Конспект лекций по компьютерной графике. Конспект лекций по дисциплине Компьютерная графика
 Скачать 16.3 Mb.
|
10.3 Классификация стандартовИз рис. 10.4 видно, что для обеспечения мобильности программного обеспечения требуется стандартизовать: базовую графическую систему, т.е. стандартизовать графический интерфейс (набор базовых графических функций) - Core System, GKS, GKS-3D, PMIG, PHIGS, PHIGS+ и т.д. графический протокол (порядок и правила обмена информацией) - IGES, CGM и др. Далее будут рассмотрены отдельные графические интерфейсы, являющиеся международными графическими стандартами, а затем – некоторые графические протоколы, среди которых большая часть - стандарты де-факто и только один - CGM - международный стандарт. Core-SystemСущественным этапом в области стандартизации машинной графики явилась публикация проекта стандарта CORE-SYSTEM (GSPC-77) , модель которой приведена на рис. 10.5. Главные идеи, положенные в основу системы CORE : разделение функций ввода и вывода; минимизация отличий между выводом на графопостроитель и интерактивный дисплей; концепция двух координатных систем - мировой системы координат, в которой конструируется выдаваемое изображение, и приборной системы координат, в которой представляются данные для отображения; концепция дисплейного файла, содержащего приборную координатную информацию; понятие дисплейного файла сегментов, каждый из которых может независимо модифицироваться как элемент; обеспечение функций преобразования данных из мировой системы координат в приборную путем вызова видового преобразования. В системе выделены следующие группы функций: вывода; сегментирования дисплейного файла; установления и опроса атрибутов примитивов (цвет, яркость, ширина линии и т.д.) и атрибутов сегментов (тип, видимость, указуемость и т.д.); визуализации; выполнения ввода с виртуальных устройств ввода типа указка, клавиатура, кнопка, локатор, датчик; управления и доступа к специальным аппаратным возможностям. В 1979 г. был опубликован уточненный проект стандарта CORE-SYSTEM (GSPC-79) . Кроме прочих изменений, в этой версии предусмотрена (весьма ограниченно) поддержка растровых устройств. Всего предлагалось 266 функций, так что охватывался широкий спектр применения машинной графики, начиная от пассивного вывода до интерактивных систем высокого уровня.  Рис. 10.5. Модель графической системы, положенная в основу CORE-SYSTEM Ясно, что для многих приложений требуется лишь часть возможностей графпакета, все остальные, если будут присутствовать, будут приводить к неэффективности прикладной программы. Для устранения этого противоречия система разбита на три не зависящие друг от друга группы уровней - группа уровней вывода, группа уровней ввода, группа уровней размерности. Уровни внутри группы совместимы снизу-вверх. Группа уровней вывода включает в себя: базовый вывод, поддерживающий полный набор примитивов вывода, их атрибутов и операций визуализации и предназначенный для приложений, не требующих выборочного редактирования изображений; буферизованный вывод дополнительно к предыдущему уровню позволяет использовать сохраняемые сегменты без преобразования образа - преобразования графической информации, содержащейся в сегменте в момент выполнения вывода. Группа уровней ввода включает: без ввода, т.е. применяется для пассивных приложений; синхронный ввод - ввод производится синхронно с работой прикладной программы, т.е. ее исполнение приостанавливается до завершения ввода; асинхронный ввод - ввод производится независимо от работы прикладной программы, а вводимые оператором данные накапливаются в обрабатываемой прикладной программой очереди ввода. На последних двух уровнях поддерживаются виртуальные устройства ввода классов ЛОКАТОР, ШТРИХ, ДАТЧИК, ВЫБОР, УКАЗКА и КЛАВИАТУРА. Группа уровней размерности включает: 2D - поддерживаются только 2D операции; 3D - дополнительно к 2D поддерживаются и 3D операции. Предложения GSPC получили широкий отклик в виде многочисленных реализаций версий базовой системы. GKS (Graphical Kernel System)Результатом работ в ФРГ было создание системы GKS. Модель графической системы, положенная в ее основу, приведена на рис. 10.6. В 1979 г. GKS была принята в качестве отправной точки международного стандарта. В процессе разработки международного стандарта в исходную версию GKS был внесен целый ряд изменений, приблизивших ее к CORE-SYSTEM, но сохранивших ряд отличительных фундаментальных концепций. Основной из таких отличительных черт является введение понятия рабочей станции, представляющей собой абстракцию совокупности виртуальных устройств ввода/вывода, более полно соответствующей современной тенденции использования интеллектуальных терминалов. По максимуму рабочая станция обладает следующими свойствами: имеет одну адресуемую поверхность вывода с фиксированным разрешением; допускается только прямоугольное поле отображения, которое не может состоять из нескольких отдельных частей; позволяет задание и использование поля отображения, которое меньше максимально возможного, с гарантией того, что изображение не генерируется вне заданного поля отображения; поддерживает несколько типов линий, шрифтов текста, размеров символов и т.