图形输入设备：负责图形的形状、尺寸、绘图命令、菜单项、必要的参数及图形输入的设备。功能：定位 选择 拾取 笔划、数值、字符串,返回图形设备,1.4.1 图形输入设备,图形输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪、图形输入板、数字化仪、触摸屏、数字摄像头、操纵杆、跟踪球、光笔等。键盘是计算机通用的输入设备。通过按键操作，配合各种事先编排好的程序，可以输入字符、图表数据及图形命令等。,返回图形设备,1.鼠标器 种类：鼠标器（mouse）有光电式、机电式和光机式几种类型。工作原
10、理：下图为光电式鼠标器。光电式鼠标器带有特制的反射式衬垫（印有间隔相同的网格），其传感系统是发光二极管(LED)、反射式衬垫和光敏元件。工作时，鼠标在衬垫上移动，通过反射光的强弱变化，系统便能检测出鼠标的移动。,机电式鼠标传感系统是小球、译码轮（由小球带动旋转）、电刷（电位器）。光机式鼠标传感系统是小球、发光二极管、透光译码轮、光敏元件。功能：所有鼠标均有拾取、定位和选择功能。,返回输入设备,2.图形扫描仪 图形扫描仪起步于20世纪70年代中期，到20世纪90年代扫描仪才得到迅猛发展，应用领域不断拓广。功能：图形扫描仪是一种输入设备，它能对已有的图形、图像（或实物）、文字进行扫描并以点阵形式将
11、其输入计算机内供计算机处理。主要用在图形图像处理、排版印刷、人事档案管理、图纸存档管理、文字识别、机器翻译等领域。,工作原理：扫描仪的主要部件为灯管和光电耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）。工作时，灯管点亮，光电耦合器件接收从被扫描物（图片、实物等）上反射或透射（透明胶片扫描仪）的光线，并根据光线的强弱不同将其转换成不同的电平值。种类：按颜色等级划分，扫描仪有黑白式、灰度式和彩色式三种。,返回输入设备,3.图形输入板与数字化仪 结构与工作原理：下图是某电磁感应式图形输入板的外形图，它由台板和游标（或触笔）组成。台板内在X、Y方向有许多平行的印制线，每隔一定距离一条。
12、游标的前端是一检测线圈，当线圈中通有交流信号时，在十字叉线的中心产生一个电磁场。当游标移动时，继而产生感应电流。,种类：按结构与工作原理分，有电位梯度式、电容耦合式、超声波式及电磁感应式等，其中电磁感应式应用较多。功能：具有定位、拾取、选择三个基本功能。主要性能指标有:(1)分辨率:指每英寸或每毫米长度上印制线的条数。(2)数据精度:指图形输入板输出点坐标时的精度。(3)幅面:指可数字化的区域。,返回输入设备,图1.3.3 数字化仪,返回输入设备,4.触摸屏 触摸屏最早应用在机场管制方面，后来作为计算机输入设备应用得越来越广泛。触摸屏是一种能对物体触摸产生反应的屏幕，当人的手指或其他物体触到屏
13、幕不同位置时，计算机能接收到触摸信号并按照软件要求进行相应的处理。按工作原理划分，触摸屏有电阻式、电容式、红外线式、声表面波式几种。,返回输入设备,5.数字摄像头 数字摄像头是一种连机图像实时输入设备，在多媒体课堂教学、视频电话通信、网络会议、电脑摄影等方面有着广泛的应用。数字摄像头的尺寸比鼠标还小，通常安放在显示器或支架上，镜头对着要拍摄的目标。数字摄像头的核心部件是CCD器件。CCD器件很小，面积只有3 mm5 mm，在此面积上分布着250350万个与光学像素点相对应的单元，每一单元又包含红、绿、蓝三列色彩基元，以实现彩色图像输入。CCD将光信号转换为电信号，摄像头内部的电路将电信号再转换
