Интерактивная графическая система

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. История компьютерной графики

1.1 История технологий вывода

1.2 Приложения компьютерной графики

1.3 Компьютерная графика в компьютерном моделировании

2. ВИДЕОАДАПТЕРЫ

2.1 Мониторы

2.2 Видеоадаптеры EGA/VGA

3. ИНТЕРАКТИВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

3.1 Графические языки высокого уровня

3.2 Синтаксические расширения алгоритмических языков

3.3 Процедурные графические языки

3.4 Языки диалога

3.5 Стандартизация ИГС

3.6 Логическое и физическое представление изображений в ИГС. Операции над изображениями

3.7 Основные элементы структуры ИГС.

3.8 Проектирование ИГС

3.9 Прикладная модель ИГС. Способы построения прикладной модели

3.10 Интерфейс пользователя. Принципы разработки интерфейса пользователя

3.11 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются тенденции построения современных графических систем: графическое ядро, приложение, инструментарий для написания приложений. Описана история развития графических систем и современные технологии для их создания. Рассматривается компьютерная графика в компьютерном моделировании. Так же приведены примеры их использования и представлены графические языки высокого уровня.



ВВЕДЕНИЕ

Развитие компьютерной графики, особенно на ее начальных этапах, в первую очередь связано с развитием технических средств и в особенности дисплеев. Рассмотрение начнем с истории развития технологий вывода (векторные, растровые и иные дисплеи), затем рассмотрим этапы развития методов и приложений.

Актуальность. Как уже отмечалось, компьютерная графика стала основным средством взаимодействия человека с ЭВМ. Ясно, что в настоящее время на всех этапах разработки в той или иной мере используются ЭВМ и, следовательно, компьютерная графика. На этапе исследований важную роль, кроме натурных экспериментов, играет компьютерное моделирование работы изделия и/или его компонент. Другая важная функция комплекса компьютерного моделирования, особенно при оснащении его средствами коллективного, управляемого просмотра машинных фильмов, показывающих процесс не отдельными картинками, а в динамике - унификация представлений о процессе у заинтересованных специалистов - исследователей, конструкторов, технологов, испытателей. Поэтому в данной работе рассматриваются тенденции построения современных графических систем: графическое ядро, приложение, инструментарий для написания приложений.

Цель данной курсовой работы - охарактеризовать понятие «Интерактивная графическая система», изучить принципы ее работы.

Задачи курсовой работы:

-раскрыть понятие компьютерная графика и интерактивная графическая система;

-понять принципы работы интерактивной графической системы и её задачи;

-охарактеризовать графические языки высокого уровня и языки диалога.

- рассмотреть основные элементы структуры ИГС

Объектом исследования данной курсовой работы является компьютерная графика в целом и в частности системы интерактивной машинной графики.

Предмет исследования - изучение основных понятий компьютерной графики и интерактивных систем машинной графики и её компонентов.



1. ИСТОРИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ

Развитие компьютерной графики, особенно на ее начальных этапах, в первую очередь связано с развитием технических средств и в особенности дисплеев. Рассмотрение начнем с истории развития технологий вывода (векторные, растровые и иные дисплеи), затем приведем краткую хронологию становления дисплейной техники у нас в стране и в заключение рассмотрим этапы развития методов и приложений.

1.1 История технологий вывода

Произвольное сканирование луча. Дисплейная графика появилась как попытка использовать электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода изображения из ЭВМ. Как пишет Ньюмен "по-видимому, первой машиной, где ЭЛТ использовалась в качестве устройства вывода была ЭВМ Whirlwind-I (Ураган-I), изготовленная в 1950 г." в Массачусетском технологическом институте. С этого эксперимента начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча, каллиграфических дисплеев). На профессиональном жаргоне вектором называется отрезок прямой. Отсюда и происходит название "векторный дисплей".

При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0.1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его перевыдавать (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость перевыдачи изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.

Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000-4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла, полностью погасают к тому моменту, когда будут строиться последние.

Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно 2-4). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух-трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.

В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.). Для этого достаточно с помощью фотодиода определить момент прорисовки (и следовательно начала свечения люминофора) любой части требуемого элемента.

Векторные дисплеи обычно подключаются к ЭВМ высокоскоростными каналами связи.

Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 60-х годов. В 1963 г. был разработан прототип дисплейной станции IBM 2250 (до осени 1964 г. работы были засекречены).

Растровое сканирование луча. Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, с середины 70-х годов подавляющее распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча.

Запоминающие трубки. В конце 60-х годов появилась запоминающая ЭЛТ, которая способна достаточно длительное время (до часа) прямо на экране хранить построенное изображение. Следовательно, не обязательна память регенерации и не нужен быстрый процессор для выполнения регенерации изображения. Стирание на таком дисплее возможно только для всей картинки в целом. Сложность изображения практически не ограничена. Разрешение, достигнутое на дисплеях на запоминающей трубке, такое же как и на векторных или выше - до 4096 точек.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры, косвенный графический диалог осуществляется перемещением перекрестия по экрану обычно с помощью координатных колес.

Такие дисплеи подключаются к ЭВМ низкоскоростными каналами связи (типа телефонных).

Появление таких дисплеев с одной стороны способствовало широкому распространению компьютерной графики, с другой стороны представляло собой определенный регресс, так как распространялась сравнительно низкокачественная и низкоскоростная, не слишком интерактивная графика.