д. для вывода примитивов с различными атрибутами; имеет одно или больше устройств ввода для каждого класса устройств, которые независимо друг от друга могут работать в одном из трех режимов - синхронный ввод, опрос, асинхронный ввод; запоминает сегменты и обеспечивает средства для изменений сегментов и манипуляций с ними. Ясно, что выделение рабочей станции излишне громоздко, когда приходится иметь дело с одним устройством вывода и ввода. Основная ценность введения понятия рабочей станции состоит в удобной и естественной возможности разделения аппаратно-независимой и аппаратно-зависимой частей. Следует отметить, что в GKS столь же последовательно проводится разделение функций ввода/вывода, как и в CORE. Набор примитивов GKS подобен набору примитивов CORE, хотя меньше и несколько более приспособлен для целей растровой графики (ломаная; полимаркер; текст; многоугольник, который может быть "залит" одним цветом, заштрихован, покрыт узором, либо может быть не закрашен за исключением границ; массив прямоугольных ячеек, закрашенных одним цветом; обобщенный примитив черчения, дающий доступ к специальным геометрическим и графическим возможностям устройств). В отличие от CORE в GKS нет понятия текущей позиции, так что построение примитива не зависит от предыстории вычерчивания. В GKS имеется 2 способа задания атрибутов примитивов. Первый - индивидуальный способ аналогичен используемому в CORE, не зависит от рабочей станции и основан на индивидуальном задании атрибутов, которые сохраняют свое значение пока не будут изменены прикладной программой. Второй - групповой способ зависит от рабочей станции и основан на задании независимых групп значений атрибутов. Для использования требуемой группы атрибутов задается ее номер, который сохраняет свое значение пока не будет переустановлен. Видовые операции, определяющие переход от входных (мировых) координат к физическим координатам устройства, также похожи, но в GKS, в отличие от CORE, допускается наличие не одной, а нескольких пар окно/поле вывода. Средства сегментации GKS напоминают средства сегментации CORE, но в GKS добавлены средства манипулирования сегментами на заданной рабочей станции и средства работы с рабочей станцией специального типа - приборно-независимым хранилищем сегментов (ПНХС). Виртуальные устройства ввода также подобны, хотя названия несколько отличаются и в GKS правила работы с устройствами лучше проработаны.  Рис. 10.6. Модель графической системы, положенная в основу GKS Для повышения эффективности конкретных приложений в GKS, аналогично CORE, предусмотрено разбиение на уровни. Предлагается три уровня вывода и три уровня всех остальных функций. Уровни вывода: 0: Минимальный вывод. Доступны все примитивы. Используются только групповые, немодифицируемые атрибуты примитивов. В каждый момент времени активна только одна рабочая станция вывода. Опросы параметров системы - только базовые. Доступно чтение пикселов - отдельных точек изображения из растровых устройств. 1: Базовая сегментация с полным выводом. Все возможности уровня 0. Полное управление рабочей станцией. Полные возможности вывода. Полные возможности групповых таблиц атрибутов. Одновременно могут быть активными несколько рабочих станций. Есть рабочие станции типа метафайл для сохранения/воспроизведения изображений. Может использоваться требуемое число пар окно/поле вывода. Есть базовая сегментация (без ПНХС). Доступны требуемые опросы. 2: Приборно-независимое хранилище сегментов. Все возможности уровня 1. Имеется ПНХС. Уровни ввода: A: Нет ввода. B: Синхронный ввод. Существуют виртуальные устройства ввода каждого класса, работающие в режиме синхронного ввода (request). C: Полный ввод. Все возможности ввода уровня B. Предусмотрены режимы асинхронного ввода и ввода по опросу (event и sample). В 1985 г. GKS была принята в качестве международного стандарта . В 1988 г. для стандартизованных языков программирования были приняты международные стандарты на интерфейс GKS c языками Fortran, Pascal, Ada, C . GKS-3D (Graphical Kernel System for Three Dimensions)Отличия GKS-3D от GKS заключаются в добавлении 3D функций: примитивов 3D вывода; установки атрибутов вывода (2 функции); поддержки 3D преобразований (9 функций); работы с 3D сегментами и преобразований 2D сегментов в 3D и наоборот (4 функции); ввода с 3D координатных устройств (10 функций); утилит работы с матрицами 3D преобразований (2 функции). В целом GKS может рассматриваться как подмножество GKS-3D, т.е. 2D приложения, написанные на GKS, гарантированно исполняются в 3D окружении без каких-либо изменений. В 1988 г. GKS-3D была принята в качестве международного стандарта . В период с 1988 по 1990 гг. прорабатывались проекты стандартов ISO 8806 на интерфейсы GKS-3D с языками программирования. В 1991 г. завершилось их принятие в качестве международных стандартов. PHIGS (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System)Во многих приложениях возникает необходимость геометрического моделирования трехмерных тел (САПР машиностроительного, строительного, архитектурного и других направлений, системы автоматизации научных исследований, системы визуализации и т.