Графические процессоры, аппаратная реализация графических функций

Содержание

 

1. Введение

 

2. Кодировка  графической информации

 

3. Графические  возможности языка Visual Basic

 

4. Графические  возможности языка Pascal

 

5. Технология  обработки графической информации

 

5.1 Растровая  и векторная графика

 

5.2 Графические  редакторы

 

5.3 3D графика  и анимация на примере прикладного  пакета 3D Studio MAX2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Применение  компьютерной техники в современной  жизни стало незаменимым. Огромное количество отраслей используют вычислительные машины для ускорения решения задач. До недавнего времени вся компьютерная техника была лишь вспомогательным устройством для человека. Компьютер проводил различные вычисления, а основная работа лежала всё равно на человеке. Перед человечеством же стояли задачи масштабных строительств, проектов на будущее, испытаний, которых компьютер решить не мог. С появлением мощных графических станций, а так же компьютеров, способных решать не только математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в компьютерной промышленности.

На сегодняшний  день компьютерная графика неотъемлемая часть жизни современного общества. Рекламные щиты, цветные журналы, спецэффекты в фильмах - всё это  в той или иной мере имеет отношение  к компьютерной графике. Либо это обработанные фотографии, либо от начала до конца созданные на компьютере изображения.

2. Кодировка  графической информации

Пространственная  дискретизация. В процессе кодирования  изображения производится его пространственная дискретизация. Пространственную дискретизацию изображения можно сравнить с построением изображения их мозаики. Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета (красный, синий и т.д.).

Качество кодирования  изображения зависит от двух параметров. Во-первых, качество кодирования изображения  тем выше, чем меньше размер точки  и соответственно большее количество точек составляет изображение.

Во-вторых, чем  большее количество цветов, то есть большее количество возможных состояний точки изображения используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации). Совокупность используемых в наборе цветов образует палитру цветов.

Формирование  растрового изображения. Графическая информация на экране монитора представляется в виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк, которые в свою очередь содержат определенное количество точек (пикселей).

Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора, т. е. количеством точек, из которого оно складывается. Чем больше разрешающая способность, то есть чем больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных персональных компьютерах обычно используется три основных разрешающие способности экрана: 800*600, 1024*768, 1280*1024 точки.

Рассмотрим  формирование на экране монитора растрового изображения, состоящего из 600 строк  по 800 точек в каждой строке (всего 480 000 точек). В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь одно из двух состояний - «черная» или «белая», то есть для хранения ее состояния необходим 1 бит.

Цветные изображения  формируются в соответствии с  двоичным кодом цвета каждой точки, хранящимся в видеопамяти. Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемым для кодирования цвета точки. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 и 32 бита.

Каждый цвет можно рассматривать как возможное  состояние точки, тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле:

N=2i,

где I - глубина  цвета.

Глубина цвета  и количество отображаемых цветов

Глубина цвета (i) 

Количество  отображаемых цветов (N) 

8                               28=256 

16(High color) 216=65 536 

24(True color)           224=16 777 216 

32(True color)           232=4 294 967 296 

Цветное изображение  на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, синего и зеленого. Такая цветовая модель называется RGB-моделью по первым буквам английских названий цветов (Red, Green, Blue).

Для получения богатой  палитры цветов базовым цветам могут  быть заданны различные интенсивности. Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит, то есть для каждого из цветов возможны N=28 =256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами (от минимальной - 00000000 до максимальной - 11111111).

название цвета интенсивность 

            красный зеленый синий 

 

Черный 00000000 00000000 00000000 

Красный 11111111 00000000 00000000 

Зеленый 00000000 11111111 00000000 

Синий 00000000 00000000 11111111 

Голубой 00000000 11111111 11111111 

 

Желтый 11111111 11111111 00000000 

Белый 11111111 11111111 11111111 

 

Графический режим. Графический режим вывода изображения  на экран монитора определяется величиной  разрешающей способности и глубиной цвета. Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитываем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например, с разрешением 800*600 точек и глубиной цвета 24 бита на точку.

Всего точек  на экране: 800*600=480 000

Необходимый объем  видеопамяти:

24 бит * 480 000 точек  = 11 520 000 бит = 1 440 000 байт = 1,37 Мбайт

Аналогично  рассчитываем необходимый объем  видеопамяти для других графических  режимов.

В Windows предусмотрена  возможность выбора графического режима и настройки параметров видеосистемы компьютера, включающей монитор и видеоадаптер.

3. Графические  возможности языка Visual Basic

На формах (Form) или графических окнах (Picture Box) можно  рисовать различные графические  примитивы с использованием графических  методов:

Scale - позволяет  задавать систему координат и  масштаб для формы или графического  окна:

Object. Scale (Х1, Y1)-(Х2, Y2)

Аргументами метода являются Х1, Y1 - координаты левого верхнего угла объекта и Х2, Y2 - координаты правого нижнего угла объекта.

