《计算机原理》课程教学资源：机械工业出版社《编码的奥秘》参考书籍（PDF电子书）第25章 图形化革命

China-pub.com 下载 第25章图形化革命 1945年9月10日,《Life》杂志的读者看到的大多是平常的一些文章和照片:有关第二次世 界大战结束的故事,舞蹈家Ⅴ aslav Nijinsky在维也纳生活的报道,一则有关美国汽车工人的图 片报道。但那一期的杂志也有意想不到的东西:一篇 Vannevar bush(1890-1974)的关于科 学研究的未来的展望性文章。 Van bush(人们这样称呼他)在计算机历史上写下了重要的 笔。在1927年~1931年任麻省理工学院工程教授期间,他设计了一种具有重大意义的模拟计 算机一—微分分析器。1945年,在《Life》杂志发表这篇文章的时候,BuSh是科学研究和发展 部的主管,负责协调美国在战争期间的科学活动,包括曼哈顿计划。 通过对两个月前第一次发表在《 The AtLantic Monthly》上的那篇文章的精简,Bush在 《Life》杂志上的文章《 As We May Think》描述了未来一些假想发明,希望科学家和研究人 员解决日益增多的技术杂志及文章。Bush谈到了作为一种解决方案的微缩胶片,勾划出了 种他称之为 Memex的设备来保存书、文章、记录和书中的图片。 Memex也可根据人们所想 到的关系在这些东西之间建立有关某个主题的联系。他甚至设想出了一个新的职业群体,他 们可在大量的信息载体之间牢固地建立起联系 尽管描绘未来光辉前景的文章在20世纪很普遍,但《 As We May Think》则不同,它描述 的既不是关于减轻家务负担的设备的故事,也不是关于未来交通运输或机器人的故事,而是 关于信息及如何用新技术处理信息的故事。 从第一台继电器计算器制造出来已经历了65年,计算机变得越来越小、越来越快,也越 来越便宜。这种趋势已改变了计算机的本质。当计算机越来越便宜时,每一个人都可拥有自 己的计算机。计算机越小、越快,软件则变得越高级,同时机器可以完成更多的工作 更好地利用这些额外功能和速度的一种方法就是改进计算机系统中至关重要的部分,即 用户接口—人和计算机的交互点。人和计算机是差别很大的两种物质,但不幸的是,说服 人们调整以适应计算机的特性是比其他方法更容易的方法 早先,数字计算机根本上不是交互式的。有些使用开关和电缆编程,有些使用穿孔纸带 或胶片编程。到20世纪50年代和60年代(甚至延续到70年代),计算机进化到使用批处理:程 序和数据穿孔成卡片,然后读入到计算机内存,程序分析数据,得出一些结论,再在纸上打 印出结果 最早的交互式计算机使用的是电传打字机。如前一章讲到的 Dartmouth分时操作系统(始 于20世纪60年代早期)支持多个电传打字机,可以同时使用。在这样的系统里,用户在打字 机上敲一行,计算机以回答一行或多行作为响应。打字机和计算机之间的信息交流全部是 ASCIi码流(或其他字符集),除了像回车换行这样简单的控制码外,差不多全是字符代码。 事务只是按纸卷的方向进行 然而,阴极射线管(在70年代就已经很普遍了)则没有这些限制。可以用软件以更灵活 的方式来处理整个屏幕。然而,可能是为了设法保持显示器输出符合操作系统的显示输出逻 辑,早先为小型计算机编写的软件不断地把CRT显示器作为“玻璃打字机” 行一行地显

下载 第25章 图形化革命 1 9 4 5年9月1 0日，《L i f e》杂志的读者看到的大多是平常的一些文章和照片：有关第二次世 界大战结束的故事，舞蹈家 Vaslav Nijinsky在维也纳生活的报道，一则有关美国汽车工人的图 片报道。但那一期的杂志也有意想不到的东西：一篇 Vannevar Bush（1 8 9 0-1 9 7 4）的关于科 学研究的未来的展望性文章。 Van Bush（人们这样称呼他）在计算机历史上写下了重要的一 笔。在1 9 2 7年～1 9 3 1年任麻省理工学院工程教授期间，他设计了一种具有重大意义的模拟计 算机—微分分析器。1 9 4 5年，在《L i f e》杂志发表这篇文章的时候， B u s h是科学研究和发展 部的主管，负责协调美国在战争期间的科学活动，包括曼哈顿计划。 通过对两个月前第一次发表在《 The AtLantic Monthly》上的那篇文章的精简， B u s h在 《L i f e》杂志上的文章《 As We May Think》描述了未来一些假想发明，希望科学家和研究人 员解决日益增多的技术杂志及文章。 B u s h谈到了作为一种解决方案的微缩胶片，勾划出了一 种他称之为 Memex 的设备来保存书、文章、记录和书中的图片。 M e m e x也可根据人们所想 到的关系在这些东西之间建立有关某个主题的联系。他甚至设想出了一个新的职业群体，他 们可在大量的信息载体之间牢固地建立起联系。 尽管描绘未来光辉前景的文章在 2 0世纪很普遍，但《As We May Think》则不同，它描述 的既不是关于减轻家务负担的设备的故事，也不是关于未来交通运输或机器人的故事，而是 关于信息及如何用新技术处理信息的故事。 从第一台继电器计算器制造出来已经历了 6 5年，计算机变得越来越小、越来越快，也越 来越便宜。这种趋势已改变了计算机的本质。当计算机越来越便宜时，每一个人都可拥有自 己的计算机。计算机越小、越快，软件则变得越高级，同时机器可以完成更多的工作。 更好地利用这些额外功能和速度的一种方法就是改进计算机系统中至关重要的部分，即 用户接口—人和计算机的交互点。人和计算机是差别很大的两种物质，但不幸的是，说服 人们调整以适应计算机的特性是比其他方法更容易的方法。 早先，数字计算机根本上不是交互式的。有些使用开关和电缆编程，有些使用穿孔纸带 或胶片编程。到2 0世纪5 0年代和6 0年代（甚至延续到7 0年代），计算机进化到使用批处理：程 序和数据穿孔成卡片，然后读入到计算机内存，程序分析数据，得出一些结论，再在纸上打 印出结果。 最早的交互式计算机使用的是电传打字机。如前一章讲到的 D a r t m o u t h分时操作系统（始 于2 0世纪6 0年代早期）支持多个电传打字机，可以同时使用。在这样的系统里，用户在打字 机上敲一行，计算机以回答一行或多行作为响应。打字机和计算机之间的信息交流全部是 A S C I I码流（或其他字符集），除了像回车换行这样简单的控制码外，差不多全是字符代码。 事务只是按纸卷的方向进行。 然而，阴极射线管（在 7 0年代就已经很普遍了）则没有这些限制。可以用软件以更灵活 的方式来处理整个屏幕。然而，可能是为了设法保持显示器输出符合操作系统的显示输出逻 辑，早先为小型计算机编写的软件不断地把 C RT显示器作为“玻璃打字机”—一行一行地显

第5章图形化革命263 下载 示直到布满整个屏幕,当有字符到达屏幕底端时,屏幕的内容要向上翻滚。CPM和MS-DOS 中的实用程序都是以电传打字机的模式来使用视频显示器。也许原型电传打字机的操作系统 是UNⅨX,它仍然保持着这种传统 令人感兴趣的是,ASCI码字符集并不都适用于阴极射线管显示。在最初设计ASCI码时 代码1Bh标识为 Escape,专门处理字符集的扩充。1979年,ANSI印发了一个标准,题为“使 用ASCI码的附加控制”。该标准的目的是“为了适应可预见的有关二维字符图像设备输入输 出控制的要求,包括有阴极射线管和打印机在内的交互终端 当然, Escape的代码1Bh只有1个字节,且只有一个含义。 Escape通过作为可变长序列 开端来表达不同的功能。例如,以下这个序列 32h 4Ah 即 Escape代码后面跟上字符[2J,定义成删除整个屏幕并移动光标至左上角。这是在电传打字 机上所不能实现的。下面这个序列: lBh 即 Escape代码后面跟上字符[5;29H,把光标移到第5行的第29列。 由键盘和CRT组合而成,对来自远方计算机的ASCⅡ码(也可能是 Escape序列集合)作出 响应,这样的设备有时称作哑终端。哑终端比打字机要快并且从某种意义上讲也更灵活,但 是它并没有快到足以引起用户界面的真正创新。这种创新来自于20世纪70年代的小计算机, 正如第21章中的假想计算机,这种计算机有视频显示存储器作为微处理器地址空间的一部分。 家用计算机显著区别于它们大而昂贵的伙伴的第一个标志可能是 Visicalc的使用 Ⅴ isiCalc由 Dan bricklin(生于1951年)和 Bob frankston(生于1949年)设计和编程,于1979年推 出,用于 Apple ilaⅤ sical在屏幕上呈现给用户一个二维电子数据表。在Ⅴ sical出现之前 报表通常是一张纸,使用行、列来进行一系列计算。 Visicalc用视频显示器取代了纸,使得用 户可以移动报表,输入数据或公式,在进行修改后重新计算每一项 令人吃惊的是 Visicalc是不能复制到大型机上的应用程序。像Ⅴ isi Calc这样的程序需要很 快地刷新屏幕。因此,它直接向 AppleⅡ的视频显示器使用的随机访问存储器写入。该存储器 是微处理器地址空间的一部分。大型分时计算机和哑终端之间的接口速度不是很快,从而使 得电子报表程序不能使用。 计算机响应键盘、刷新视频显示器的速度越快,用户和计算机潜在的交互就越紧密。在 IBM PC机出现的头10年(20世纪80年代),为它编写的大多数软件是直接写入显示存储器的。 由于IBM建立了一套硬件标准,其他计算机厂商追随这一标准,使得软件厂商可以绕过操作 系统直接使用硬件而不用担心他们的软件在某些机器上不能正确运行(或根本不能运行)。如 果所有的PC“克隆体”都与它们的视频显示器有不同的硬件接口,则对软件厂商来说要满足 所有不同的硬件设计是非常困难的 IBM PC所使用的早期的应用程序大多数只有字符输出而没有图形输出。使用字符输出同 样能使得应用程序的执行速度加快。如果视频显示器设计得如第21章所描述的那样,则程序 只需简单地把某个字符的ASCI码写入内存就可以在屏幕上显示出该字符。使用图形视频显 的程序需要写入8个或更多的字节到内存中才能画出文本字符的图形 从字符显示到图形显示的变化是计算机革命中极其重要的一步,然而图形方式下计算机 硬件和软件的发展比文本和数字方式下计算机硬件和软件的发展要慢的多。早在1945年

