Контрольные вопросы
Почему необходимо сжимать записи моделей графических объектов?
Что такое коэффициент сжатия?
В чем состоит преимущество алгебраических моделей перед другими моделями?
Почему в настоящее время алгебраические модели не имеют широкого распространения?
Глава 17. Интерактивные графические системы
17.1. Основные понятия
Вычислительные системы, взаимодействующие с пользователем посредством ввода, обработки и вывода графической информации в ходе решения графических задач, называются интерактивными графическими системами. К ним относятся графические станции и персональные компьютеры.
Графические станции оснащены разнообразным специализированным графическим оборудованием и программным обеспечением, ориентированным на решение графических задач с наибольшей эффективностью.
Графические станции создаются на базе мощных процессоров, они имеют большие объемы оперативной и внешней памяти, их архитектура ориентирована на получение максимальной скорости обработки, визуализации и записи графической информации на различных носителях (бумаге, пленке и т.п.).
Графические станции работают автономно и могут подключаться к местным и глобальным компьютерным сетям.
К графическим станциям можно отнести мощные персональные компьютеры, к которым подключено специальное графическое оборудование (графические экраны, видео- и стереосистемы, графопостроители, сканеры больших форматов, фото- и видеокамеры) и на которых установлены пакеты графических приложений.
К интерактивным графическим системам можно отнести и персональные компьютеры мультимедиа, которые оснащены специальным графическим оборудованием (стереоочками, шлемами виртуальной реальности и т.п.), и обычные персональные компьютеры, на которых установлены графические приложения.
Программное обеспечение интерактивных графических систем (операционные системы, графические приложения) должно быть ориентировано на обработку графической информации в реальном времени.
17.2. Архитектура графических вычислительных систем
Вычислительные системы по архитектуре можно подразделить на три вида: с жесткой структурой, с агрегированной структурой и гибридной структурой.
На первом этапе развития вычислительных машин использовались системы с жесткой структурой.
Элементы системы в жесткой структуре нельзя оперативно заменить другими элементами с подобными характеристиками. Все соединения элементов в такой структуре делают максимально короткими и неразъемными, что позволяет снизить массу системы, повысить ее быстродействие и надежность в эксплуатации.
Вычислительные системы с жесткой структурой выполняют узкий круг задач или одну задачу с максимальной эффективностью. Как правило, программное обеспечение в них выполнено аппаратно. Примером таких вычислительных систем является авиационное и космическое бортовое оборудование. Использование вычислительных систем с жесткой структурой целесообразно не в интерактивных многозадачных, а в автоматических однозадачных системах.
В целях обеспечения возможности подключения к компьютеру различных дополнительных устройств, а также для обеспечения взаимозаменяемости любых его агрегатов была разработана агрегированная структура. Однако полностью агрегированная структура, обеспечивающая замену всех элементов системы, оказалась нецелесообразной, поэтому используемые в настоящее время интерактивные графические системы фактически являются гибридными, т.е. имеющими различные доли жесткой и агрегированной структур.
Так как графические станции должны обладать повышенным быстродействием и обрабатывать большие объемы графической информации, то их базовое ядро, которое может содержать много процессоров (включая графические и геометрические процессоры параллельной обработки данных), дополнительные шины передачи графических данных, а также устройства, на которые направляются большие потоки данных (например, накопители), имеют жесткую структуру. При этом часть аппаратуры по вводу и выводу данных, где скорость обмена данными ниже или может появиться необходимость ее замены, выполняется по агрегированной структуре и имеет общую шину с разъемами для подключения различных внешних устройств.
На рис. 17.1 показана упрощенная архитектура графической станции. Ее системный блок построен по жесткой структуре и содержит:
тактовый генератор, синхронизирующий работу станции;
центральный процессор, выполняющий арифметические, логические операции и команды управления;
геометрический процессор 3D, выполняющий масштабирование, перемещение, поворот, изменение формы, визуализацию ЗО-объектов, а также операции с векторами, решение уравнений геометрических линий и поверхностей;
графический процессор, обрабатывающий 20-изображения;
системную память, хранящую оперативные данные операционной системы, процессоров, решаемых задач;
видеоадаптер, формирующий страницы для вывода на монитор по заданному разрешению и цветовой палитре.
К системному блоку через контроллер подключена шина ввода-вывода. На рис. 17.1 контроллер показан в виде двухсторонней стрелки, которая означает передачу и преобразование данных в обоих направлениях. Контроллер согласует работу различных устройств на физическом уровне (различные напряжения и формы сигналов) и на логическом (разрядность и структуру кодов). На шину ввода-вывода через контроллеры подключаются различные устройства:
BIOS, обеспечивающее проверку работоспособности элементов станции при ее включении и во время работы, а также ввод и вывод данных внешних устройств;
клавиатура, обеспечивающая символьный ввод информации и управление с помощью функциональных клавиш;
дисковые накопители для долговременного хранения информации (HDD, FDD, CD-ROM). Для ускорения обмена данными между системной памятью и жестким диском HDD иногда устанавливают дополнительную прямую шину;
мышь — указатель на экране монитора, модем — для передачи и приема информации по сетям связи и принтер — для выполнения печати малых форматов;
плоттер — для вычерчивания больших форматов, сканер — для ввода изображений на бумаге, пленках и фотографий с цифровой записью изображений в растровом виде;
стереоэкран — для вывода объемных изображений, фотокамера — для ввода цифровых фотографий в реальном времени, видеокамера — для ввода цифровых фильмов в реальном времени и другое специальное графическое оборудование (стереоочки, виртуальные шлемы и т.п.).