д.). Использование GKS или GKS-3D для отображения результатов моделирования предполагает, что моделирование целиком должна выполнять прикладная программа, так как эти системы ориентированы на прямой ввод/вывод и в них не предусмотрено иного манипулирования графическими данными кроме накопления в сегментах. PHIGS же комбинирует графику с техникой моделирования и представляет собой набор функций программирования графики с поддержкой быстрой модификации графических данных, описывающих геометрические соотношения объектов. Набор примитивов вывода и их атрибутов в PHIGS тот же самый, что и в GKS-3D с добавлением примитива "annotation text relative" для пометки объектов. Принципиальное отличие PHIGS от GKS состоит в том, что в PHIGS создание и отображение изображения разделены на две независимых фазы - занесения в централизованную структурную память (CSS - Centralized Structure Store) и отображения заданной структуры на требуемую рабочую станцию. Структура состоит из графических и неграфических элементов. Поддерживаются возможности создания и редактирования структур в CSS. Структура может вызывать другие структуры за счет чего создаются иерархии. Предусмотрено 9 классов структурных элементов: Таблица 10.1. Классы структурных элементов в CSS
Графический вывод задается в т.н. модельных координатах. Элемент "локальное преобразование моделирования" задает преобразование, которое применяется к последующим примитивам вывода. Элемент "редактирование" определяет метку, используемую при редактировании и несущественную при отображении. Предоставлены возможности поиска метки и установки на нее указателя. "Обобщенный структурный элемент" позволяет определить нестандартные действия. Элемент "прикладные данные" несущественен при отображении. Обычно представляет собой указатель на прикладную базу данных. Основное отличие между системами PHIGS и GKS-3D заключается в наличии элемента "Исполнить структуру" (Execute Structure), позволяющего при отображении исполнить структуру как часть другой. Когда такой элемент принимается интерпретатором, то текущее состояние упрятывается и управление переключается на структуру, заданную в элементе. После завершения интерпретации вызванной структуры восстанавливается исходное состояние и интерпретация продолжается с элемента, следующего за элементом "Исполнить структуру". При вызове структуры она наследует глобальное модельное преобразование вызвавшей структуры. Даже если при исполнении вызванной структуры глобальное модельное преобразование будет изменено с помощью соответствующих функций, тем не менее по возврату исходное глобальное преобразование будет восстановлено. Локальное модельное преобразование, комбинируясь с глобальным, формирует текущее модельное преобразование. В PHIGS может быть отредактирован отдельный графический элемент структуры, что обеспечивает большую скорость модификации изображения по сравнению с GKS, в которой, как минимум, требуется перегенерация сегмента, содержащего изменяемый примитив. PHIGS+PHIGS+ - расширение PHIGS, имеющее дополнительные функциональные возможности для приложений, требующих учета освещенности, раскраски (интерполяции цветов по поверхности), а также дополнительные возможности по управлению отображением и новые примитивы для поддержки эффективного описания сложных поверхностей. Эти расширения были сформулированы как поправка к существующим частям 1-3 стандарта PHIGS и введением новой части 4 стандарта. Поддержка освещенности и раскраски основана на предоставлении средств задания позиции источника света и наличии примитивов "с данными", задающими вектора нормалей и цвета вершин. Предоставлена возможность задания в структуре "ограничивающего бокса". Когда он обрабатывается, то устанавливаются флаги отсечения (если ограничивающий бокс полностью вне области вывода) и отбраковки (если ограничивающий бокс меньше заданного размера). Этот дополнительный элемент структуры предназначен для управления пропуском исполнения структуры, образ котрой находится вне области вывода, и позволяет повысить скорость отображения. CGI (Computer Graphics Interface)Это стандарт ISO на интерфейс между аппаратно-независимой частью графического программного обеспечения (базисной графической системой) и аппаратно-зависимой (драйверами). Этот интерфейс ранее (в рамках ANSI) назывался интерфейсом виртуального устройства. Для эффективного использования аппаратных возможностей современных графических устройств набор функций CGI перекрывает аппаратно-реализуемые возможности и включает в себя следующие функции: управление устройством, вывод графических примитивов, изменение графических атрибутов, сегментация изображений, графический ввод, растровые операции. Отличительными особенностями CGI (по сравнению со стандартами на интерфейс базисной графической системы) являются следующие: расширенный набор графических примитивов, одноступенчатое преобразование координат, увеличенное количество логических устройств ввода, наличие растровых операций. В целом набор функций CGI достаточно удобен для создания надстроенного над ним графического программного обеспечения. Последнее позволяет эффективно создавать на основе CGI различные базисные графические системы. Следует отметить, что стандарт на интерфейс виртуального устройства ориентирован в первую очередь на унификацию способа взаимодействия с различными графическими устройствами и предназначен для системных, но не прикладных программистов. Он был утвержден после появления множества проектов по стандартизации программных интерфейсов базисной графической системы. |