其他章 计算机图形的标准化和窗口系统

(3) 目标明确：窗口系统的一个重要设计思想是提供各种界 面的机制，而不是具体策略。窗口系统的设计目标有以 下几点： ① 窗口系统与显示设备的独立性； ② 应用程序和程序员的独立性； ③ 系统的网络透明性； ④ 支持并发显示多个应用程序； ⑤ 支持实现不同风格的用户界面； ⑥ 支持重叠型和瓦片型窗口； ⑦ 支持层次化、可变大小的窗口； ⑧ 支持高性能和高质量的图形和正文； ⑨ 系统的可扩展性。


第三层次是在中间层基础上编写的，其 主要任务是建立图形数据结构，定义、 修改、输出图形，它是面向用户的，要 求具有较强的交互功能，使用方便，风 格好，概念明确，容易阅读，便于维护 和移植，OpenGL、DirectX便属于这 一层次的软件。



图形软件类型 坐标表示 图形标准 窗口系统



图形软件类型 坐标表示 图形标准 窗口系统
计（ 算软 机件 图部 形分 系） 统
2.3 图形标准

制定标准的最初目的: 可移植性 软件可以方便地从一个硬件系统移植到另 一个硬件系统，从一个操作系统环境移植 到另一个操作系统环境，从一个开发工具 环境到另一个开发工具环境，从一种程序 语言到另一种程序语言…



图段功能集 定义了图形如何组合到图段中。 输入和应答功能集 按照返回数据的类型对输入设备进行逻辑分 类，每个逻辑设备都有多种输入方式，该功 能集是确定逻辑输入设备和其输入方式。 光栅功能集 提供了产生、检索、修改和显示像素数据的功能。
总结： 提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法。 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。

程序员层次交互式图形系统(PHIGS)


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。
图形程序库(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。
PHIGS--Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics Standards程序员分层交互图形标准 PHIGS是GKS的扩展，增加了对象建模、彩色 设定、图形管理等功能。 PHIGS+（三维表面明 暗处理功能）


CGI--Computer Graphics Interface计算机图形接口 GCI提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法； CGM--Computer Graphics Metafile计算机图形元文 件CGM是一套与设备无关的语义词法定义的图形文件 格式； 流行于工业界的软件包： DirectX (MS) Xlib(X-Window系统) OpenGL(SGI) Adobe公司Postscript
(2) 界面清晰：窗口系统通常向用户提供如下界面。 • 应用界面：最终用户和所显示窗口间的交互接口。它向 用户提供灵活高效、功能丰富的多窗口机制，包括各种 类型的窗口、菜单、图形、正文、对话框、滚动条等对 象的操作及他们间的相互通信。 • 编程界面：是程序员构造应用程序的多窗口界面。由窗 口系统提供的各类库函数、工具箱、对象类等编程机制 具有较强的图形功能、设备独立性和网络透明性。 • 窗口管理界面：对窗口进行“宏观”管理的界面。

图形标准分类



面向图形设备的接口标准： 计算机图形元文件(CGM)，(CRT,Mouse,…) 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) 图形核心系统GKS，GKS3D 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）
基本图形转换规范(IGES)

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。
产品模型数据转换标准(STEP)


通用图形软件包功能

属性描述。属性描述一个特定图元是怎样 显示的，包括强度和彩色设定，线型、文 本类型，以及填充模式； 几何变换(如平移、比例、旋转、投影等) 改变物体的位置、大小或方向；


观察变换选定视图投影到输出设备；
交互输入功能；
控制操作功能，如屏幕初始化…
图形应用数据结构 图形软件 图 形 系 统 图形应用软件 图形支撑软件 图形硬件 图形计算机平台 图形设备 计算机图形系统的结构
(4) 实现紧凑 基于上述设计目标，窗口系统在实现时通常采用两种类型。 一种是基于核心的窗口系统，即把窗口系统的核心放到操 作系统的内核中，这时对窗口功能的使用类似于系统调用。 这类窗口系统如：MS-Windows,SUNView等。 一种是把窗口系统的核心作为操作系统的用户进程(作为服 务器进程)来对待，而把窗口系统的应用程序作为另一个用 户进程(作为客户进程)来对待，通过进程间通信的方式，由 窗口服务器进程实现窗口核心功能。如：X窗口系统等。
图形支撑软件

第一层次是面向系统的，主要解决图形设备与计算机 的通讯接口等问题，称为设备驱动程序，包括一些最 基本的输入、输出程序。事实上，设备驱动程序现在 已被作为操作系统一部分，由操作系统或设备硬件厂 商开发； 第二层次是建立在驱动程序之上，完成图元的生成、 设备的管理等功能，目前这个层次上的图形支撑软件 已经标准化，如GKS、PHIGS、CGI等；
应用程序 GKS, PHIGS,GL 图形软件包
CGI
设备驱动程序 设备驱动程序 设备驱动程序
CGM mouse Screen Disk
语言绑定(language binding)



图形函数定义为独立于任何程序设计语言的一 组规范。 语言绑定则为特定的高级语言而定义，即不同 的语言有专门的语言绑定。 语言绑定提供特定编程语言访问标准图形库函 数的语法。
计算机图形元文件(CGM)
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。

