Интерактивные графические системы

 

1.3 Компьютерная графика в компьютерном моделировании

  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 640×350 точек, графические возможности отсутствовали. Следующим был также черно-белый видеоадаптер "Геркулес", выпущенный фирмой Hercules Computer Technology, Inc. Этот адаптер обеспечивает разрешение 720×350 с графическими возможностями.

  Первым цветным видеоадаптером  фирмы IBM стал CGA (Color Graphics Adapter). Разрешение его мало (320×200), цветов мало (до 4), программирование противоестественное. Максимальное разрешение составляет 640×200.

  Затем был выпущен  видеоадаптер EGA - (Enhanced Graphics Adapter). Он обеспечивает разрешение 640×200 при 16 цветах из 64. Максимальное разрешение 640×350.

  Первым видеоадаптером  со сравнительно приемлемыми  характеристиками стал VGA (Video Graphics Array) с максимальным разрешением до 800×600 при 256 цветах.

  Затем фирма IBM разработала  видеоадаптер 8514/A, имевшего параметры более соответствующие сложившимся потребностям - 1024×768 при 256 цветах.

  Последняя разработка  фирмы IBM - видеоадаптер XGA (eXtended Graphics Array) с не самыми современными возможностями 1024×768 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 320×200 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

  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.