第25章 图形化革命 263 下载 示直到布满整个屏幕，当有字符到达屏幕底端时，屏幕的内容要向上翻滚。 C P / M和M S - D O S 中的实用程序都是以电传打字机的模式来使用视频显示器。也许原型电传打字机的操作系统 是U N I X，它仍然保持着这种传统。 令人感兴趣的是，A S C I I码字符集并不都适用于阴极射线管显示。在最初设计 A S C I I码时， 代码1 B h标识为E s c a p e，专门处理字符集的扩充。 1 9 7 9年，A N S I印发了一个标准，题为“使 用A S C I I码的附加控制”。该标准的目的是“为了适应可预见的有关二维字符图像设备输入输 出控制的要求，包括有阴极射线管和打印机在内的交互终端…” 当然，E s c a p e的代码1 B h只有1个字节，且只有一个含义。 E s c a p e通过作为可变长序列的 开端来表达不同的功能。例如，以下这个序列： 1Bh 5Bh 32h 4Ah 即Escape 代码后面跟上字符[ 2 J，定义成删除整个屏幕并移动光标至左上角。这是在电传打字 机上所不能实现的。下面这个序列： 1Bh 5Bh 35h 3Bh 32h 39h 48h 即E s c a p e代码后面跟上字符[ 5；2 9 H，把光标移到第5行的第2 9列。 由键盘和C RT组合而成，对来自远方计算机的 A S C I I码（也可能是E s c a p e序列集合）作出 响应，这样的设备有时称作哑终端。哑终端比打字机要快并且从某种意义上讲也更灵活，但 是它并没有快到足以引起用户界面的真正创新。这种创新来自于 2 0世纪7 0年代的小计算机， 正如第2 1章中的假想计算机，这种计算机有视频显示存储器作为微处理器地址空间的一部分。 家用计算机显著区别于它们大而昂贵的伙伴的第一个标志可能是 Vi s i C a l c的使用。 Vi s i C a l c由Dan Bricklin (生于1 9 5 1年)和Bob Frankston(生于1 9 4 9年)设计和编程，于1979 年推 出，用于Apple II。Vi s i C a l c在屏幕上呈现给用户一个二维电子数据表。在 Vi s i C a l c出现之前， 报表通常是一张纸，使用行、列来进行一系列计算。 Vi s i C a l c用视频显示器取代了纸，使得用 户可以移动报表，输入数据或公式，在进行修改后重新计算每一项。 令人吃惊的是Vi s i C a l c是不能复制到大型机上的应用程序。像 Vi s i C a l c这样的程序需要很 快地刷新屏幕。因此，它直接向 Apple II的视频显示器使用的随机访问存储器写入。该存储器 是微处理器地址空间的一部分。大型分时计算机和哑终端之间的接口速度不是很快，从而使 得电子报表程序不能使用。 计算机响应键盘、刷新视频显示器的速度越快，用户和计算机潜在的交互就越紧密。在 IBM PC 机出现的头1 0年（2 0世纪8 0年代），为它编写的大多数软件是直接写入显示存储器的。 由于I B M建立了一套硬件标准，其他计算机厂商追随这一标准，使得软件厂商可以绕过操作 系统直接使用硬件而不用担心他们的软件在某些机器上不能正确运行（或根本不能运行）。如 果所有的P C“克隆体”都与它们的视频显示器有不同的硬件接口，则对软件厂商来说要满足 所有不同的硬件设计是非常困难的。 IBM PC所使用的早期的应用程序大多数只有字符输出而没有图形输出。使用字符输出同 样能使得应用程序的执行速度加快。如果视频显示器设计得如第 2 1章所描述的那样，则程序 只需简单地把某个字符的 A S C I I码写入内存就可以在屏幕上显示出该字符。使用图形视频显示 的程序需要写入8个或更多的字节到内存中才能画出文本字符的图形。 从字符显示到图形显示的变化是计算机革命中极其重要的一步，然而图形方式下计算机 硬件和软件的发展比文本和数字方式下计算机硬件和软件的发展要慢的多。早在 1 9 4 5年

264编的奥 Chinaopub.com 下载 冯·诺依曼就设想了一种像示波器一样的显示器,可用来使信息图形化。但是,直到20世纪 50年代早期,计算机图形才开始成为现实。当时麻省理工学院(得到IBM资助)建立了林肯 实验室来开发计算机,用于美国空军的空中防卫系统。该项目称为SAGE(semi- automatic. ground environment),有一个图形显示屏帮助操作员分析大量数据。 在SAGE这样的系统中使用的早期视频显示器不像今天我们在PC机中所用的显示器。今 天普通的PC机显示器是光栅显示器。就像电视机,所有的图像由一系列水平光栅线组成,由 个电子枪射击光束很快地前后移动扫过整个屏幕形成光栅。屏幕可以看成是一个大的矩形 点阵,这些点称为像素。在计算机里,一块内存专门供视频显示使用,屏幕上的每一个像素 由1位或多位表示。这些位值决定像素是否亮,是什么颜色。 例如,今天多数计算机显示器有至少水平方向640像素的分辨率,垂直方向480像素的分 辨率,像素的总数是这两个数的乘积307200。如果1个像素只占用1位内存,则每个像素只局 限于两种颜色,即通常的黑、白色。如,0像素为黑,1像素为白。这样的视频显示器需要307 200位的内存,即38400字节。 随着可能的颜色数目的增多,每个像素需要更多的位,显示适配器也需要更多的内存。 例如,每个像素可以用一个字节来编码灰度。按照这样的安排,字节00h为黑,Fhh为白,之 间的值代表不同的灰度。 CRT上的彩色由三个电子枪产生,每一个分别负责三原色红、绿、蓝中的一种(可以用 放大镜来观察电视机或彩色计算机屏幕以验证它的正确性。由不同的原色组合来显示图像), 红色和蓝色的组合是黄色,红色与绿色的组合是洋红色,蓝色和绿色的组合是青色,三原色 的组合是白色 最简单的彩色图像显示适配器每个像素需要3位。像素可以如以下这样编码,每一个原色 对应1位 色 位00 010001 颜黑蓝绿青红洋黄白 红 但是,这种方式只适合于简单的类似卡通画的图像。许多现实世界中的颜色都是红、绿 蓝按不同级别组合而成的。如果用2个字节来表示一个像素,则每一个原色可分配5位(1位保 留),这样可以给出红、绿、蓝三种颜色各32种不同的级别,即总共可有32768种不同的颜色 这种模式通常称作高彩色或千种颜色。 下一步是用3个字节来表示一个像素,每种颜色占一个字节。这种编码模式使红、绿、蓝 种颜色各有256种不同的级别,这样总共有16777216种不同的颜色,通常称作全彩色或百 万种颜色。如果视频显示器的分辨率为水平640像素,垂直480像素,则总共需要91600字节 的存储容量,即将近1M字节 每个像素所占的位数有时也称作颜色深度或颜色分辨率。不同颜色数量与每个像素所占 的位数的关系如下:

