2.4.6 Отображение окна на поле вывода

После отсечения примитива по границам поля вывода процессор видовой операции отображает его на поле вывода в НК. Аналогичная операция выполняется после геометрических преобразований: производится отображения поля вывода в нормированных координатах в поле вывода в физических координатах.

Рис. 2.25 Сохранение пропорций при отображении «окно - поле вывода».

На Рис.2. 25 точка x_w , y_w отображается в точку x_v , y_v с сохранением пропорций, т.е. с сохранением ее относительного положения внутри замкнутого прямоугольника окна. Более точно это условие формулируется следующим образом: отношение расстояния от точки до y- границы к длине х- границы и отношение расстояния от точки до х- границы к длине y- границы должны быть одинаковыми для окна и поля вывода. Используя обозначения Рис. 2.25 , это условие можно записать в следующем виде:

x_w.dist / x_w.leng = (x_w - x_w.min ) / (x_w.max. - x_w.min) = (x_v - x_v.min) / (x_v.max - x_v.min) = x_v.dist /x_v.leng

и

y_w.dist / y_w.leng = (y_w - y_w.min ) / (y_w.max. - y_w.min) = (y_v - y_v.min) / (y_v.max - y_v.min) = y_v.dist /y_v.leng

Отсюда можно вывести уравнение отображения:

x_v = x_v.min + [(x_v.max - x_v.min) / (x_w.max - x_w.min)] (x_w - x_w.min)

y_v = y_v.min + [(y_v.max - y_v.min) / (y_w.max - y_w.min)] (y_w - y_w.min)

или

x_v = s_x (x_w - x_w.min) + x_v.min

y_v = s_y (y_w - y_w.min) + y_v.min

где s_x , s_y - параметры масштабирования, согласующие размеры окна и поля, а x_v.min , y_v.min - переноса, привязывающие координаты окна к левому нижнему углу поля вывода.

3. Технические средства мг

3.1. Архитектура систем мг

В разделе 2 приведена общая структура процессоров преобразования в графической системе и состав процессоров преобразования изображений (рис.2. 1, 2.2). Часть логических процессоров преобразования реализуется аппаратно, другая часть эмулируется каким-либо физическим устройством. Естественно, что программная эмуляция - процесс более медленный, чем аппаратная реализация. С другой стороны, аппаратная реализация требует более высокой стоимости. Два этих соображения в значительной степени и определяют архитектуру построения графических устройств. В связи со значительным прогрессом в технологии микроэлектронных средств развитие архитектуры графических средств, как и, в общем, архитектуры вычислительных средств характеризуется все более полным использованием аппаратных способов реализации логического конвейера обработки изображений.

Сделаем оценку необходимого быстродействия конвейера. Любые геометрические преобразования могут быть выражены результирующей матрицей:

M= (3.1)

Если принять, что Х, Y, Z - координаты точки в мировом пространстве, а Х1, Y1, Z1 - экранные координаты, то используя матрицу преобразования , можно записать:

X1 =

Y1 = (3.2)

Z1 =

Каждое такое преобразование требует выполнения 18 операций с плавающей запятой для каждой трехмерной вершины или 12 операций для двухмерной вершины. Для примера рассмотрим следующую ситуацию.

Приняв, что типичная сцена содержит 5000 многоугольников и многие многоугольники имеют ряд общих вершин, определим среднее количество вершин для многоугольника равное 3, а общее количество вершин для сцены - 15000. Наиболее тяжелый режим преобразования - динамическая сцена. Для данного случая это будет означать, что 15000 вершин должны быть отработаны в соответствии с (4.2) 30 раз в секунду. При этом преобразование всей сцены потребуется выполнить 8,1 млн. операций с плавающей точкой в секунду (Мфлоп). Если добавить к этому реалистичную закраску даже с использованием наиболее простого алгоритма закраски (например, Гуро) эта цифра возрастет до величины ~ 15 Мфлоп. Очевидно, что многие стандартные микропроцессоры не обладают производительностью, необходимой для решения такой задачи. Например, ни i486, ни Pentium , без дополнительных графических акселераторов с этой задачей не справятся.

В своем развитии графические устройства прошли большой путь - от простейшего устройства вывода, полностью работающего под управлением ЭВМ - до автономной графической рабочей станции.

Высокие темпы роста СОИ и МГ привели к появлению большого количества СБИС, ориентированных на машинную графику и обработку изображений, а также большого количества стандартных программных пакетов. К таким СБИС можно отнести графические контроллеры MРD 7720, MРD 77220, MРD 7286 (NEC), HD 63484 (HITACHI), I 82786 (INTEL), Am95c90, RISC- процессоры i860, i960; цифровые процессоры сигналов MРD 7220 (NEC), TMS 32010, TMS 32020 (ТI), ADSP218x и др., микросхемы видео ОЗУ TMS 4161 (TI), MРD 41264 (NEC); ИМС обработки изображений NCR 45CG72 (NCR) и пр.

Стандарты типа GKS, GKS -3D, Core, РHIGS, CGI, CGM приняты и внедрены во многих странах мира. Разработана операционная система Unix, широко используемая в большинстве зарубежных графических рабочих станциях.

Если в период своего становления графические средства отображения информации являлись зачастую только вспомогательным инструментом пользователя, то сегодня - это, в большинстве случаев - центр, вокруг которого группируются средства обработки, регистрации, ввода и т.п.