Плазменная панель. В 1966 г. была изобретена плазменная панель, которую упрощенно можно представить как матрицу из маленьких разноцветных неоновых лампочек, каждая из которых включается независимо и может светиться с регулируемой яркостью. Ясно, что системы отклонения не нужно, не обязательна также и память регенерации, так как по напряжению на лампочке можно всегда определить горит она ли нет, т.е. есть или нет изображение в данной точке. В определенном смысле эти дисплеи объединяют в себе многие полезные свойства векторных и растровых устройств. К недостаткам следует отнести большую стоимость, недостаточно высокое разрешение и большое напряжение питания. В целом эти дисплеи не нашли широкого распространения.

Жидкокристаллические индикаторы. Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление, поэтому широко используются в портативных компьютерах несмотря на меньшее разрешение, меньшую контрастность и заметно большую цену, чем для растровых дисплеев на ЭЛТ

Электролюминисцентные индикаторы. Наиболее высокие яркость, контрастность, рабочий температурный диапазон и прочность имеют дисплеи на электролюминисцентных индикаторах. Благодаря достижениям в технологии они стали доступны для применения не долько в дорогих высококлассных системах, но и в общепромышленных системах. Работа таких дисплеев основана на свечении люминофора под воздействием относительно высокого переменного напряжения, прикладываемого к взаимноперпендикулярным наборам электродов, между которыми находится люминофор.

Дисплеи с эмиссией полем. Дисплеи на электронно-лучевых трубках, несмотря на их относительную дешевизну и широкое распространение, механически непрочны, требуют высокого напряжения питания, потребляют большую мощность, имеют большие габариты и ограниченный срок службы, связанный с потерей эмиссии катодами. Одним из методов устранения указанных недостатков, является создание плоских дисплеев с эмиссией полем с холодных катодов в виде сильно заостренных микроигл.

1.2 Приложения компьютерной графики

Как уже отмечалось, компьютерная графика стала основным средством взаимодействия человека с ЭВМ. Важнейшими сформировавшимися областями приложений являются:

- компьютерное моделирование, которое явилось исторически первым широким приложением компьютерной графики,

- системы автоматизации научных исследований, системы автоматизации проектирования, системы автоматизации конструирования, системы автоматизации производства, автоматизированные системы управления технологическими процессами,

- бизнес,

- искусство,

- средства массовой информации,

- досуг.

В настоящее время появилось новое, очень интересное приложение компьютерной графики - виртуальная реальность.

По телевидению часто можно видеть передачи иллюстрирующие приложения компьютерной графики в автоматизации проектирования (были передачи об автоматизированном проектировании самолетов, автомобилей), много передач об автоматизации производства с различными робототехническими системами.

Передачи о мире бизнеса практически не обходятся без показа различной дисплейной техники и ее использования.

Что касается искусства, то достаточно упомянуть, что один из самых крупных первых суперкомпьютерных центров мира находился на студии Уолта Диснея и использовался для подготовки мультфильмов.

Применение компьютерной графики в средствах массовой информации мы видим ежедневно, как в виде различных заставок и телеэффектов на экране, так и в виде газет, при подготовке многих из которых используется электронная верстка на компьютере.

С компьютерными играми, отнимающими не только время досуга, конечно же знаком каждый.

Поэтому здесь мы рассмотрим, в основном, приложения компьютерной графики в компьютерном моделировании, а также немного познакомимся с самым новым приложением - системами виртуальной реальности.

1.3 Компьютерная графика в компьютерном моделировании

компьютерный графика изображение язык

Ясно, что в настоящее время на всех этапах разработки в той или иной мере используются ЭВМ и, следовательно, компьютерная графика. На этапе исследований важную роль, кроме натурных экспериментов, играет компьютерное моделирование работы изделия и/или его компонент. Рассмотрим в качестве примера задачи моделирования быстропротекающих процессов механики сплошной среды. К таким задачам относятся задачи сварки и упрочнения взрывом, задачи расчета синтеза алмазов взрывом, задачи расчета защиты космических аппаратов от метеоритов и микрометеоритов и т.д.

Следует отметить, что реальный физический процесс развивается за единицы или десятки микросекунд, поэтому натурный эксперимент не только дорогостоящ, но и дает мало информации. Обычно это один или несколько рентгеновских снимков, прямые измерения, как правило, или затруднены, или датчики вносят заметные изменения в процесс.

В этой связи опыт специалистами в этой области набирается довольно долго - порядка десятка и более лет и зачастую носит интуитивный характер. Поэтому одна из важнейших функций компьютерного моделирования - быстрое получение опыта. Ведь по сути дела комплекс компьютерного моделирования при адекватности моделей, заложенных в него, представляет собой уникальную экспериментальную установку, на которой можно измерить (выдать на дисплей) любую величину, что угодно изменить, даже приостановить процесс для подробного анализа и пустить дальше.

Другая важная функция комплекса компьютерного моделирования, особенно при оснащении его средствами коллективного, управляемого просмотра машинных фильмов, показывающих процесс не отдельными картинками, а в динамике - унификация представлений о процессе у заинтересованных специалистов - исследователей, конструкторов, технологов, испытателей. Так как обычно, при использовании только числовой информации и без образного ее представления у разных специалистов формируются собственные представления (не обязательно у всех одинаковые и правильные).

В настоящее время широко используются двумерные задачи моделирования, когда важны две пространственных координаты. Это достаточно широкий круг реальных процессов, но в ряде случаев обязательное использование трехмерных задач, которые считаются намного дольше. Основные проблемы, стоящие на пути широкого распространения трехмерных задач, состоят в том, что, во-первых, при существующих численных методах объем вычислений растет быстрее чем четвертая степень требуемой точности, во-вторых, визуализация результатов существенно усложняется и замедляется.



