第2章图形系统和标准化.ppt

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1、第2章 图形系统和标准化,内容提要,图形系统的组成 常用的图形输入输出设备 图形处理器和工作站图形软件标准和窗口系统,21 图形系统的组成与功能,计算机图形系统是计算机图形硬件和图形软件的集合。图形硬件包括具有图形处理能力的计算机、图形显示器以及鼠标和键盘等基本交互工具，还有图形输入板、绘图仪、图形打印机等输入输出设备，以及磁盘、光盘等存储设备。图形软件包括计算机系统软件、高级语言、图形处理软件和应用软件。,图形系统的组成,计算机,图形显示终端,绘图仪,图形输入板,硬盘,光盘驱动器,鼠 标,图形系统的基本功能,一个计算机图形系统至少应当具有计算、存储、对话、输入、输出五个方面的基本功能。（1）

2、计算功能：图形系统应能实现设计过程中所需要的计算、变换和分析功能，如直线、曲线、曲面等几何因素的生成，坐标的几何变换，线段和形体间的求交、裁剪计算以及光、色模型的建立等，都需要快速的计算能力。（2）存储功能：在计算机的内存、外存中能存放图形数据，尤其是存放形体几何元素（点、边、面）之间的连接关系以及各种属性信息，并且可基于设计人员的要求对有关信息进行实时检索、修改、增加、删除等操作。（3）对话功能：图形系统应能通过图形显示器及其它人-机交互设备直接进行通信。利用定位、拾取等手段，输入或获取各种参数，同时应能领会人的意图，接收各种命令，实现增、删、改等操作，并能观察设计结果。（4）输入功能：把图

3、形设计和绘图过程中的有关定位、定形尺寸及必要的参数和命令输入到计算机中去。（5）输出功能：图形系统应能在屏幕上显示出设计过程当前的状态，经过增、删、改后的结果，在得到满意的设计结果或其它输出要求时，应能通过绘图仪、打印机等设备实现硬拷贝输出，以便长期保存。,图形系统的选择,在选择一个图形系统时，首先要对图形硬件和软件的组成做出合理的选择，其次还要考虑以下的因素：（1）系统如何与其他工作过程相互配合，如生产、设计以及人们的使用经验和习惯；（2）经济因素，以最少的投资获得最大的收益，避免浪费；（3）系统安装、运行、维护、管理的条件，选择要求硬件配置低、易于使用和维护的图形系统；（4）用户接口，选择

4、界面友好，操作方便的图形系统。不少用户对图形系统了解不全面，他们只愿意出钱买硬件，不愿意花钱买软件，这往往也使得图形硬件得不到充分的发挥。目前采用的图形系统最流行的是个人计算机图形系统和工作站，再配上相应的图形输入输出设备和图形软件。,2.2 常用的图形输入输出设备,在一个基本的计算机图形系统中，图形输入设备是将用户的图形数据、各种命令转换成电信号传送给计算机，图形输出设备是将计算机处理好的结果转换成图形呈现在用户面前，如图形的显示、绘制和打印。221 图形输入设备图形输入设备从逻辑上分为六种，如表2.1所示。但实际的图形输入设备往往是某些逻辑输入功能的组合。表2.1 图形输入设备的逻辑分类,

5、下面简要介绍几种常见的图形输入设备。（1）鼠标器（Mouse）鼠标器是一种移动光标和做选择操作的计算机输入设备，它和键盘一起成为现在计算机主要的输入工具。随着“所见即所得”（What you see is you want）环境越来越普及，使用鼠标器的机会也越来越多。鼠标器的工作原理是：当移动鼠标器时，它把移动距离及方向的信息变成电脉冲送给计算机，计算机再把电脉冲转换成鼠标器光标的坐标数据，从而达到指示位置的目的。在图形系统中，鼠标器可用来进行图形定位、选择对象、拾取图形信息等功能。目前常用的鼠标器根据测量位移的部件可分为机械式、光电式和光机式三种。根据按键可分二键、,三键、四键式鼠标，在不同

6、的图形软件中定义鼠标按键的操作方式和功能各不相同。鼠标器按键一般具有下述五种操作方式：点击（Click）是按下一键并立即释放，掀住（Press）是按下一键不释放，拖动（Grag）是按下一键不释放，并移动鼠标器，同时按住（Chord）是同时按下两个或三个键，并且立即释放，改变（Change）是不移动鼠标器，连续点击同一个键二次或三次，也称为双击或三击。（2）坐标数字化仪（Digitizer）坐标数字化仪式一种把图形转变成计算机能够接收的数字形式专用设备，是常见的定位设备，其基本原理是采用电磁感应技术。数字化仪由两部分组成，一个是坚固的、内部有金属栅格阵列的,图板，在它上面对图形进行数字化；另一个

