计算机图形学ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机图形学,咸阳师范学院信息工程学院,E-mail: duanqun,教学要求,了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术；,了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、方法与算法；,对与图形相关的应用及当前的研究热点有一个初步认识；,具有一定实践体会和相关的编程能力。,教材或参考书：,教材,陈元琰等，“计算机图形学”，清华大学出版社，,2007,。,主要参考书：,孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版社，,1999,。,Siggraph,第,1,章 绪论,计算机图形学是近,20,年来科学技术领域中取得的又一重要成就，是随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计算机科学与雷达、电视及图像处理技术的发展汇合而产生的硕果。,在造船、航空航天、汽车、电子、机械、土建工程、影视广告、地理信息、轻纺化工等领域中的广泛应用，推动了这门学科的不断发展，而不断解决应用中提出的各类新课题，又进一步充实和丰富了这门学科的内容。它现在已发展为对物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新学科。,1.1,计算机图形学的概念、发展和应用,1.1.1,计算机图形学的概念,计算机图形学（,Computer Graphics,）,是,研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门新兴学科，国际标准化组织（,ISO,）,定义为：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。,与计算机图形学的概念容易混淆的是,图像处理,。计算机图形学的基本含义是使用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形来。与此相反，图像处理是将客观世界中原来存在的物体的影像处理成新的数字化图像的相关技术，并研究如何从图像中提取二维或三维物体的模型。它所研究的是计算机图形学的逆过程。,计算机图形学的研究内容,涉及到用计算机对图形数据进行处理的硬件和软件两方面的技术，主要是围绕着生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性的基础算法，大致可分为以下几类：,（,1,）基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如用光栅图形显示器生成直线、圆弧、二次曲线、封闭边界内的图案填充等。,（,4,）三维几何造型技术，对基本体素的定义、输入及它们之间的布尔运算方法。,（,5,）三维形体的实时显示，包括投影变换、坐标变换等。,（,2,）图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大和缩小、旋转、镜像等操作。,（,3,）样条曲线和样条曲面的插值、拟合、拼接、光顺、整体和局部修改等。,（,8,）科学计算可视化和三维数据场的可视化，将科学计算中大量难以理解的数据通过计算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如有限元分析的结果等；应力场、磁场的分布等；各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。,（,7,）山、水、花、草、烟、云等自然景物的模拟生成算法等。,（,6,）真实感图形的生成算法，包括三维图形的消隐、光照、色彩、阴影、纹理及彩色浓淡图的生成算法。