Структура дисплейных терминалов непрерывно усложняется. От дисплейного процессора, реализующие простейшие функции управления лучом ЭЛТ по командам верхней ЭВМ, к дисплейной многофункциональной системе с несколькими специализированными процессорами - вот путь, пройденный видеотерминалами за два десятилетия. говоря о графических средствах нельзя не отметить такое явление, как рабочие станции (WORKSTATION). Термин "рабочая станция" обычно используют почти для любых систем, объединяющих несколько уровней вычислительных ресурсов, дисплейный терминал, клавиатуру, ОЗУ, устройства ввода-вывода. Рабочая станция (РС) обладает как характеристиками мини ЭВМ, так и ПЭВМ. Типовая РС включает блок центрального процессора (ЦП), графический дисплей со средней или высокой разрешающей способностью, устройства графического ввода (УГВ), устройства регистрации или вывода графических данных, одно или несколько устройств внешней памяти, интерфейсы связи, интерфейсы для включения в сеть. Рабочие станции, выполненные на базе мини ЭВМ или ПЭВМ типа i486 и выше, могут поддерживать режим работы со многими пользователями.

По разрешающей способности экранов видеодисплейные системы могут быть разделены на следующие категории:

дисплейные системы с низкой разрешающей способностью - до 512 х 512 точек (пикселов);

дисплейные системы со средней разрешающей способностью - от 512 х 512 точек до 1024 х 768;

дисплейные системы с высокой разрешающей способностью - от 1024 х 800 точек до 1280 х 1024 точек;

дисплейные системы со сверхвысокой разрешающей способностью - свыше 1280 х 1024 точек.

Применение такого параметрического ряда видеодисплейных систем вполне оправдано как по чисто техническим, так и экономическим соображениям.

В мировой практике принято делить видеотерминалы и рабочие станции на следующие типы по применению:

1. CAD/CAM/CAE (computer aided design/computer aided

manufacturing/computer aided engineering) - используются для автоматизированного проектирования, автоматизированного изготовления или автоматизации инженерных работ.

2. Деловые и административные РС (business or administrative

workstation).

3. Промышленные системы управления и диспетчерские функции.

4. Обработка изображений.

Отличаясь функциями, составом оборудования и конструктивным выполнением, программным обеспечением, эти устройства, тем не менее, имеют много общего. Рассмотрим структуру видеотерминалов и рабочих станций разных уровней.

Условно разделим терминалы по реализуемым функциям на простые, средней сложности и большой сложности. Для краткости в дальнейшем будем использовать термин "терминал типа А", "терминал типа В", "терминал типа С" соответственно.

В разделе 2 рассматривался процесс обработки информации в графической системе. В таблице 3.1 эти функции обработки разделены между терминалами и ЭВМ.

Блок-схемы терминалов приведены на рис3.1. Рассмотрим особенности работы видеотерминалов.

Терминал "А" - наиболее простой вид терминалов. По сути дела здесь на терминал возложена задача записи информации в кадровое ЗУ, считывание информации из ОЗУ и формирование входного сигнала на видеомонитор. Все остальные операции, включая расчет адресов кадрового ЗУ при развертке векторов, осуществляет ЭВМ.

Терминал "В" - имеет встроенную микроЭВМ, управляющую работой всех устройств, входящих в состав терминала. В зависимости от мощности микроЭВМ задача растровой развертки примитивов и заполнения кадрового буфера выполняется либо специальным рисующим процессором, либо самой ЭВМ. Как и в предыдущем случае используется специальный видеоконтроллер, основной задачей которого является управление кадровым буфером и формирование сигналов для управления видеомонитором.

Таблица 3.1

Реализуемая функция	Распределение функций
	А	ЭВМ	В	ЭВМ	С	ЭВМ
Моделирование и преобразование	-	+	-	+	-	+
Отсечение в окне	-	+	-	+	+	-
Преобразование Омк ПВнк	-	+	-	+	+	-
Геометрические пре- образования в НК	-	+	-	+	+	-
Преобразование ПВнк ПВфк	-	+	-	+	+	-
Растровая развертка примитивов	-	+	+	-	+	-
Визуализация	+	-	+	-	+	-

ЭВМ разгружена от развертки примитивов управления клавиатурой. Значительно уменьшается объем информации, передаваемой между ЭВМ и терминалом, так как информация передается не в растровом виде, как в терминале "А", а в виде адресов конечных точек примитивов.

Терминал "С" - представляет собой "интеллектуальный" терминал. На такой терминал могут быть возложены практически все задачи графической системы, за исключением задач моделирования, хранения и формирования геометрических моделей объектов. На дисплейный процессор возлагаются задачи управления всем потоком обработки и управления работой устройств, входящих в состав терминала. Этот вариант терминала удобен для многотерминальной системы проектирования, когда центральная ЭВМ хранит общую базу данных, которая используется рядом пользователей. Ресурсы центральной ЭВМ привлекаются также для сложных задач геометрического моделирования.

На рис. 4.2 приведена блок-схема рабочей станции. Графическая рабочая станция является мощной вычислительной системой, ориентированной на выполнение графических преобразований и отображение графических данных в двумерном или трехмерном пространстве. В ее состав входят все компоненты обычной вычислительной системы плюс компоненты, присущие развитому графическому терминалу.

Рис.3.1 Блок-схемы терминалов

а)

б)

Рис3.2. Блок-схема рабочей станции: а) общая структурная схема;

б) структурная схема РС типа Labtam