Лекция 8. Графические системы класса 3D

Графические системы класса 3D

Графические системы класса 2D

Классификация

В основе разработки графических стандартов лежит принцип виртуальных ресурсов, позволяющий разделить графическую систему на несколько слоев - прикладной, базисный и аппаратнозависимый. При этом каждый слой является виртуальным ресурсом для верхних слоев и может использовать возможности нижних слоев с помощью стандартизованных программных интерфейсов. Кроме того, графические системы могут обмениваться информацией с другими системами или подсистемами с помощью стандартизованных файлов или протоколов. В соответствии с этими соображениями первоначально были выделены три основных направления стандартизации

- базисные графические системы,

- интерфейсы виртуального устройства,

- форматы обмена графическими данными.

Стандартизация базисных графических систем направлена на обеспечение мобильности прикладных программ и основана на концепции ядра, содержащего универсальный набор графических функций, общих для большинства применений.

Наиболее известными проектами по стандартизации базисных систем являются Core System, GKS, GKS-3D, PHIGS, PHIGS+. Основное направление развития этих проектов заключалось в усилении изобразительных возможностей для визуализации геометрических объектов (2D, 3D, удаление скрытых линий и граней, полутоновая закраска, текстурирование и пр.). Стандарт на базисную графическую систему включает в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.

Концепция виртуального устройства начала разрабатываться с момента появления аппаратно-независимых графических систем. Интерфейс виртуального устройства разделяет аппаратно-зависимую и аппаратно-независимую части графической системы. Он обеспечивает заменяемость графических устройств (терминальную независимость), а также возможность работы с несколькими устройствами одновременно. Интерфейс виртуального устройства может существовать в форме программного интерфейса и/или протокола взаимодействия двух частей графической системы. Наиболее четко концепция виртуального устройства представлена в проекте CGI.

Развитие этой концепции совпало с активным перемещением графических средств на персональные компьютеры и графические станции. При этом основными интерактивными устройствами стали растровые дисплеи, а устройствами для получения твердых копий - растровые принтеры. Это привело к необходимости выделения отдельного набора растровых функций, позволяющих использовать функциональные возможности растровых устройств.

Дальнейшее развитие растровых функций связано с появлением многооконных графических систем Х Window и MS Windows (а также NeWS и Display Postscript), обеспечивших удобные средства для манипулирования растровыми изображениями. Эти средства явились основой для развития систем обработки изображений и для организации эффективного многооконного пользовательского интерфейса с использованием меню, диалоговых панелей, полос просмотра и пр. Традиционные средства вывода геометрических примитивов (линий, дуг, многоугольников) и текстов также имеются в этих системах.

GKS – стандарт ISO на базисную графическую систему. Впервые опубликован в 1982 году. Принят в качестве международного стандарта в 1985 году. Разработаны спецификации GKS для языков С, Fortran, Pascal, Ada. В соответствии или с учетом стандарта GKS разработано большое количество графических систем, например GKS-3D и PHIGS.

- Функции управления обеспечивают работу с несколькими логическими рабочими станциями ввода/вывода. Одной из категорий рабочих станций является метафайл. Поддерживается таблица состояния системы, а также таблицы конфигурации и состояния рабочих станций. Имеется более 100 функций опроса возможностей и текущего состояния системы.

- Функции вывода поддерживают шесть примитивов - ломаная линия, набор маркеров, заполненная область, текст, массив ячеек и обобщенный графический примитив. Более 30 функций управления атрибутами (линий, маркеров, заполнения и текста) обеспечивают индивидуальное изменение атрибутов и объединение их в группы, связанные с рабочими станциями.

- Поддерживается сегментация. Атрибуты сегментов - видимость, выделенность, приоритет, преобразование. Сегменты могут копироваться на рабочую станцию, удаляться, включаться в другие сегменты.

- Растровые функции отсутствуют. Используемая цветовая модель - индексированная таблица RGB.

- Функции ввода поддерживают логические устройства ввода координат, линий, чисел, текстовых строк, а также устройства выбора и указания. Устройства ввода могут работать в режимах запроса, опроса и обработки событий.

PostScript (Adobe Systems, 1985) - язык описания страниц для растровых печатающих устройств. Отличительная особенность - широкие изобразительные возможности при минимальном наборе графических функций. Множество графических систем и настольных издательских систем поддерживают PostScript. Некоторые производители лазерных принтеров обеспечивают его аппаратную поддержку.