,与相关学科的关系,数字图像,数据模型,图像生成（计算机图形学）,模型（特征）提取,（计算机视觉，模式识别）,模型变换,（计算几何）,图像变换,（图像处理）,1.1.2,计算机图形学的发展,计算机图形学的发展始于,50,年代，先后经历了准备阶段（,50,年代）、发展阶段（,60,年代）、推广应用阶段（,70,年代）、系统实用化阶段（,80,年代）和标准化智能化阶段（,90,年代）。,1.,准备阶段（,50,年代）,计算机图形学的发展历史应追溯到,50,年代末期。当时的计算机主要应用于科学计算，使用尚不普及，但已开始出现图形显示器、绘图仪和光笔等图形外部设备。,1950,年，美国麻省理工学院,Whirlwind I,（,旋风,I,号）计算机就配置了由计算机驱动的阴极射线管式的图形显示器，但不具备人,-,机交互功能。,50,年代末期，美国麻省理工学院林肯实验室研制的,SAGE,空中防御系统，就已具有指挥和控制功能。这个系统能将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者可以借用光笔指向屏幕上的目标图形来获得所需要的信息，这一功能的出现预示着交互式图形生成技术的诞生。,2.,发展阶段（,60,年代）,1962,年，美国麻省理工学院的,I.E.Sutherland,（,I.E.,萨瑟兰德,）,在他的博士论文中提出了一个名为“,Sketchpad,”,人,机交互式图形系统，能在屏幕上进行图形设计和修改。,萨瑟兰德在他论文中首次使用了“计算机图形学（,Computer Graphics,）”,这个术语，证明了交互式计算机图形学是一个可行的有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。因此，,I.E.,萨瑟兰德的“,Sketchpad,”,系统被公认为对交互图形生成技术的发展奠定了基础。,随后，美国通用汽车公司（,IBM,）、,贝尔电话公司和洛克希德飞机制造公司等开展了计算机图形学和计算机辅助设计的大规模研究，分别推出了,DAC-1,系统、,Graphic-1,系统和,CADAM,系统，使计算机图形学进入了迅速发展的新时期。,这一时期使用的图形显示器是随机扫描的显示器，它具有较高的分辨率和对比度，具有良好的动态性能。但为了避免图形闪烁，通常需要以,30,次秒左右的频率不断刷新屏幕上的图形。为此需要一个刷新缓冲存储器来存放计算机产生的显示图形的数据和指令，还要有一个高速的处理器。,由于这一时期使用的计算机图形硬件（大型计算机和图形显示器）是相当昂贵的，因而成为影响交互式图形生成技术进一步普及的主要原因。因此，只有上述这些大公司才能投入大量资金研制开发出只供本公司产品设计使用的实验性系统。,3.,推广应用阶段（,70,年代）,进入,70,年代以后，由于集成电路技术的发展，计算机硬件性能不断提高，体积缩小，价格降低，特别是廉价的图形输入、输出设备及大容量磁盘等的出现，以小型计算机及超级小型机为基础的图形生成系统开始进入市场并形成主流。,由于这种系统比起大型计算机来，价格相对便宜，维护使用也比较简单，因而，,70,年代以来，计算机图形生成技术在计算机辅助设计、事务管理、过程控制等领域得到了比较广泛的应用，出现了许多专门开发图形软件的公司及相应的商品化图形软件，取得了较好的经济效益，,CAD,成为工业设计部门不可缺少的工具和热门技术。,其中，基于电视技术的光栅扫描显示器的出现极大地推动了计算机图形学的发展。光栅扫描显示器将被显示的图像以点阵形式存储在刷新缓存中，由视频控制器将其读出并在屏幕上产生图像。,光栅扫描显示器较之随机扫描显示器有许多优点。一是规则而重复的扫描比随机扫描容易实现，因而价格便宜；二是可以显示用颜色或各种模式填充的图形，这对于生成三维物体的真实感图形是非常重要的。三是刷新过程与图形的复杂程度无关，只要基本的刷新频率足够高，就不会因为图形复杂而出现闪烁现象。,由于光栅扫描显示器具有许多优点，因而直至今日仍然成为图形显示的主要方式，工作站及微型计算机都采用这种光栅扫描显示器。,由于众多商品化软件的出现，这一时期图形标准化问题也被提上议程。图形标准化要求图形软件由低层次的与设备有关的软件包转变为高层次的与设备无关的软件包。,1974,年，美国计算机学会成立了一个图形标准化委员会（,ACM SIGGRAPH,），,开始有关标准的制定和审批工作。