7、是游标，由它来提供图形的位置信息，一般的游标上面有一个叉丝和多个按键组成，如4键、16健等，每个键都可以定义特定的功能。如图2.2所示。坐标数字化仪的工作原理：图板在x,y方向上布满了金属栅格，游标中有一个线圈，当线圈中通有电流信号时，游标十字叉丝的中心便产生一个电磁场，当游标在平板上移动时，平板下的印制线上就会产生感应电流。印制板周围的多路开关等线路可以检测出最大信号的位置，即十字叉丝中心所在的位置，从而得到该点的坐标值。另外一个与坐标数字化仪在结构和原理上类似的设备叫图形输入板（Tabet），只是面积较小而已，常见的面积为280mm280mm。,在选择和购买坐标数字化仪时要考虑一下主要性能

8、指标。最大有效幅面：指能够有效地进行数字化操作的最大面积，一般按工程图纸的规格来划分，如A4,A3,A1,A0幅面等。数字化速度：由每秒几点到每秒几百点，大多采用可变方式，由用户进行选择。最高分辨率：分辨率是指坐标数字化仪的输出坐标显示值增加1的最小可能距离，一般为每毫米几十线到几百线之间。最高分辨率取决于对电磁感应信号的处理方法和技术。（3）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）扫描输入到计算机中，以像素信息的形式进行存储的设备。按照所支持的颜色分类，可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按扫描宽度和操作方式可分为大型扫描仪、台式扫描仪和手持式扫描仪。图形扫描仪和数

9、码相机等输入设备在计算机中都是以图像形式存储和显示，因此是图像处理的常用设备。不过有图形与图像之间关系与转换日益紧密，在图形处理系统中也离不开这些设备。其它的输入设备还包括光笔、触摸屏、跟踪球、操纵杆、语音识别器等。222 图形输出设备,图形输出设备包括图形显示设备及各种绘图仪和打印机。（1）图形显示器图形显示器是计算机图形系统中不可缺少的设备，现在使用的图形显示器主要是采用阴极射线管（CRT）原理的显示器，另外还有液晶显示器（LCD）、等离子显示器等。下面主要介绍CRT显示器。CRT显示器按照所显示的颜色来分，可分为单色显示器和彩色显示器。按照工作原理可分为随机扫描图形显示器、存储管式图形显

10、示器和光栅扫描式图形显示器三种，前两种方式的显示器已基本被淘汰，现在用的显示器都是光栅扫描式图形显示器。下面比较详细地介绍光栅扫描式图形显,示器的工作原理，这对图形和图像编程很有帮助。光栅扫描式图形显示器（简称光栅显示器）是画点设备，通过显示器上的像素（Pixel）的亮度、颜色来显示不同的形状和颜色的图形。光栅显示器的性能指标主要有以下几条：分辨率，表示显示器在水平和垂直方向上能够识别出的最大像素数，如640X480,1024X768,1280X1024等；显示尺寸，即显示器用于显示图形的面积，一般用显示器对角线的距离来衡量，如15英寸、17英寸等；点间距：即水平两个相邻像素点中心之间的距离，

11、如.28mm、.31mm显示器等，这是将分辨率和显示尺寸结合起来考虑的一个综合指标，点间距越小，现实的图形或图像就越精细；显示速度：一般用显示器每秒刷新屏幕的次数来表示，,CRT显示器要求刷新频率不低于每妙20-30帧，否则会出现屏幕闪烁现象。早期的显示器刷新频率较低，为了解决屏幕闪烁现象，一般采用隔行扫描线是技术，而现在的显示器刷新品率一般都在每秒50帧以上，通常都是采用逐行扫描显示技术。光栅显示系统由光栅显示器和图形适配器（即显卡）组成。一个黑白光栅显示系统，在显卡的帧缓存（即显存）中，每个像素需要1位存储单元，只有0和1两个状态，只能产生黑白图形。帧缓存是数字设备，光栅显示器是模拟设备，

12、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（D/A）转换，在帧缓存中的每一位像素必须经过存取转换才能在光栅显示器上产生图形。如图2.3所示。,在光栅显示器中，需要用足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的灰度等级和颜色。图2.4是一个具有N位面灰度等级的帧缓存，即显示器上每个像素的亮度是由N个位面中对应的帧缓存单位中的值控制的，即每一位的二进制值（0或1）被存入指定的寄存器中，该寄存器中的二进制数被翻译成灰度等级，其范围在0到2N-1之间。显示器的像素地质通常以左上角为屏幕坐标系的原点（0，0）。亮度等级经数模转换器(D/A)变成驱动显示器电子束的模拟电压，从而显示出不同灰度