2. ВИДЕОАДАПТЕРЫ

Первоначально IBM PC выпускались с черно-белым адаптером MDA (Monochrome Display Adapter). Максимальное разрешение составляло 640Ч350 точек, графические возможности отсутствовали. Следующим был также черно-белый видеоадаптер "Геркулес", выпущенный фирмой Hercules Computer Technology, Inc. Этот адаптер обеспечивает разрешение 720Ч350 с графическими возможностями.

Первым цветным видеоадаптером фирмы IBM стал CGA (Color Graphics Adapter). Разрешение его мало (320Ч200), цветов мало (до 4), программирование противоестественное. Максимальное разрешение составляет 640Ч200.

Затем был выпущен видеоадаптер EGA - (Enhanced Graphics Adapter). Он обеспечивает разрешение 640Ч200 при 16 цветах из 64. Максимальное разрешение 640Ч350.

Первым видеоадаптером со сравнительно приемлемыми характеристиками стал VGA (Video Graphics Array) с максимальным разрешением до 800Ч600 при 256 цветах.

Затем фирма IBM разработала видеоадаптер 8514/A, имевшего параметры более соответствующие сложившимся потребностям - 1024Ч768 при 256 цветах.

Последняя разработка фирмы IBM - видеоадаптер XGA (eXtended Graphics Array) с не самыми современными возможностями 1024Ч768 при 256 цветах. Он на уровне регистров совместим с VGA.

Многие фирмы выпускают улучшенные версии VGA под названиями Super VGA и Ultra VGA, но общий стандарт отсутствует.

Фирма Texas Instruments предложила стандарт на программный интерфейс с интеллектуальными видеоадаптерами, использующими графические процессоры TMS 340xx (TIGA-стандарт, Texas Instruments Graphics Architecture). В настоящее это самые мощные видеоадаптеры для IBM PC.

2.1 Мониторы

Для отображения текста и графики используется несколько типов мониторов:

-Композитный монитор, на вход которого подается композитный сигнал системы NTSC (National Television System Committee), применяемой в телевидении. Используется с видеоадаптером CGA;

-Цифровой монитор, на вход которого по N проводам подается сигнал в цифровой форме. Цифро-аналоговое преобразование выполняется монитором. На таком дисплее можно получить до 2N оттенков. Используется с видеоадаптерами CGA, EGA. Первоначально выпускался CD (Color Display) - простой 16-ти цветный (4 провода), затем ECD (улучшенный цветной дисплей) с 16-ю оттенками из 64, затем многочастотный цифровой, позволяющий работать с различными частотами кадров, и отображающий 16 оттенков из 64. Используется с видеоадаптерами EGA, VGA;

Аналоговый дисплей, на вход которого подаются готовые RGB-сигналы, сформированные видеоадаптером. Используется с видеоадаптерами VGA, SVGA, XGA.

2.2 Видеоадаптеры EGA/VGA

Видеоадаптеры EGA и VGA - более совершенные устройства, более напоминающие уже рассмотренные нами растровые дисплеи.

Графический контроллер обеспечивает обмен между центральным процессором и видеопамятью, которая так же как и в CGA находится в адресном пространстве для экранного буфера.

Видеопамять имеет объем, как правило 256 Кбайт, но для EGA может быть и 64 Кбайт. Видеопамять разбита на 4 банка (цветовых слоя). Банки занимают одно адресное пространство таким образом, что по каждому адресу расположено сразу 4 байта по одному байту в каждом слое. Можно запрещать или разрешать запись в отдельные слои памяти при помощи регистра разрешения записи цветового слоя. Для операции чтения в каждый данный момент времени может быть доступен только один слой, задаваемый с помощью регистра выбора читаемого слоя. В большинстве режимов работы видеопамять разделена несколько страниц. При этом одна из них активна и отображается на экране. Запись информации возможна как на активную, так и на неактивные страницы.

Преобразователь последовательности выбирает данные из памяти, требуемым для того или иного режима образом, и формирует последовательный поток бит, передаваемый контроллеру атрибутов.

Контроллер атрибутов, используя таблицу цветности, преобразует информацию о цветах, полученную из видеопамяти, в информацию для ЭЛТ.

Контроллер ЭЛТ генерирует синхроимпульсы управления ЭЛТ.

Тактовый генератор управляет временными параметрами видеоадаптера и доступом от процессора в слоям видеопамяти.

Большое количество различных регистров у адаптеров позволяет гибко регулировать режимы работы, управлять сигналами синхронизации, определять формат экрана и т.д.

Текстовый режим

В текстовом режиме можно вывести на экран 25 строк по 40 или 80 символов. Перепрограммировав некоторые регистры адаптера можно получить для EGA до 43 строк, а для VGA - до 50.

Также как для CGA для кодирования символа используется два байта. Первый из них содержит код символа и заносится в нулевой цветовой слой, второй байт содержит атрибут символа и заносится во второй цветовой слой.

Таблицы знакогенератора, задающие внешний вид символов, размещаются во втором слое видеопамяти. Всего может быть загружено 4 таблицы для EGA и 8 - для VGA. Одновременно могут быть активными две таблицы, что дает возможность отобразить на экране до 512 различных конфигураций знакомест одновременно. Байт атрибута задает цвета символа и фона, мерцание и одну из двух активных таблиц знакогенератора.

Графические режимы

Имеется большой набор графических режимов. В режимах, совместимых с CGA используется только 0-й слой памяти, распределение которого по адресному пространству и интерпретация значений бит такая же как и для CGA.