,1977,年该委员会提出了一个称为“核心图形系统,CGS,”,的规范。,1979,年又公布了修改后的第二版，增加了包括光栅图形显示技术在内的许多其他功能，但仍作为进一步讨论的基础。,4.,系统实用化阶段（,80,年代）,进入,80,年代以后，工作站的出现极大地促进了计算机图形学的发展。比起小型计算机来，工作站在用于图形生成上具有显著的优点。首先，工作站是一个用户使用一台计算机，交互作用时，响应时间短；其次，工作站连网后可以共享资源，如大容量磁盘，高精度绘图仪等；而且它便于逐步投资、逐步发展、使用寿命较长。因而，工作站已经取代小型计算机成为图形生成的主要环境。,80,年代后期，微机的性能迅速提高，配以高分辨率显示器及窗口管理系统，并在网络环境下运行，使它成为计算机图形生成技术的重要环境。由于微机的广泛普及和推广，尤其是微机上的图形软件的全面出现，如,Windows,、,Office,、,AutoCAD,、,CorelDRAW,、,Freehand,、,3D Studio,等，使计算机图形学的应用深度和广度得到了前所未有的发展。,5.,标准化智能化阶段（,90,年代）,进入,90,年代，计算机图形学朝着标准化、集成化和智能化的方向发展。一方面，国际标准化组织（,ISO,）,公布的有关计算机图形学方面的标准越来越多，且更加成熟。目前，由,ISO,发布的图形标准有：计算机图形接口标准,CGI,、,计算机图形元文件标准,CGM,、,图形核心系统,GKS,、,三维图形核心系统,GKS-3D,和程序员层次交互式图形系统,PHIGS,。,另一方面，多媒体技术、人工智能及专家系统技术和计算机图形学相结合使其应用效果越来越好，使用方法越来越容易，许多应用系统具有智能化的特点，如智能,CAD,系统。科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用又向计算机图形学提出了许多更新更高的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面将有飞速发展。,图形学的发展现状,基本内容已成熟，尤其是二维光栅图形学；,3D,图形算法已较成熟，硬件上更新加快；但无突破，更逼真更快（依赖于硬件），但难以做到完全真实。,我国现状,发展迅速，图形算法水平高，硬件采用国外最新元器件。,应用有差距，商品化软件产品国际竞争力低。,应用不错，底层平台较差,人才缺乏。,1.1.3,计算机图形学的应用,由于计算机图形系统的硬、软件性能日益提高，而价格却逐步降低，这必然促使计算机图形生成技术的应用日益广泛，并已应用于工业、科技、教育、管理、商业、艺术、娱乐等许多行业。目前，主要的应用领域有：,1.,图形用户界面,软件的用户接口是人们使用计算机的第一观感。过去传统的软件中约有,60,以上的程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能，因为用户接口的好坏直接影响着软件的质量和效率。如今在用户接口中广泛使用了,图形用户界面（,GUI,），,如菜单、对话框、图标和工具栏等，大大提高了用户接口的直观性和友好性，也提高了相应软件的执行速度。,2.,计算机辅助设计与制造（,CAD,CAM,）,计算机辅助设计是计算机图形学的一个最广泛、最活跃的应用领域。由于,CAD,技术能广泛应用于产品设计和工程设计，适合多品种小批量生产，生产周期短、效率高，精确性和可靠性高，可以显著提高产品在市场上的竞争力，故越来越受到人们的关注，应用也越来越广泛。在产品设计和制造方面，,CAD/CAM,技术被广泛用于飞机、汽车、船舶、机电、轻工、服装的,外形设计和制造。,如美国波音公司，由于采用,CAD,技术，使波音,727,的设计提前二年完成；又如美国通用汽车公司，利用,CAD,系统把产品设计、制造、模拟试验和检查测试结合起来，组成一体化集成系统，使汽车设计周期由,5,年缩短到,3-4,年。,在电子工业中，,CAD,技术应用到集成电路、印刷电路板、电子线路和网络分析等方面的优势是十分明显的。一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能用手工设计和绘制，而用,CAD,进行设计可以在较短的时间内完成，并把结果直接送至后续工艺进行加工处理。