13、的图形或图像。例如，对于具有三个位面的帧缓存，分辩率是1024X1024的显示器，需要3X1024X1024位的存储单元，即3M，每个像素可以表示23=8级灰度。为了在有限的帧缓存的条件下显示更多的灰度等级，可以采用查找表技术。,彩色显示器的工作原理如图2.5所示。对于红绿蓝（RGB）三原色彩色显示器，每种颜色对应一个电子枪和帧缓存。如果每个电子枪对应一个位面的帧缓存，那么三个颜色的位面可以表示23=8种不同的颜色。如果每种颜色的电子枪对应N个位面的帧缓存，则每个像素可以表示2NX2NX2N种颜色，例如，每种颜色的电子枪对应8个位面的帧缓存，则每个像素可以表示28X28X28=224，即167

14、77216种颜色，这种显示器称为全色光栅显示器。,常用的颜色有：黑色RGB(0,0,0)，红色RGB(255,0,0)，绿色RGB(0,255,0)，蓝色RGB(0,0,255)，黄色RGB(255,255,0)，青色RGB(0,255,255)，紫色RGB(255,0,255)和白色RGB(255,255,255)。（2）打印机（Printer）图形绘制设备就是将图形画在纸上，也称为硬拷贝设备，分为打印机和绘图仪两种。打印机是廉价的产生图纸的硬拷贝设备，从机械动作上常分为撞击式和非撞击式两种。撞击式打印机使用成型字符通过色带印在纸上，如行式打印机、点阵打印机等。非撞击式打印机常用的技术有：喷

15、墨技术和激光技术。喷墨打印机和激光打印机由于速度快、噪音小，已逐渐替代以往的撞击式打印机。,（3）绘图仪（Plotter）现在常用的是笔式绘图仪（Pen Plotter）。所谓笔式绘图仪就是用墨水笔进行绘图，它是矢量设备，绘图笔相对图纸做随机移动。笔式绘图仪分为滚筒式和平板式两种。顾名思义，平板式笔式绘图仪是在一块平板上铺上图纸进行画图，绘图笔分别由X、Y两个方向进行驱动。而滚筒式绘图仪是在一个滚筒上画图，图纸在一个方向（如X方向）滚动，而绘图笔在另一个方向（如Y方向）移动。如图2.6所示。两类绘图仪都有各自的系列产品，其绘图幅面从A3到A0以及加长A0等。,笔式绘图仪的主要性能指标包括：最大

16、绘图幅面、绘图速度、优化绘图以及绘图所用的语言等。在主机向绘图仪发送图形数据的同时，还要发送指挥绘图仪实现各种动作的命令，如抬笔、落笔、画直线段、画圆弧等，然后由绘图仪去解释这些命令并执行之。这些命令格式称为绘图语言。在每种绘图仪中都有自己的绘图语言，其中HP公司的HPGL绘图语言应用最广泛，并可能成为各种绘图仪未来移植的标准语言。除此之外，还有静电绘图仪、喷墨绘图仪等。,2.3 图形处理器和工作站,2.3.1 图形处理器在图形硬件系统中，为了减轻主机负担，加快图形处理速度，一般都有两个以上的处理器部件，采用流水线、并行处理等技术。除了中央处理器（CPU）之外，还有一个专用的显示处理机（DPU

17、）,用来与CPU交互作用和控制显示设备的操作。按照功能的不同，可分为简单图形处理器、单片图形处理器和个人计算机图形卡等多种形式。（1）简单图形处理器个人计算机上采用的光栅图形系统含有一个CPU、系统总线、主存、帧缓存、视频控制器和一个CRT，如图2.3.1（a）所示。在这种结构的图形系统中，显示刷新频率和重新编址次数都很高，视频控制,器对内存的存取操作次数也比较多，从而降低了CPU的工作速度。为此，在如图2.3.1（b）所示的结构中，增加一个图形显示处理器（DPU），专门用于执行有关图形处理的功能，如扫描转换、光栅操作等，同时还设置了专门的图像刷新帧缓冲存储器。因此，这种图形系统具有两个处理器

18、，即一个是通用处理器（CPU），用于计算机正常的计算处理，另一个是显示处理器（DPU），专用于图形的处理。三个存储器，即系统存储器（主存）、显示处理存储器和帧缓冲存储器。系统存储器存放由CPU执行的程序、图形指令和操作系统命令等；显示处理存储器用于存放扫描转换和光栅操作的程序；帧缓冲存储器存放扫描转换和光栅操作所产生的图像数据。,到目前为止还没有一种图形系统能满足显示图形的复杂性和真实性，其中最主要的问题有两个，即帧缓冲存储器的存取速度和CPU处理复杂图形的速度。由于帧缓冲存储器的存取速度和CPU处理复杂图形的速度不能满足大量图形数据的处理速度，因此必须采用一些改进的措施。（2）单片图形处理器