Широкие изобразительные возможности языка PostScript обеспечены понятием траектории (path), которая может быть составлена из линий, дуг, сегментов кривой Безье и текстовых символов. В процессе вывода траектории могут подвергаться произвольным линейным преобразованиям. Замкнутые траектории могут быть закрашены, заполнены растровым образцом. Заполнение может производится по различным правилам. Линии могут быть различного типа, переменной толщины и иметь скругления в точках соединения. Работа с текстами происходит на основе богатой библиотеки шрифтов. Поддерживается несколько цветовых моделей - RGB, CMY и HSV.

CGI - проект стандарта (ISO, 1986) на интерфейс виртуального устройства. CGI ориентирован не на прикладных, а на системных программистов, занимающихся разработкой графических систем. Функциональные возможности CGI сформированы с учетом разработанных ранее проектов GKS и CGM (Computer Graphics Metafile). Заметно влияние проектов PostScript и Х Window System.

- Функции вывода поддерживают работу с линиями, многоугольниками, прямоугольниками, маркерами, текстами, дугами, секторами и сегментами круга и эллипса, а также замкнутыми фигурами, составленными из этих примитивов. Замкнутые объекты могут закрашиваться, заштриховываться или заполняться растровым образцом. Набор атрибутов CGI аналогичен набору атрибутов GKS. Конвейер преобразования ограничен преобразованием рабочей станции.

- Функции сегментации аналогичны имеющимся в GKS.

- Растровые функции поддерживают работу с отображаемыми и виртуальными битовыми картами. Первые являются частью видеопамяти устройства. Вторые могут быть полноцветными или двухцветными матрицами пикселов в неотображаемой памяти. Двухцветные виртуальные битовые карты могут служить в качестве маски для операции заполнения областей, а также для задания символов, маркеров, курсоров и пр. Атрибутами карт являются прозрачность, основной и фоновый цвет. Введены различные режимы наложения цветов при выводе пикселов (and, or, xor,...).

- Функции ввода аналогичны имеющимся в GKS с некоторыми дополнениями. Введено понятие триггера, позволяющего установить режим срабатывания отдельных устройств в зависимости от некоторого события. Более четко, определены понятия подсказки, эха и подтверждения. Введены два новых логических устройства ввода - растровая область и обобщенное устройство ввода.

Х Window System - многооконная графическая система, разработанная в Массачусетском Технологическом институте. Первые публикации появились в 1986 году. Одна из основных целей разработки - обеспечение сетевой прозрачности и возможности использования широкого спектра цветных и монохромных графических станций.

- Система разделена на две части, клиент и сервер, взаимодействующие с помощью Х-протокола. Прикладному программисту предоставлена библиотека базисных функций Х Lib и надстроенная над ней библиотека инструментальных средств Х Toolkit. Функции управления обеспечивают возможность манипулирования системой окон и контроля за действиями пользователя. Параметры графических функций включают в себя идентификаторы дисплея и окна, а также графический контекст, содержащий значения атрибутов и другие параметры отображения.

- Функции вывода обеспечивают изображение точек, линий, дуг, окружностей, прямоугольников, а также заполнение многоугольников, секторов, сегментов и прямоугольников. Аналогично языку PostScript имеются атрибуты, определяющие способ скругления ломаных линий и правило заполнения. Функции вывода текстов поддерживаются богатой библиотекой шрифтов. Конвейер преобразования координат отсутствует.

- Структуризация или сегментация данных не поддерживается.

- Растровые функции обеспечивают широкие возможности для манипулирования с битовыми и пиксельными матрицами (Bitmap, Pixmap). Кроме того, пиксельные матрицы могут использоваться в качестве образца заполнения, а битовые - в качестве маски отсечения. Используемая цветовая модель - RGB.

- Функции ввода на базисном уровне обеспечивают развитый механизм обработки событий, от мыши и клавиатуры. Функции более высокого уровня (Х Toolkit и библиотека виджетов) обеспечивают работу с меню, диалоговыми панелями, полосами просмотра и пр.

Microsoft Windows - многооконная надстройка над операционной системой MS DOS на IBM РС. Версия Windows NT трансформировалась в полноценную операционную систему. Обеспечивает многозадачный режим. Графические функции системы аналогичны имеющимся в Х Window, однако в параметрах функций нет идентификатора дисплея. Поддерживается метафайл.

Core System - первый проект (ANSI) по стандартизации базисной графической сиетемы. Функциональное описание было опубликовано в 1977 году. На этот проект были замкнуты усилия многих разработчиков графических средств в течение последующих 5 лет. Построен на концепции рисующего элемента (2D и 3D) и обеспечивает работу только с линиями, маркерами и текстами. Для управления параметрами проектирования используется аналогия с камерой. Поддерживается сегментация. После появления стандартов GKS-3D и PHIGS проект Core System потерял свою актуальность.

