计算机图形学 图形系统软件基础

内容提要
图形系统的构成 图形输出的表示
图形软件系统功能 图形软件的标准
图形系统的构成分类
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
图形输入输出设备
图形数据文件 图形基元模型 字模/字体库 图案/实例模型 几何描述数据
图形处理软件 图形生成软件 图形用户接口 图形辅助控制 图形工具软件
• 第二层次是面向图形软件的 — (图形支撑软件主体)
完成图元生成、设备管理等功能 这个层次的图形支撑软件已标准化，如GKS、PHIGS、CGI等
；
• 第三层次是面向具体应用的 — (工业图形支撑软件)
其任务是建立图形数据结构，定义、修改和输出图形。 它是的在中间层基础上编写，要求具有较强的交互功能，使用方
• 但面模型不能有效地表示对象的实体性质， 面模型中的所有面未必形成一个封闭的边界， 各个面的侧向没有明确的定义，即无法确定实体位于 面的哪一侧。
对象描述模型：几何模型 体模型(Solid Model)：
• 不仅包括实体所有信息，而且包含完备的拓扑信息 即包含所有面、边和顶点的连接关系等，可支持各 种实体运算。
• 通用软件包的基本功能包括：生成图元(直线、多边形、圆和其它)、 设置彩色和强度值、选择观察和实施变换。
专用应用图形软件包
• 是为非程序员设计的，因此，用户可生成显示而毋须担心图形操作是 如何进行的。
• 在这些软件包中与图形子程序的接口容许用户以自己的术语(用户图形 编程语言UPL)同程序通信。
对象描述模型：几何模型
对象描述模型的核心是对象的几何性质
形状、大小、位置和结构 • 刻画被处理对象几何性质的描述信息就构成了几何模型。 • 几何模型通常是非几何信息的载体。
线模型(Wire-frame Model)：
• 以形体边界面上的一组轮廓线来表示形体 其核心使用直线、折线和曲线来描述对象的几何形状。 简单、容易理解、处理速度快。 该模型信息不完整。
• 只是反映对象的轮廓线构成：线模型与形体之间不是一一对应的。 • 线模型中没有形体的表面信息，它仅仅通过给定的轮廓线约束所表
示形体的边界面，而在轮廓线之间的地方，形体的表面可任意变化， 由此导致线模型表示的形体可能产生二义性。
对象描述模型：几何模型
面模型(Surface Model)：
• 它将形体表示为面的集合，即使用多边形、曲面等来描 述对象的几何形状。 它是在线模型的基础上增加了面的信息。 可以对其进行面与面的求交线运算、隐藏面与隐藏线 的消除、绘制明暗着色图，等等。
图形 系统
图形 系统
图形 系统
图形 系统
图形 系统
数据交换 软件移植
图形 系统
图形
图形
系统
图形支
系统
撑软件
图形 系统
图形 系统
图形支撑软件
一般，这种软件可在三个层次上定义： • 第一层次是面向操作系统的，设备驱动程序
图形设备与计算机的通讯接口(最基本的输入/输出) • 设备驱动程序由操作系统或设备硬件厂商开发；
此类应用软件包例子：有美术绘画程序和各种商业、医学和CAD系统。
图形支撑软件
图形支撑软件由一组公用图形子程序所组成，它扩展系统 中原有高级语言和操作系统的图形处理功能。
通常，图形支撑软件提供一系列的图形原语(输出图元， Graphic Output Primitives)或函数供开发者使用
• 如线、圆弧、折线、曲线、曲面、标志、区域、图象和文字等。
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。
图形支撑软件
采用标准图形支撑软件开发图形应用软件有三个好处：
OS图形扩展 图形BIOS程序 图形语言语句 图形子程序库 图形软件包
微机 工作站 计算机网络 中小型计算机
图形输入设备 图形输出设备 图形显示设备
图形系统的逻辑构成
所有交互式图形系统在概念上（逻辑上）都由四个主要部分 构成：对象描述模型、图形应用软件、图形支撑软件和图形 输入/输出设备。
对象描述模型
模型中的数据包括:
• 描述构成图元形状(顶点、直线段、曲
线段、多边形、多面体、自由曲面等)
及其相互关系(拓扑关系)的几何数据；
• 描述构成图元外观(线型、线宽、颜色、 表面纹理等)及实际应用中的其它一 些非几何数据，如材料、加工要求， 设计者等属性数据。
分形造型（Sierpinski三角形）是由 递归过程（递归地去除三角形中的 1/4 区 域 ） 和 三 角 形 的 顶 点 坐 标 共 同确定的。
图形软件系统基础
内容提要
图形显示硬件是计算机图形系统的基础和前提，而计算机图 形软件系统则是计算机图形系统的核心，它涉及到对象的定 义和表示、各种对象建模和处理技术和算法等一系列问题， 这也是目前计算机图形学学科研究的主体。
本讲主要介绍图形软件系统的最基础知识。
图形系统的构成 图形输出的表示
图形软件系统功能 图形软件的标准
输入/输出设备
对象描述模型 图形应用软件 图形支撑软件
对象描述模型：图形数据模型
对象描述模型描述了图形对象及它们间 的相互关系，
• 简单地说，它表示生成图形对象的 全部描述信息，
• 即：对象的性质、结构和行为的所 有描述信息。
对象描述模型 • 既可能是完全由数据刻 画的； • 也可能是由数据和过程 共同描述的。
☆线框模型 ☆表面模型 ☆实体模型
数据模型库
Байду номын сангаас图形应用软件
☆应用模型 ☆应用处理 ☆其它处理
核心应用功能
图形支撑软件
☆ GKS、PHIGS ☆ CGI、CGM ☆ OpenGL(SGI) ☆ DirectX ☆ X-Windows ☆ Postscript
图形标准接口
输入输出设备
☆输入设备 ☆输出设备 ☆其它设备
在显示效果上，由于采用 了消隐、光照效果等原因， 往往难以区分面模型和体 模型，但在具体应用时会 存在很大差异。
图形软件包类型
通用图形编程软件包
• 提供一个可用于高级程序语言如C或FORTRAN的图形功能扩展集。
通 用 图 形 编 程 软 件 包 的 一 个 例 子 是 Silicon Graphics 设 备 上 的 GL(Graphics Library图形库)系统。