计算机图形系统组成

图形系统硬件及软件功能、软件标准调查报告

一．计算机图形硬件

1.图形计算机系统

? 硬件性能与一般计算机系统相比，要求主机性能更高、速度更快、存储容量更大、

外设种类更齐全

? 目前，面向图形应用的计算机系统包括： （1） 微型计算机

? 开放式体系结构

? 体积小、价格低廉、用户界面友好 ? 一种普及的图形计算机系统

? CPU*以Intel和AMD公司提供的为主 ? 操作系统以微软公司的windows为主 ? 厂商以IBM、Dell、Acer和联想公司为主

（2）工作站

? 具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口以及网络管理功能 ? 交互式计算机系统

? 主要应用领域：办公自动化、文字处理、文字编辑、工程与产品的设计与绘图、工

业模拟、艺术模拟

? 主要厂商：HP、IBM、SGI （3）计算机网络 （3）中小型计算机

? 一类高级的、大规模计算机工作环境 ? 一般在特定的部门、单位和应用领域采用 ? 建立大型信息系统的重要环境

? 具有强大的处理能力、集中控制和管理能力、海量数据存储能力

? 一般情况下，图形系统在这类平台上作为一种图形子系统来独立运行和工作 2.图形设备

（1）图形输入设备

① 键盘

? 常用的图形输入设备

? 用于屏幕坐标的输入、菜单的选择、图形功能选择、输入非图形数据 ? 普通键盘、带手写输入板、无线键盘 ② 鼠标

? 常用的图形输入设备

? 用于图形定位、选取等图形操作 ? 有线鼠标、无线鼠标 ③ 操纵杆、跟踪球和空间球

? 操作杆

A. 由一个手柄通过一个球形轴承半固定在底座上，在手柄运动时带动一对电

位器或电脉冲产生器产生位置信号，控制屏幕上光标的坐标

B. 一般用于游戏和虚拟现实系统中

C. 将纯粹的物理动作（手部运动）完完全全地转换成数字形式（一连串0

或1组成的计算机语言）

? 跟踪球和空间球

A. 根据球在不同方向收到的推或拉的压力来实现定位和选择的，从而控制屏

幕上光标的位置

B. 游戏、虚拟系统、动画、CAD等应用中一般作三维定位设备和选取设备 ④

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触摸屏系统 新型输入设备

目前最方便、最自然的人机交互方式

适用人群广、坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流 应用广泛：公共信息场所 集成输入板

将使用者的手的影像映射到屏幕上，使用者通过屏幕上的虚拟手来操作窗体上的对象

完成了键盘、鼠标、书写板、触摸板、触摸屏五件设备的所有输入功能 根本意义在于人机界面上的改革和创新 开创的“动态图形用户界面（DGUI）”结合了触摸技术和传统图形界面的优势，是真正意义上的“自然用户界面” 图形扫描仪

从专用工具变为家用计算机外设做典型的代表

直接把图形和图像扫描到计算机中以像素信息进行存储的设备 传统扫描仪：普通平板扫描仪（扫描面积大）、手持扫描仪（手持灵活） 三维扫描仪（3D扫描仪）

A. 采集实物表面各个点的位置信息 B. 结构与传统扫描仪不同

C. 生成的文件不是常见的图像文件，而是能精确描述物体三维结构的一系列

坐标数据

D. 从结构来讲，分为激光式和机械式

? 机械式：依靠一个机械臂触摸物体的表面，以获得物体的三维数据 ? 激光式：由激光代替机械臂来完成这个工作 E. 三维数据远大于常见图像的二维数据，扫描速度慢、视物体大小和精确度

底，扫描时间不等 数字化仪

一种吧图形转变成计算机能接收的数字形式的专用设备

基本工作原理：采用电磁感应技术，通常由电磁感应数据板、游标触笔和相应的电子电路组成。数据板中布满了金属栅格，当触笔在数据板上移动时，其正下方的金属栅格上就会产生相应的感应电流。根据已产生电流的金属栅格的位置，就可以判断出触笔当前的几何位置，按动按钮，数字化仪则将此时对应的命令符号和该点的位置坐标值排列成有序的一组信息，然后通过接口（多用串行接口）传送到主计算机。许多数字化仪提供了多种压感电流，用不同的压力就会有不同的信息传向计算机。 一块超大面积的手写板，用户可以通过用专门的电磁感应压感笔或光笔在上面

