計算機圖形顯示

隨着計算機科學技術的迅猛發展，藉助於計算機的圖形顯示技術、圖像處理技術和模式識別技術均取得了重大進展。僅在電視節目製作系統中，就有電視字幕機、三維動畫工作站和非線性編輯系統等幾大應用領域。而在這幾大應用領域中，都離不開計算機圖形顯示技術。

談到計算機圖形顯示技術，可分為硬件和軟件兩大部分，且這兩大部分密切相關。就廣義的圖形來説，可以分為由計算機生成的字幕與圖形、由掃描儀輸入的圖 形、由圖像卡輸入的活動圖像及由該卡捕捉到的單幀圖像（可以用某一規定的圖形格式來存儲）等。當這些圖形圖像以文件形式存儲下來時，可以有靜態或動態、低 分辨率或高分辨率等數十種格式。

圖形顯示是當代各類計算機系統不可缺少的組成部分, 計算機輔助設計/ 製造( CAD/CAM )必須具備人機交互的圖形顯示系統; 更不必説各行各業的控制指揮中心裏(例如電力、交通調度中心, 航天指揮中心及軍事指揮中心) , 都要求有各類清晰醒目的動態顯示圖表, 以便給指揮員提供實時的信息, 確保實施迅速而正確的指揮。圖形和圖象是人們藉以獲得信息的重要媒介, 因而圖形顯示器已成為計算機系統的重要設備, 特別是在當前我國計算機事業迅猛發展的時期，研究圖形顯示系統具有現實的意義。 ^[2] 

計算機圖形顯示系統完成平面投影的二維圖形或立體三維圖形的生成、變換和信息的傳送, 這些處理功能需要強有力的系統硬件和軟件方面的支持。典型的圖形顯示系統最簡框圖示於圖。 ^[2] 

系統中的主計算機生成和處理圖形信息, 接受並處理各輸人設備( 如鍵盤、圖形輸入板、數字化儀表等) 的輸人信息，並把所形成的圖形信息按某種特定的格式送到顯示緩存器中。顯示處理機通常完成主機賦予它的圖形處理功能, 是一台顯示控制機，它包括與主機接口的緩衝器、定時電路, 並具有座標變換和某些其他控制功能。這當中座標變換是其主要功能之一，它確定了信息顯示的座標位置，同時也確定了圖形的亮度和彩色。顯示處理機內可能還包含刷新存儲器, 它以數字形式存儲一頁或多頁顯示信息。採用了中矩餘輝陰極射線管 的顯示器必須帶有刷新存儲器, 但在存儲型CRT顯示設備中，則不必有圖象刷新存儲器。方框圖中的數據變換器將計算機輸出的信息轉換為適合於顯示器件所要求的數據格式，例如對於光柵掃描式CRT顯示器，則要求將數據轉換為調製CRT亮度的模擬信號，並將屏幕上諸顯示象元之間的相對位置關係轉換為調製信號間的相對時間關係。圖形系統的顯示終端可以用各類CRT( 彩色或黑白的顯示管, 亦或是存儲式及穿透式彩色顯示管) ，也可以是矩陣選址的平板型顯示器件。當然, 此時數據變換部件將要完成數字信息到顯示矩陣座標的轉換工作。由此看出, 數據變換的方法, 甚至於顯示處理器生成圖形數據格式都與最終的顯示器件有密切的關係, 因此依據顯示器件及其選址方式來劃分顯示系統類別，這具有代表性的意義。 ^[2] 

不同應用系統的軟件系統也有很大的差別，從包含基本繪圖功能及圖素的軟件包到專用的高級繪圖語言, 這中間包括多種多樣的繪圖軟件。例如, 常見的增加了繪圖語句的高級語言：BASIC和PASCAL以及在高級語言下可調用的繪圖軟件包和專用繪圖高級語言等。最簡單的圖形軟件包至少應包含如下基本功能: 控制圖形生成或顯示的內務擇作(如初始化、設置堆錢指針等)；繪製基本圖素(如直線、圓或拋物線)的功能；以及為圖形填塗彩色和改變灰度等功能。如果是三維圖形，則還有設置陰影面和消除隱藏線的命令。構造可被調用的圖形軟件包還有一個同主高級語言接口的問題; 而對於專用的高級繪圖語言則必須按不同的應用要求進行設計, 例如繪製動畫圖樣的軟件, 則必須包含各種圖形變換(放縮比例尺，圖形的平移、旋轉、裁剪、拼接等)的基本命令或語句。總之，系統軟件的開發程度決定了圖形系統的智能和人機交互式地使用圖形系統的方便程度，這是設計一個圖形系統着重要考慮的問題。 ^[2] 

