圖形軟體

用於圖形的生成、表示和操作的軟體。視覺信息是人們最便於接受和理解的信息表示形式之一。一個複雜的結構和關係，採用圖形表示便可一目了然。以圖形方式進行人-機通信不僅效率高，而且更為自然、直觀。為使計算機能處理圖形信息並且有以顯示圖形為媒介進行人-機交互工作的能力，除有圖形輸入、輸出的硬體配置外，還必須有圖形軟體。

圖形軟體需解決的主要問題是：①尋找一種計算機可以接受和處理的圖形信息的描述方式；②確定一種視見演演算法，它可以將形式描述的圖形信息轉換成各個具體繪圖設備所能接受和處理的一組命令和數據;③提供人-機交互處理圖形的功能。

圖形軟體提供程序語言可調用的標準圖形子程序庫，它的基本工作方式是接受並處理程序或命令所給出的圖形的形式描述數據，生成、操作和存儲圖形或將其視見表示呈現在各種圖形設備上。互動式圖形軟體還能提供人-機交互工作的功能。

圖形的形式描述 根據圖形的幾何性質和外貌特徵，使用程序設計語言對其進行形式描述，是軟體處理圖形的基礎。在這個基礎上，才可能用計算機的邏輯運算方式進行圖形的操作、存儲和生成。

圖形的形式化包含兩個方面，一是把圖形設備能執行的基本動作抽象成圖元，如點、線、字元、符號、填充區和像元陣列等。每個具體圖形均可由一組圖元組合而成。二是對每個圖元給出形式定義，其幾何形狀一般由如下數據定義：用戶坐標系中的坐標位置，字元編碼及字高、方位、字元的縱橫比，像元陣列及其參考位置等。它在輸出界面上的外貌特徵，如顏色、亮度、線型等，則可通過賦予它特定屬性值來規定。例如，要產生一個用紅、綠、藍三種顏色的線段所組成的三角形，可通過下述步驟來實現(圖1):置顏色屬性(紅);線圖元(x1,y1, x2,y2);置顏色屬性(綠);線圖元(x2,y2,x3,y3)；置顏色屬性(藍)；線圖元(x3,y3,x1,y1)。此時，對圖形的存儲就可通過存儲該圖形的名字、坐標數據數組和相關的顏色屬性來實現。對圖形的變換和操作也就很容易通過對這些形式描述數據的處理來完成。

一個圖形的最小的可獨立操作的圖形實體，可以是圖元，也可以是圖元組成的圖段。圖段一般作為語義實體，如掩模設計中的晶體管圖案，一個機械零件，一座房子中的門、窗等。圖形實體除幾何定義外，還可規定諸如是否可以視見，是否閃爍，可否允許操作員使用游標控制設備對其指點，進而進行處理等其他動態屬性。圖形軟體提供用以描述、構造和存儲圖形，以及設置圖形輸出外貌特徵的標準過程。

圖形的輸出與操作 圖形軟體選擇一種視見演演算法，完成圖形輸出。它把用戶坐標系中定義的圖形，轉換成規格化設備坐標系中表示的圖形。然後，由各個圖形設備的驅動程序將圖形信息轉換成具體設備所能接受和處理的命令和數據集，啟動設備產生所需要的圖形輸出。

圖形的操作主要包括：幾何變換，如圖形或圖形部分的平移、旋轉、放縮、投影及其組合等；圖形編輯，如圖形或圖形部分的刪除、插入、修改、更換、複製、存檔等；在不同的圖形工作站之間的傳送和複製圖形。這部分圖形軟體所採用的方法，包括齊次坐標變換矩陣處理、與一般數據存儲和管理軟體相似的存儲和管理方法。這部分圖形軟體向用戶提供用於變換、操作圖形的標準過程。

變互式圖形處理 為了使計算機具有以顯示圖形為媒介進行人-機交互工作的能力，圖形軟體必須提供圖形輸入功能。應用程序援引輸入功能，可輸入坐標位置信息、正文信息、顯示圖形中指定的圖項的標識信息、標量值信息和控制程序運行的信息等。返回的坐標位置值，可以是設備坐標表示的值，也可以是規格化設備坐標或用戶坐標表示的值。

大多數圖形系統還提供提示和應答設施，以此通知操作員某具體的輸入設備是可用的，以及響應操作員的動作，在顯示控制台上顯示該輸入的當前值信息。

圖形軟體的類型 在確定一個較好的方式以滿足各種應用和各種要求時，有四種圖形軟體可供應用程序使用。①通用的圖形程序包。由一組程序語言可調用的圖形子程序組成。這是廣泛採用的一種方式，國際圖形標準就是這種方式的標準化。②專用圖形程序包。它是針對具體應用而設計的（見計算機圖形學）。為端點用戶和圖形系統之間介面的應用程序包正在研製和完善。③對現有的程序設計語言進行擴充，使其包含有處理圖形信息的能力。這種擴充可通過對原編譯程序進行修改或建立一個預處理程序的方法來實現。④設計新的圖形語言（專用的或通用的）。

圖形標準化 制定圖形標準是計算機圖形軟體發展的必然趨勢。它不僅可以提高圖形應用程序的易移植性、設備獨立性、圖形數據的易移植性，而且有助於應用程序員理解和使用圖形學方法，同時也給硬體的革新以方向性指導。國際標準化組織 (ISO)已公布圖形核心繫統(GKS)作為第一個國際標準草案（圖2）。

計算機圖形軟體標準化后，將出現圖形標準實現的正確性問題，即如何保證圖形軟體系統的實現嚴格符合標準。解決這個問題的一個遠期目標是採用形式證明。首先，對圖形標準建立一個形式規格說明。以此為基礎，利用程序自動生成技術，通過一系列程序變換以保證標準的實現。關於計算機圖形系統的形式規格說明，已有若干建議。另外一種比較現實可行的方法是證明為假的方法，即建立一組測試程序，將它應用於要驗證的系統和參考系統，然後比較其結果，如果不一致，則表明系統的實現是不正確的。

在計算機圖形軟體的發展中，另一種課題是有關交互圖形系統自動生成的工具和技術的研究，以及用戶介面管理系統(UIMS)的研究和實現等。

參考書目

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