计算机图形硬件（二） 5 - 3 图形工作站和观察系统、输入设备

 1  图形工作站和观察系统

        目前，大多数图形监视器以光栅扫描显示的方式工作，一般使用 CRT或平板系统。图形系统的范围从小型通用计算机系统到多监视器及超大幅面观察屏幕。个人计算机的屏幕分辨率从640x480到1280x1024屏幕对角线从12英寸到21英寸。多数通用系统现在的彩色能力相当强，许多具备全彩色功能。为图形应用专门设计的桌面工作站的屏幕分辨率从1280x1024到1600x1200屏幕对角线为18 英寸或更大些。商用工作站常配套专门应用的各种设备。

        分辨率为2560x2048 的高性能图形系统常用于医学成像处理空中交通控制仿真和CAD。许多高端图形工作站也配有某些特色的大型观察屏幕。多板显示屏幕用在需要“墙幅面”观察区域的各种应用中。这些系统专为会议、学术交流、集会、交易展示、百货商店、博物馆和旅客候机厅等地方显示图形而设计。多板显示用来给出单个场景的大幅面显示或多个独立图像。系统中每一块板显示整个图形的一部分。彩图7给出了用于训练和测试解决机场空中交通和跑道问题的 NASA 控制塔模拟器中的360度观察系统。大幅面、曲面式屏幕系统在彩图8 所示的许多人一起研究特定图形应用时特别有用。配有一组标准监视器的控制中心允许操作员观察大幅面显示的各个部分并通过触摸屏菜单来控制语音、视频、灯光及投影系统。系统投影机提供了不常见的多通道显示，其中包括边融合、变形校正和彩色平衡。环绕音响系统用来提供语音环境。

2   输入设备

        可用于图形工作站数据输人的设备有很多种。多数系统有一个键盘和一个或多个专门为交互输人而设计的其他设备。这些设备包括鼠标、跟踪球、空间球和操纵杆。适合特殊应用的其他输人设备有数字化仪、旋钮、按钮盒、数据手套、触摸板、图像扫描仪和语音系统。

2.1键盘、按键盒和旋钮

        图形系统的字母数字键盘(keyboard)主要用于录人文本串发布一定的命令和选择菜单项键盘是输人那些与图形显示有关的图形标记等非图形数据的高效设备。键盘也能用来进行屏幕坐标的输入、菜单选择或图形功能选择。
光标控制键和功能键是通用键盘的组成部分。功能键允许用户以单一击键来输人常用的探作，而光标控制键可用来选择显示的对象，或通过定位屏幕光标来确定坐标位置。除了用来快速输人数值数据的数字键盒之外，键盘上可以包含其他类型的光标定位设备，如跟踪球或操纵杆此外，某些键盘按人体工程学原理进行设计，从而可以为减少操作员的疲劳而进行调整。对于某些特殊任务，图形应用的输入可能来自一组按钮、旋钮，或者是选择数据值或自定义的图形操作的开关。按钮和开关常用来输人预定的功能，而旋钮是用于输人标量值的常用设备某些定义范围内的实数可以通过旋钮的旋转来选择输人。首先用电压计量器来测量旋钮的旋转量，然后再转变为相应的数值。

2.2鼠标设备

        鼠标(mouse)是一个通过在平板上移动而给光标定位的小型手持盒。鼠标顶部通常有一个或多个按钮，用来向计算机发出某些操作的选择信号;而鼠标底部的转轮或滚轮可用来记录移动的总量和方向。另一种检测鼠标运动的办法是使用光学感应器。某些光学鼠标在特殊的有水平线和垂直线网格的鼠标村板上移动。光学感应器检测跨越网格线的移动量。另一些光学鼠标可在任意的表面上工作，有的无绳鼠标通过数字无线电技术与计算机进行通信。由于鼠标可以在某一位置提起并在另一位置放下却不会改变光标移动，因而鼠标可用于控制屏幕光标位置的相对变化。鼠标顶部通常有一个、两个或三个按钮，用来给出某些操作的执行信号，如记录光标位置或调用某个功能。现在，多数通用图形系统以鼠标和键盘作为主要的输入。