В части графических режимов память интерпретируется как послойная с использованием одного, двух или всех четырех слоев. Если используется, например, 4 слоя, то изображение будет с 4-мя битами на пиксель - по биту из каждого слоя. В этом случае имеется 16 оттенков одновременно. При использовании одного слоя, естественно, получаем черно-белое изображение. В режиме с двумя слоями поддерживается три уровня черно-белого (черный, белый, ярко-белый) и мерцание.

В одном из режимов, применимом только для VGA, память интерпретируется как линейная последовательность всех четырех слоев. Это режим с разрешением 320Ч200 с байтом на пиксель, т.е. с 256 градациями. [4]

Графические акселераторы

Для повышения быстродействия графических подсистем IBM PC выпускаются специальные типы адаптеров - графические акселераторы. Графические акселераторы содержат собственные процессоры, которые специализированы для выполнения графических преобразований, поэтому изображения обрабатываются быстрее, чем с использованием универсального ЦП ПЭВМ.

Акселераторы, кроме типа и возможностей графического процессора, различаются по следующим основным параметрам:

- Памятью для сохранения изображений. В некоторых случаях используется обычная динамическая память DRAM, но обычно используется специализированная видеопамять VRAM;

- Используемой шиной. В настоящее время обычно используется PCI;

- Шириной регистров. Чем шире регистр, тем большее число пикселей можно обработать за одну команду. В настоящее время обычная ширина - 64 бита. В ближайшее время на рынке появятся акселераторы с шириной регистров в 128 бит.



3. ИНТЕРАКТИВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Задача интерактивной системы машинной графики при выполнении вывода заключается в преобразовании информации из исходного высокоуровневого представления предметной области в представление команд графических устройств вывода. При выполнении ввода, наоборот, требуется преобразование низкоуровневой информации от физических устройств ввода в высокоуровневую информацию на языке предметной области. [1]

Классификация систем компьютерной графики.

Критерии:

1) тип выводимого изображения;

2) уровень интерактивности:

-автономное вычерчивание

-интерактивное вычерчивание

-интерактивное проектирование

3) роль изображения

4) логические и временные соотношения между объектами и их изображениями

Можно выделить два основных способа построения средств вывода - системы с графическим языком высокого уровня, включающим в себя развитые средства для обработки графической и геометрической информации, и системы с расширенным языком, которые, как правило, представляют тот или иной алгоритмический язык высокого уровня, расширенный средствами обработки графической и геометрической информации. На практике это пакет подпрограмм, реализующих требуемые функциональные возможности.

Ввод информации обеспечивается с помощью языка диалога. Диалог обычно осуществляется в виде команд, содержащих числовые значения, имена, координаты, произвольный текст. Выполняя ввод команд пользователь работает с тем или иным набором вводных устройств, определяемых лексикой языка - алфавитно-цифровой и функциональной клавиатурами, шаровым указателем (track ball), планшетом (tablett) и т.п.[2]

3.1 Графические языки высокого уровня

компьютерный графика изображение язык

Имеется два подхода к построению систем программирования с языками машинной геометрии и графики высокого уровня. Первый подход состоит в создании автономного языка, второй - в необходимой модификации того или иного исходного алгоритмического языка.

Первый подход позволяет создать язык, наиболее соответствующий специфике работы с графической и геометрической информацией, но только в том классе приложений, для которых предназначался язык. Исторически основная область приложений таких языков - автоматизация программирования для оборудования с ЧПУ; системы автоматизации проектно-конструкторских работ, требующие средств работы с данными, отсутствующих в широко распространенных алгоритмических языках; системы геометрического моделирования.

Одним из первых проблемно-ориентированных языков, имеющих средства для описания геометрической информации, явился язык АРТ (AUTOMATED PROGRAMMING TOOLS). Этот язык послужил основой для разработки разнообразных систем автоматизации программирования для станков с ЧПУ.

Система COMPAC (COMPUTER ORIENTED PART CODING) предназначена для формирования описания объемных тел из объемных элементов формы - (метод конструктивной геометрии). Кроме трех базовых объемных элементов (кубы, цилиндры, конусы), могут использоваться профилированные детали, получаемые перемещением замкнутого контура вдоль прямой или дуги, а также тела вращения, получаемые вращением замкнутого контура вокруг оси. Элементы задаются, позиционируются и оразмериваются языковыми конструкциями, напоминающими АРТ .Составление детали из объемных элементов производится с помощью операций объединения, вычитания и отсечения.

Отличия СИМАК-Д от COMPAC состоят в несколько ином входном языке и ином наборе базовых элементов формы, включающем в себя точку, плоскость, прямоугольный параллелепипед, круговые цилиндры и конус. [3]

Ясно, что автономные графические языки, как всякая специализированная разработка, обладают высокой эффективностью в своей области приложений, однако разработка и использование таких языков сопряжена с рядом проблем:

- довольно значительные затраты на создание языка и транслятора с него, так, например, трудозатраты на систему COMPAC составили около 40 ч/лет ;

- затраты на внедрение, на включение языка в работающую систему программирования и на обучение пользователей, которые не всегда охотно берутся за изучение еще одного языка, а предпочитают пользоваться процедурными расширениями известных им алгоритмических языков: ALGOL, FORTRAN, PL-1, PASCAL и т.д.;

- трудности с последующим расширением языка;

- известные в настоящее время языки машинной геометрии и графики, в отличие от процедурных расширений, как правило, не обеспечивают интерактивного режима, а предназначены для написания пассивных программ;

- затруднено объединение в рамках одной прикладной программы графических и геометрических действий и обычных вычислений, которое легко реализуется в случае процедурных расширений.