19、单片图形处理器是视频控制器和显示处理功能的结合，目前在市场上广泛使用的单片图形处理器有两种，一是美国Texas仪器公司的TMS 34020，另一种是美国Intel公司的i860。TMS 34020是用在PC个人计算机上加速二维图形的显示与处理，与其匹配的还有TMS 34082浮点处理器，用来加速三维图形的几何变换和裁剪。,TMS 34020是一个可独立编程的32位处理器。Intel i860是第一个能直接处理三维图形的微处理器芯片，其追求的目标是三维图形处理的高性能、低价格和高集成度。在Intel i860中含有高性能的CPU及高速缓存、输入/输出控制器以及支持特殊指令的逻辑单元。对于有主CP

20、U的计算机，i860可作为图形显示处理器；i860也可以作为独立的单片处理机。（3）个人计算机图形卡 在个人计算机上，将用于图形显示的处理器（DPU）、显示处理存储器、帧缓冲存储器以及视频处理控制器等集成在一起（图2.3.1(b)中虚框部分），单独做成一块板，称为图形显示适配器（Graphic Display Adapter,简称显卡）。,1981年IBM公司推出PC机时提供了两种显卡，一种是单色显示卡（简称MDA）,分辨率为720X350，另一种是彩色图形显示器（简称CGA），分辨率为640X200。1985年推出了增强型的图形适配器（简称EGA）以及随后采用的视频图形适配器（简称VGA）,

21、作为标准设备已广泛应用于PC计算机。80年代末期推出的TVGA和SVGA显卡除了完全兼容MDA/CGA/EGA/VGA外，还支持分辨率高达60行X132列的字符模式和1024X768、256种颜色的图形模式。1990年，IBM公司发布了XGA图形显示卡，能够支持16位真彩色工作方式。在对媒体技术和电脑游戏日益普及的今天，显卡已成为PC机中重要的部件，它直接决定图形、图像和视频动画的显示质量。在购买显卡时，要考虑它能支持的最大分辨率，显示的颜色（24位或32位真彩色），显存和缓存的大小等因素。,2.3.2 工作站工作站起源于20世纪70年代，但是一些专家在设想下一代计算机时提出来的，其目的是想为

22、程序设计人员提供一个功能强大、界面友好、图形设计和程序设计方便的高档计算机。1973年美国施乐（Xerox）研究中心生产出第一台工作站样机，取名为Alto。Alto采用了当时先进的计算机硬件设备和技术，如光栅显示器，使图文并茂，采用了鼠标器和光笔等交互设备等，同时Alto还安装了传输速率为3MB/S的实验以太网，增强了计算机之间的通信及数据传输能力。直到1980年才正式推出商品化的工作站产品，1980年美国Apollo公司推出Domain工作站，1981年Sun公司推出Sun/1工作站，Xerox公司推出了面向办公自动化的Star 工作站，这些工作站都是采用Unix或类似于Unix,操作系统，

23、从而使Unix进一步得到普及。进入90年代，工作站作为独立的机种在计算机行业中得到普及，并逐年处于上升的地位，特别是在CAD/CAM,电脑动画、影视制作等图形系统行业。工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形功能处理、灵活的窗口及网络管理功能的交互式计算机系统。一般地说，工作站具有如下的特点：（1）具有32位或64位字长的CPU，广泛采用精简指令系统（RISC）；（2）配备大容量的内存和外存，运算速度很高，可达20MIPS和5MFLOPS以上；（3）一般采用UNIX及类似的操作系统，配有高性能的窗口管理系统，如Motif或OpenLook等；,（4）具有很强的图形图像处理功能，配有专用的图形图像

24、处理器，大尺寸高分辨率的显示器，如19英寸或21英寸，1280X1024以上的分辨率，颜色深度可达100个位面以上；（5）具有网络功能，支持TCP/IP协议；（6）基本用户是工程和产品的设计师，主要用于工程和产品的设计与绘图、工业模拟和艺术设计等。从用户角度来看，除工作站比大、中、小型计算机价格便宜外，更主要的是工作站将多种功能集于一身，体积小，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能，为程序设计人员提供,一个功能强大、使用方便的工作环境。根据工作站本身的特点，从使用的方便性来讲，它更类似于PC机，有人说

