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图形软件

[拼音]:tuxing ruanjian

[外文]:graphic software

用于图形的生成、表示和操作的软件。视觉信息是人们最便于接受和理解的信息表示形式之一。一个复杂的结构和关系,采用图形表示便可一目了然。以图形方式进行人-机通信不仅效率高,而且更为自然、直观。为使计算机能处理图形信息并且有以显示图形为媒介进行人-机交互工作的能力,除有图形输入、输出的硬件配置外,还必须有图形软件。

图形软件需解决的主要问题是:

(1)寻找一种计算机可以接受和处理的图形信息的描述方式;

(2)确定一种视见算法,它可以将形式描述的图形信息转换成各个具体绘图设备所能接受和处理的一组命令和数据;

(3)提供人-机交互处理图形的功能。

图形软件提供程序语言可调用的标准图形子程序库,它的基本工作方式是接受并处理程序或命令所给出的图形的形式描述数据,生成、操作和存储图形或将其视见表示呈现在各种图形设备上。交互式图形软件还能提供人-机交互工作的功能。

图形的形式描述

根据图形的几何性质和外貌特征,使用程序设计语言对其进行形式描述,是软件处理图形的基础。在这个基础上,才可能用计算机的逻辑运算方式进行图形的操作、存储和生成。

图形的形式化包含两个方面,一是把图形设备能执行的基本动作抽象成图元,如点、线、字符、符号、填充区和像元阵列等。每个具体图形均可由一组图元组合而成。二是对每个图元给出形式定义,其几何形状一般由如下数据定义:用户坐标系中的坐标位置,字符编码及字高、方位、字符的纵横比,像元阵列及其参考位置等。它在输出界面上的外貌特征,如颜色、亮度、线型等,则可通过赋予它特定属性值来规定。例如,要产生一个用红、绿、蓝三种颜色的线段所组成的三角形,可通过下述步骤来实现(图1):置颜色属性(红);线图元(x1y1x2y2);置颜色属性(绿);线图元(x2y2x3y3);置颜色属性(蓝);线图元(x3y3x1y1)。此时,对图形的存储就可通过存储该图形的名字、坐标数据数组和相关的颜色属性来实现。对图形的变换和操作也就很容易通过对这些形式描述数据的处理来完成。

一个图形的最小的可独立操作的图形实体,可以是图元,也可以是图元组成的图段。图段一般作为语义实体,如掩模设计中的晶体管图案,一个机械零件,一座房子中的门、窗等。图形实体除几何定义外,还可规定诸如是否可以视见,是否闪烁,可否允许操作员使用光标控制设备对其指点,进而进行处理等其他动态属性。图形软件提供用以描述、构造和存储图形,以及设置图形输出外貌特征的标准过程。

图形的输出与操作

图形软件选择一种视见算法,完成图形输出。它把用户坐标系中定义的图形,转换成规格化设备坐标系中表示的图形。然后,由各个图形设备的驱动程序将图形信息转换成具体设备所能接受和处理的命令和数据集,启动设备产生所需要的图形输出。

图形的操作主要包括:几何变换,如图形或图形部分的平移、旋转、放缩、投影及其组合等;图形编辑,如图形或图形部分的删除、插入、修改、更换、复制、存档等;在不同的图形工作站之间的传送和复制图形。这部分图形软件所采用的方法,包括齐次坐标变换矩阵处理、与一般数据存储和管理软件相似的存储和管理方法。这部分图形软件向用户提供用于变换、操作图形的标准过程。

变互式图形处理

为了使计算机具有以显示图形为媒介进行人-机交互工作的能力,图形软件必须提供图形输入功能。应用程序援引输入功能,可输入坐标位置信息、正文信息、显示图形中指定的图项的标识信息、标量值信息和控制程序运行的信息等。返回的坐标位置值,可以是设备坐标表示的值,也可以是规格化设备坐标或用户坐标表示的值。

大多数图形系统还提供提示和应答设施,以此通知操作员某具体的输入设备是可用的,以及响应操作员的动作,在显示控制台上显示该输入的当前值信息。

图形软件的类型

在确定一个较好的方式以满足各种应用和各种要求时,有四种图形软件可供应用程序使用。

(1)通用的图形程序包。由一组程序语言可调用的图形子程序组成。这是广泛采用的一种方式,国际图形标准就是这种方式的标准化。

(2)专用图形程序包。它是针对具体应用而设计的(见计算机图形学)。为端点用户和图形系统之间接口的应用程序包正在研制和完善。

(3)对现有的程序设计语言进行扩充,使其包含有处理图形信息的能力。这种扩充可通过对原编译程序进行修改或建立一个预处理程序的方法来实现。

(4)设计新的图形语言(专用的或通用的)。

图形标准化

制定图形标准是计算机图形软件发展的必然趋势。它不仅可以提高图形应用程序的易移植性、设备独立性、图形数据的易移植性,而且有助于应用程序员理解和使用图形学方法,同时也给硬件的革新以方向性指导。国际标准化组织 (ISO)已公布图形核心系统(GKS)作为第一个国际标准草案(图2)。

计算机图形软件标准化后,将出现图形标准实现的正确性问题,即如何保证图形软件系统的实现严格符合标准。解决这个问题的一个远期目标是采用形式证明。首先,对图形标准建立一个形式规格说明。以此为基础,利用程序自动生成技术,通过一系列程序变换以保证标准的实现。关于计算机图形系统的形式规格说明,已有若干建议。另外一种比较现实可行的方法是证明为假的方法,即建立一组测试程序,将它应用于要验证的系统和参考系统,然后比较其结果,如果不一致,则表明系统的实现是不正确的。

在计算机图形软件的发展中,另一种课题是有关交互图形系统自动生成的工具和技术的研究,以及用户接口管理系统(UIMS)的研究和实现等。

参考书目
  1. W.M.Newman,R.F.Sproull,Principles of Interac-tive Computer Graphics, 2nd ed.,McGraw-Hill, New York,1979.

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