计算机图形学 图形系统标准
什么是计算机图形学
什么是计算机图形学?计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科计算几何：研究几何模型和数据处理的学科，探讨几何形体的计算机表示、分析和综合计算机图形学研究内容:建模,绘制,动画图形系统的基本功能1.计算功能元素生成、坐标变换、求交、剪裁计算。
2.存储功能存储数据:形体的集合数据、形体间相互关系、数据的实时检索、保存图形的编辑等信息。
3.输入功能输入信息: 数据、图形信息、图象信息等输入。
命令关键字、操作信息。
4.输出功能输出信息: 图形信息、文件信息；静态图形、动态图形。
5.交互功能人─机交互:拾取对象、输入参数；接受命令、数据等。
显示器种类阴极射线管、随机扫描、存储管式、光栅扫描、等离子和液晶显示器从以下几个方面介绍图形显示设备：图形硬件显示原理CRT;CRT是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰液晶显示器;液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过未来显示器光栅显示系统的组成图形显示方式:随机扫描存储管式扫描光栅扫描图形显示质量与一帧的画线数量有关:当一帧线条太多，无法维持30～60帧/秒刷新频率，就会出现满屏闪烁光栅扫描显示器的常用概念:行频、帧频（图像刷新率）水平扫描频率为行频。
垂直扫描频率为帧频。
隔行扫描、逐行扫描隔行扫描方式是先扫偶数行扫描线，再扫奇数行扫描线。
像素屏幕被扫描线分成n 行，每行有m 个点，每个点为一个象素。
整个屏幕有m ×n 个象素。
具有灰度和颜色信息分辨率指CRT单位长度上能分辨出的最大光点(象素)数。
分为水平分辨率和垂直分辨率。
点距：相邻象素点之间的距离指标相关。
带宽：（水平像素数*垂直像数数*帧频）显示速度指显示字符、图形特别是动态图像的速度，与显示器的分辨率及扫描频率有关。
可用最大带宽来表示。
图像刷新刷新是指以每秒30帧以上的频率反复扫描不断地显示每一帧图像。
计算机图形学：第三章 图形标准
第三章图形标准3.1 图形标准的分类建立图形标准的目的是使图形与计算机硬件无关，实现程序的可移植和数据的可交换。
图形标准的分类：应用程序接口图形数据交换3.2 应用程序接口标准1）GKS（Graphics Kernel System）1985年，第一个ISO国际计算机图形信息标准，图形核心系统（GKS），正式颁布。
GKS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是一个二维图形标准，使用GKS编制出来的应用程序可方便地在具有GKS的不同图形系统之间移植。
以后又开发出了三维图形核心系统（GKS-3D）。
2）PHIGS（Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System）PHIGS（ Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System ）是ISO于1986年公布的计算机图形系统标准。
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，并能绘制显示修改后的图形模型，它也是在程序与图形设备之间提供了一种功能接口。
3.3 图形数据交换标准1）CGM （Computer Graphic Metafile）1980年开始，美国国家标准委员会ANSI和国际标准化组织ISO专门成立了标准化组着手计算机图元文件（CGM）标准的制定，并于1987年正式成为ISO标准，CGM提供了一个在虚拟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，大部分的二维图形软件都能够通过CGM进行信息存贮和交换。
CGM标准是由一套标准的与设备无关的定义图形的语法和词法元素组成。
Windows的图元文件（不同于CGM）windows图元文件是用来表示矢量图形的二进制记录。
《计算机图形学》图形系统的标准化和窗口系统
2．4．1 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。
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。
图形模型的数据，并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：
（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。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。
计算机图形学
第二章计算机图形的标准化 和窗口系统