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写或者画图形，并传输给计算机系统

? 高精度的数字化仪适用于适用于地质、测绘等行业 ? 普通的数字化仪适用于工程、机械、服装设计等行业 ⑧ 数据手套

? 通过传感器和天线获得和发送手指的位置和方向的信息

? 适用于需要多自由度手模型对虚拟物体进行复杂操作的虚拟现实系统 ? 本身不提供与空间位置有关的信息，必须与位置跟踪设备连用

（2）图形输出设备

① 观察显示设备

? 见（3） ② 打印机

? 将绘制的图像输出到纸片或其他媒体上的设备

? 喷墨打印机、针式打印机、激光打印机（广泛用于办公自动化（OA）、各种计

算机辅助设计（CAD）系统领域）

③ 绘图仪

? 精确地绘图

? 将图形准确地绘制在图纸上并输出（供工程技术人员参考） ? 从原理上分，分为笔式、喷墨式、热敏式、静电式 ? 从结构上分，分为平台式、滚筒式

A. 平台式绘图仪：在计算机信号的控制下，笔或喷墨头沿X、Y方向移动，

而纸在平面上不动从而进行绘图

B. 滚筒式绘图仪：笔或喷墨头沿X方向移动，纸沿Y方向移动，可以绘制较

长的图样

? 单色、彩色

A. 彩色喷墨绘图仪绘图线型多，速度快、分辨率高，价格不高

④ 激光照相排版设备

? 使计算机里的图文生到胶片上，为印刷提供了可晒版的胶片，大大地缩短了制

作周期，提高了响应信息的速度

（3）图形显示与观察设备

① 阴极射线管显示器（CRT）

? CRT显示器发展历程：存储管式显示器、随机扫描显示器（矢量显示器）、光

栅扫描显示器（刷新式光栅扫描显示器，彩色光栅扫描显示器） ? 主要用途：构造显示系统，俗称显像管 ? 缺点

A.屏幕的加大导致显像管的加长，体积加大，使用时候受到空间限制

B.利用电子枪发射电子束来产生图像，产生辐射与电磁波干扰，长期使用 对健康不利

? 单色显示器：每个像素占用1个bit ? 灰度显示器：每个像素占用多个bit ? 衡量CRT性能的指标

(a)屏幕尺寸大小 (b)点距 (c)分辨率

(d)画面刷新率

(e)带宽

? 阴极射线管中的加热灯丝使得金属阴极发射大量电子，电子飞出去多少受栅极

所加电压控制。电子枪发出的电子，经过聚焦系统和加速系统产生高速聚焦的电子束，再经过磁偏转系统到达荧光屏的特定位置，轰击荧光屏表面的荧光物质，在荧光屏上产生足够小的光点，光点称为像素，从而产生可见图形 ? 要保持荧光屏上有稳定的图像就必须不断地发射电子束，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 ? 阴极射线管可以利用能够发射不同颜色的荧光粉的组合来产生彩色图形。彩色

CRT显示器的荧屏上涂有三种荧光物质，分别能发出红、绿、蓝三种颜色的光。红、绿、蓝三支电子枪装在同一管颈中，电子枪发射这三束电子来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三术电子到达的位置。根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅格也就不一样 ? 光栅扫描显示系统的逻辑部件

A.帧缓存器 B.视频控制器 C.显示处理器

? 光栅扫描显示系统工作原理

A.应用程序发出绘图命令->解析成显示处理器可接受命令格式，存放在刷新存储器中

B.刷新存储器中所有的绘图命令组成一个显示文件

C.由显示处理器负责解释执行（刷新）->视频控制器控制驱动电子枪在屏幕上绘图（修改图形，实际上是修改显示文件中的某些绘图命令） ? 荫罩式显像管

? 一般用三角形的排列方式

? 三束电子经过荫罩的选择，分别到达三个荧光点的位置 ? 通过调节电子枪发射的电子束中所含的电子的多少，可以控制击中的相应

荧光点的亮度，因此以不同的强度击中荧光点，就能够在像素点上生成极其丰富的颜色 ? 三个电子枪

? 三个荧光点构成一个像素 ? 各像素与荫罩板上的洞对应

? 图形处理器 （1）显卡

（2）核心：显示主芯片GPU

? 代替CPU完成部分图形处理功能 ? 各图形函数基本上集成在这里 （3）显存

? 存储将要显示的图形信息 ? 保存图形运算的中间数据

? 与显示主芯片的关系，像计算机内存之于CPU （4）视频存储数字模拟转换器RAMDAC

? 在视频处理中，把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号