,在工程设计方面，为了减低工程造价，提高设计效率，在建筑、石油、冶金、地质、电力、铁路、公路、化工等工程设计中广泛采用,CAD,技术。例如，在应用,CAD,进行建筑设计上，不仅可以进行总体的外观效果图设计，还可以完成结构设计、给或排水设计、电器设计和装饰设计等，对密集的楼群地段也可以进行光照分析。,工程图及其三维重建结果,3.,事务和商务数据的图形展示,应用图形学较多的领域之一是绘制事务和商务数据的各种二、三维图表，如直方图、柱形图、扇形图、折线图、工作进程图、仓库和生产的各种统计管理图表等，所有这些图表都用简明的方式提供形象化的数据和变化趋势，以增加对复杂对象的了解和对大量分散数据的规律分析，以便作出正确的决策。,4.,地形地貌和自然资源的图形显示,应用计算机图形生成技术产生高精度的地理图形或自然资源的图形是另一个重要的应用领域，包括地理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象气流图、植物分布图以及其他各类等值线、等位面图等。目前，建立在地理图形基础之上的地理信息管理系统（主要包括地理信息和地图）已经在许多国家中得到广泛的应用。,地理信息系统是当前信息社会中政府部门对资源和环境进行科学管理和快速决策时不可缺少的工具，可广泛应用于农林、地质、旅游、交通、测绘、城市规划、土地管理、环境保护、资源开发和灾害监测以及各种与地理空间有关的行业部门。,5.,过程控制及系统环境模拟,用户利用计算机图形学实现与其控制或管理对象间的相互作用。例如石油化工、金属冶炼、电网控制的有关人员可以根据设备关键部位的传感器送来的图像和数据，对设备运行过程进行有效监视和控制；机场的飞行控制人员和铁路的调度人员可通过计算机产生运行状态信息来有效、迅速、准确地调度，调整空中交通和铁路运输。,6.,电子出版及办公室自动化,图文并茂的电子排版制版系统代替了传统的铅字排版，这是印刷史上的一次革命。随着图、声、文结合的多媒体技术的发展，配合迅速发展的计算机网络，可视电话、电视会议、远程诊断以及文字、图表等的编辑和硬拷贝正在家庭、办公室普及。伴随计算机和高清晰度电视结合的产品的推出，这种普及率将会越来越高，进而会改变传统的办公、家庭生活方式。,7.,计算机动画和艺术,由于计算机图形系统的硬件速度提高，软件功能增强，因而利用它来制作计算机动画、广告，甚至电视电影，其中有的影片还获得了奥斯卡奖。,目前国内外不少单位正在研制人体模拟系统，这使得在不久的将来把历史上早已去世的著名影视名星重新搬上新的影视片成为可能。将计算机图形学与专家系统和人工智能技术结合起来，可构造出丰富多彩、形状各异的艺术图像，如各种图案、花纹、工艺外形设计及传统的油画、中国国画和书法等。,8.,科学计算的可视化,科学计算可视化就是应用计算机图形生成技术将科学及工程计算的中间结果或最后结果以及测量数据等在计算机屏幕上以图像形式显示出来，使人们能观察到用常规手段难以观察到的自然现象和规律，实现科学计算环境和工具的进一步现代化。,随着科学技术的进步，人类面临着越来越多的数据需要进行处理。这些数据来自高速计算机，人造地球卫星，地震勘探，计算机层析成像和核磁共振等途径。科学计算可视化可广泛应用于计算流体力学、有限元分析、气象科学、天体物理、分子生物学、医学图像处理等领域。,9.,工业模拟,这是一个十分大的应用领域，包含对各种机构的运动模拟和静、动态装配模拟，在产品和工程的设计、数控加工等领域迫切需要。它要求的技术主要是计算机图形学中的产品造型、干涉检测和三维形体的动态显示。,10.,计算机辅助教学,计算机图形学已广泛应用于计算机辅助教学系统中，它可以使教学过程形象、直观、生动，极大地提高了学生的学习兴趣和教学效果。由于个人计算机的普及，计算机辅助教学系统将深入到家庭和幼儿教育。,总之，交互式计算机图形学的应用极大地提高了人们理解数据、分析趋势、观察现实或想象形体的能力。随着个人计算机和工作站的发展，随着各种图形软件的不断推出，计算机图形学的应用前景将是更加引人入胜的。,1.2,计算机图形系统,1.2.1,计算机图形系统硬件,计算机图形系统与一般的计算机系统是一样的，由硬件和软件两方面组成，硬件由主机和输入输出设备组成，软件由系统软件和应用软件组成。