25、：工作站是高档的PC机；从功能和性能方面，它越来越多地覆盖了大、中、小型计算机的应用领域。常用的工作站有Sun Microsystem公司的Sun Sparc工作站、HP公司的HP-PA工作站、DEC公司的Alpha工作站、IBM公司的RS/6000工作站以及SGI（Silicon Graphics）公司的IRIS工作站。其中，Sun Sparc工作站是美国Sun Microsystem公司在90 年代的主流产品，从1990年连续多年在工作站销售市场上名列榜首。主要产品有SPARC Station 2(简称SS2)、SPARC Station 10(简称SS10)、SPARC Station

26、20(简称SS20)等。操作系统采用SunOS和Solaris，图形支持XLIB、XGL、,PostScript等，窗口系统支持Open Window、Xview和SunView，但处理机速度达100MIPS。DEC公司1993年推出的Alpha工作站是当时单CPU速度最快的RISC工作站芯片，字长64位，峰值处理速度达400MIPS。SGI工作站图形处理能力很强，特别适合图形处理和产品设计领域。评价工作站性能的指标主要是开放性、计算能力、图形处理和网络能力四个方面。开放性是指独立于各厂商并遵循国际标准的应用开发平台，包括操作系统、网络系统、窗口系统和开发工具等部分组成。在开放环境下开发的应用

27、软件可保证它们的交互操作性、规模可变性、可移植性及相互连接性。对计算能力、图形处理和网络能力等性能的评测常采用基准测试法，即选择具有代表性的各类应用或具有某种特性的程序组作为,基准测试程序，通过在目标工作站上实际运行这些程序得到有关的测试数据，通过这些数据可客观地对工作站进行测试。另外，在选择工作站时，需要把工作站的设计生产公司与CAD/CAM系统集成开发公司区分开来，前者主要是从事工作站硬件及其系统软件的开发和生产，如Sun、SGI等公司，而后者主要从事CAD/CAM支撑软件和应用软件的开发以及与工作站的集成，如Computer Vision公司（Proengineer 软件）、SDRC公司

28、（IDEAS软件）。,2.4 图形软件标准和窗口系统随着计算机图形学应用领域的不断扩大，各种图形软件日益增多，图形设备品种繁多，如果没有统一的标准，对应用软件的开发和移植等工作将造成很多的困难。为了提高图形软件的可移植性、与图形硬件设备的无关性，国际标准化组织（ISO）针对图形系统的不同层次的接口，制定了一系列的国际标准，如图2.4所示，从下往上分别包括：（1）计算机图形元文件（Computer Graphics Metafile,简称CGM）；（2）计算机图形接口（Computer Graphics Interface,简称CGI）；（3）图形软件包，如GKS，GKS-3D，PHIGS，GL

29、等；（4）图形应用接口标准，如IGES和STEP；,其中，CGM和CGI是面向设备的接口标准。GKS，GKS-3D，PHIGS，GL是面向图形应用软件的标准。IGES和STEP是面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件交换各式的标准。另外，窗口系统是近年来应用最为广泛的图形化的用户接口，其典型代表有工作站上的X-Windows，Motif和OpenLook，个人计算机上的Microsoft Windows系列产品，这些窗口系统已成为用户接口事实上的工业标准。理解和学习这些图形软件标准，有助于规范图形系统，涉及符合国际标准的图形软件，以便于图形应用软件的兼容性以及与设备无关性，也便于应用现有

30、的图形软件产品。,241 计算机图形元文件（CGM）CGM是ANSI 1986年公布的标准，1987年成为ISO标准。它是一套与设备无关的图形文件格式的国际标准，它定义了图形文件的语义和词法，以便于不同的图形设备都可以接受这种图形格式。CGM规定了生成、存储、传送图形信息的格式。设计CGM的主要目的是：（1）提供图形存储的数据格式；（2）假脱机绘图的图形协议；（3）为设备接口标准化创造条件；（4）便于检查图形中的错误，保证图形质量；（5）提供了把不同图形系统中所产生的图形集成到一起的一种手段。CGM是一个静态的图形文件格式，即它不能产生所定义图形的动态效果。通用性是CGM的关键属性，广泛适用于

31、各种设备及应用系统。,CGM标准主要有两部分组成，其一是功能规格说明，以抽象的词法描述了相应的文件格式，包括元素标志符、含义的定义以及参数描述。其二是描述了CGM的三种标准编码形式，即字符、二进制数和正文编码。CGM的结构如图所示2.4-2所示。每个图形文件中有一个元文件描述体和若干个逻辑上独立的图形描述顺序组成。每个图形描述体由一个图形描述单元和一个图形数据单元构成。,242 计算机图形接口（CGI）CGI(Computer Graphics Interface)是ISO TC97提出的图形设备接口标准，其目的是提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法，使得有经验的用户最大限度地、灵活地控制图