图形核心系统(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。 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；与图形信息相 关的非图形信息的存储和复用。
语言联编
Application
GKS Polyline(n,x,y)
CALL GPL(n,x,y)
PPolyline(n,pts)
Fortran function
C function
计算机图形接口(CGI)
CGI(Computer Graphics Interface)是 ISO提出的图形设备接口标准。CGI的目的 是提供控制图形硬件的一种与设备无关的方 法，也使得有经验的用户最大限度地、灵活 地直接控制图形设备。 CGI是图形设备驱动程序的一种标准。

输出功能集：包含五大功能。 (1) 图元功能：用来描述CGI中图形的构成。 (2) 属性功能：用来设置状态表中的值，这些值 来确定图元的可视性等属性。 (3) 通用属性和输出控制：用来规定图元的操作 方式、图形设备的属性设置及图形对象的定义。 (4)检索功能：返回与正文对象定位有关的信息。 (5) 输出询问：返回输出及属性描述表和状态表 的有关信息。
(5) 功能齐全 由于窗口系统只规定了应用程序员的编程接口， 不同厂商或用户可在它们之上实现各种窗口管理 程序以及界面外观，因此窗口系统已经成为个人 计算机和工作站各种用户界面的基础。
2.4.2 窗口系统的输入处理 窗口系统的输入是用户控制窗口的基础，它比传统 程序的输入复杂，其中对事件的产生、分发、接收 和处理是窗口系统输入的基础。 我们把窗口系统中的输入称之为事件(Event)。 窗口系统中的输入主要由产生和分发两部分组成。
第二章 计算机图形的标准和窗口系统统
计（ 算软 机件 图部 形分 系） 统
2.1 图形软件类型


通用编程软件包 ----为C, FORTRAN一类的 高级语言编程提供一组图形函数。基本功能 包括生成基本图形、属性设置、视图选择以 及图形变换功能等。 专用应用软件包 ---- 为非程序员设计，用户 可生成图形而无需考虑图形生成原理。 例如 CAD.
设备坐标系

笛卡儿坐标：通用图形编程软件包采用的右手系 标准坐标。

建模坐标系/局部坐标系/主坐标系：描述单个物 体的形状、大小、尺寸所采用的坐标系称为建模 坐标。
世界坐标系(WC)：场景参照坐标系。


规范化坐标系(NC)：指独立于具体物理设备的一 种坐标系，它的显示空间在x和y上都是0到1范围 内，主要用于在计算机内部处理图形，对一个具 体物理设备，NC与DC仅仅是相差一个比例因子， NC可被看成是一个抽象的图形设备 。

窗口系统是一种与设备无关的图形化的用户接口环境。从 用户的观点看，窗口系统是以计算机图形学为基础，在光 栅显示器上同时显示多个图形对象，为用户提供直观、形 象、一致的图文操作手段，并可同时进行多个任务的处理。 比较有名的窗口系统有：PC机的MS-Windows，UNIX 下的X窗口，SUN工作站上的NeWS等。 2.4.1 窗口系统的特点 (1) 定义简洁 窗口系统是控制光栅显示设备与输入设备的系统软件，它 所管理的资源有屏幕、窗口、象素位图、颜色表、字体、 光标、图形资源及其输入设备。

设备坐标系(DC)或屏幕坐标系：将场景的世界坐 标系描述转换为一个或多个输出设备参照系来显 示。该坐标系依赖于具体的显示输出设备 。

从建模坐标到设备坐标的变换序列为： (xmc,ymc)->(xwc,ywc)->(xnc,ync)->(xdc,ydc)

为适应比例和纵横比的差别，NC变换到输出设 备(DC)的正方形区域，以保持适当的比例
计（ 算软 机件 图部 形分 系） 统
2.2 坐标表示
坐标类型：

笛卡尔坐标


建模坐标
世界坐标


规范化设备坐标
设备坐标或屏幕坐标
通用的与设 备无关的图 形软件包需 要的坐标系
观察与投影坐标系
建模坐标系 规范化设备坐标系
视频监视器 绘图仪
世界坐标系
这个转换由相 应设备的设备 驱动程序实现
其他输出设备
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。



图形软件类型 坐标表示 图形标准 窗口系统
计（ 算软 机件 图部 形分 系） 统
2.4 窗口系统--工业标准
CGI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，它所提供的功能集包括： 控制功能集 输出功能集 图段功能集 输入和应答功能集 光栅功能集

控制功能集：包含五大功能。 (1) 虚拟设备管理：用来启动和终止用户与CGI虚拟设 备的对话期，管理虚拟设备上的图形图像。 (2) 坐标空间：提供从虚拟设备坐标系(VDC)到设备坐 标系(DC)的映射。 (3) 出错控制：CGI将所有检测到的错误分类并规定了 错误发生后CGI要执行的动作。 (4) 系统控制：提供了数字精度需求的规格说明，通过 这些功能用户可建立各种数据类型。 (5) 询问功能：提供给用户存取各种数据结构中信息的 手段。

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。

ISO & ANSI 标准 GKS--Graphical Kernel System图形核心系统。
GKS定义了一个独立于语言的图形核心系统，包括全部 的图形处理功能，分为十类。GKS 3D