264 编码的奥秘 下载 冯·诺依曼就设想了一种像示波器一样的显示器，可用来使信息图形化。但是，直到 2 0世纪 5 0年代早期，计算机图形才开始成为现实。当时麻省理工学院（得到 I B M资助）建立了林肯 实验室来开发计算机，用于美国空军的空中防卫系统。该项目称为 S A G E（s e m i - a u t o m a t i c - ground environment）,有一个图形显示屏帮助操作员分析大量数据。 在S A G E这样的系统中使用的早期视频显示器不像今天我们在 P C机中所用的显示器。今 天普通的P C机显示器是光栅显示器。就像电视机，所有的图像由一系列水平光栅线组成，由 一个电子枪射击光束很快地前后移动扫过整个屏幕形成光栅。屏幕可以看成是一个大的矩形 点阵，这些点称为像素。在计算机里，一块内存专门供视频显示使用，屏幕上的每一个像素 由1位或多位表示。这些位值决定像素是否亮，是什么颜色。 例如，今天多数计算机显示器有至少水平方向 6 4 0像素的分辨率，垂直方向 4 8 0像素的分 辨率，像素的总数是这两个数的乘积 307 200。如果1个像素只占用1位内存，则每个像素只局 限于两种颜色，即通常的黑、白色。如， 0像素为黑，1像素为白。这样的视频显示器需要 3 0 7 2 0 0位的内存，即38 400字节。 随着可能的颜色数目的增多，每个像素需要更多的位，显示适配器也需要更多的内存。 例如，每个像素可以用一个字节来编码灰度。按照这样的安排，字节 00h 为黑，F F h为白，之 间的值代表不同的灰度。 C RT上的彩色由三个电子枪产生，每一个分别负责三原色红、绿、蓝中的一种（可以用 放大镜来观察电视机或彩色计算机屏幕以验证它的正确性。由不同的原色组合来显示图像）， 红色和蓝色的组合是黄色，红色与绿色的组合是洋红色，蓝色和绿色的组合是青色，三原色 的组合是白色。 最简单的彩色图像显示适配器每个像素需要 3位。像素可以如以下这样编码，每一个原色 对应1位： 位 颜色 0 0 0 黑 0 0 1 蓝 0 1 0 绿 0 11 青 1 0 0 红 1 0 1 洋红 11 0 黄 111 白 但是，这种方式只适合于简单的类似卡通画的图像。许多现实世界中的颜色都是红、绿、 蓝按不同级别组合而成的。如果用 2个字节来表示一个像素，则每一个原色可分配 5位（1位保 留），这样可以给出红、绿、蓝三种颜色各 3 2种不同的级别，即总共可有32 768种不同的颜色。 这种模式通常称作高彩色或千种颜色。 下一步是用3个字节来表示一个像素，每种颜色占一个字节。这种编码模式使红、绿、蓝 三种颜色各有2 5 6种不同的级别，这样总共有 16 777 216种不同的颜色，通常称作全彩色或百 万种颜色。如果视频显示器的分辨率为水平 6 4 0像素，垂直4 8 0像素，则总共需要921 600字节 的存储容量，即将近1 M字节。 每个像素所占的位数有时也称作颜色深度或颜色分辨率。不同颜色数量与每个像素所占 的位数的关系如下：

第5章图形化革命265 颜色数=2每个像素所占位数 视频适配卡只有一定数量的存储器,这样它所能达到的分辨率和颜色深度将受到限制。 例如,一个具有IM字节存储器的视频适配卡可以达到640×480的分辨率,每个像素占3个字 节。如果想用800×600的分辨率,则没有足够的存储器给每个像素分配3个字节,而要用2个 字节来表示一个像素。 尽管现在使用光栅显示器似乎是理所当然的,但在早期由于需要大量存储器,使用光栅 显示器就不太实际。SAGE视频显示器是矢量显示器,比电视机更像示波器。电子枪可以定位 到显示器上任何部分的点,并且直接画出直线或曲线。利用屏幕上图像的可持续性使得能用 这些直线和曲线来形成最基本的画面 SAGE计算机也支持光笔,操作者可用来在显示器上改变图像。光笔是特殊的设备,看起 来像一只铁笔,一端连有电线。运行适当的软件后,计算机可以检测到光笔指向的屏幕位置 并随着光笔的移动而改变图像 光笔是如何工作的呢?即使是技术专家,在第一次看到光笔的时候也会迷惑不解。关键 在于光笔不发射光——它检测光。在CRT中(无论是用光栅还是向量显示),控制电子枪移动 的电路也可以确定从电子枪射出的光何时打到光笔上,从而确定光笔正指向屏幕的什么位置 Van Sutherland(生于1938年)是预见到新的交互式计算时代的的多个人之一,他在1963年 示范了一个他为SAGE计算机开发的名为 Sketchpad(画板)的具有革命性意义的图形程序 画板可以存放图像信息到存储器,并且可以把图像显示在屏幕上。另外,还可以用光笔在显 示器上画图并修改,同时计算机会一直跟踪它。 另外一个交互式计算的设想家是 Douglas Engelbart(生于1925年)。他曾读过1945年 annevar Bush发表的文章《 As We May Think》,并在5年后开始用一生的时间致力于研究新 的计算机界面。20世纪60年代中期,当他在 Sanford研究院时,他彻底重新考虑了输入设备, 提出了用有五个尖端的键盘(此设备没有流行)以及一个他叫作鼠标的有轮子和按钮的小设备来 j入命令。鼠标现在已广泛用来移动屏幕上的指针,以选择屏幕上的对象。 逢光栅显示器在经济上切实可行,许多早期的热衷于交互式图形计算的人们(尽管没 有 Engelbart)也已聚集在 Xerox公司里。 Xerox公司于1970年建立了 Palo alto研究中心 (PARC),其中一项就是资助开发产品,以使得公司能进入计算机界。也许PARC最著名的设 想家是 Alan Kay(生于1940年),当他14岁的时候碰巧看到了 Robert heiden的小故事里描述 的 Van bush的微缩胶片图书馆,并已设想了一种他称为 Dynabook的轻便计算机。 PARC的第一个大工程是Alto,于1972年~1973年期间设计和制造出来。按照那个年代的 标准,这是一个给人深刻印象的产品。它是安装在地板上的系统单元,有16位处理器、2个 3MB的磁盘驱动器、128KB内存(可以扩充到512KB),以及一个三个按钮的鼠标。在16位单 片微处理器之前出现,Alto的处理器由大约200个集成电路组成。 Alto的视频显示器是它与众不同的地方之一。屏幕的大小和形状与一张纸差不多—8英 寸宽10英寸高。它以光栅图形模式工作,有606个水平像素和808个垂直像素,这样总共489 648个像素。每个像素占1位存储器,即每个像素不是黑色就是白色。用于视频显示的存储器 容量是64KB,占用部分处理器的地址空间。 通过写入到视频显示存储器,软件可以在屏幕上画出图画或显示不同字体和大小的文本 通过在桌上滚动鼠标,用户可以在屏幕上定位指针,与屏幕上的对象进行交互。视频显示器

颜色数 = 2 每个像素所占位数 视频适配卡只有一定数量的存储器，这样它所能达到的分辨率和颜色深度将受到限制。 例如，一个具有 1 M字节存储器的视频适配卡可以达到 6 4 0×4 8 0的分辨率，每个像素占 3个字 节。如果想用8 0 0×6 0 0的分辨率，则没有足够的存储器给每个像素分配 3个字节，而要用 2个 字节来表示一个像素。 尽管现在使用光栅显示器似乎是理所当然的，但在早期由于需要大量存储器，使用光栅 显示器就不太实际。S A G E视频显示器是矢量显示器，比电视机更像示波器。电子枪可以定位 到显示器上任何部分的点，并且直接画出直线或曲线。利用屏幕上图像的可持续性使得能用 这些直线和曲线来形成最基本的画面。 S A G E计算机也支持光笔，操作者可用来在显示器上改变图像。光笔是特殊的设备，看起 来像一只铁笔，一端连有电线。运行适当的软件后，计算机可以检测到光笔指向的屏幕位置， 并随着光笔的移动而改变图像。 光笔是如何工作的呢？即使是技术专家，在第一次看到光笔的时候也会迷惑不解。关键 在于光笔不发射光—它检测光。在C RT中（无论是用光栅还是向量显示），控制电子枪移动 的电路也可以确定从电子枪射出的光何时打到光笔上，从而确定光笔正指向屏幕的什么位置。 Van Sutherland(生于1 9 3 8年)是预见到新的交互式计算时代的的多个人之一，他在 1 9 6 3年 示范了一个他为 S A G E计算机开发的名为 S k e t c h p a d（画板）的具有革命性意义的图形程序。 画板可以存放图像信息到存储器，并且可以把图像显示在屏幕上。另外，还可以用光笔在显 示器上画图并修改，同时计算机会一直跟踪它。 另外一个交互式计算的设想家是 Douglas Engelbart(生于 1 9 2 5年)。他曾读过 1 9 4 5年 Vannevar Bush发表的文章《As We May Think》，并在5年后开始用一生的时间致力于研究新 的计算机界面。 2 0世纪6 0年代中期，当他在 S a n f o r d研究院时，他彻底重新考虑了输入设备， 提出了用有五个尖端的键盘 (此设备没有流行)以及一个他叫作鼠标的有轮子和按钮的小设备来 输入命令。鼠标现在已广泛用来移动屏幕上的指针，以选择屏幕上的对象。 恰逢光栅显示器在经济上切实可行，许多早期的热衷于交互式图形计算的人们（尽管没 有E n g e l b a r t）也已聚集在 X e r o x公司里。 X e r o x公司于 1 9 7 0年建立了 Palo Alto 研究中心 （PA R C），其中一项就是资助开发产品，以使得公司能进入计算机界。也许 PA R C最著名的设 想家是Alan Kay（生于1 9 4 0年），当他1 4岁的时候碰巧看到了Robert Heidein 的小故事里描述 的Van Bush的微缩胶片图书馆，并已设想了一种他称为 D y n a b o o k的轻便计算机。 PA R C的第一个大工程是A l t o，于1 9 7 2年～1 9 7 3年期间设计和制造出来。按照那个年代的 标准，这是一个给人深刻印象的产品。它是安装在地板上的系统单元，有 1 6位处理器、 2个 3 M B的磁盘驱动器、1 2 8 K B内存（可以扩充到5 1 2 K B），以及一个三个按钮的鼠标。在 1 6位单 片微处理器之前出现，A l t o的处理器由大约2 0 0个集成电路组成。 A l t o的视频显示器是它与众不同的地方之一。屏幕的大小和形状与一张纸差不多—8英 寸宽1 0英寸高。它以光栅图形模式工作，有 6 0 6个水平像素和 8 0 8个垂直像素，这样总共 4 8 9 6 4 8个像素。每个像素占 1位存储器，即每个像素不是黑色就是白色。用于视频显示的存储器 容量是6 4 K B，占用部分处理器的地址空间。 通过写入到视频显示存储器，软件可以在屏幕上画出图画或显示不同字体和大小的文本。 通过在桌上滚动鼠标，用户可以在屏幕上定位指针，与屏幕上的对象进行交互。视频显示器 第25章 图形化革命 265 下载