32、形设备。CGI是图形设备驱动程序的一种标准。通过CGI。可以练结合驱动各种不同的图形设备，真正实现与设备的无关性。CGI是在用户应用程序和虚拟设备之间以一种独立设备的方式提供图形信息的描述和通信，它所提供的功能集包括：（1）控制功能集：包括虚拟设备、坐标空间、出错控制、系统控制、询问功能五个方面的功能；（2）输出功能集：设计图元、属性、对象的构成及有关的控制和询问；,（3）图段功能集：定义了图形对象如何组合到图段中，并用唯一的图段标识符标识，还提供了产生、修改和操纵图段的功能；（4）输入和应答功能集：按数据的类型将逻辑输入设备分成八类，即定位、笔划、取值、选择、拾取、字符串、光栅和其它输入设备

33、。每个逻辑设备有四种输入方式，即请求、采样、事件和应答。在应答请求方式下，允许将该逻辑输入设备的当前值应答在相应的CGI虚拟设备上。(5)光栅功能集：提供了产生、检索、修改和显示像素数据的功能。,243 图形软件包图形软件包是应用程序和图形设备驱动程序之间的接口，应用程序通过调用图形软件包中的图形函数，驱动相应的图形设备，绘出各式各样的图形。作为ISO标准的图形软件包有GKS，GKS-3D，PHIGS，GL等。1GKS和GKS-3DGKS(Graphics Kernel 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。GKS是一个图形软件包，

34、在具体使用时，必须嵌在宿主语言中使用，如C语言等。GKS和具有图形处理功能的程序设计语言是有区别的，程序语言中的图形处理函数是该语言的一,部分，语法和语义与具体的语言有关，而GKS是独立于宿主语言之外相对独立的系统，不同的宿主语言都可以调用GKS中的图形处理语句。GKS作为一个图形系统核心，其意义在于它提供的图形功能和各种特殊的图形设备是无关的。GKS中系统可调用的图形输出和输入设备称为图形工作站，它是一个抽象的物理设备。GKS共有六种工作站：输入、输出、输入输出、独立图段存储（WISS）、元文件输出（MO）、元文件输入(MI)工作站。GKS提供了一系列交互和非交互图形设备的全部图形处理功能，

35、包括：控制功能、输出功能、输出属性、变换功能、图组功能、输入功能、询问功能、实用功能、元文件处理和出错处理。,GKS包括下列几个基本的图素，即点元素、线元素、字符元素和光栅元素。在GKS中，图素能以图段方式组合，并以图段为单位进行图形输出，各图段由应用程序定义，GKS根据所指定的图段名进行识别与选择，而且还可以对图段进行变换、可见性、改名、监测及删除等一系列操作。GKS采用元文件在图形系统之间传送图形信息，其功能包括GKS元文件的生成、读入和解释等。GKS元文件结构及其读、写过程如图所示。,GKS是一个二维图形的标准，它不适合三维图形的处理，为此，ISO/IEC制定了三维图形核心系统GKS-3

36、D。GKS-3D是一个完全的三维系统，即所有的图段、图素数据都是三维格式，即使原来的GKS中的二维数据也要转换成三维的格式。GKS-3D的功能包括三维输入、三维图素、三维几何属性、具有视图操作的三维变幻以及隐藏线、面的消除等。GKS-3D和GKS是完全兼容的，它们在功能上可以混合使用，但在GKS-3D处理GKS定义的功能之前，需要把GKS定义的内容转换成三维的格式，即GKS的功能只是在GKS-3D某个具体平面上的实现。2.PHIGS PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System，程序员层次交互图形系统)是,ISO1986年

37、公布的计算机图形标准，它为应用程序员提供控制图形设备的子程序接口标 准。与GKS不同，PHIGS的图形数据按照层次结构组织，使多层的应用模型能方便地利用PHIGS进行描述，而且PHIGS提供了动态修改和绘制显示图形数据的手段。PHIGS提供的功能包括以下三个方面的含义：（1）向应用程序员提供了控制图形设备的图形系统接口；（2）图形数据按层次结构组织，使多层次的应用模型能方便地应用PHIGS进行描述；（3）提供了动态修改和绘制显示图形数据的手段。PHIGS是为具有高度动态性、交互性的三维图形应用而设计的图形软件工具库，其最主要的特点是能够在系统中高效率地描述应用模型，迅速修改,图形模型的数据，并