14、为数字信号并直接输入计算机。,返回输入设备,1.4.2 图形显示设备 常用的有光栅扫描图形显示器、液晶显示器（LCD）、等离子体显示器（PDP）等，它们都属于点阵显示设备，其图形显示及显示控制的基本原理是相同的，不同的是监视器的物理结构和“点亮”像素的方式。本节学习（1）基本概念（2）光栅扫描显示器的结构、工作原理（3）字符和图线的生成原理。,返回图形设备,光栅扫描显示器概念,象素点（Pixel):屏幕分辨率(Screen Resolution)点阵纵横比(Aspect Ratio)前景(Foreground)背景(Background),返回显示器,一、显示器的结构组成,1,2,3,1.图形
15、监视器 图形监视器是一个单独的部件，它类似于家用电视机，但无调谐系统。大多数图形监视器采用了电视扫描（光栅扫描）技术来不断刷新屏幕上的图像。图形监视器的核心部件是阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT），与电视机显像管类似。下图为CRT结构示意图。,阴极 当灯丝加热它时发射出电子；控制栅它既控制发射的电子方向又控制电子的发射率；,CRT结构,灯丝、阴极、控制栅、加速电极以及聚焦系统组成电子枪。,加速结构它将提高电子的速度以使电子束轰击荧光屏时能产生一个可见的亮点；聚焦系统 使电子束变细以使它轰击荧光屏时成为一个细小的点；偏转系统 控制电子束在希望的位置轰击荧光屏而产生亮点；荧光粉
16、层 当电子束轰击它时发出辉光。,黑白CRT中仅有一支电子枪，而在彩色CRT中有三支电子枪，其发射的电子束分别轰击荧光粉层上的红、绿、蓝荧光点。彩色CRT的结构示意图如图所示，这是一种带有荫罩板的彩色CRT，可用于光栅扫描图形显示器。,在荫罩式彩色CRT中，三支电子枪分别对应红、绿、蓝（即RGB）三原色。通常，三支电子枪安置成三角形，和CRT表面上的红、绿、蓝荧光点的类似三角形图案相对应，如图所示。,2.帧缓冲存储器 这里的一帧即一屏。帧缓冲存储器（也叫视频存储器），简称帧缓存，用来存放图形信息。帧缓存的地址和屏幕地址是一一对应的（参见图），其中所存的信息就是屏幕上对应位置的图形信息，这些信息在
17、存储器内的分布和大小完全和屏幕上所显示图形的形状及颜色、明暗程度一致。,带有调色板的帧缓存器结构使用较多，图就是这种结构的原理图。从位平面中取出像素的颜色索引（或叫颜色地址、像素值、颜色属性），用此索引查找出红、绿、蓝三原色的亮度值，经过数/模转换器后得到模拟信号，用此模拟信号控制电子枪发出电子束，在屏幕上经过颜色合成后就得到该像素的显示颜色。颜色索引与红、绿、蓝三原色亮度值之间的查找表称为调色板(palette)。它是颜色索引和实际显示色之间的映射。,图1.3.7 具有调色板的帧缓存系统,帧缓冲器的一个重要指标是其存储容量。存储容量可简单地由屏幕分辨率和显示颜色（或灰度等级）估算，计算方法为
18、,存储容量屏幕分辨率,(颜色数),(字节),例如，屏幕分辨率为640480,显示色为16色，则估算的帧缓存器容量为,字节,3.显示控制器,显示控制器的作用是反复扫描帧缓存器，取出像素的颜色值（即实际颜色），并经数/模转换后把模拟信号送给监视器的亮度与色彩控制部件。同时，控制器按像素的X、Y地址控制监视器将电子束偏转到相应的位置，轰击荧光点，产生不同亮度（或色彩）的图像。,返回显示器,光栅扫描显示器的字符与图线生成原理,1、字符的生成 生成方式有点阵式和矢量式。（矢量式后面学习）点阵式即用象素点阵拼成字符。它可以通过硬件和软件来实现，在显示卡内字符发生器里存放256个ASCII字符的编码。,直线