3.2 Синтаксические расширения алгоритмических языков

Ряд из отмеченных выше затруднений снимается при реализации второго подхода - синтаксическом расширении некоторого исходного алгоритмического языка. Удобство этого подхода заключается в том, что пользователю требуется лишь "доучиться" в уже известном ему языке. Расширение заключается в разработке дополнительных конструкций языка для описания и манипулирования графическими и геометрическими объектами. Возможны несколько способов реализации такого расширенного языка:

- модификация существующего транслятора;

- использование препроцессора, либо макропроцессора, обрабатывающего программу на расширенном языке и превращающего его в программу на исходном языке;

- использование алгоритмического языка, предусматривающего расширение его набора типов данных и операций над ними самим пользователем.

Несмотря на всю неприспособленность FORTRANa для эффективной обработки сложноструктурированных данных, неудобство его структур управления и средств сегментирования программ, большинство реализаций синтаксических расширений было связано именно с FORTRANом из-за его популярности в то время у пользователей.

Одна из первых реализаций графического расширения FORTRANа система GRAF (GRAPHIC ADDITIONS TO FORTRAN). Расширение основывается на введении нового типа переменных DISPLAY, значениями которых являются последовательности графических команд устройства. Имеются встроенные и пользовательские DISPLAY-функции. Из DISPLAY-переменных и функций строятся выражения этого типа. Оператор DISPLAY-присваивания присваивает вычисленное значение переменной соответствующего типа. Предусмотрены средства стирания и вывода на оконечные устройства дисплейных переменных, чтения/записи дисплейного файла, опроса наличия сигналов внимания с графических устройств ввода.

В качестве более мощного (и позднего) графического расширения FORTRANа можно упомянуть систему GALA. Также вводится новый тип данных - BILD. Значениями этого типа могут обладать переменные и константы. В качестве системных констант этого типа имеются элементарные изображения (в том числе пустое). Над данными этого типа определены операторы преобразований. Для построения сложных изображений используется, так называемый, оператор совмещения. Над изображением определены операторы манипулирования и опроса. Изображения могут проверяться в условных операторах. Имеются операторы вывода изображений с назначением преобразований и окна отсечения. Средства ввода обеспечивают ожидание и получение данных, разрешение и запрет прерываний. GALA-программа может структурироваться на поименованные сегменты с параметрами или без.

В качестве одной из отечественных разработок по графическому расширению FORTRANа можно назвать "AВТОКОД для работы с графическим дисплеем EC-7064", при использовании которого обеспечивается пакетный режим работы, когда информация только выводится на дисплей. Операторы АВТОКОДа вставляются в текст на FORTRANе и помечаются в первой позиции буквой A. Предусмотрено 6 групп операторов: резервирования памяти и увязывания с массивами FORTRANа; описания точек и процедур; построения совокупностей точек, ломаных, текстов, вызовов процедур; ветвления; гнездования операторов; фрагментирования изображения на кадры и рисунки.

Наряду с FORTRANом в качестве языка для графического расширения использовался ALGOL. Так в описана система DIGOS, которая состоит из геометрически ориентированного языка, его интерпретатора и трехуровневой структуры данных (PDS - параметрической кольцевой структуры, элементы которой формируются операторами геометрически-ориентированного языка; DDSR3 - структуры данных 3D представления, формируемой из PDS при активации вывода; DDSR2 - структуры данных 2D представления, формируемой из DDSR3 при выполнении преобразований, проецирования и отображения). В языке предусмотрены 2 группы геометрических операндов - простые геометрические элементы (точки, прямые, плоскости, последовательности точек, поверхности, тела) и составные геометрические элементы, образованные либо из элементов одного, либо разных типов. Над геометрическими операндами определены геометрические операции. Графические логические операции служат для проверки значения геометрического операнда и проверки, содержится ли геометрический операнд в некотором другом. Имеются графические операции ввода/вывода и увязывания физико-технических данных с геометрическими операндами.

В качестве примера графического расширения PL-1 можно привести GPL/1 [8], где PL-1 расширен на векторные, двух и трехмерные типы данных и векторные операции. Введены переменные типа IMAGE, которые могут принимать значения, определяемые комбинациями элементов данных изображения вектора, строки, функциями изображения и др. Значения переменных типа IMAGE состоит из двух частей - атрибутной и собственно изображения. Над изображениями определены операции присоединения, объединения, позиционирования, масштабирования, вращения. Введен тип данных GRAPHIC и совокупность атрибутов, описывающих данные этого типа.

Предусмотрено три разновидности элементов данных типа GRAPHIC: DESIGN, из которых строится изображение, все или некоторые элементы которого могут меняться (пример - вывод на дисплей); DISPLAY - аналогично DESIGN, но не может быть изменений (пример - вывод на графопостроитель); STORAGE - для запоминания и последующего воспроизведения изображений.

Оператор GET используется для извлечения изображения из элемента данных, оператор ERASE - для выборочного либо полного стирания. Предусмотрены также средства для ведения очереди ввода и манипулирования ею.

- Анализ вышеприведенных, а также других синтаксических расширений алгоритмических языков показывает, что:

- вводятся данные графических типов;

- определяются операции над ними;

- разрабатываются средства для структуризации, сохранения, манипулирования и отображения изображений;

- устанавливаются правила ведения интерактивной работы.