38、能绘制显示修改后的图形模型，它也是在应用程序和图形设备之间提供了一种功能接口。PHIGS的标准功能可划分为九个程序模块来分别实现，各模块相对独立，一个模块仅通过系统的公共数据结构与其它模块间接连接。如图所示。,图2.4-4 PHIGS的程序模块结构,PHIGS和GKS-3D的功能类似，但存在以下几个方面的差别：（1）数据结构 GKS-3D提供了单层、平面的图形数据结构，其图段用来表示的是图像信息而不是图形的构造信息，图段数据经过坐标规格化变换后，不再是定义该图段的坐标空间的数据。而PHIGS的结构始终是在造型空间中定义的数据。（2）可修改性 GKS产生的图段，其内容不能修改，但影响图段整个特征

39、的某些属性，如可见性、高光、可检测性、图段的几何变换等则是可以修改的。而PHIGS中的任何结构，结构中的任何一部分元素则可以在任何时候进行修改。,（3）属性的存储 GKS把图素属性和图素在一起存入图形数据结构中，为了修改某图段中的一个图素属性，必须去除该图素的旧属性，重新生成一个新属性。在PHIGS中，只有当遍历一个结构并要显示该结构时，其中的图素才变成输出图素，此时，那些属性结构元素才连接到输出图素上，因此，图形数据的修改更容易。,（4）输出流水线 GKS-3D设置了三种不同的坐标系，首先在用户坐标系（WC）中定义图素，经规格化变换后到规格化设备坐标系（NDC），这是与设备无关的二维直角坐标

40、系，取值范围在0.0到1.0之间。然后，在NDC中经图段变换、规格化裁剪、视图变换及视图映像等操作后，转换到与设备有关的设备坐标系(DC)中进行输出。PHIGS则定义了五种坐标系，其输出流水线为：造型坐标系(MC)，经局部、整体变换到用户坐标系（WC），经视图变换到观察坐标系（UVN），在经观察投影变换后到规格化的投影坐标系(NPC)，最后经工作站映像到设备坐标系(DC)输出。,3GL GL(Graphics Library，图形库)是近年来在工作站上广泛应用的一个工业标准图形程序库，按其功能可划分为如下几类：（1）基本图素：包括点、直线、多边形、三角形、矩形、圆和圆弧、字符、曲线和曲面等；（

41、2）坐标变换：支持旋转、平移、比例变换以及窗口视图变换、投影变换和裁剪，同时支持用户定义的各种变换；（3）设置属性和显示方式：可定义选择线型、填充图案、字体和光标，可设置RGB和颜色表两种选色方式，以及明暗效果、双缓冲、各种位图等多种绘图方式；（4）输入/输出处理：用于启动输入输出设备，并对相应的事件队列进行处理；（5）真实图形的显示：消除隐藏线、面、光照处理和深度排队。,GL在UNIX操作系统下运行，具有C、Fortran、Pascal三种语言联编形式。在Windows环境中提供了类似的图形程序库，即OpenGL。GL和GKS-3D、PHIGS三维图形标准相比具有以下特点：（1）图元丰富：除

42、具有一般图元外，还具有B样条曲线、Bezier曲面和NURBS曲面等；（2）强大的颜色功能：GL具有RGB和颜色表索引两种方式，有Gourand和Phong光照模型，使表面显示的亮度与色彩变化柔和；（3）Z缓冲技术：Z缓冲技术是在每个像素上附加一个24位或48位的表示Z值的缓冲存储器，这对曲线曲面的消隐、亮度随深度变化的处理、提高图形处理效率都具有重要的作用；（4）光源：GL提供了充分的光源处理能力，使用户能得到非常生动的图像；（5）X窗口系统：GL既可以单独运行，也可以在X窗口环境下运行，进而可支持网络上的用户。在第六章讲三维曲面时，要讲解OpenGL的编程。,244 基本图形转换规范（IG

43、ES）,IGES(Initial Graphics Exchange Specification，基本图形转换规范)是为了解决数据在不同CAD/CAM系统间进行数据传送的问题，它定义一套表示CAD/CAM系统中常用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结构。1982年，IGES成为ANSI标准，1988年以后又相继发布IGES 4.0、IGES5.0。IGES的作用是在不同的图形系统之间交换数据，其结构如图所示。,IGES中的基本单位是实体，它分为三类。其一是几何实体，如点、直线、圆弧、样条曲线、曲面等。其二是描述实体，如尺寸标注、绘图说明等。其三是结构实体，如组合项、图组、特性等。从目前国内外