图形系统的选择和应用是学习和掌握计算机图形学的前提，只有通过图形系统我们才有可能开拓、利用计算机图形学的潜力。,总体上，计算机图形系统与一般计算机系统相比，要求,主机性能更高，速度更快，存储容量更大，外设种类更齐全，,具体区别是：,（,1,）图形运算要求,CPU,有,强大的浮点运算能力，,而一般计算机系统的应用侧重于整数运算，浮点运算较少，,CPU,的浮点运算能力要求较低。,（,2,）图形显示要求有功能,强大的显示能力,，包括要配备专业,3D,图形加速卡和大屏幕显示器（一般,17,英寸以上），而一般计算机系统的应用主要侧重于字符显示，不需要专业图形加速卡和大屏幕显示器。图形加速卡目前发展很快，,3D,显示卡已发展了五代，已发展成为可与中央处理器（,CPU,）,相提并论的图形处理器（,GPU,），如,nVidia,公司的,GeForce,3,显示芯片。,GPU,的出现使得,CPU,的负担大大减轻，显示速度和质量明显提高。,（,3,）输入设备除了常用的键盘和鼠标之外，,一般还要配备数字化仪和扫描仪。,数字化仪主要用于线条图形的输入，扫描仪主要用于面状图像的输入。目前，扫描仪的发展很快，功能更全面，配合某些矢量化软件，也可把线条图形扫描后自动识别输入计算机，大大提高工作效率，有取代数字化仪之势。,（,4,）输出设备一般要有,面向图像的彩色打印机和面向线条的笔式绘图仪。,彩色打印机一般可分为低档的彩色喷墨打印机、中档的热蜡式打印机和高档的热升华打印机。目前，由于喷墨打印机技术的不断进步，价格便宜，而笔式绘图仪不易使用，容易损坏，热蜡式打印机和热升华打印机又过于昂贵，因此，性能优良的彩色喷墨打印机逐渐成为图形输出设备的主流产品和用户首选设备。,计算机图形系统的主机目前主要有两大类，,一类是个人计算机或微型计算机，另一类是图形工作站。,两者互不兼容。个人计算机采用开放式体系，,CPU,以,Intel,、,AMD,和,Cyrix,公司为主，操作系统以,Microsoft,公司的,Windows,为主，厂商以,Compag,、,IBM,、,Dell,、,Acer,和联想公司为主，价格便宜，一般在,1,万元左右，用户很多。图形工作站采用封闭式体系，不同的厂家采用的硬件和软件都不相同，不能相互兼容。主要厂家有,SUN,、,HP,、,IBM,、,DEC,和,SGI,等。工作站速度快，容量大，但价格昂贵，一般在,5,万元左右，用户较少，一般都是专业公司或专业人员才拥有。,目前，由于个人计算机的发展很快，个人计算机与图形工作站的性能差别逐步缩小，专门为图形应用方面配备的高档个人计算机已逐步成为计算机图形系统的首选，特别是对于广大的普通用户。,1.2.2,计算机图形系统软件,计算机图形系统的软件一般包括系统软件和应用软件两方面。系统软件又分为操作系统和程序设计语言。,工作站的操作系统,可细分为底层的,UNIX,系统和上层的窗口系统，窗口系统有,SUN,公司的,Open Windows,，,OSF,公司的,Motif,，,DEC,公司的,DEC Windows,和,IBM,公司的,Office Vision,等。,个人计算机的操作系统,大多采用底层的,DOS,和上层的,Windows,，,它们都是,Microsoft,公司的产品。目前,DOS,和,Windows,已合二为一，成为不可分割的一个整体。由于目前一般的计算机系统也都采用具有图形接口的窗口系统，所以操作系统方面计算机图形系统与一般计算机系统基本上没有差别。,程序设计语言方面，计算机图形系统当然要求程序设计语言具有较强的图形图像处理能力，所以具有很强的图形图像处理能力和发展前景的,C/C+,语言,逐渐成为计算机图形系统的首选开发语言，其它高级语言如,PASCAL,、,BASIC,和,FORTRAN,语言虽也有一定的图形图像处理能力，但在计算机图形系统中已逐渐成为次要的开发语言。,例如，,Turbo C 2.0,具有,70,多个图形函数库,，包括图形系统管理函数、屏幕管理函数、图形绘制函数、属性控制函数、区域填充函数和文本处理函数等。,应用软件方面，可以说是五花八门，一般是针对某一具体应用方面而言，有独立的图形应用软件，更多的是分散在各种应用软件中。