第二章 图形系统的标准化和窗口系统

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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-3D。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。GKS3D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(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics System，程序员层次交互图形系统)是 15
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（ 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等； （4） 图形应用接口标准，如IGES和 STEP；
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2．4．1 计算机图形元文件（CGM） ． ． 计算机图形元文件（ ） 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，广泛适用于各种设备及应用系统。
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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，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。
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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 XWindows ， 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 应用现有的图形软件产品。
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（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。
计算机图形学
第二章计算机图形的标准化 和窗口系统
主讲人：刘铭 主讲人： E-MAIL:jlcclm@
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：
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。
3．GL 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； （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 22 2011年4月19日2时53分 理和深度排队。
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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。
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2．4．3 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。 1．GKS和GKS-3D GKS(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，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
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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）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。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。
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。
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图2.4-4 PHIGS的程序模块结构 2.4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 16 2011年4月19日2时53分 够在系统中高效率地描述应用模型，迅速修改