В целом следует отметить, что подход, основанный на синтаксическом расширении того или иного алгоритмического языка, был характерен для раннего, скорее исследовательского, периода развития машинной графики и имеет следующие основные недостатки:

- требуются значительные затраты труда высококвалифицированных системных программистов как на этапе первоначальной разработки, так и при необходимости расширений;

- из-за использования в определенной мере экзотического языка безусловно нарушается переносимость прикладных программ;

- вводимые в язык графические конструкции не имеют сколько-нибудь серьезных преимуществ перед операторами вызова функций или подпрограмм;

- практически все графические операторы требуют интерпретации, так как они, как правило, программируются как вызовы некоторых библиотечных подпрограмм.

Выше отмеченные недостатки систем с графическим языком высокого уровня привели к тому, что в настоящее время наибольшее применение получили процедурные графические расширения алгоритмических языков, так называемые процедурные языки.



3.3 Процедурные графические языки

Процедурные языки - это пакеты графических подпрограмм (графпакеты), доступные из программ на самых различных языках. Процедурные языки особенно удобны для тех приложений, в которых некоторой функции можно поставить в соответствие семантическую подпрограмму. Именно таким приложением и является изобразительная машинная графика, объектами которой являются искусственно созданные изображения. Тесно к этой области приложений прилегает и перцептивная машинная графика, объектами которой являются либо искусственно созданные изображения, либо изображения, выделенные из того или иного представления окружающего мира. Функционально генерацию изображений и манипуляцию с ними естественно представить в виде исполнения команд, использующих имена, координатные и иные данные, характеризующие объект манипулирования. Для выполнения таких действий нет необходимости в наличии графических типов данных, а сами действия удобно представить в соответствующих подпрограммах. Подпрограммы при этом фактически представляют собой мощное и легко модифицируемое семантическое расширение языка. Именно поэтому графические расширения языков за счет создания пакетов графических подпрограмм нашли самую широкую поддержку как со стороны разработчиков системного обеспечения, так и со стороны пользователей. Обрабатывающую систему можно представить как состоящую из базовой графической системы, осуществляющую чисто графические функции и прикладной программы, осуществляющей необходимые вычисления и управление.

Назначение графической системы в такой модели состоит в преобразовании двух или трехмерной модели объекта, формируемой прикладной программой, в графические команды и данные, либо передаваемые на устройства, либо запоминаемые в той или иной графической структуре данных.

На пути использования пакетов графических подпрограмм достигнуты наиболее впечатляющие успехи в использовании и развитии средств машинной графики в том числе связанные с:

- обеспечением аппаратной независимости прикладных программ, т.е. независимости от конкретных используемых графических устройств при условии приблизительного соответствия их возможностей;

- обеспечением адаптируемости прикладных программ, т.е. легкости приспособления к новым функциональным требованиям;

- обеспечением мобильности прикладных программ, т.е. легкости их переноса в иное окружение.

Аппаратная независимость средств отображения обеспечивается их построением по иерархическому принципу в виде некоторого набора логических уровней. Одна из разновидностей иерархического принципа - принцип перевернутой пирамиды. При этом подходе на нижнем уровне располагается аппаратно-зависимый драйвер с минимально допустимым набором возможностей, например, позиционирование, построение отрезка, дуги окружности и т.д. При необходимости использования другого устройства достаточно заменить драйвер. Системы, построенные по принципу перевернутой пирамиды, например, GINO-3D ,ГРАФОР , как правило, ориентированы на работу с несложными устройствами. Использование устройств с более богатыми возможностями влечет за собой либо их неэффективное использование, либо переделку графической системы, т.е. в сущности, тормозится развитие средств вывода. В этом заключается основной недостаток таких систем.

Более гибкое и мощное использование иерархического принципа заключается в разбиении средств вывода графпакета на три логических уровня с четкой фиксацией уровней и соблюдением интерфейсов между ними. Каждый уровень является для последующего некоторым виртуальным графическим устройством. Такой подход позволяет безболезненно модифицировать (улучшать) отдельные уровни, легко распределять программное обеспечение между различными ЭВМ, стыковать графическую систему с другими компонентами программного обеспечения.

На первом - нижнем уровне находятся аппаратно-зависимые драйверы устройств (иногда организованные в виде самостоятельных графпакетов), обладающие достаточным набором типичных элементарных функций. Назначение этого уровня - формирование файлов вывода на графические устройства.

На втором - среднем уровне находится аппаратно-независимый графпакет общего назначения.

На третьем - верхнем уровне находятся проблемно-ориентированные графпакеты.

Адаптируемость прикладных программ в части средств вывода естественным образом обеспечивается последовательным использованием иерархического принципа, т.е. либо заменой требуемого уровня, либо надстройкой необходимых уровней.

Мобильность прикладных программ по отношению к изменению технических средств обеспечивается возможностью использования соответствующих драйверов устройств. Мобильность относительно ЭВМ обеспечивается реализацией функционально идентичных графпакетов для ЭВМ различных типов. Хорошие предпосылки для этого заключаются в решении вопросов стандартизации в машинной графике, которым посвящена глава 3.

Основные преимущества подхода с использованием графпакетов состоят в следующем:

1. Легкая обучаемость, так как пользователь пакета не выходит за рамки удобного либо привычного ему языка.

2. Легкая расширяемость за счет написания самим пользователем подпрограмм, необходимых для его приложения. Задача системных программистов состоит в том, чтобы дать "базисный" пакет, пригодный для многих пользователей и многих приложений.

3. Легкая переносимость прикладной программы на другие ЭВМ.

4. Легкая адаптируемость к новым требованиям либо аппаратным возможностям.

5. Легкое обеспечение многоязыковости либо за счет наличия функционально идентичного пакета для другого языка, либо за счет использования одной и той же библиотеки в рамках многоязыковой системы программирования, либо за счет единого исполнительного модуля, доступного с помощью пакетов процедур связи из различных систем программирования.