        基本的鼠标设计中也可以包括一些附加设备，从而增加允许的输入参数数量和鼠标的功能图2.23 中的 Logitech G700 无绳标设计中具备13 种可独立编的输人控制功能。每一种输人可配置来完成从传统的单击输人到包括多键、鼠标事件和预编程的操作间延缓等多种宏操作功能。基于激光的光学感应器可用来控制鼠标的敏感度，从而可在对光标移动的不同等级控制下使用鼠标。另外，鼠标可保持有5种配置格式，以便在应用改变时转换配置。

 

2.3跟踪球和空间球

        跟踪球(trackball)是一个球设备，可以通过手指或掌心对其旋转而使屏幕光标移动。与球相连的电压计量器测量球的旋转量和方向。膝上型键盘中常配有跟踪球来取代鼠标所需的空间。跟踪球也可以安装在其他设备上，或用做包含两个或三个控制键的附加部件。

        空间球(spaceball)是二维跟踪球概念的扩展，它提供了六个自由度。与跟踪球不同的是，空间球实际并不移动。当在不同方向上推拉球时，张力标尺测量施加于空间球的压力，从而提供空间定位和方向的输人。空间球用于虚拟现实系统、建模、动画、CAD 和其他应用中的三维定位与选择操作。

2.4操纵杆

操纵杆(joystick)是另一类定位设备，它由小的垂直杆(称为手杆)安装在一个基座上构成操纵杆用于操纵屏幕光标。多数操纵杆以杆的实际移动来选择屏幕位置，而其他操作则根据杆上的压力进行选择。有些操纵杆安装在键盘上，有些则作为独立的部件进行设计。手杆从其中心位置向任意方向移动的距离对应于屏幕光标向该方向的移动量。安装在操纵杆底部的电压计量器用来测量移动量，弹力将被释放的手杆弹回到中心位置。可以通过编程将一个或多个按钮用做输入开关，从而在选定屏幕位置时给出某些操作信号。
在另一类可移动操纵杆中手杆用来激活开关，从而引起屏幕光标在选定方向上以恒定速度移动。有时提供八个开关并排成一圈，从而可以使用手杆选择八个方向中的任意方向来移动光标。压力感应式操纵杆[也称等轴操纵杆(isometric joystick)]有一个不可移动的手杆。由张力标尺测量施于手杆的压力或拉力，并将其转换为指定方向的屏幕光标移动量。

2.5数据手套

数据手套(data glove)是一种可以套在用户手上并用来抓住“虚拟对象”的设备。手套由一系列检测手和手指运动的传感器构成。发送天线和接收天线之间的电磁耦合用来提供手的位置和方向等信息。发送和接收天线各由一组三个互相垂直的线圈构成，形成三维笛卡儿坐标系统来自手套的输人可用来定位或操纵虚拟场景中的对象。该场景的二维投影可在视频监视器上观察，而三维投影则使用头套观察。

2.6数字化仪

        数字化仪(digitizer)是绘画着色或交互式选择标位置的常用设备。这类设备可用来输人二维或三维空间的坐标值。在工程和建筑应用中，数字化仪常用来描绘一张工程图或一个对象并输人一组离散的坐标位置。这些输人位置按直线段相连来逼近曲线或表面形状。图形数据板(graphics tablet，也称数据板)是一种类型的数字化仪用来在平板表面选定位置时，通过手持光标或触笔激活二维坐标的输人。手持光标使用交叉发丝指示位置，而触笔是在数据板上指示位置的笔形设备。数据板的尺寸有许多种，台式为12英寸X12英寸落地式可为44英寸X60英寸或更大些。图形数据板提供选择坐标位置的高精度方法，精度可从台式的约0.2mm到较大型号的约005mm或更小。许多图形数据板是在板表面铺设矩形网格线而构成的。沿金属线生成电磁脉冲序列，激活触笔或手持光标，在线圈内感应出电信号，从而记录数据板的位置。采用这种技术，可按信号强度、编码脉冲或相位移来确定在数据板上的位置。
        声学(acoustic)或声音(sonic)数据板利用声波来检测触笔位置。可以使用条式麦克风或点式麦克风检测来自触笔端的电火花发出的声音。触笔的位置由其声音到达不同麦克风的时间来计算。二维声学数据板的好处是，麦克风可放置在任何表面位置以形成数据板工作区域。例如，可将麦克风放在一张书页上，从而在手指碰到该页时对其进行数字化。三维数字化仪使用声音或电磁传播来记录位置。电磁传播的方法之一与数据手套所使用的方法相类似:发送器和接收器之间的耦合用来计算触笔在对象表面移动时的位置。在非金属物体表面选择点的时候，表面的线框轮廓显示在计算机屏幕上。一旦形成表面轮廓，可以利用光照效应进行绘制，从而产生该物体的逼真显示。