44、常用的CAD/CAM系统中的IGES来看，其中的实体基本上是IGES定义实体的子集。IGES的文件格式是由ASCII码、记录长度为80个字符的顺序文件组成。文件分成五个节，如图3.4.2所示。开始节存放用户可阅读的定义信息，整体节和结束节存放数据的原始信息和文件本身的信息，实体信息存放在目录入口（DE）和参数数据(PD)中，在DE和PD节中还存放实体的有关指针及相互关系。,IGES的出错处理也是十分重要的，因为在不同系统间转换数据会产生错误，如重字符、错字符，开发的转换器会对IGES文件产生不正确地解释等，这就要求IGES转换程序能报告并校正有关的错误。,245 产品模型数据转换标准（STEP

45、）,作为在不同CAD/CAM系统之间交换图形数据的IGES文件标准，虽然已在大多商品化的CAD/CAM系统中采用，但IGES在实践中还存在一些问题，如不能精确地完整转换数据、不能转换属性信息、层信息常丢失、产生的数据量太大等。为了克服IGES存在的问题，扩大转换CAD/CAM系统中几何、拓扑数据的范围，ISO/IEC JTC1的一个分技术委员会(SC4)开发了产品模型数据转换标准STEP(Standard for the Exchange of Product model data)。,STEP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所有数据元，从产品的概念设计、工程分析，到

46、制造生产和产品文档的建立，是包括CAD/CAM整个过程全方位的信息，而不像IGES只是一种图形数据描述格式。在STEP中，产品模型信息分为三层结构，即应用层、逻辑层和物理层，它们之间的关系如图3.4.3所示。其中，应用层主要用来描述图形的形状模型、显示与绘图（即拓扑与几何）、形状特征和公差四个部分；逻辑层是将应用层中采用的各种数据模型集成为一个冗余最少、无二义性的集成产品信息模型（IPIM,Integrated Product Information Model）。物理层主要是自由格式的顺序文件，物理文件用形式化的词法定义。,STEP是为CAD/CAM系统提供中性产品数据的公共资源和应用模型，

47、即各种CAD/CAM系统都可以承认的数据模型，STEP的基本组成包括：（1）描述方法标准；（2）实现方法标准；（3）一致性测试方法与工具标准；（4）信息模型标准；（5）应用协议。STEP标准内容丰富，是定义应用产品全局模型的工具。,246 窗口系统,从80年代中期以来，不论是个人计算机、工作站，还是大、中型计算机，都配备了图形画的用户接口，即窗口系统，如工作站上的X-Windows、OpenLook和News，PC机上的MS-Windows。窗口系统起源于70年代中期，美国Xeror（施乐）公司开发出的Smalltalk语言，它是第一个提出面向对象的图形化程序设计语言。1984年Apple公司

48、开发的Macintosh使窗口系统成为第一个广泛应用的窗口系统。目前，常用的窗口系统有PC机上的MS-Windows，UNIX操作系统下的X-Window，在Sun工作站上的News、SunView、OpenLook和Motif 等。,窗口系统具有如下特点：定义简洁：他管理各种系统资源和输入输出设备；界面清晰：它提供各种应用界面、编程界面和窗口管理界面；目标明确：具体表现在窗口程序设计上，它提供生成各种窗口界面的机制，而不是具体策略；实现紧凑：窗口系统在实现时通常采用两种类型：一是基于核心的窗口系统，即把窗口系统的核心放在操作系统的内核中，如Ms-Windows，SunView等；另一种则是把

49、窗口系统的核心作为操作系统的用户进程来对待，这是基于客户/服务器的窗口系统，如X-Window等。功能齐全：窗口系统提供了大量的日常应用及程序员的编程接口功能；使用方便：由于窗口系统采用一致性的用户接口，便于学习和操作，再加上各种图形符号（图标）、鼠标等交互式设备的使用，大大方便了计算机的操作、使用与开发，使“所见即所得”成为可能。,常用的窗口系统简介：（1）News窗口系统 News是Sun Microsystem公司基于UNIX系统开发的窗口系统，它支持网络功能。目前，Sun工作站上采用的窗口服务器是X11/News，它既支持X-Windows又支持News窗口系统。News窗口系统的最大

50、特点是该窗口系统中的成像模型是以PS语言（PostScript，页面描述语言）为基础，而不是采用像素操作。用PS描述的图像可以做到无级变换的字体放缩显示。（2）X-Window X窗口系统是由MIT开发出的一套窗口系统，其目的是要建立一个图形化用户接口的工业标准，使软件可以在不同厂家生产的硬件上运行，而且让用户不必担心如何与系统交互。X窗口系统具有丰富的网络功能。在众多的窗口系统中，X窗口系统已经取得了无可争议的领先地位。,X窗口系统流行的版本是11版，即X11窗口系统，该版本已成为ANSI发布的标准，它有四部分组成：X协议：X窗口系统实际上由核心协议定义，整个协议描述客户与服务器进程通信的语