Очевидными недостатками такого подхода являются:

1. Недостаточная гибкость, связанная с тем, что заранее фиксированный выбор "базисного пакета" со сравнительно ограниченными средствами может значительно усложнить прикладную программу, требующую функций, выходящих за рамки "базисных".

2. Громоздкость, связанная с тем, что простота расширений в сочетании с недостаточной гибкостью провоцирует либо на создание множества подпрограмм по разному выполняющих схожие функции, либо на создание универсальных подпрограмм с большим числом разного рода дополнительных параметров для преодоления ограничений или неэффективностей.

Несмотря на отмеченные недостатки, можно уверенно утверждать, что создание пакетов графических подпрограмм является основным средством разработки графического программного обеспечения.

3.4 Языки диалога

Язык диалога, наряду с прочими атрибутами, такими как полнота, точность и скорость решения задачи, является одной из важнейших компонент прикладной интерактивной системы.

Обычно предполагается, что конечным пользователем интерактивной системы является специалист в некоторой предметной области, решающий с помощью ЭВМ требуемую задачу и взаимодействующий с ЭВМ на языке предметной области (входном языке).

Входные языки существенно отличаются от алгоритмических языков как внешне, так и по применению. Фразами такого языка являются изображения и действия. Применение такого языка отличается тем, что входные команды интерпретируются и исполняются по мере их поступления от пользователя, а не транслируются в объектный код и лишь затем исполняются. Наибольшее распространение получили два типа диалога - диалог инициируемый ЭВМ и диалог инициируемый пользователем. Диалог в этих случаях ведется в форме "запрос-ответ". При диалоге 1-го типа пользователь либо заполняет форму, выдаваемую на экран, либо выбирает одну из альтернативных возможностей (команд). При диалоге 2-го типа пользователь подает те или иные допустимые в данный момент времени директивы. Альтернативные языки более просты в обучении и использовании, поскольку не требуют знаний форматов и символики различных директив, действия более просты, так как нет необходимости полностью вводить фразу или директиву и не надо помещать выбранный элемент данных в определенную позицию формата.

Различные аспекты проблемы взаимодействия человек-ЭВМ освещаются во многих работах. Так, например, в [3] сформулированы требования, которым должен удовлетворять диалоговый входной язык:

-эффективность, полнота, естественность;

-расширяемость;

обеспечение обратной связи;

- устойчивость к ошибкам;

-адаптируемость к пользователю.

В сущности, входной язык состоит из двух компонентов:

- язык формулирования пользователем команд и входных данных для ЭВМ (реплики человека);

- язык ответов пользователю (реплики ЭВМ).

Реплики человека выражаются в действиях с различными диалоговыми устройствами. Реплики ЭВМ выражаются в графических образах, либо звуковых сообщениях.

Как уже отмечалось, к числу существенных характеристик прикладных программ относятся аппаратная независимость от используемых графических устройств и мобильность - легкость переноса в иное окружение. В пп. 1.1.3. показано, что эти характеристики в части средств вывода - исполнения реплик ЭВМ обеспечиваются использованием виртуальных устройств отображения. Достижение аппаратной независимости при вводе реплик человека также обеспечивается введением понятий виртуальных устройств ввода, являющихся абстракциями реальных физических устройств. Программная поддержка средств ввода строится по иерархическому принципу и организуется в виде пакета подпрограмм. На нижнем уровне находятся драйверы устройств. На верхнем - виртуальные устройства ввода. При этом одно виртуальное устройство ввода может быть реализовано с использованием нескольких физических и наоборот.

В настоящее время общепринятым считается выделение шести классов виртуальных устройств ввода :

Локатор для ввода позиции;

Штрих для ввода последовательности позиций;

Датчик для ввода скалярного значения (числа);

Выбор для выбора одной из альтернативных возможностей;

Указка для указания объекта на изображении;

Клавиатура для ввода строки символов.

В стандарте CGI [7], определяющем интерфейс между аппаратно-независимой и аппаратно-зависимой частями графической системы, дополнительно к перечисленным предлагаются еще два класса виртуальных устройств:

РАСТР (AREA) для ввода растровых картин;

ОБЩЕЕ (GENERAL) для ввода иных данных, например, ввод голоса.

Мобильность прикладных программ по отношению к изменению технических средств обеспечивается последовательным использованием только виртуальных устройств. Мобильность по отношению к ЭВМ обеспечивается реализацией функционально идентичных пакетов подпрограмм для ЭВМ различных типов. Хорошие предпосылки для этого заключаются (также, как и для средств вывода) в решении вопросов стандартизации в машинной графике.

3.5 Стандартизация ИГС

Стандарты:

- 1976 г. CORE SYSTEM

- GKS

- c 1987 г. ISO/ IEC JTC1/SC24

В основе графических стандартов лежит принцип виртуальных ресурсов, т.е. графические системы делятся на слои: прикладной, базисный, аппаратно-зависимый.

Основные направления стандартизации:

базисные графические системы

интерфейсы виртуального устройства

форматы обмена графические данными.

Базисные графические системы - направлены на обеспечения мобильности программ и основана на концепции ядра (некоторый базисный набор функций).

Интерфейсы виртуального устройства - интерфейс виртуального устройства разделяет аппаратно-зависимую и аппаратно-независимую части графической системы; интерфейс может быть в виде программного интерфейса или протокола взаимодействия частей графической системы. С появлением растровых дисплеев (и принтеров) появилась необходимость выделения растровых функций. Развитие растровых функций связано с появлением оконных систем XWindows, MSWindows, News, Postscript.