266编的奥 Chinapub.com 下载 并非像电传打字机那样按行显示用户输入,按行写出程序输出。视频显示器的屏幕是一个二 维的、高密度的信息阵列和更直接的用户输入源 在20世纪70年代末期,为Ato所写的程序显示出了许多令人感兴趣的特点。多个程序可 放到窗口中并同时显示在屏幕上。Alto的视频图像使得软件超出文本范畴,并真正反映用户 的思想。图形对象(如:按钮、菜单及称作图标的小图画)成为用户接口的一部分。鼠标用 来选择窗口或触发图形对象,执行程序功能 这就是软件,不仅提供了用户接口而且已达到与用户亲密交互的程度。软件进一步扩展了 计算机的应用领域而不再仅进行简单的数字操作。软件设计出来就是—引用 Douglas engelbart 在1963年写的论文的标题—《 for the Augmentation of man' s Intellect》 在AIo上开发的PARC只是图形用户界面即GUI( graphic user interface)的开始。但 Xerox 公司并没有销售Ato(如果要销售的话,价格将在3万美元以上)。经过10多年,高售价的思 想体现在一种成功的消费品上 1979年, Steve jobs和来自苹果计算机公司的小组参观了PARC,看到的东西给他们留下了 深刻的印象。但是,他们花费了三年多的时间才推出了具有图形接口的计算机,这就是1983 年1月推出的不太受欢迎的 Apple lisa而在1年以后,苹果公司就推出了很成功的 Macintosh 初始的 Macintosh配备有 Matorola6800微处理器、64KB的ROM、128KB的RAM、一个 3.5英寸的磁盘驱动器(可以存储400KB)、一个键盘、一个鼠标和一个视频显示器。该视频显 示器水平512个像素,垂直342个像素(CRT测量对角只有9英寸),总共175104个像素。每 个像素用1位内存,颜色为黑、白,这样视频显示RAM大约需要22KB 最初的 Macintosh硬件做得很好,但是很难进行变革。1984年,出现了使Mac与其他计算 机完全不同的 Macintosh操作系统,那时通常称作系统软件,后来称为 Mac os 像CP/M或MS-DOS这样的基于字符的单用户操作系统不是很大并且没有扩展的应用程序 接口(APⅠ)。正如第22章解释的那样,这些基于字符的操作系统所需要的是使用文件系统的 应用程序。而像 Mac os这样的图形操作系统则非常大且有几百个API函数,每一个都由一个 描述该函数功能的名称来标识 像MS-DOS这样的基于字符的操作系统只需提供几个简单的API函数就能使得应用程序在 屏幕上以电传打字机方式显示字符,但 Mac Os这样的图形操作系统必须提供一种方法才能使 得程序可以在屏幕上显示图形。从理论上来讲,可以通过实现一个API函数来完成,该函数使 得应用程序可以设置某个水平和垂直坐标的像素的颜色。但是,实际证明这种方法效率不高 且图形显示的速度很慢 因而由操作系统提供完整的图形编程系统就显得非常有意义,这意味着操作系统需包含 有画线、画矩形、画椭圆(包括圆)和字符的API函数。线可以由实线或虚线或点组成:矩形 和椭圆可以用不同的填充模式来填充:字符可以显示成不同字体和大小并具有不同效果,如: 黑体和下划线等。图形系统负责确定如何在显示器上把这些图形对象作为点阵来显示。 图形操作系统下运行的程序使用相同的API在计算机视频显示器和打印机上画出图形。因 此,字处理应用程序在屏幕上显示的文档可以与打印出来的文档非常相似。这种特点称为 WYSIWYG,是“ What you see is what you get(所见即所得)”的英文缩写。这是喜剧演员 Flip wilson在 Geraldine角色中所贡献的计算机行话。 图形用户界面的吸引力部分体现在不同应用程序的工作大致相同,且与用户经验关系不

并非像电传打字机那样按行显示用户输入，按行写出程序输出。视频显示器的屏幕是一个二 维的、高密度的信息阵列和更直接的用户输入源。 在2 0世纪7 0年代末期，为 A l t o所写的程序显示出了许多令人感兴趣的特点。多个程序可 放到窗口中并同时显示在屏幕上。 A l t o的视频图像使得软件超出文本范畴，并真正反映用户 的思想。图形对象（如：按钮、菜单及称作图标的小图画）成为用户接口的一部分。鼠标用 来选择窗口或触发图形对象，执行程序功能。 这就是软件，不仅提供了用户接口而且已达到与用户亲密交互的程度。软件进一步扩展了 计算机的应用领域而不再仅进行简单的数字操作。软件设计出来就是—引用Douglas Engelbart 在1 9 6 3年写的论文的标题—《for the Augmentation of Man's Intellect》。 在A l t o上开发的PA R C只是图形用户界面即G U I（graphic user interface）的开始。但X e r o x 公司并没有销售 A l t o（如果要销售的话，价格将在 3万美元以上）。经过1 0多年，高售价的思 想体现在一种成功的消费品上。 1 9 7 9年,Steve Jobs和来自苹果计算机公司的小组参观了 PA R C，看到的东西给他们留下了 深刻的印象。但是，他们花费了三年多的时间才推出了具有图形接口的计算机，这就是 1 9 8 3 年1月推出的不太受欢迎的Apple Lisa。而在1年以后，苹果公司就推出了很成功的 M a c i n t o s h。 初始的M a c i n t o s h配备有Matorola 6800微处理器、 6 4 K B的R O M、1 2 8 K B的R A M、一个 3 . 5英寸的磁盘驱动器（可以存储 4 0 0 K B）、一个键盘、一个鼠标和一个视频显示器。该视频显 示器水平5 1 2个像素，垂直3 4 2个像素（C RT测量对角只有9英寸），总共175 104个像素。每一 个像素用1位内存，颜色为黑、白，这样视频显示 R A M大约需要2 2 K B。 最初的M a c i n t o s h硬件做得很好，但是很难进行变革。 1 9 8 4年，出现了使M a c与其他计算 机完全不同的M a c i n t o s h操作系统，那时通常称作系统软件，后来称为 Mac OS. 像C P / M或M S - D O S这样的基于字符的单用户操作系统不是很大并且没有扩展的应用程序 接口（A P I）。正如第2 2章解释的那样，这些基于字符的操作系统所需要的是使用文件系统的 应用程序。而像 Mac OS这样的图形操作系统则非常大且有几百个 A P I函数，每一个都由一个 描述该函数功能的名称来标识。 像M S - D O S这样的基于字符的操作系统只需提供几个简单的 A P I函数就能使得应用程序在 屏幕上以电传打字机方式显示字符，但 Mac OS这样的图形操作系统必须提供一种方法才能使 得程序可以在屏幕上显示图形。从理论上来讲，可以通过实现一个 A P I函数来完成，该函数使 得应用程序可以设置某个水平和垂直坐标的像素的颜色。但是，实际证明这种方法效率不高 且图形显示的速度很慢。 因而由操作系统提供完整的图形编程系统就显得非常有意义，这意味着操作系统需包含 有画线、画矩形、画椭圆（包括圆）和字符的 A P I函数。线可以由实线或虚线或点组成；矩形 和椭圆可以用不同的填充模式来填充；字符可以显示成不同字体和大小并具有不同效果，如： 黑体和下划线等。图形系统负责确定如何在显示器上把这些图形对象作为点阵来显示。 图形操作系统下运行的程序使用相同的 A P I在计算机视频显示器和打印机上画出图形。因 此，字处理应用程序在屏幕上显示的文档可以与打印出来的文档非常相似。这种特点称为 W Y S I W Y G，是“What you see is what you get (所见即所得)”的英文缩写。这是喜剧演员 Flip Wi l s o n在G e r a l d i n e角色中所贡献的计算机行话。 图形用户界面的吸引力部分体现在不同应用程序的工作大致相同，且与用户经验关系不 266 编码的奥秘 下载