GKS-3D - расширенный вариант GKS (ISO, 1987), позволяющий работать с трехмерными графическими объектами. В этот проект включены следующие дополнительные (по отношению к GKS) возможности:

- Функции вывода дополнены семью 3D-примитивами - те же, что в GKS с приставкой 3D и набор заполняемых областей 3D. Для последнего примитива введены атрибуты контура, аналогичные атрибутам линий. Введен атрибут для управления алгоритмами удаления скрытых линий и граней. Введены 3D-преобразования 3D-нормализация, видовое преобразование, 3D-преобразование рабочей станции. Видовое преобразование позволяет производить параллельное и центральное проецирование.

- Функции сегментации расширены возможностью работы с 3D-сегментами. Введено преобразование 3D-сегментов.

- Функции ввода дополнены двумя логическими устройствами для ввода координат 3D и линий 3D.

PHIGS - альтернативный по отношению к GKS-3D стандарт (ANSI-1986, ISO-1989), обеспечивающий возможность интерактивных манипуляций с иерархически структурированными графическими объектами. Получил дальнейшее развитие в проектах PHIGS+ и РЕХ. Сравнительные с GKS-3D характеристики следующие:

- Набор примитивов и атрибутов аналогичен имеющимся в GKS-3D. Поддерживается несколько цветовых моделей - RGB, CIE (Commission Internationale de l'Eclairage), HSV (Hue-Saturation-Value), HLS (Hue-Lightness-Saturation). Вместо 3D преобразования нормализации введено модельное преобразование.

- Вместо сегментов введены иерархические структуры данных. Структуры могут включать в себя примитивы, атрибуты, преобразования, неграфические данные, а также ссылки на другие структуры. Средства редактирования позволяют удалять и копировать элементы структур. Включен механизм фильтрации, осуществляющий выборочное отображение элементов, их выделение и пр.

PHIGS+(или PHIGS-PLUS) - проект расширения PHIGS (ISO/ANSI Draft 1990), направленный на обеспечение основных требований прикладных программ в области - освещения, полутоновой закраски и эффективного описания сложных поверхностей. Для этих целей в PHIGS+ включен следующий набор примитивов:

- набор полилиний с данными,

- кривая нерационального В-сплайна,

- кривая нерационального В-сплайна с данными,

- полигональная область с данными, набор полигональных областей с данными,

- набор треугольников с данными,

- полоса треугольников с данными, набор четырехугольных ячеек с данными,

- поверхность нерационального В-сплайна,

- поверхность нерационального В-сплайна с данными.

Примитивы, имеющие суффикс "с данными" позволяют включить дополнительную информацию, являющуюся частью определения примитива. Например, в случае набора треугольников для каждой грани и/или вершины можно задать комбинации цвета, нормаль и прикладные данные. Далее, существует механизм управления, позволяющий определить, какие данные следует использовать, а какие пропустить во время отображения. PHIGS+ различает переднюю и заднюю поверхности грани на основе геометрической нормали. Различные значения цвета и другие атрибуты могут быть определены для передней и задней граней. Для вычисления освещенности кроме геометрических характеристик задаются отражательные свойства поверхности, а также расположение источников цвета и их характеристики.

OpenGL. Современные графические ускорители (видеоадаптеры) обладают большим набором возможностей и высокой производительностью, но при этом они часто имеют и серьезные внутренние различия. Для того чтобы эффективно работать с такими ускорителями, не привязываясь к особенностям какого-либо конкретного устройства, обычно применяются библиотеки, предоставляющие некоторый унифицированный интерфейс к нему.

На сегодняшний день для персональных компьютеров существует два таких интерфейса: OpenGL, уже более 10 лет являющийся стандартом, и Direct3D, предложенный и поддерживаемый компанией Microsoft.

Одним из наиболее известных графических интерфейсов является OpenGL. Этот интерфейс в виде библиотеки графических функций представляет собой открытый стандарт, разработанный и утвержденный в 1992 г. девятью фирмами, среди которых были Digital Equipment Corp., Evans & Sutherland, Hewlett Packard Co., IBM Corp., Intel Corp., Silicon Graphics Inc., Sun Microsystems и Microsoft. В основу стандарта легла библиотека IRIS GL, разработанная фирмой Silicon Graphics Inc. Этот стандарт поддерживается многими операционными системами (в том числе и Windows), а также производителями графических акселераторов.

Другим известным графическим интерфейсом является DirectX с подсистемой трехмерной графики Direct3D, а также подсистемой DirectDraw, которая обеспечивает, в частности, непосредственный доступ к видеопамяти. Этот интерфейс разработан Microsoft и предназначен только для Windows.