Форматы обмена графические данными. Стандарты обмена данных делятся на:

а) графические метофайлы - описание изображения в терминах примитивов и атрибутов, метофайл может быть использован как средство хранения, передачи изображения, протоколы взаимодействия отдельных систем, языка описания изображений.

б) проблемно-ориентированные протоколы - используется в машиностроительных и электронных САПР-ах

в) растровые графические файлы - основные характеристики является метод сжатия и тип цветовой модели.

С 94-96 гг. появился стандарт MIL-STD-498, который устанавливает терминологию, процессы и т.д.

Международный стандарт ISO/IEC 12207 1995 г. - программы ЖЦ программных средств.

С 1997 г. Единая система программной документации (ЕСПД).

Стандартизация графического интерфейса пользователя. В 1987 г. IBM выпустила SAA, содержащий соглашения по интерфейсу пользователя (CUA), соглашение по программному интерфейсу (CPI), соглашение по разработке приложений (СА). Основные концепции построения пользовательского интерфейса (применительно к SAA): использование единой рабочей среды пользователя, объектно-ориентированный подход к описанию задач пользователя, использование графических окон в качестве форм отображения данных, применение средств не клавиатурного ввода (мышь). Данный интерфейс является стандартизованным, но не стандартным.



3.6 Логическое и физическое представление изображений в ИГС. Операции над изображениями

Физическое представление - связано с самим изображением, полученным с устройства ввода или отправленное на устройство выводом. Для векторного - набор команд и координаты данных, для растрового - матрица пикселей. Физическое представление используется в распознавании образов и обработке изображений.

Логическое представление - к нему относятся абстрактные представления, описывающие соотношение между объектами.

Преимущества такого двойственного подхода:

-любое удаленное изображение может быть установлено;

-интерактивное создание и редактирование изображений может быть обеспечено при помощи ведения структуры данных.

-структура данных может хранить информацию не графического характера

-обработку информации можно реализовать на единой концептуальной основе.

Недостатки:

-затраты на ведение структур данных

-затраты на построение изображений.

Совокупность физического и логического представлений образуют визуальную базу знаний и данных.

Операции с логическим представлением изображений:

-отсечение

-видовые преобразования

-аффинные преобразования и проекции

-сегментирование

-операции с текстом

Операции с физическим представлением изображений:

-определение цвета пикселя

-определение цвета окрестности пикселя

-более сложные операции распознавания

-вывод части растра

Интерактивные операции - позволяют организовать преобразование изображений и задающие взаимодействия пользователя с системой:

-операция выбора объекта

-операция преобразования (смена атрибутов, координат и т.д.)

3.7 Основные элементы структуры ИГС

Основные компоненты ИГС:

? Подсистема управления визуальной базы знаний и данных (ВБЗиД) - обеспечивает управление с ВБЗиД, реализуемое в 4-х частях:

-программы создания и модификации ВБЗиД;

-программы осуществляющие извлечение данных, подлежащих графическому выводу из ВБЗиД;

-программы, осуществляющие извлечение данных, используемых при анализе поведения модели;

-программы, использующиеся подсистемой управления диалога для вывода из ВБЗиД подсказок, элементов диалога, результатов расчета и для анализа информации, введенной пользователем.

?Визуальная база знаний и данных - содержит:

-описание реальных или абстрактных объектов изображения, которые должны появляться на экране;

-элементы и сценарии взаимодействия пользователя с системой;

-описание процесса функционирования объектов системы и их взаимосвязь.

В описание объектов включаются геометрические данные, атрибуты объекта, данные о связанности, не геометрическая и не графическая информация, использующаяся при решении прикладных задач.

ВБЗиД может быть реализована в оперативной и внешней памяти. Для реализации могут использоваться массивы, списки, деревья.

Для представления знаний используются семантические сети, исчисление предикатов, продукционные модели, фреймы.

ВБЗиД может формироваться автоматически, как результат работы других программ и систем (САПР и др.) или в автоматизированном режиме.

?Графическая подсистема - обеспечивает ввод и вывод графической информации. Обычно изменение данных в ВБЗиД приводит к изменению внешнего вида и свойств объекта (или группы объектов).

?Подсистема управления диалогом - включает в себя описание основных элементов диалога и диалоговых форм, допустимых знаний введенных данных, управление сценариями диалогов (оно может быть событийным или основанным на знаниях).

В процессе интерактивной работы пользователь сообщает информации ИГС, подсистема управления диалогом расшифровывает информацию и применяет ее либо для управления графической системой, либо для изменения параметров видовой информации, либо для изменения ВБЗиД.

Коммуникативный интерфейс реализует взаимодействие ИГС с сетями.

3.8 Проектирование ИГС

Построение модели ИГС - выделение объектов, свойств, отношений между ними, правил поведения и т.д. Модель может иметь иерархическую структуру и преследовать в этой связи следующие цели:

-построение сложных объектов из отдельных модулей путем повторения используемых стандартных компонент;

-экономия памяти;

-объекты задаются в собственной системе координат, затем преобразуются в систему координат более высокого уровня.

Визуальная база знаний и данных может быть построена :

-в пакетном режиме

-как результат предшествующих вычислений

-в результате интерактивного процесса, системного моделирования и CASE системы.

При реализации интерактивной работы нужно:

-выбрать один или несколько диалогов из способов представления на экране;

-учесть эргономические требования;

-обеспечить синхронизацию действий пользователя с реакцией системы.

3.9 Прикладная модель ИГС. Способы построения прикладной модели

Под прикладной моделью ИГС понимается ВБДиЗ. Она содержит:

...