19、的像素化,2、直线的生成 直线是用一系列靠近直线的象素点逼近的。,直线的生成方式有：对称DDA法、简单DDA法、Bresenham算法。DDA(Digital Differential Analyzer)法即为数字微分分析法，基本原理如下：,直线微分方程,象素化得到坐标点的递推公式,对称DDA法,简单DDA法,直线微分方程为:,(x=xb-xa,y=yb-ya),这里(xa,ya)、(xb yb)为直线起点和终点坐标。将上式数字化（即像素化），便可得到下面的递推公式:,当取值不同时，便形成对称DDA法和简单DDA法。,1.对称DDA法 取=2-n,n由下面关系式决定:2n-1Max(|x|,|
20、y|)2n,n为正整数 计算点的公式为 x1=xa+0.5,y1=ya+0.5 xi+1=xi+x,yi+1=yi+y xis=xi,yis=yi,i=1,2,2n,【例2.1】用对称DDA法在起点A（1，1）和终点B（16，8）之间生成一段直线。第一步计算初值x、y、n。这里x=15,y=7,n=4。第二步按递推公式循环计算点的坐标，并取整显示。,2.简单DDA法 取=1/l,l=Max(|x|,|y|)。计算点的公式为,i=1,2,l,返回显示器,1.4.3 图形输出设备 图形绘制设备又称为硬拷贝机，它是在介质（如纸、胶片等）上绘出图形的设备。图形绘制设备分为:1、笔式绘图机：使用绘图笔绘
21、图，属于矢量绘制设备。2、无笔绘图机（如喷墨绘图机、静电绘图机、激光绘图机、热敏绘图机等）：采用诸如喷头、潜像头等这样一些装置来印制图形，它采用某种物理或化学原理来实现图形的绘制，属于点阵绘制设备。3、图形打印机（如激光打印机、喷墨打印机、点阵针式打印机等）。,1.笔式绘图机 笔式绘图机结构及原理简单，绘制线条较光滑，价格较便宜，但噪音相对大，且绘图时间与图形的复杂程度有关。笔式绘图机发展历史较长，技术成熟，其结构原理和控制原理已用在其他设备中，如数控铣床、线切割机床、刻字刻图机、电脑刺绣机等。按绘图机的结构原理划分，笔式绘图机分为滚筒式和平台（板）式两大类。,滚筒式绘图机的结构原理,这种绘图
22、机是用两个电机（步进电机或伺服电机）分别带动绘图纸和绘图笔运动，从而产生图形轨迹。X向电机带动滚筒使纸沿着一个方向（X方向）运动，而绘图笔架在纸上方由Y向电机带动，沿垂直于纸运动的方向（Y方向）运动。早期的滚筒式绘图机使用滚筒安装纸，滚筒两边有链齿，图纸两边有链孔。,平台式绘图机的结构原理,绘图机的主要性能指标有:(1)绘图幅面。绘图幅面通常指标准的图纸尺寸，用A0、A1、A2、A3等表示。许多滚筒式绘图机可加长绘图。(2)绘图速度与加速度。(3)步距（分辨率）。(4)绘图功能。(5)绘图精度：距离精度、重复精度。,2.喷墨绘图机和喷墨打印机 喷墨绘图机和喷墨打印机的硬件结构及图形印制原理类同
23、。喷墨绘图机（或打印机）的核心部件是喷射头，其内部含有多个喷嘴。喷墨绘图（印字）的原理是使墨水或油墨在压力作用下，从尺寸很小的喷嘴喷出，根据构成图形或字符点阵的需要，对墨滴进行控制，使之在记录纸上产生图形、图像、或文字。,喷墨绘图机的主要性能指标有绘图速度、分辨率、幅面等。绘图速度以完成某一幅面图形绘制所需的时间来计算，单位为分钟。分辨率以每英寸像素点数来衡量，单位为dpi，如400 dpi、600 dpi等。喷墨绘图机（或打印机）具有结构简单、出图速度快、噪音小、易实现彩色化、能绘制图形图像并可使用普通纸等优点，是发展很快的硬拷贝设备，已成为大幅面彩色图绘制的主要设备。,3.激光打印机 激光打印机的基本原理是电子照相，包括形成静电潜像、显影、转印、定影几个过程。激光束对应一个点。从打印机内激光器发射出来的连续激光束经图形或字符数据信号调制后就变成含有图形或文字信息的断断续续的激光束了，将调制的激光束投射到不断旋转的硒鼓上使硒鼓表面感光，结果形成图形或文字的静电潜像。,返回图形设备,