PSET - установка  точки с заданными координатами  и цветом:

Object. PSET (Х, Y) [,color]

Аргументами являются Х, Y - координаты точки и color - цвет линии. Значение аргумента color можно задать различными способами:

• С помощью одной из восьми констант, определяющих цвет (vbBlack - черный,vbBlue - синий ,vbGreen - зеленый,vbCyan - голубой,vbRed - красный,vbMagenta - сиреневый,vbYellow - желтый,vbWhite - белый);
• С помощью функции QBColor(number), аргументом которого являются числа от 0 до 15, а результат соответствует одному из основных 16 цветов;
• С помощью функции RGB(bytGreen, bytRed, bytBlue), аргументом которой являются три числа в диапазоне от 0 до 255(интенсивности базовых цветов), а результатом - число типа Long в диапазоне от 0 до 2563 - 1(16 777 215). Таким образом, определяется цветовая палитра с более чем 16 миллионами цветов, а каждый цвет задается числом, которое вычисляется по формуле: bytRed + 256* bytGreen + 256* bytBlue.

В случае отсутствия аргумента color рисование будет производиться  цветом, принятым по умолчанию (черным).

Line - рисование  линии, прямоугольника или закрашенного  прямоугольника заданного цвета:

Object. Line (Х1, Y1) - (Х2, Y2) [, color] [, B] [F]

Аргументами метода являются Х1, Y1 и Х2, Y2 - координаты концов линии (левого верхнего и правого нижнего угла прямоугольника), color = цвет линии. Флажок B задает рисование прямоугольника, а флажок F = его закрашивание.

Circle - рисование  окружности, овала или дуги с  заданными координатами центра, радиусом, цветом, начальным и конечным  углами дуги и коэффициентом сжатия:

Object. Circle (X, Y), radius [, color, start, end, aspect]

Аргументами метода являются Х, Y - координаты центра окружности, radius - радиус окружности, color - цвет окружности, start и end - начальный и конечный углы дуги, aspect - коэффициент сжатия.

Если графический  метод применяется к объекту  «форма» (Form), то при его записи имя  объекта Object можно опускать.

АНИМАЦИЯ. Для  создания анимации (иллюзии движения на экране какого-либо объекта) применяется  принцип смены кадров (изображений), как это делается в мультипликации. Программа, имитирующая движение, должна реализовать следующие этапы:

• создание изображения на экране;
• реализация временной паузы для того, чтобы глаз зафиксировал изображение;
• проведение коррекции изображения.

Анимация часто  используется для изображения движения объектов. Для регуляции скорости движения объекта используется пустой цикл: чем большее количество раз  он будет выполняться, тем медленнее  будет двигаться объект.

4. Графические  возможности языка Pascal

Графические возможности  языка Pascal не во многом отличаются от языка VisualBasic.

5. Технология обработки  графической информации

5.1 Растровая и  векторная графика

Все создаваемые с помощью  компьютера изображения можно разделить  на две большие части - растровую и векторную графику. Растровые изображения представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселами, каждая из которых может иметь определенный цвет. Диапазон доступных цветов определяется текущей палитрой. Так например для черно-белого изображения в палитре два цвета - черный и белый, для цветных изображений палитра может состоять из 16, 256, 65536, 16777216 т.е. 21,24,28,216,224 а также 232.

В противоположность этому  векторное изображение многослойно. Каждый элемент этого изображения - линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста - располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются совершенно независимо от других слоёв. Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью специального языка (мат. уравнения линий, дуг, окружности и т.д.). Кроме того, сложные объекты (ломанные линии, различные геометрические фигуры) описываются как совокупность элементарных графических объектов (линий, дуг и т.д.).

Такое векторное изображение  представляет собой совокупность слоев содержащих различные графические объекты. Слои накладываясь друг на друга формируют цельное изображение.

Объекты векторного изображения, могут произвольно без потери качества изменять свои размеры.

При изменении размеров объектов растрового изображения происходит потеря качества. Например при увеличении растрового изображения увеличивается зернистость.

5.2 Графические  редакторы

В настоящее время имеется  множество программ для редактирования графических изображений. Эти программы в соответствии с делением графики на растровую и векторную можно условно разделить на два класса:

1. Программ для работы  с растровой графикой.

2. Программ для работы  с векторной графикой.

Также имеются программы, которые совмещают возможности  программ этих двух классов. Т.е. позволяют создавать изображения состоящие из растровой и векторной графики.

Среди программ первого класса отметим :

• Графический редактор Paint -- простой однооконный графический редактор, который позволяет создавать и редактировать достаточно сложные рисунки.
• Photoshop фирмы Adobe многооконный графический редактор позволяет создавать и редактировать сложные рисунки, а также обрабатывать графические изображения (фотографии). Содержит множество фильтров для обработки фотографий (изменение яркости, контрастности и т.д.).

Среди программ второго класса отметим:

• Программа Microsoft Draw -- входящая в комплект MS Office. Эта программа служит для создания различных рисунков, схем. Обычно вызывается из MS Word.
• Adobe Illustrator, Corel Draw -- программы используются в издательском деле, позволяет создавать сложные векторные изображения.

Как правило  программы первого класса позволяют  сохранять изображения в файлах стандартных форматов: bmp, pcx, gif, tif, а  программы второго класса используют для этих целей свои форматы.

5.3 3D графика и  анимация на примере прикладного  пакета 3D Studio MAX2

Основы 3D графики и анимации.

В наше время CGI-образы (от слов Computer Graphics Imagery - изображение  созданное на компьютере) окружают нас повсеместно: на телевидении, в кино и даже на страницах журналов. Компьютерная графика превратилась из узкоспециальной области интересов ученых-компьюторщиков в дело, которому стремиться посвятить себя множество людей. Среди программных комплексов трехмерной графики, предназначенных для работы на компьютерах типа PC, лидирующее место занимает 3D Studio MAX2.