[科普中国]-计算机图形显示

基本概念

计算机图形显示1(computer graphics display)是计算机绘图术语，计算机所绘图样在屏幕上的显示，计算机绘图一般指在计算机的控制下，从绘图机上输出永久性的图形.适用于静态绘图.如果图形输出设备不是绘图机，而是阴极射线管(CRT)构成的显示器，则称为计算机图形显示，简称CGD。它既适用于静态绘图，也适用于动态绘图，输出的是供临时观察或实时监视的屏幕图形。

随着计算机科学技术的迅猛发展，借助于计算机的图形显示技术、图像处理技术和模式识别技术均取得了重大进展。仅在电视节目制作系统中，就有电视字幕机、三维动画工作站和非线性编辑系统等几大应用领域。而在这几大应用领域中，都离不开计算机图形显示技术。
谈到计算机图形显示技术，可分为硬件和软件两大部分，且这两大部分密切相关。就广义的图形来说，可以分为由计算机生成的字幕与图形、由扫描仪输入的图 形、由图像卡输入的活动图像及由该卡捕捉到的单帧图像（可以用某一规定的图形格式来存储）等。当这些图形图像以文件形式存储下来时，可以有静态或动态、低 分辨率或高分辨率等数十种格式。

背景图形显示是当代各类计算机系统不可缺少的组成部分, 计算机辅助设计/ 制造( CAD/CAM )必须具备人机交互的图形显示系统; 更不必说各行各业的控制指挥中心里(例如电力、交通调度中心, 航天指挥中心及军事指挥中心) , 都要求有各类清晰醒目的动态显示图表, 以便给指挥员提供实时的信息, 确保实施迅速而正确的指挥。图形和图象是人们藉以获得信息的重要媒介, 因而图形显示器已成为计算机系统的重要设备, 特别是在当前我国计算机事业迅猛发展的时期，研究图形显示系统具有现实的意义。2

结构计算机图形显示系统完成平面投影的二维图形或立体三维图形的生成、变换和信息的传送, 这些处理功能需要强有力的系统硬件和软件方面的支持。典型的图形显示系统最简框图示于图。2

系统中的主计算机生成和处理图形信息, 接受并处理各输人设备( 如键盘、图形输入板、数字化仪表等) 的输人信息，并把所形成的图形信息按某种特定的格式送到显示缓存器中。显示处理机通常完成主机赋予它的图形处理功能, 是一台显示控制机，它包括与主机接口的缓冲器、定时电路, 并具有坐标变换和某些其他控制功能。这当中坐标变换是其主要功能之一，它确定了信息显示的坐标位置，同时也确定了图形的亮度和彩色。显示处理机内可能还包含刷新存储器, 它以数字形式存储一页或多页显示信息。采用了中矩余辉阴极射线管 的显示器必须带有刷新存储器, 但在存储型CRT显示设备中，则不必有图象刷新存储器。方框图中的数据变换器将计算机输出的信息转换为适合于显示器件所要求的数据格式，例如对于光栅扫描式CRT显示器，则要求将数据转换为调制CRT亮度的模拟信号，并将屏幕上诸显示象元之间的相对位置关系转换为调制信号间的相对时间关系。图形系统的显示终端可以用各类CRT( 彩色或黑白的显示管, 亦或是存储式及穿透式彩色显示管) ，也可以是矩阵选址的平板型显示器件。当然, 此时数据变换部件将要完成数字信息到显示矩阵坐标的转换工作。由此看出, 数据变换的方法, 甚至于显示处理器生成图形数据格式都与最终的显示器件有密切的关系, 因此依据显示器件及其选址方式来划分显示系统类别，这具有代表性的意义。2