,独立的图形软件主要为面向各种产品设计和工程设计的计算机辅助设计（,Computer Aided Design,，,简称,CAD,）、,面向艺术模拟和工艺美术的计算机美术（,Computer Art,，,简称,CA,）,以及面向广告和影视的三维动画设计（,3d Studio,）。,目前，图形应用软件代表性的产品有：,AutoCAD,、,3D Studio,和,3DS MAX,、,Freehand,、,CorelDRAW,、,MAYA,等。,1.3,计算机图形标准,随着计算机硬件的飞速发展，加之图形输入输出设备种类十分繁杂，使得开发高性能的交互式图形系统变得越来越困难越复杂，并且难于在不同的计算机和图形设备之间进行移植。,为了使应用程序在不同系统之间或不同程序之间可以移植，使应用程序与图形设备无关，使不同系统之间或不同程序之间相互交换图形数据成为可能，制订图形软件的标准是非常必要的。,从,1974,年起的二十多年中，国际标准化组织（,ISO,）,已经批准的与计算机图形有关的标准有：,图形核心系统（,GKS,）,及其语言联编、三维图形核心系统（,GKS-3D,）,及其语言联编、程序员层次交互式图形系统（,PHIGS,）,及其语言联编、计算机图形元文件（,CGM,）、,计算机图形接口（,CGI,）,和基本图形交换规范（,IGES,）。,它们的层次关系如图,2.1,所示,(,P57,),。,1.3.1,图形标准,GKS,（,Graphical Kernel System,）、,GKS-3D,和,PHIGS,（,Programmers Hierarchical Interactive Graphical System,）,三个标准都是有关应用程序与图形软件包的接口，通常称为“应用接口”。图形软件包是一组常用的有关图形处理的子程序的集合，它隔离了应用程序与图形物理设备的联系，该接口的标准化就可实现应用程序在源程序级的可移植性。这个标准也是所谓的狭义的图形标准。,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，定义了一个独立于语言的图形核心系统，在具体应用中，必须符合所使用语言的约定方式，把,GKS,嵌入到相应的语言之中。,GKS,包括一系列交互和非交互图形设备的全部图形处理功能，大致可分为以下十类：控制功能：执行打开、关闭,GKS,以及使系统进入、退出活动状态等；输出功能：确定输出图形的类型；输出属性：设定图素的各种属性以及各种图素的输出表现方式；变换功能：实现规格化；图段功能：对图形进行生成、删除、复制以及实现图段属性控制；输入功能：对各种输入设备初始化，设定设备工作方式，确定请求、采样和事件输入；询问功能：查询,GKS,描述表、状态表、出错表、图素表等；实用程序：实现,GKS,的几何变换等；元文件处理；出错处理。,GKS-3D,对,GKS,进行了功能扩充，使之能用于三维图形程序设计。,PHIGS,是向应用程序员提供的控制图形设备的图形系统接口，其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，提供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够在系统中高效率地描述应用模型，迅速修改图形模型的数据，并能绘制显示修改后的图形模型。,图形标准是一组由基本图元（点、线、面）和属性（线型、颜色等）构成的标准通用图形系统。它们以子程序的形式支持应用图形系统。应用程序通过调用这些图形标准子程序，即可生成图形和图像，并通过交互显示设备实现图形的输入输出。,这三个图形标准的上述所谓“语言联编”是指这些图形标准都已按照所使用的语言的约定嵌入到程序设计语言中。目前使用较多的语言有,C,、,PASCAL,、,FORTRAN,和,BASIC,。,因此，程序设计人员只要按照所使用语言的语法规定调用该语言所提供的图形程序（函数）库，就可开发出符合图形标准的图形软件。因此一般用户不必详细了解具体详细的图形标准。