第5章图形化命267 大。这意味着操作系统还必须支持API函数从而使得应用程序可以实现用户界面的不同部分, 如按钮和菜单等。GUI通常看起来是友好的用户环境,它对编程人员来说同样是很重要的环 境。编程人员在原来的基础上就可以实现现代用户界面。 在 Macintosh推出之前,几家公司就已开始创建用于 IBM PC及其兼容机的图形操作系统 从某种意义上来讲, Apple开发人员的工作要容易一些,因为他们硬件和软件一起设计。 Macintosh系统软件只支持一种类型的磁盘驱动器,一种类型的视频显示器和两种打印机。但 在PC上实现的图形操作系统需要支持许多不同的硬件 另外,尽管 IBM PC很早(1981年)就已推出了,但多数人已习惯于用他们喜好的MS DOS应用程序且没有准备放弃它们。PC机的图形操作系统需要考虑的一个重要方面是,要使 得MS-DOS应用程序的运行就像是专门为新的操作系统设计的应用程序一样。( Macintosh上就 根本不能运行 Apple ll软件,因为它采用了不同的微处理器。) 1985年, Digital research公司(CP/M的后续公司)推出了GEM(图形环境管理器 ISIcorp公司(销售Ⅴ isilalc的公司)推出了 Vision; Microsoft公司发布了 Windows1.0版,它很 快被认为是“视窗战争”中最有可能的胜利者。然而,直到1990年3月发布 Windows3.0 Windows才开始吸引大量的用户。从那时起,它的普及率不断提高。到今天,已有大约90%的 微机上使用的操作系统是 Windows, macintosh和 Windows除了具有相同的外在表现外,它们 的AP是非常不同的 理论上讲,除了图形显示外,图形操作系统并不比字符操作系统需要更多的硬件,甚至 不需要硬盘驱动器。最初的 Macintosh没有, Windows1.0也不需要。 Windows1.0甚至不需要 鼠标,尽管每个人都认为用鼠标操作更容易一些 然而(这儿一点也不奇怪),随着微处理器越来越快,内存和外存越来越大,图形用户界面 也越来越流行。越来越多的特点增加到图形操作系统,至使它们越来越大。今天的图形操作 系统通常需要200MB的硬盘空间和32MB以上的内存 图形操作系统的应用程序几乎没有是用汇编语言编写的。早期 Macintosh上应用程序的流 行语言是 Pascal。对于 Windows应用程序来说,流行语言是C。但PARC再次使用了一种不同 的方法。大约从1972年开始,PARC的研究人员就在开发一种称为 Smalltalk的语言,体现了面 向对象程序设计,即OOP的概念 通常,高级程序设计语言的代码(通常以set、for、i这样的关键字开头的语句)和数据 (用变量来表示的数)之间有区别。毫无疑问,这种区别源自冯·诺依曼计算机体系结构。在 这种体系结构里,要么是机器码,要么是机器码用于操作的数据 而在面向对象的程序设计中,对象是代码和数据的组合。在对象中,数据存储的实际方 法只能通过与该对象相关联的代码才能理解。对象通过发送或接收消息来与其他对象通信, 它给一个对象发送指令或从那里获得信息 面向对象语言通常有助于编写用于图形操作系统的应用程序,因为编程人员可以用与用 户感知对象的同样的方式来处理屏幕上的对象(如:窗口和按钮等)。在面向对象语言中,按 钮是对象的一个例子。屏幕上的按钮有一定的尺寸和位置,并显示一些文本或小的图画,所 有这些都是与对象相关的数据。与对象关联的代码确定用户何时用键盘或鼠标按下按钮,并 且发送一个标明该按钮被触发的消息。 然而,最流行的微机上的面向对象语言是传统的类 ALGOL语言的扩展,如C和 Pascal。最

大。这意味着操作系统还必须支持 A P I函数从而使得应用程序可以实现用户界面的不同部分， 如按钮和菜单等。 G U I通常看起来是友好的用户环境，它对编程人员来说同样是很重要的环 境。编程人员在原来的基础上就可以实现现代用户界面。 在M a c i n t o s h推出之前，几家公司就已开始创建用于 IBM PC及其兼容机的图形操作系统。 从某种意义上来讲， A p p l e开发人员的工作要容易一些，因为他们硬件和软件一起设计。 M a c i n t o s h系统软件只支持一种类型的磁盘驱动器，一种类型的视频显示器和两种打印机。但 在P C上实现的图形操作系统需要支持许多不同的硬件。 另外，尽管 IBM PC很早（1 9 8 1年）就已推出了，但多数人已习惯于用他们喜好的 M S - D O S应用程序且没有准备放弃它们。 P C机的图形操作系统需要考虑的一个重要方面是，要使 得M S - D O S应用程序的运行就像是专门为新的操作系统设计的应用程序一样。（M a c i n t o s h上就 根本不能运行Apple II软件，因为它采用了不同的微处理器。） 1 9 8 5年，Digital Research 公司（C P / M的后续公司）推出了 G E M（图形环境管理器）； Vi s i c o r p公司(销售Vi s i l a l c的公司)推出了Vi s i O n；Microsoft 公司发布了Windows 1.0版，它很 快被认为是“视窗战争”中最有可能的胜利者。然而，直到 1 9 9 0年3月发布 Windows 3.0， Wi n d o w s才开始吸引大量的用户。从那时起，它的普及率不断提高。到今天，已有大约 9 0 %的 微机上使用的操作系统是 Wi n d o w s。M a c i n t o s h和Wi n d o w s除了具有相同的外在表现外，它们 的A P I是非常不同的。 理论上讲，除了图形显示外，图形操作系统并不比字符操作系统需要更多的硬件，甚至 不需要硬盘驱动器。最初的 Macintosh 没有，Windows 1.0也不需要。Windows 1.0甚至不需要 鼠标，尽管每个人都认为用鼠标操作更容易一些。 然而(这儿一点也不奇怪)，随着微处理器越来越快，内存和外存越来越大，图形用户界面 也越来越流行。越来越多的特点增加到图形操作系统，至使它们越来越大。今天的图形操作 系统通常需要2 0 0 M B的硬盘空间和3 2 M B以上的内存。 图形操作系统的应用程序几乎没有是用汇编语言编写的。早期 M a c i n t o s h上应用程序的流 行语言是 P a s c a l。对于Wi n d o w s应用程序来说，流行语言是 C。但PA R C再次使用了一种不同 的方法。大约从1 9 7 2年开始，PA R C的研究人员就在开发一种称为 S m a l l t a l k的语言，体现了面 向对象程序设计，即O O P的概念。 通常，高级程序设计语言的代码（通常以 s e t、f o r、if 这样的关键字开头的语句）和数据 （用变量来表示的数）之间有区别。毫无疑问，这种区别源自冯·诺依曼计算机体系结构。在 这种体系结构里，要么是机器码，要么是机器码用于操作的数据。 而在面向对象的程序设计中，对象是代码和数据的组合。在对象中，数据存储的实际方 法只能通过与该对象相关联的代码才能理解。对象通过发送或接收消息来与其他对象通信， 它给一个对象发送指令或从那里获得信息。 面向对象语言通常有助于编写用于图形操作系统的应用程序，因为编程人员可以用与用 户感知对象的同样的方式来处理屏幕上的对象（如：窗口和按钮等）。在面向对象语言中，按 钮是对象的一个例子。屏幕上的按钮有一定的尺寸和位置，并显示一些文本或小的图画，所 有这些都是与对象相关的数据。与对象关联的代码确定用户何时用键盘或鼠标按下按钮，并 且发送一个标明该按钮被触发的消息。 然而，最流行的微机上的面向对象语言是传统的类 A L G O L语言的扩展，如C和P a s c a l。最 第25章 图形化革命 267 下载

268编的奥 Chinapub.com 下载 流行的由C扩展的面向对象语言是C++(前面讲过,两个+是增量操作)。C++大部分是由贝尔 实验室的 Bjarne stroustrup(生于1950年)完成的,开始作为转换程序,用来把用C++编写的 程序转换成C程序(尽管C程序很难看也很难读),C程序可以像通常一样编译。 当然,面向对象语言并不能比传统语言多做些什么。但是编程是解决问题的方式,而面 向对象语言使得编程人员能够考虑那些在结构上通常更好的不同的解决方法。也可以一一尽 管不是那么容易——用面向对象语言编写程序,编译后可在 Macintosh上或 Windows下运行。 这样的程序并不直接涉及到API而是使用称作API函数的对象。两个不同的对象定义用来编译 用于 Macintosh或 Windows apl的程序 许多小型机上的编程人员不再用命令行编译程序。取而代之的是编程人员开始采用集成 开发环境(IDE),即在一个方便的程序里集成有所需的所有工具并且该程序可像其他图形应 用程序一样运行。编程人员还利用一种称作可视化编程的技术,通过鼠标汇集按钮及其他组 件来设计交互窗口 第22章中讲到了文本文件。这种文件只包含有ASCI字符,方便人们阅读。在使用基于字 符的操作系统时,文本文件是在应用程序之间交换信息的理想工具。文本文件的一个最大优 点就是它们是可检索的——即程序可以查看许多文本文件并确定它们中的哪一个包含有某 字符串。但是,一旦某个操作系统中有一个工具可用来显示不同字体、不同大小及不同效果 (如斜体、黑体和下划线),则文本文件似乎就很不适用了。其实,许多字处理程序以独有的 进制格式来存储文档。文本文件同样也不适用于图形信息 但是,可以同文本一起编码信息(如字体定义及段落编排),且仍然得到可阅读的文本文 件。关键是选用一个转换字符来表示这些信息。在 Microsoft设计的RTF( rich text format) 中,作为在应用程序之间交换格式化文本的一种方法,花括号{}及反斜杠Ⅷ来封装信息,标 明文本采用何种格式 PostScript是把这种概念发挥到极致的一种文本格式。 PostScript由 Adobe系统的创始人之 John Warnock(生于1940年)设计。这是一种通用的图形编程语言,主要用来在高端计算 机的打印机上画出字符或图形。 把图形结合到个人计算环境是越来越好、越来越便宜的硬件的直接结果。微处理器越来 越快,存储器越来越便宜,视频显示器及打印机分辨率不断增加且具有更多种颜色,所有这 些促进了计算机图形的使用 计算机图形产生于两种不同方式,与早些时候为区分图形视频显示器所用的词一样:矢 量和光栅。 矢量图形用直线、曲线及填充的域来生成图形,这是计算机辅助设计(或CAD)程序的 领域。矢量图形在工程和结构设计中具有重要用途。矢量图形可以按元文件的格式存放到文 件中。元文件是矢量图形制作命令的聚合,这些命令通常以二进制形式编码 矢量图形采用直线、曲线及填充的域,因而非常适合于桥梁设计等,但不能指望它来实 际显示建造的桥梁的效果。桥梁效果图是现实世界的图像,用矢量图形来表示太复杂,因而 很难表示出来 光栅(也称作位图)可用来解决这一问题。位图把图像编码成位的矩形阵列,该阵列对 应于输出设备上的像素。就像视频显示器一样,位图具有空间度(或分辨率),即指图像按像 素表示的宽度和高度。位图也有颜色度(或颜色分辨率/颜色深度),是指每一个像素对应的