2.4 图形软件标准和窗口系统
计算机图形学——计算机图形系统及硬件基础
计算机图形学——计算机图形系统及硬件基础⼀、概述1、计算机及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：图形输⼊设备中央处理器图形输出设备常⽤的图形输⼊设备：键盘、⿏标此外还有跟踪球、空间球、光笔、触摸板、图形扫描仪、数字化仪、⼿写输⼊板、语⾳输⼊、数据⼿套中央处理器：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。
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，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。
图形输出设备: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。
基于阴极射线管的监视器、液晶显⽰器、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。
打印机、绘图仪2、图形系统的基本功能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：输⼊功能：通过图形输⼊设备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。
计算功能：1）图形的描述、分析和设计；－－建模2）图形的平移、旋转、投影、透视等⼏何变换；3）曲线、曲⾯的⽣成；4）图形之间相互关系的检测等。
－－隐藏线隐藏、⾯消除、碰撞检测存储功能：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，并能快速⽅便地实现对图形的删除、增加、修改等操作。
输出功能：图形数据经过计算后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。
交互功能: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、拾取等⼿段进⾏修改，同时对设计者或操作员输⼊的错误给以必要的提⽰和帮助。
图形的基本处理流程利⽤各种图形输⼊设备及软件或其他交互设备将图形输⼊到计算机中，以便进⾏处理；在计算机内部对图形进⾏各种变换（如⼏何变换、投影变换）和运算（如图形的并、交、差运算等）；处理后，将图形转换成图形输出系统便于接受的表⽰形式，并在输出设备上输出；⼆、图形显⽰设备图形显⽰设备主要有以下三种：CRT（Cathode Ray Tube）显⽰器＝阴极射线管显⽰器LCD（Liquid Crystal Display）＝液晶显⽰器PDP（Plasma Display Panel）= 等离⼦显⽰器1、CRT显⽰器a.CRT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。
计算机图形学第二章计算机图形系统
（2） 彩色阴极射线管
• 如果显示屏上只涂一种荧光粉，则只能发出一种光色，这 种显示器称作单色显示器，色彩单调。彩色显示器利用能 发出不同光色的荧光粉的光色组合来显示彩色图形。最常 用的CRT彩色显示器采用的是荫罩式彩色显像管。
根据影孔板孔的形状可将影孔板分为三类： ①点状影孔板：大多数球面与柱面显像管采用此类影孔板。 由于太多电子无法穿过荫罩孔而直接打在荫罩上，导致长时 间工作后，荫罩容易出现过热导致变形，影响屏幕的局部色 纯。但其抗震性好。 ②栅格式影孔板：这种并行排列的方式容易对齐，调出的颜 色也较鲜艳，常用于高分辨率的彩色CRT显示器。如，Sony 的Trinitron与Mitsubishi的Diamondtron显像管采用此类影 孔板。 ③沟槽式影孔板：长形板孔在保证荫罩强度的前提下，提高 了电子透过率。LG的Flatron显像管采用此类影孔板。
（2）直视存储管图形显示器
直视存储管DVST（direct-view storage tube）通过紧贴在屏 幕荧光层后的电荷分布（存储栅）来存储图形信息。从表面 上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线 一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。
DVST的特点有：无需刷新，很复杂的图形也可以在极高的分辨率下无闪烁地显 示，成本较低；不能显示彩色，不能局部修改，擦除和重画过程对复杂图形来 讲可能需要几秒钟。
第2章 计算机图形系统
目
2.2 图形输入设备 2.3 图形绘制设备 2.4 图形显示系统 2.5 图形软件标准
录
2.1 计算机图形系统概述
2.6 Visual C++的图形程序开发方法
2.7 OpenGL程序设计基础
2.1 计算机图形系统概述