專用圖形學語言在圖形程序設計中起着重要的作用。一些高水平的圖形學語言僅僅有十幾年的歷史。圖形學專用語言可完成三維圖形的處理、正投影、等軸測投影和非等軸測投影的三維圖形，投影角度可旋轉的三維軸測圖和常用座標向球座標投影的變換，以及三維到二維的圖形變換和完成變焦式的放縮局部圖象和搖出全景圖象等較高級的圖形處理功能。圖形學專用語言是面向圖形處理和I/O設備的圖形指令集, 而語言程序是對此命令集進行解釋和執行的解釋型程序，這便於人機交互，對CAD/CAM應用極為方便。它也可發展成為各行各業(例如造船、測繪、集成，電路設計) 的圖形處理專用高級語言。在圖形學技術進一步發展之後，圖形數據庫管理系統軟件，具有智能的計算機數字圖形理解系統，以及計算機場景分析和計算機視覺這類新技術和新系統必定能得到更廣泛的應用，開發這些新技術的關鍵之一是圖形處理軟件。 ^[2] 

如同字符終端一樣，圖形顯示終端與主機連接方式可分為獨立式和集羣式兩種系統。在獨立式系統中，一台終端顯示控制器和圖形發生器只帶一個CRT顯示器，此終端可以脱機獨立運行,亦可以同主機聯機運行；而集羣式則是一台顯示控制器和圖形發生器可連接多台顯示終端，這些顯示終端可以各自獨立操作，也可以一起運行。 ^[2] 

這類圖形系統在科學研究、工程設計和工業控制中都得到了廣泛的應用, 就是事務管理中的圖表，以至於電影、電視和各類設計中所用的藝術圖形，都越來越多地使用計算機圖形顯示系統。例如, 大規模集成電路設計需用人機交互的CAD 圖形系統, 它配有CDA 專用描述語言、圖形數據庫和具有各種圖形處理功能的程序庫。在圖形數據庫中搜集了常用座標下定義的大量圖素和子圖素及其屬性(諸如圖形的對比度，構成圖形的線型及所含字型的尺寸、角度和齊邊位置等信息)。這一類人機交互的CAD/CAM 圖形系統對於造船、航空和各類機械設計和製造業以及建築,設計都有很好的實用價值。在工業和交通控制過程中，用圖形來表示流程和控制狀態，這為指擇者和操縱員提供了方便。例如對化學流程進行控制或對航天飛行器進行指揮都可在人機交互的圖形系統上操作。就是對於事務處理和教學系統, 計算機圖形功能亦是不可缺少的一部分。例如事務處理中常用的統計圖表、直方圖及比例圓圖和曲線都要由圖形系統來完成, 教學中的函數曲線、教學模型示意圖和人機應答的電路設計過程都是在計算機圖形系統的基礎上發展起來的。對於地理學、大地側繪及天文氣象這些本來就與圖形有不解之緣的各行各業中, 只要計算機化提到日程上來，首先應考慮的就是自動繪圖系統。在各類大量應用的電子顯示儀器中，微機圖形功能是必然要開發的新技術，例如在雷達和聲納顯示器上增加距離和方位的電標度尺。 ^[2] 

現代複雜形體設備的設計和加工, 以及動態實時圖形的產生都己廣泛採用計算機圖形系統。例如美國洛克希德飛機公司便用計算機圖形生成和處理系統發展了飛行模擬訓練器。而對於複雜形體的飛行器設計, 則利用計算機圖形系統繪製並分析飛機外形和各截面及其結構體的理論模線，在作外形計算之後、一輸出加工控制程序，並以此控制最後的加工製造。計算機圖形系統在這一系列工作中起着主導的作用。這種複雜的圖形系統，配備有大型精密繪圖機和大容量磁盤存儲系統，並且多數系統已建立了豐富的圖形數據庫和程序庫。 ^[2]