В отличие от OpenGL, который сразу разрабатывался для функционирования с графическими ускорителями, Direct3D был изначально ориентирован на программный рендеринг. Кроме того, Direct3D фактически не является стандартом в строгом смысле этого слова – это лишь некоторый интерфейс, объявленный и полностью контролируемый компанией Microsoft.

OpenGL представляет собой открытый процедурный интерфейс к видеоадаптеру, позволяющий легко задавать объекты в пространстве и операции над ними.

С самого начала OpenGL разрабатывался как эффективный, аппаратно- и платформенно-независимый интерфейс. Он не включает в себя специальных команд, привязанных к какой-либо конкретной операционной системе. Для выполнения операций работы с окнами и организации ввода-вывода существуют дополнительные библиотеки.

Библиотека OpenGL позволяет легко создавать объекты из геометрических примитивов (точек, линий, граней), располагать их в трехмерном пространстве, выбирать способ и параметры проектирования, вычислять цвета пикселов с использованием текстур и источников света.

Поскольку OpenGL разрабатывался как открытый стандарт, то производители видеоадаптеров легко могут добавлять в него свои функции, реализующие дополнительные возможности.

Работа с OpenGL основывается на модели клиент-сервер. Приложение выступает в роли клиента - оно генерирует команды, а сервер OpenGL выполняет их.

Библиотека OpenGL поддерживает различные палитровые режимы, позволяет работать в режимах непосредственного задания цвета High Color и True Color.

Для облегчения работы с OpenGL, и в частности работы с окнами и вводом, удобно использовать библиотеку glut. Эта кросс-платформенная библиотека позволяет легко создавать переносимые приложения, использующие OpenGL. Библиотека glut (OpenGL Utility Toolkit) является прозрачным интерфейсом для написания переносимых программ, использующих OpenGL и взаимодействующих с оконной системой. Она позволяет писать программы на ряде языков, включая C++, Delphi.

Для рисования геометрических объектов OpenGL организует несколько буферов: буфер изображения (фрейм-буфер), буфер глубины (z-буфер), буфер трафарета и аккумулирующий буфер.

Библиотека OpenGL может выводить точки, линии, полигоны и битовые изображения. Под линией в OpenGL понимается отрезок, заданный своими начальной и конечной вершинами. Под гранью (многоугольником) подразумевается замкнутый выпуклый многоугольник с несамопересекающейся границей.

Все геометрические примитивы задаются в терминах вершин. Каждая вершина задается набором чисел.

OpenGL работает с однородными координатами (x, y, z, w). Если координата z не задана, то она полагается равной 0. Если координата w не задана, то она полагается равной единице.

В процессе построения изображения координаты вершин подвергаются различным преобразованиям (видовым, проектирования, перспективного деления и др.). В OpenGL существуют две матрицы для преобразования координат точки: матрица моделирования (modelview matrix) и матрица проектирования (projection matrix). Первая служит для задания положения объекта и его ориентации, а вторая отвечает за выбранный способ проектирования. Кроме того, существует матрица преобразования текстурных координат (texture matrix). Имеется набор различных процедур, умножающих текущую матрицу (моделирования или проектирования) на матрицу выбранного геометрического преобразования. Если последовательно указано несколько преобразований, то в результате текущая матрица будет последовательно умножена на матрицы соответствующих преобразований.

Чтобы задаваемые объекты могли быть нарисованы, необходимо задать способ проектирования. Преобразование проектирования определяет, как объекты будут проецироваться на экран и какие части объектов будут отсечены как не попадающие в поле зрения. OpenGL поддерживает два вида проектирования: параллельное и перспективное. Поле зрения при перспективном преобразовании является усеченной пирамидой. В случае параллельного проектирования полем зрения является прямоугольный параллелепипед.

OpenGL поддерживает модель освещенности, в которой свет приходит из нескольких источников, которые по отдельности могут быть включены или выключены. Кроме того существует еще и общее фоновое освещение (ambient). Для правильного освещения объектов необходимо для каждой грани задать материал, обладающий определенными свойствами. Материал может испускать свой собственный свет, рассеивать падающий свет во всех направлениях (диффузное отражение) или отражать свет в определенных направлениях подобно зеркалу. Пользователь может определить до восьми источников света, каждый со своими свойствами (цвет, расположение, направление).

Линия или заполненная грань может быть нарисована одним цветом (плоское закрашивание) или путем интерполяции цветов в вершинах (закрашивание методом Гуро).

Текстурирование позволяет наложить изображение на многоугольник и вывести этот многоугольник с наложенной на него текстурой, преобразованной соответствующим образом. OpenGL поддерживает одно- и двухмерные текстуры и различные способы их наложения.

Дата добавления: 2013-12-12