2.1.1 计算机图形系统的结构
计算机图形学计算机图形系统
图形软件与其它软件资源的联系
高级语言的选择
操作系统的选择
计算机图形学计算机图形系统
42
2.4 图形系统标准
什么是图形标准？
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 为数据及文件格式标准，后者称为子程序界面 标准。
现在的图形处理器不单单存储图形，而且能完成大部分 图形函数，专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力， 大大减轻了CPU的负担,提高了显示质量和显示速度
作用：
代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、 光栅操作、纹理映射等等
计算机图形学计算机图形系统
36
图形处理器的组成
显示主芯片
在光栅控制信号作用下，电子束在荧光屏 上依次扫描每个像素。从左上角第一个像 素开始，到右下角最后一个像素结束，一 帧完整的光栅就形成了。
电视信号在每个像素被扫描时，根据像素 的亮暗程度给出高低不同的电压信号，使 不同的像素发出不同的亮度。随著光栅的 形成，一帧图像就完成了。
计算机图形学计算机图形系统
计算机图形学计算机图形系统
阴极射线管原理（3）
CRT各部分的作用： 阴极：灯丝加热，产生大量游离电子 栅极：对游离电子进行会聚，形成电子束 阳极：对电子束进行加速，时期能够以高速打到
荧光屏的一个点上 偏转线圈：对高速电子束调整偏转角度，使其打
到荧光屏指定位置 荧光屏：涂有大量荧粉，在电子束轰击下发出荧
计算机图形学计算机图形系统
39
液晶显示器
CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展
屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大， 在使用时候就会受到空间的限制
第2章 图形的标准化和窗口系统共36页文档
2020/4/3
Computer Graphics 1
计算机图形学
图形的标准化和窗口系统
1893
图形标准历史
20世纪70年代初，开始研究计算机图形软件功能标准化 问题；
1974年美国成立了图形标准化规划委员会（GSPC），提 出了其提出了世界上第一个图形标准方案Core。同期， 德国制订出著名的GKS标准；
1982,1988 IGES 4.0, IGES 5.0
文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口 (DE)，参数(DP)节，整体节和结束节
2020/4/3
Computer Graphics 11
计算机图形学
图形的标准化和窗口系统
1893
IGES实体
允许在CAD/CAM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 和数据组织方式的通信。IGES标准定义的文 件格式将产品数据看作独立于应用的实体（ Entity）的集合
在IGES标准中定义了五类实体：
曲线和曲面几何实体 构造实体几何CSG实体 边界B-Rep实体 标注实体 结构实体
IGES (Initial Graphics
Exchange Specification)
CAD/CAM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 交换标准的制订;
1980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 IGES;
为图形设备接口标准化创造条件
便于检查图形中的错误，保证图形的质量 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
2020/4/3
Computer Graphics 7
计算机图形学 图形系统标准
OpenGL
• Microsoft起先是把OpenGL集成到Windows NT中,后来又把它集成到新版本的Windows 95 OSR2中，而在Windows98中， OpenGL已经成为标准组成部分之一，其执 行性能也得到了相应的优化提高。
VRML
1994年，在瑞士日内瓦举行的第一届国际互联网大 会上，一些与会者提出为创建三维网络的界面，必须 有一种通用的描述性语言，用于在WWW上的超级链 接，类似于超文本描述语言（HTML），于是诞生了 虚拟现实标识语言（Virtual Reality Makeup Language）。很快，它又被改称为虚拟现实造型语 言（Virtual Reality Modeling Language）VRML， 因为这个名称更能反映标准组织的评估后，VRML2.0成为 国际标准，并改称VRML97。当前，研究人员已 经开发出了许多基于VRML的实验或实用系统， 如远程教育、建筑物的漫游、医学实验演示和虚 拟剧场等等。