处理软件不同应用系统的软件系统也有很大的差别，从包含基本绘图功能及图素的软件包到专用的高级绘图语言, 这中间包括多种多样的绘图软件。例如, 常见的增加了绘图语句的高级语言：BASIC和PASCAL以及在高级语言下可调用的绘图软件包和专用绘图高级语言等。最简单的图形软件包至少应包含如下基本功能: 控制图形生成或显示的内务择作(如初始化、设置堆钱指针等)；绘制基本图素(如直线、圆或抛物线)的功能；以及为图形填涂彩色和改变灰度等功能。如果是三维图形，则还有设置阴影面和消除隐藏线的命令。构造可被调用的图形软件包还有一个同主高级语言接口的问题; 而对于专用的高级绘图语言则必须按不同的应用要求进行设计, 例如绘制动画图样的软件, 则必须包含各种图形变换(放缩比例尺，图形的平移、旋转、裁剪、拼接等)的基本命令或语句。总之，系统软件的开发程度决定了图形系统的智能和人机交互式地使用图形系统的方便程度，这是设计一个图形系统着重要考虑的问题。2

专用图形学语言在图形程序设计中起着重要的作用。一些高水平的图形学语言仅仅有十几年的历史。图形学专用语言可完成三维图形的处理、正投影、等轴测投影和非等轴测投影的三维图形，投影角度可旋转的三维轴测图和常用坐标向球坐标投影的变换，以及三维到二维的图形变换和完成变焦式的放缩局部图象和摇出全景图象等较高级的图形处理功能。图形学专用语言是面向图形处理和I/O设备的图形指令集, 而语言程序是对此命令集进行解释和执行的解释型程序，这便于人机交互，对CAD/CAM应用极为方便。它也可发展成为各行各业(例如造船、测绘、集成，电路设计) 的图形处理专用高级语言。在图形学技术进一步发展之后，图形数据库管理系统软件，具有智能的计算机数字图形理解系统，以及计算机场景分析和计算机视觉这类新技术和新系统必定能得到更广泛的应用，开发这些新技术的关键之一是图形处理软件。2

应用如同字符终端一样，图形显示终端与主机连接方式可分为独立式和集群式两种系统。在独立式系统中，一台终端显示控制器和图形发生器只带一个CRT显示器，此终端可以脱机独立运行,亦可以同主机联机运行；而集群式则是一台显示控制器和图形发生器可连接多台显示终端，这些显示终端可以各自独立操作，也可以一起运行。2

这类图形系统在科学研究、工程设计和工业控制中都得到了广泛的应用, 就是事务管理中的图表，以至于电影、电视和各类设计中所用的艺术图形，都越来越多地使用计算机图形显示系统。例如, 大规模集成电路设计需用人机交互的CAD 图形系统, 它配有CDA 专用描述语言、图形数据库和具有各种图形处理功能的程序库。在图形数据库中搜集了常用坐标下定义的大量图素和子图素及其属性(诸如图形的对比度，构成图形的线型及所含字型的尺寸、角度和齐边位置等信息)。这一类人机交互的CAD/CAM 图形系统对于造船、航空和各类机械设计和制造业以及建筑,设计都有很好的实用价值。在工业和交通控制过程中，用图形来表示流程和控制状态，这为指择者和操纵员提供了方便。例如对化学流程进行控制或对航天飞行器进行指挥都可在人机交互的图形系统上操作。就是对于事务处理和教学系统, 计算机图形功能亦是不可缺少的一部分。例如事务处理中常用的统计图表、直方图及比例圆图和曲线都要由图形系统来完成, 教学中的函数曲线、教学模型示意图和人机应答的电路设计过程都是在计算机图形系统的基础上发展起来的。对于地理学、大地侧绘及天文气象这些本来就与图形有不解之缘的各行各业中, 只要计算机化提到日程上来，首先应考虑的就是自动绘图系统。在各类大量应用的电子显示仪器中，微机图形功能是必然要开发的新技术，例如在雷达和声纳显示器上增加距离和方位的电标度尺。2

现代复杂形体设备的设计和加工, 以及动态实时图形的产生都己广泛采用计算机图形系统。例如美国洛克希德飞机公司便用计算机图形生成和处理系统发展了飞行模拟训练器。而对于复杂形体的飞行器设计, 则利用计算机图形系统绘制并分析飞机外形和各截面及其结构体的理论模线，在作外形计算之后、一输出加工控制程序，并以此控制最后的加工制造。计算机图形系统在这一系列工作中起着主导的作用。这种复杂的图形系统，配备有大型精密绘图机和大容量磁盘存储系统，并且多数系统已建立了丰富的图形数据库和程序库。2