流行的由C扩展的面向对象语言是 C + +（前面讲过，两个+是增量操作）。C + +大部分是由贝尔 实验室的Bjarne stroustrup（生于1 9 5 0年）完成的，开始作为转换程序，用来把用 C + +编写的 程序转换成C程序（尽管C程序很难看也很难读），C程序可以像通常一样编译。 当然，面向对象语言并不能比传统语言多做些什么。但是编程是解决问题的方式，而面 向对象语言使得编程人员能够考虑那些在结构上通常更好的不同的解决方法。也可以—尽 管不是那么容易—用面向对象语言编写程序，编译后可在 M a c i n t o s h上或Wi n d o w s下运行。 这样的程序并不直接涉及到 A P I而是使用称作A P I函数的对象。两个不同的对象定义用来编译 用于Macintosh 或Windows API的程序。 许多小型机上的编程人员不再用命令行编译程序。取而代之的是编程人员开始采用集成 开发环境（I D E），即在一个方便的程序里集成有所需的所有工具并且该程序可像其他图形应 用程序一样运行。编程人员还利用一种称作可视化编程的技术，通过鼠标汇集按钮及其他组 件来设计交互窗口。 第2 2章中讲到了文本文件。这种文件只包含有 A S C I I字符，方便人们阅读。在使用基于字 符的操作系统时，文本文件是在应用程序之间交换信息的理想工具。文本文件的一个最大优 点就是它们是可检索的—即程序可以查看许多文本文件并确定它们中的哪一个包含有某一 字符串。但是，一旦某个操作系统中有一个工具可用来显示不同字体、不同大小及不同效果 （如斜体、黑体和下划线），则文本文件似乎就很不适用了。其实，许多字处理程序以独有的 二进制格式来存储文档。文本文件同样也不适用于图形信息。 但是，可以同文本一起编码信息（如字体定义及段落编排），且仍然得到可阅读的文本文 件。关键是选用一个转换字符来表示这些信息。在 M i c r o s o f t设计的RT F（rich text format） 中，作为在应用程序之间交换格式化文本的一种方法，花括号 { }及反斜杠\用来封装信息，标 明文本采用何种格式。 P o s t S c r i p t是把这种概念发挥到极致的一种文本格式。 P o s t S c r i p t由A d o b e系统的创始人之 一John Wa r n o c k（生于1 9 4 0年）设计。这是一种通用的图形编程语言 ，主要用来在高端计算 机的打印机上画出字符或图形。 把图形结合到个人计算环境是越来越好、越来越便宜的硬件的直接结果。微处理器越来 越快，存储器越来越便宜，视频显示器及打印机分辨率不断增加且具有更多种颜色，所有这 些促进了计算机图形的使用。 计算机图形产生于两种不同方式，与早些时候为区分图形视频显示器所用的词一样：矢 量和光栅。 矢量图形用直线、曲线及填充的域来生成图形，这是计算机辅助设计（或 C A D）程序的 领域。矢量图形在工程和结构设计中具有重要用途。矢量图形可以按元文件的格式存放到文 件中。元文件是矢量图形制作命令的聚合，这些命令通常以二进制形式编码。 矢量图形采用直线、曲线及填充的域，因而非常适合于桥梁设计等，但不能指望它来实 际显示建造的桥梁的效果。桥梁效果图是现实世界的图像，用矢量图形来表示太复杂，因而 很难表示出来。 光栅（也称作位图）可用来解决这一问题。位图把图像编码成位的矩形阵列，该阵列对 应于输出设备上的像素。就像视频显示器一样，位图具有空间度（或分辨率），即指图像按像 素表示的宽度和高度。位图也有颜色度（或颜色分辨率 /颜色深度），是指每一个像素对应的 268 编码的奥秘 下载

第5章图形化命269 位数。位图中的每一个像素用相同的位数来表示。 管位图图像是二维的,但位图本身只是一个字节流——通常从最上面一行像素开始,接 着是第2行、第3行等等。 些位图图像是使用为图形操作系统设计的画笔程序通过“手工”生成的,还有一些位 图图像由计算机代码来生成。现在,位图经常用来表现现实世界的图像(如:照片),有几种 不同的硬件可用来把现实世界的图像输入到计算机中,这些设备通常用到称作电荷耦合 (CCD)的器件,它是一种半导体器件,在光照下会放电。一个CCD单元用来采样像素。 扫描仪是这些设备中最古老的一种。就像影印机一样,它用一行CCD扫过印制图像(如 照片)的表面。随着光的强度不同,CCD具有不同的电荷积累。与扫描仪一起工作的软件把 图像转换成位图存放在文件里 视频摄像机用二维CCD单元阵列来捕捉图像。通常这些图像录制在录像磁带上。但视频 输出也可以直接送到视频帧输入器,这是用来把模拟信号转换成像素值阵列的一块板。帧输 入器可以使用任何普通的视频源,如ⅤCR或激光影碟机,甚至直接来自于有限电视盒。 最近,数字照相机价格已适合家庭购买,它看起来很像一般的照相机。但是,数字相机 不用胶片,而是用CCD阵列来捕捉图像并直接存储到照相机的存储器中,然后传输到计算机 图形操作系统常常支持某种格式的位图文件的存储。 Macintosh使用 Paint格式,这个命名 参考了创立这种格式的 MacPaint程序。( Macintosh的PICT格式综合了位图和矢量图形,是它 的首选格式。) Windows里的格式是BMP,它是位图文件的扩展名。 位图可能很大,采用一些方法压缩它们是很有用处的。这些工作都归入到计算机科学中 称为数据压缩的范畴。 假设正在处理图像,如前所述,每个像素占3位。若有一个图片有天空、一栋房子和一块 草坪,这样的图片可能就会有大片的蓝色和绿色。也许,位图的最上面一行是72个蓝色像素 如果有一些方法能够在文件中编码这72个数字,以表示蓝色像素重复72次,则位图文件可能 会变得更小。这样的压缩称为行程编码,即RLE(run- length encoding) 般办公用的传真机采用RLE压缩方法,在通过电话线传送之前压缩图像。由于传真机 只把图像看成黑色和白色而没有灰度和彩色,因此,通常有很长串的白色像素 已经流行了10多年的位图文件格式是图形交换格式即GIF,由 Compu Serve公司于1987年 开发出的。GIF文件采用称为LZW的压缩技术,“LZW”代表它的创建者: Temple、Ziv和 Welch。LZW比RLE效果更好,因为它检测不同像素值的模式而不仅仅是针对具有相同值的像 素的连续串 RLE和LZW都是无损失的压缩技术,因为从压缩数据中可以重新生成完整的初始文件 换句话说,压缩是可逆的。很容易证明可逆的压缩方法并不适用于所有类型的文件。在某些 情况下,“压缩”文件比初始文件还要大。 最近几年,有损失的压缩技术很流行。有损失的压缩是不可逆的,因为某些初始数据被 丢弃了。不要用有损失的压缩技术来压缩电子报表或文字处理文档,因为每一个数字或文字 也许都是很重要的。但这并不妨碍用有损失的压缩技术来压缩图像,因为只要丢弃的数据不 会使得图片的整体效果有太大差别即可。这就是有损失的压缩技术用于可视心理研究的原因, 它可以研究人的视觉,以确定什么重要,什么不重要