2.7图像扫描仪

        工程图、表格照片或文本可以使用图像扫描仪(image scanner)中的光学扫描装置通过扫描来存人计算机。灰度或彩色等级被记录成一个阵列。一旦获得了图形的内部表示，就可以施加变换、旋转、按比例缩放等操作，或者辑该图形使之适合特定的屏幕区域。我们也可以使用各种图像处理方法，从而修改该图形的阵列表示。对于扫描输人的文本可以进行各种编辑操作。扫描仪有不同的尺寸和功能，包括小型的手持扫描仪、鼓式扫描仪和平板式扫描仪。

2.8触摸板

        顾名思义，触摸板(touch panel)允许用手指触摸来选择显示的物体或屏幕位置。触摸板的典型应用是对用图形符号菜单表示的处理选项进行选择。有些监视器设计成具有触摸屏功能。其他一些系统则通过在视频监视器的屏幕上贴上一个透明的、有触感机能的设备来进行触摸输人。触摸输人可以使用光学、电子或声学方法进行记录。
        光学触摸板在沿框的一条垂直边和一条水平边上各使用一行红外线发光二极管(LED)而相对的垂直边和水平边分别安置光检测器。这些感应器用来记录当触摸到板面时，实际打断了哪些光束。被打断的两条交叉光束确定所选屏幕位置的水平和垂直坐标。当前选择的位置精度约为1/4 英寸。对于密排的 LED，有可能同时打断两条水平光束或两条垂直光束。此时，则记录 两条被打断光束之间的平均位置。LED 工作在红外线频率上，因而对用户来说这种光是不可见的。
        电子触摸板由相互之间有一较小距离的两块透明板构成。其中一个板面涂以导电材料，另一个板面涂以电阻材料。当外面一块被触摸时会触及到里面一块，这将引起沿电阻板的电压降低，该压降转换为所选屏幕位置的坐标值。
        在声学触摸板中，沿一块玻璃板的水平方向和垂直方向产生高频声波。触摸屏幕引起每个声波的一部分从手指反射到发射器。接触点的屏幕位置通过测量每个声波发送与反射到发射器的时间间隔进行计算。

2.9光笔

        光笔(light pen)是一种通过检测来自 CRT 屏幕上某一点的光来选定屏幕位置的笔型设备。它们对电子束打到特定点时荧光层瞬时发射的突发光很敏感。但光笔检测不到房间里的背景光等其他光源。如果正在工作的光笔指向屏幕上正被电子束点亮的点，则生成一个电子脉冲，从而记录该电子束的坐标位置。当光笔作为光标定位设备使用时，记录的光笔坐标可用来定位对象或选择处理选项。
        虽然现在光笔仍有人使用，但它们不再像以前那样流行。因为同其他已开发的输入设备相比较，光笔有其不足之处。其一，当光笔指向屏幕时，手和笔将遮挡屏幕图像的一部分。而且长时间使用光笔，会造成手臂的疲劳。对于某些应用，光笔需要经过特殊的加工，因为它们不能检测黑暗区域内的位置。为了使光笔能选择任何屏幕区域的位置，我们应该将每个屏幕像素设定为一些非零亮度;另外，有时因房间发光背景的影响，光笔会产生误读现象

2.10语音系统

        语音识别器在某些图形工作站中是用于接收声音命令的输人设备。语音系统(voice system)的输入可用于图形操作的初始化或输入数据。这些系统通过将输人与预定义的字典中的单词和词组进行匹配来进行识别。
        字典通过重复多次读出命令单词而建立。系统分析每一单词并将单词的频率模式与将要执行的相应功能一起放到字典中。然后，在给出一个语音命令时，该系统检索字典中与其匹配的频率模式及其对应的内容。对每一个使用该系统的用户有必要建立一个单独的字典。语音输人一般对着安装在耳机上的麦克风进行。麦克风设计成将其他背景声音的输人降为最小。语音系统具有某些优于其他输人设备的长处，因为在输人命令时，操作员的注意力不需要从一个设备切换到另一个。