在一些传统的协同设计领域，也有人将VRML引 入到了其中，借助于VRML提供的良好的交互性 和真实性，使得在协同工作中非常重要的各开发 者之间的交流联系变得很直观自然。
1980年，ANSI X3H3提出图形设备接口 标准VDI概念。1984年，ISO更名VDI为 CGI，随后在1986年公布了CGIDP9636。
1985年，ISO又着手开发三维图形标准，先 后开发了GKS-3D、PHIGS标准。他们先后 成为国际图形标准。1989年ISO将PHIGS 进行扩展，增加了在光栅显示设备上重建 图形的一些性能，诸如光照模型、阴影和 透明技术等，定义开发了图形标准。
操作特性：1）是一个任意的二维操作；
2）为了便于图段在不同的工作站上传送，必须设 置实现图段的插入及相关的操作。
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GKS图形的输入与输出
六种输入功能
定位 笔划 取值 选择 拾取 字符串
GKS图形的输入与输出
六种输出元素
折线（线） 相同符号集 文本 填充区（面）
单元阵列（栅格阵列）
一般元素：包括圆、椭圆、曲线及用户自定义
的图形。
GKS图形的输入与输出
输出图素的三要素：
计算机图形元文件(CGM) 计算机图形接口(CGI).设备驱动程序。
面向应用软件的标准：
程序员层次交互式图形系统（PHIGS）,GL
(图形程序包) （三维）图形核心系统（3D-)GKS
面向图形应用系统中工程和产品数据
模型及其文件格式：
基本图形转换规范（IGES）
产品数据转换规范（STEP）
VRML
1997年，经过标准组织的评估后，VRML2.0成为 国际标准，并改称VRML97。当前，研究人员已 经开发出了许多基于VRML的实验或实用系统， 如远程教育、建筑物的漫游、医学实验演示和虚 拟剧场等等。 在一些传统的协同设计领域，也有人将VRML引 入到了其中，借助于VRML提供的良好的交互性 和真实性，使得在协同工作中非常重要的各开发 者之间的交流联系变得很直观自然。
OpenGL
• Microsoft起先是把OpenGL集成到Windows Ndows98中， OpenGL已经成为标准组成部分之一，其执 行性能也得到了相应的优化提高。
VRML
1994年，在瑞士日内瓦举行的第一届国际互联网大 会上，一些与会者提出为创建三维网络的界面，必须 有一种通用的描述性语言，用于在WWW上的超级链 接，类似于超文本描述语言（HTML），于是诞生了 虚拟现实标识语言（Virtual Reality Makeup Language）。很快，它又被改称为虚拟现实造型语 言（Virtual Reality Modeling Language）VRML， 因为这个名称更能反映它的目的。
1985年，ISO又着手开发三维图形标准，先 后开发了GKS-3D、PHIGS标准。他们先后 成为国际图形标准。1989年ISO将PHIGS 进行扩展，增加了在光栅显示设备上重建 图形的一些性能，诸如光照模型、阴影和 透明技术等，定义开发了图形标准。
图形系统标准分类
面向图形设备的接口标准：
图形软件标准的发展历史 1974年，美国国家标准化协会ANSI举行 了ACM SIGGRAPH“与机器无关的图形 技术”工作会议，提出了制定有关图形 标准的基本规则。 1977年，美国ACM GSPC率先提出了 CORE图形系统。 1978年，国际标准化协会ISO正式成立 图形工作组。1985年图形工作组改名为 ISO/TC97/SC2/WG2。
OpenGL
1992年，OpenGL1.0版正式发布，并立即得到了迅速的应用 推广。1995年12月，由OpenGL ARB(Architecture Review Board—体系结构评审委员会)批准了OpenGL1.1版本，这一 版本的OpenGL性能得到了加强，并引入了一些新特征，其中 包括：在增强元文件中包含OpenGL调用，引进打印机支持， 通过顶点数组的新特征，提高了顶点位置、法向、颜色及色 彩指数、纹理坐标、多边形边缘标志等的传输速度。现在， OpenGL已经成为应用最为广泛的二维和三维图形编程接口。 各种平台上利用OpenGL开发的图形应用软件大量地涌现出来。
1979年，ANSI成立图形专业委员会，着手 开发美国图形标准，命名为ANSI X3H3。 同年，西德工业标准DIN提出了GKS系统。 1983年，GKS首先成为计算机图形国家标 准，1985年，GKS又成为第一个计算机图 形国际标准。
1980年，ANSI X3H3着手开发图形数据 交换标准VDM。1984年，ISO更名为 CGM，并公布了DP8623。1987年， CGM成为第二个国际图形标准。 1980年，ANSI X3H3提出图形设备接口 标准VDI概念。1984年，ISO更名VDI为 CGI，随后在1986年公布了CGIDP9636。
VRML