位数。位图中的每一个像素用相同的位数来表示。 尽管位图图像是二维的，但位图本身只是一个字节流—通常从最上面一行像素开始，接 着是第2行、第3行等等。 一些位图图像是使用为图形操作系统设计的画笔程序通过“手工”生成的，还有一些位 图图像由计算机代码来生成。现在，位图经常用来表现现实世界的图像（如：照片），有几种 不同的硬件可用来把现实世界的图像输入到计算机中，这些设备通常用到称作电荷耦合 （C C D）的器件，它是一种半导体器件，在光照下会放电。一个 C C D单元用来采样像素。 扫描仪是这些设备中最古老的一种。就像影印机一样，它用一行 C C D扫过印制图像（如： 照片）的表面。随着光的强度不同， C C D具有不同的电荷积累。与扫描仪一起工作的软件把 图像转换成位图存放在文件里。 视频摄像机用二维 C C D单元阵列来捕捉图像。通常这些图像录制在录像磁带上。但视频 输出也可以直接送到视频帧输入器，这是用来把模拟信号转换成像素值阵列的一块板。帧输 入器可以使用任何普通的视频源，如 V C R或激光影碟机，甚至直接来自于有限电视盒。 最近，数字照相机价格已适合家庭购买，它看起来很像一般的照相机。但是，数字相机 不用胶片，而是用 C C D阵列来捕捉图像并直接存储到照相机的存储器中，然后传输到计算机 中。 图形操作系统常常支持某种格式的位图文件的存储。 M a c i n t o s h使用P a i n t格式，这个命名 参考了创立这种格式的 M a c P a i n t程序。（ M a c i n t o s h的P I C T格式综合了位图和矢量图形，是它 的首选格式。）Wi n d o w s里的格式是B M P，它是位图文件的扩展名。 位图可能很大，采用一些方法压缩它们是很有用处的。这些工作都归入到计算机科学中 称为数据压缩的范畴。 假设正在处理图像，如前所述，每个像素占 3位。若有一个图片有天空、一栋房子和一块 草坪，这样的图片可能就会有大片的蓝色和绿色。也许，位图的最上面一行是 7 2个蓝色像素， 如果有一些方法能够在文件中编码这 7 2个数字，以表示蓝色像素重复 7 2次，则位图文件可能 会变得更小。这样的压缩称为行程编码，即R L E（ run-length encoding）。 一般办公用的传真机采用 R L E压缩方法，在通过电话线传送之前压缩图像。由于传真机 只把图像看成黑色和白色而没有灰度和彩色，因此，通常有很长串的白色像素。 已经流行了1 0多年的位图文件格式是图形交换格式即 G I F，由Compu Serve公司于1 9 8 7年 开发出的。 G I F文件采用称为 L Z W的压缩技术，“L Z W”代表它的创建者： L e m p l e l、Z i v和 We l c h。L Z W比R L E效果更好，因为它检测不同像素值的模式而不仅仅是针对具有相同值的像 素的连续串。 R L E和L Z W都是无损失的压缩技术，因为从压缩数据中可以重新生成完整的初始文件。 换句话说，压缩是可逆的。很容易证明可逆的压缩方法并不适用于所有类型的文件。在某些 情况下，“压缩”文件比初始文件还要大。 最近几年，有损失的压缩技术很流行。有损失的压缩是不可逆的，因为某些初始数据被 丢弃了。不要用有损失的压缩技术来压缩电子报表或文字处理文档，因为每一个数字或文字 也许都是很重要的。但这并不妨碍用有损失的压缩技术来压缩图像，因为只要丢弃的数据不 会使得图片的整体效果有太大差别即可。这就是有损失的压缩技术用于可视心理研究的原因， 它可以研究人的视觉，以确定什么重要，什么不重要。 第25章 图形化革命 269 下载

270 编码的奥秘 Chinapub- coM 下载 最重要的用于位图的有损失的压缩技术统称为JPEG。JPEG表示联合图像专家组( photography experts group),它描述了几种压缩技术,一些是无损失的,一些是有损失的。 把元文件转换成位图文件很简单。因为视频显示存储器与位图在概念上是一致的。如果 个程序知道如何在视频显示存储器中画一个元文件,则它也知道如何在位图上画元文件 但是,把位图文件转换成元文件就没那么容易,有些复杂的图像甚至不能转换。与这项 工作相关的一项技术是光学字符识别,即OCR( optical character recognition)。如果一个位图 上有一些字符(从复印机来的,或扫描页面得到的)并且需要转换成ASCI码吗,就可用OCR OCR软件需要分析位的模式并确定它们代表什么字符。由于这项工作的算法很复杂,OCR软 件并不是100%准确。即使有些不准确,OCR软件也试图把手写体转换成ASCI码字符 位图和元文件都是用数字表示的可视信息。音频信息也可以转换成位和字节 1983年,随着激光唱机的出现,数字化音响激起了消费者的热情,它也成为了最大的电 子消费品。CD由 Philips和Sony公司开发,在一个直径12cm的盘上一面可存储74分钟的数字化 声音。之所以选择74分钟是因为贝多芬的第九交响曲刚好可以放在一张CD上 CD上的声音编码采用脉冲编码调制技术,即PCM( pulse code modulation)。不管它的名 字多么奇怪,从概念上讲,PCM是很简单的处理过程。 声音是振动产生的。人们的声音是振动,大号的声音是振动,森林里树倒下的声音也是振 动,它们使得空气分子移动,空气一会儿挤压一会儿弹开,一会儿压缩一会儿放松,一会儿向 后一会儿向前,每秒钟进行着成百上千次运动。空气最终震动耳膜,使得我们能够听到声音。 声波可以用1877年爱迪生的第一台电唱机上用来录制和播放背景音乐的锡箔圆桶表面上 的凸起和凹陷来模拟。直到出现CD之前,这种录制技术也很少改变,虽然圆桶换成了盘片, 锡箔换成了塑性材料即塑料。早期的电唱机是全机械的,后来使用电子放大器来放大声音。 麦克风上的可变电阻把声音转换成电流,喇叭中的电磁铁把电流转换回声音。 代表声音的电流并非本书中所讲的1/0数字信号。声波是连续变化的,而产生这种电流的 电压也是如此。电流是声波的模拟。一种称作模拟数字转换器(ADC)的器件—通常在 个芯片上实现——把模拟电压转换成二进制数。ADC的输出是若干位数字信号—通常为8 12或16位一用来表明电压的相对级别。例如,12位ADC把电压转换成000h~FFFh之间的数 从而区分4096个不同的电压级别。 在脉冲编码调制这种技术里,代表声波的电压按照恒定的速率转换成数值。这些数以小 孔的形式刻在光盘表面,从而存储在CD上。通过从CD表面反射的激光可以读出这些信息。 在播放的时候,这些数又通过数字/模拟转换器即DAC转换成电流。(DAC也用在彩色图形板 上,用来把像素值转换成模拟的彩色信号送到显示器。) 声波电压以恒定的速率转换成数字,该速率称为采样速率。1928年,贝尔实验室的 Harry Nyquist证明了釆样速率至少为需要记录和播放的信号的最大频率的两倍。通常认为人们能听 到的声音的频率范围为20~20000赫兹。CD所用的采样频率比最大频率的两倍还要大一些 定义为每秒采样44100次 每个样本所用的位数取决于CD的动态范围,即记录和播放的声音的最高频率与最低频率 之差。这有些复杂:电流不断地变化来模拟声波,尖峰称为声波的振幅。我们所感受到的声 音强度是振幅的两倍。1贝尔(bel)表示强度的10倍增强:1分贝( decibel)是1贝尔的1/10,表 示人们所能感受的声音的几乎最小的强度变化

最重要的用于位图的有损失的压缩技术统称为 J P E G。J P E G表示联合图像专家组（ j o i n t photography experts group），它描述了几种压缩技术，一些是无损失的，一些是有损失的。 把元文件转换成位图文件很简单。因为视频显示存储器与位图在概念上是一致的。如果 一个程序知道如何在视频显示存储器中画一个元文件，则它也知道如何在位图上画元文件。 但是，把位图文件转换成元文件就没那么容易，有些复杂的图像甚至不能转换。与这项 工作相关的一项技术是光学字符识别，即 O C R（optical character recognition）。如果一个位图 上有一些字符（从复印机来的，或扫描页面得到的）并且需要转换成 A S C I I码，就可用O C R。 O C R软件需要分析位的模式并确定它们代表什么字符。由于这项工作的算法很复杂， O C R软 件并不是1 0 0 %准确。即使有些不准确，O C R软件也试图把手写体转换成 A S C I I码字符。 位图和元文件都是用数字表示的可视信息。音频信息也可以转换成位和字节。 1 9 8 3年，随着激光唱机的出现，数字化音响激起了消费者的热情，它也成为了最大的电 子消费品。C D由P h i l i p s和S o n y公司开发，在一个直径1 2 c m的盘上一面可存储7 4分钟的数字化 声音。之所以选择7 4分钟是因为贝多芬的第九交响曲刚好可以放在一张 C D上。 C D上的声音编码采用脉冲编码调制技术，即 PCM (pulse code modulation)。不管它的名 字多么奇怪，从概念上讲， P C M是很简单的处理过程。 声音是振动产生的。人们的声音是振动，大号的声音是振动，森林里树倒下的声音也是振 动，它们使得空气分子移动，空气一会儿挤压一会儿弹开，一会儿压缩一会儿放松，一会儿向 后一会儿向前，每秒钟进行着成百上千次运动。空气最终震动耳膜，使得我们能够听到声音。 声波可以用1 8 7 7年爱迪生的第一台电唱机上用来录制和播放背景音乐的锡箔圆桶表面上 的凸起和凹陷来模拟。直到出现 C D之前，这种录制技术也很少改变，虽然圆桶换成了盘片， 锡箔换成了塑性材料即塑料。早期的电唱机是全机械的，后来使用电子放大器来放大声音。 麦克风上的可变电阻把声音转换成电流，喇叭中的电磁铁把电流转换回声音。 代表声音的电流并非本书中所讲的 1 / 0数字信号。声波是连续变化的，而产生这种电流的 电压也是如此。电流是声波的模拟。一种称作模拟数字转换器（A D C）的器件—通常在一 个芯片上实现—把模拟电压转换成二进制数。 A D C的输出是若干位数字信号—通常为8、 1 2或1 6位—用来表明电压的相对级别。例如， 1 2位A D C把电压转换成0 0 0 h～F F F h之间的数， 从而区分4 0 9 6个不同的电压级别。 在脉冲编码调制这种技术里，代表声波的电压按照恒定的速率转换成数值。这些数以小 孔的形式刻在光盘表面，从而存储在 C D上。通过从 CD 表面反射的激光可以读出这些信息。 在播放的时候，这些数又通过数字/模拟转换器即D A C转换成电流。（D A C也用在彩色图形板 上，用来把像素值转换成模拟的彩色信号送到显示器。） 声波电压以恒定的速率转换成数字，该速率称为采样速率。1 9 2 8年，贝尔实验室的 H a r r y N y q u i s t证明了采样速率至少为需要记录和播放的信号的最大频率的两倍。通常认为人们能听 到的声音的频率范围为 2 0～20 000赫兹。C D所用的采样频率比最大频率的两倍还要大一些， 定义为每秒采样44 100次。 每个样本所用的位数取决于 C D的动态范围，即记录和播放的声音的最高频率与最低频率 之差。这有些复杂：电流不断地变化来模拟声波，尖峰称为声波的振幅。我们所感受到的声 音强度是振幅的两倍。 1贝尔（b e l）表示强度的1 0倍增强；1分贝( d e c i b e l )是1贝尔的1 / 1 0，表 示人们所能感受的声音的几乎最小的强度变化。 270 编码的奥秘 下载