,1.3.2,图形设备接口标准,CGI,（,Computer Device Interface,）,标准是,ISO TC97,组提出的图形软件与图形输入输出设备之间的接口标准，称之为“虚拟图形设备接口”,VDI,（,Virtual Device Interface,）。,CGI,是第一个针对图形设备接口，而不是应用程序接口的交互式计算机图形标准。,CGI,的目标是使应用程序和图形库直接与各种不同的图形设备相作用，使其在各种图形设备上不经过修改就可以运行，即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。,CGI,规定了发送图形数据到设备的输出和控制功能，用图形设备接收图形数据的输入、查询和控制功能。,CGI,提供的功能集包括控制功能集、独立于设备的图形对象输出功能集、图段功能集、输入和应答功能集以及产生、修改、检索和显示像素数据的光栅功能集。,1.3.3,图形元文件标准,CGI,是设备级的计算机图形接口，该接口的标准化即可实现图形软件与图形设备的无关性。,CGI,的目的是提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法，实际上也可看作是图形设备驱动程序的一种标准。它既可以以子程序包的形式直接提供给用户使用，也可作为隐含的标准支持软件实现,GKS,、,PHIGS,等高层的图形标准。,CGM,（,Computer Graphics Metafile,）,是一种数据接口，它规定了记录图形信息的数据文件的格式。该标准使程序与程序之间或系统与系统之间相互交换图形数据成为可能。,CGM,标准由一套标准的、与设备无关的定义图形的语法和词法元素组成。它分为,4,个部分。第一部分是功能描述，包括元素标识符、语义说明以及参数描述；其余三部分为,CGM,标准的,3,种编码形式，即字符编码、二进制数编码和正文编码。,CGM,标准本身并不提供生成和解释元文件的具体方法，而是利用上述,3,种不同的标准数据编码形式来实现元文件的元素功能。,一个符合,CGM,标准的图形元文件是一个有序的元素序列。这个序列具有简单的两层式结构。第一层是由一个元文件描述和若干个逻辑上独立的画面组成，第二层即每个画面是由一个画面描述和一个包含了实际画面定义的画面体组成。,1.3.4,基本图形交换规范,设计,CGM,的主要目的是：提供图形存储的数据格式；提供一种以假脱机方式绘图的图形协议；为图形设备接口标准化创造条件；便于检查图形中的错误，保证图形质量；提供了把不同图形系统所产生的图形集成到一起的一种手段。,随着,CAD/CAM,技术在工业界得到广泛应用，越来越多的用户需要把它们的图形数据在不同的,CAD/CAM,系统之间交换。基本图形交换规范（,IGES,：,Initial Graphics Exchange Specification,）,就是为了解决数据在不同的,CAD/CAM,系统间进行传送的问题，它定义了一套表示,CAD/CAM,系统中常用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结构。,IGES,文件由,5,或,6,个段组成：标志段（,Flag,）；,开始段（,Start,）；,全局段（,Global,）；,目录入口段（,Directory Entry,）；,参数数据段（,Parameter Data,）；,结束段（,Terminate,）。,其中，标志段仅出现在二进制或压缩的,ASCII,文件格式中。,一个,IGES,文件可以包含任意类型、任意数量的实体，每个实体在目录入口段和参数数据段中各有一项。目录入口项提供了一个入口并包含一些数据的描述性属性，参数数据项提供了特定实体的定义。目录入口项的格式是固定的，参数数据项是与实体有关的，不同的实体的参数数据项的格式和长度不同。每个实体的目录入口项和参数数据项通过双向指针联系在一起。,另外，在,CAD/CAM,应用领域，为了在不同的,CAD,/CAM,系统之间进行数据交换，还提出了产品模型数据交换标准（,STEP,：,Standard for the Exchange of Product model Data,）。,实际上是定义了一些标准的文件格式。,AutoCAD,的,DXF,文件格式因其普遍使用也已成为事实上的标准。,