• IE，NetScape等Web浏览器的功能有限， 对VRML的支持不很充分；
• 一些公司开发的VRML浏览器则通常功能强 大，如SGI公司的Cosmo Player，SONY的 Community Place Brower等等。
VRML
由于VRML将要在网络上跨平台传输，所以需要 为它定义一种文件格式，在经过一番的选择后， Silicon Graphics公司(SGI)所开发的Open Inventor软件的开放式三维文件格式被选定作为 VRML的文件格式。1995年，VRML1.0版本正式 推出。1996年，在对1.0版本进行重大改进的基础 上推出了2.0版本，其中添加了场景交互、多媒体 支持，碰撞检测等功能。
与图形信息相关的非图形信息的存储和复用。
ＧＫＳ在系统中的层次
应用程序 依赖语言的接口 GKS 操作系统 计算机图形硬件
几个概念
坐标系
用户坐标： 规格化设备坐标系： 设备坐标系：
图段
定义：一组图形元素的集合，该集合成为图形操作的基
本单元。 作用：1）方便用户的增、删、改； 2）便于图形模块化的实现 3）节省计算工作量 性质：可变性、可见性、醒目性、可检测性、优先级可 控性等。 操作特性：1）是一个任意的二维操作； 2）为了便于图段在不同的工作站上传送，必须设 置实现图段的插入及相关的操作。
GKS
提供了在应用程序和图形输入输出设备之 间的功能接口。 与语言无关。 GKS提供了一个称为元文件的顺序文件接 口
应用程序的所有图形资源由GKS控制（通 过GKS元文件-GKSM） GKSM用于:
图形信息存档； 系统传送图形信息； 在GKS应用程序间传送图形信息；
IGES（基本图形转换规范）
Initial Graphics Exchange Specification 作用：不同的CAD/CAM系统之间交换数据。 文件格式是ASCII码，五节：开始节，目录入口 (DE)，参数(DP)节，整体节和结束节。
STEP（产品模型数据转换标准）
Standard for the Exchange of Product model Data. 覆盖产品整个生命周期 强调建立能存入数据库中的一个产品模型的 完整表示。 克服IGES中的问题和缺点。
几何属性：图素的几何大小、形状、方向 非几何属性：线型、颜色、线宽 标识符
PHIGS（ISO IS9592）
向应用程序员提供的控制图形设备的图形 系统接口； 图形数据按层次结构组织； 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。
GL
图形程序库 UNIX下运行 OpenGL—微机 分类：基本图素；坐标变换；设置属性和 显示方式；I/O 处理；真实图形显示。
图形系统标准
什么是图形标准？
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，前者称为数据及文件格式标准，后 者称为子程序界面标准。
图形软件标准的提出的原因：
如果没有一个软件标准，对应用软件的开发和
移植等工作将造成困难。 计算机图形软件向着通用、高级与设备无关的 方向发展。
VRML
VRML文件以.wrl为后缀，它是一种文本格式的文件。可以 用文本编辑器（如Windows下的notepad）打开编辑。在设 计一些最简单的模型时，这种方法是最简便可行的。但是当 场景变得复杂后，就需要利用一些专用的模型设计软件，这 种软件称为VRML编辑器，
VRML
• 常用的有ParaGraph International公司的 Internet3D Space Builder（简称ISB）， Sculptware公司的 SiteSculptor等等。 • 解释VRML文件并构造三维模型的软件称为 VRML浏览器，VRML浏览器通常是以插件 的形式附着在Web浏览器中，如IE， NetScape等Web浏览器都有自带的VRML 浏览器。
CGI（ISO DP 9636)
提供控制图形硬件的一种与设备无关的方 法。 也可看作图形设备驱动程序的一种标准。 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息的描述和通信。
CGM（ISO IS8632)
与设备无关的语义、词法定义的图形文件 格式。 规定了生成、存储、传送图形信息的格式。 面向系统和系统开发者，和CGI配套提供。 通用性是其关键属性。
OpenGL
OpenGL是一个功能强大的图形库，用户可以很方便地利 用它开发出有多种特殊视觉效果（如光照，纹理，透明， 阴影）的三维图形。
OpenGL
OpenGL的前身是SGI公司为其图形工作站 设计的一个图形开发软件库IRIS GL （Graphics Library），由于其性能优越， 因此受到了用户的一致推崇。 SGI公司有针对性地对GL进行了改进，特 别是扩展了GL的可移植性，使之成为一个 跨平台的开放式图形编程接口，这就是 OpenGL。