inaopub.com 第25章图形化革命 271 每个样本用16位表示,这样可以表示96分贝的动态范围,差不多是从能听到的声音的阀 值(低于这一值则不能听见)到能忍受却不感到痛苦的声音的阀值的差。CD盘中用16位表示 个样本 所以,CD盘中每秒声音有44100个采样样本,每个样本2个字节。立体声则需要两倍的采 样信息即每秒总共176400字节,每分10584000字节。(现在可以知道为什么在20世纪80年代 之前声音的数字记录不是很普遍。)CD上74分钟的立体声需要783216000字节 数字化声音与模拟声音相比具有很多众所周知的优点。特别是,无论何时复制模拟声音 (例如从录音磁带生成电唱片)都会有一些失真。而数字化声音是数字信息,总可以如实地转 录和复制。过去常常是电话信号传输线路越长则声音越糟。现不再是这样了,因为现在许多 电话系统都是数字的,跨越一个国家的呼叫信号就像跨越一条街道一样清晰 CD也可像存储声音一样来存储数据。用得最广泛的用来存放数据的CD称作CD-ROM (CD只读存储器),通常CD-ROM最多可存储约660MB。今天,许多计算机中都装有CD驱动 器,许多应用程序和游戏都在CD-ROM中 大约10年前,声音、音乐、视频开始进入个人计算机中,这称为多媒体。现在多媒体已 经很普遍了,也不需要特别的名称。今天出售的许多家用计算机有声卡,内含一个ADC用来 把从麦克风来的声音录制成数字,还有一个DAC用来通过喇叭播放录制的声音。声音可以以 波形文件存放在磁盘中 因为在家用计算机中录制和播放声音并不总是需要达到CD的质量,所以 Macintosh和 Windows提供低的采样速率,如22050、11025和8000赫兹,以及较小的8位样本信息和单频 度录制。声音以每秒8000字节来录制,即每分480000字节。 人们从科幻电影和电视中知道,未来的计算机可以用英语与用户交谈。一旦计算机有了 数字化录制和播放声音的硬件,则所有通向这一目标的其他工作就可用软件来完成 使计算机能讲人们能识别的单词和句子的方法有两种。一种方法是让人们录制句子段落 短语、单词及数字,然后存储在文件中,并且用不同的方法串在一起。这种方法通常用在通 过电话访问的信息系统中,它在只需播放有限的单词和数字组合的情况下能很好地工作 种常见的声音合成形式涉及到一个用来把ASCI码字符转换成波形数据的进程。例如, 由于英语拼写并不总是一致的,所以这样的软件系统用一个词典或复杂算法来确定单词的确 切发音。基本的音节(称作音素)组合成整个单词。通常软件需要做一些调整,例如,如果 个句子后面跟着问号,则最后一个单词的声音频率必须增加 声音识别——把波形数据转换成ASCI码字符——是一个更复杂的问题。的确,许多人在 理解口语的方言方面有一些问题。在个人计算中使用听写软件时,通常需要训练以便能合理 转录某个人所说的话。其中涉及的一个问题已超出了转换成ASCI码文本的范围,即编程使计 算机“理解”所说的话。这个问题是人工智能的研究领域 今天,计算机中的声卡也提供小的电子音乐合成器,它能模仿128种不同的音乐乐器和47 种不同的打击乐器,称作MIDI合成器。MID即乐器数字接口,在20世纪80年代早期由电子音 乐合成器制造者协会开发出来,用来把这些电子乐器互相连接起来并连到计算机中。 不同种类的MIDI合成器用不同的方法来合成乐器的声音,其中一些比另一些更逼真 MIDI合成器的性质已远远超过了MIDI定义的范畴。所要做的无非是通过演奏声音来响应短消 息——通常长度为1、2或3字节。MIDI消息常常指明需要什么乐器、将要演奏哪个音符,或正

每个样本用1 6位表示，这样可以表示 9 6分贝的动态范围，差不多是从能听到的声音的阀 值（低于这一值则不能听见）到能忍受却不感到痛苦的声音的阀值的差。 C D盘中用1 6位表示 一个样本。 所以，C D盘中每秒声音有44 100个采样样本，每个样本2个字节。立体声则需要两倍的采 样信息即每秒总共176 400字节，每分10 584 000字节。（现在可以知道为什么在2 0世纪8 0年代 之前声音的数字记录不是很普遍。）C D上7 4分钟的立体声需要783 216 000字节。 数字化声音与模拟声音相比具有很多众所周知的优点。特别是，无论何时复制模拟声音 （例如从录音磁带生成电唱片）都会有一些失真。而数字化声音是数字信息，总可以如实地转 录和复制。过去常常是电话信号传输线路越长则声音越糟。现不再是这样了，因为现在许多 电话系统都是数字的，跨越一个国家的呼叫信号就像跨越一条街道一样清晰。 C D也可像存储声音一样来存储数据。用得最广泛的用来存放数据的 C D称作C D - R O M （C D只读存储器），通常C D - R O M最多可存储约6 6 0 M B。今天，许多计算机中都装有 CD 驱动 器，许多应用程序和游戏都在 C D - R O M中。 大约1 0年前，声音、音乐、视频开始进入个人计算机中，这称为多媒体。现在多媒体已 经很普遍了，也不需要特别的名称。今天出售的许多家用计算机有声卡，内含一个 A D C用来 把从麦克风来的声音录制成数字，还有一个 D A C用来通过喇叭播放录制的声音。声音可以以 波形文件存放在磁盘中。 因为在家用计算机中录制和播放声音并不总是需要达到 C D的质量，所以 M a c i n t o s h和 Wi n d o w s提供低的采样速率，如 22 050、11 025和8 0 0 0赫兹，以及较小的8位样本信息和单频 度录制。声音以每秒8 0 0 0字节来录制，即每分480 000字节。 人们从科幻电影和电视中知道，未来的计算机可以用英语与用户交谈。一旦计算机有了 数字化录制和播放声音的硬件，则所有通向这一目标的其他工作就可用软件来完成。 使计算机能讲人们能识别的单词和句子的方法有两种。一种方法是让人们录制句子段落、 短语、单词及数字，然后存储在文件中，并且用不同的方法串在一起。这种方法通常用在通 过电话访问的信息系统中，它在只需播放有限的单词和数字组合的情况下能很好地工作。 一种常见的声音合成形式涉及到一个用来把 A S C I I码字符转换成波形数据的进程。例如， 由于英语拼写并不总是一致的，所以这样的软件系统用一个词典或复杂算法来确定单词的确 切发音。基本的音节（称作音素）组合成整个单词。通常软件需要做一些调整，例如，如果 一个句子后面跟着问号，则最后一个单词的声音频率必须增加。 声音识别—把波形数据转换成 A S C I I码字符—是一个更复杂的问题。的确，许多人在 理解口语的方言方面有一些问题。在个人计算中使用听写软件时，通常需要训练以便能合理 转录某个人所说的话。其中涉及的一个问题已超出了转换成 A S C I I码文本的范围，即编程使计 算机“理解”所说的话。这个问题是人工智能的研究领域。 今天，计算机中的声卡也提供小的电子音乐合成器，它能模仿 1 2 8种不同的音乐乐器和4 7 种不同的打击乐器，称作 M I D I合成器。M I D I即乐器数字接口，在2 0世纪8 0年代早期由电子音 乐合成器制造者协会开发出来，用来把这些电子乐器互相连接起来并连到计算机中。 不同种类的 M I D I合成器用不同的方法来合成乐器的声音，其中一些比另一些更逼真。 M I D I合成器的性质已远远超过了 M I D I定义的范畴。所要做的无非是通过演奏声音来响应短消 息—通常长度为1、2或3字节。M I D I消息常常指明需要什么乐器、将要演奏哪个音符，或正 第25章 图形化革命 271 下载