Принципы и цели Ядра графической системы

Разработка ЯГС велась для обеспечения набора программных функций машинной графики, отвечающего требованиям большинства приложений, использующих компьютер для генерации визуальных образов.

Основные причины, обусловившие необходимость введения такого стандартного набора функций базового уровня машинной графики, следующие:

- обеспечение безболезненного переноса прикладных графических программ между различными установками;

- оказание помощи прикладным программистам в понимании и применении графических методов;

- ориентирование производителей графического оборудования в правильном выборе и комбинации графических возможностей новых устройств.

Для достижения указанных целей к разработке ЯГС были предъявлены следующие требования:

ЯГС должно включать возможности, существенные для всех типов машинной графики – от простого пассивного вывода до высоко интерактивного взаимодействия;

ЯГС должно поддерживать и единообразно управлять всеми графическими устройствами, включая векторные и растровые, устройствами вывода на микрофильм, дисплеями на запоминающей трубке, с регенерацией и цветными;

ЯГС должно отвечать требованиям большинства приложений без чрезмерного увеличения или усложнения.

Из этих требований сформулированы принципы.

Было выделено пять направлений разработки: цели проекта, функциональные возможности, интерфейс пользователя, графические устройства и способы реализации, каждое из которых в свою очередь опиралось на свою группу принципов (критериев).

Цели проекта. Ни одно техническое решение не должно нарушать:

- согласованность – обязательные требования стандарта не должны быть противоречивыми;

- совместимость – другие стандарты или общепризнанная практика не должна нарушаться;

- ортогональность – функции и модули ЯГС не должны зависеть друг от друга, в противном случае зависимость должна иметь структурный характер и должна быть четко выделена.

Функциональные возможности. Для определения состава использовались критерии:

- полнота – все запросы большинства приложений должны удовлетворяться на каком-либо функциональном уровне;

- неизбыточность – данный функциональный уровень не должен включать возможности, лишние для соответствующих приложений;

- компактность – результат должен достигаться с возможно меньшим набором функций и их параметров;

- широта – набор функций должен быть достаточно богат, чтобы предлагаемые им возможности выходили за рамки элементарных и включали средства высокого уровня.

Интерфейс пользователя. В разработку интерфейса пользователя включены принципы:

- комфортабельность – ЯГС должно допускать адаптацию интерфейса к нуждам пользователя;

- прозрачность – концепции и функциональные возможности ЯГС должны быть ясны и понятны, особенно прикладному программисту;

- устойчивость – реакция на сбои функций и модулей системы, вызванные как внутренними ошибками, так и ошибками прикладной программы, должна быть четко определенной и информативной для прикладного программиста, а влияние сбоев на систему и прикладную программу – по возможности минимальным.

Ясность и разумная обработка ошибок является неотъемлемыми частями обеспечения «дружественности» к пользователю (комфортабельности). Спецификации подсистемы обработки ошибок входят как компонент в состав стандарта.

Соответствие критерию прозрачности относится не только к разработке самой системы, но и к ее описанию. Поэтому изложение стандарта разделено: на общую часть, спецификации основных логических структур данных, в которых отражается текущее состояние системы, и на описание функций и их воздействия на эти структуры.

Графические устройства. На поддержку всех графических устройств, к которым имеется доступ со стороны ЯГС, распространяются следующие принципы:

- приборная независимость – функции ЯГС должны быть спроектированы таким образом, чтобы позволить прикладной программе, их использующей, обращаться к различным устройствам графического ввода вывода без предварительного изменения ее структуры;

- приборная широта – возможности всех графических устройств ввода-вывода должны использоваться в стандарте в полном объеме.

На этих принципах построена одна из фундаментальных концепций архитектуры ЯГС – концепция множества независимых графических рабочих станций, доступных и управляемых системой. Прикладная программа может узнать возможности любой станции.

Реализация. С реализацией и применением связана последняя группа принципов:

- реализуемость – разработка функций ЯГС должна быть возможна на большинстве основных языков программирования в среде большинства операционных систем и для большинства графических устройств;

- языковая независимость – необходимо, чтобы все стандартные средства можно было выразить средствами стандартных языков программирования;

- эффективность – стандарт должен быть реализуем без привлечения алгоритмов, требующих больших временных затрат;

- надежность – оператор и прикладной программист должны быть в максимальной степени ограждены от последствий сбоев аппаратуры или программного обеспечения.

Перечисленные пять групп принципов взаимосвязаны. Однако некоторые принципы противоречат друг другу, например, широта – неизбыточности, тщательная обработка ошибок – эффективности и другие. Приходится прибегать к компромиссам, чтобы достичь главной цели: ЯГС должно иметь легко понятную структуру и такой набор функций, который позволяет большинству пользователей машинной графики составлять переносимые и независимые программы, использующие весь спектр графического оборудования.

Основные понятия Ядра графической системы

Существует тесная взаимосвязь между концепциями, положенными в основу графической системы, и задачами, для решения которых она предназначена. Рассмотрим некоторые из этих задач:

- синтез и воспроизведение изображений;

- направление частей изображения, определенных в различных пользовательских системах координат, на различные графические станции и преобразование их координат в координаты соответствующих устройств;

- управление станциями, к которым имеет доступ система;

- обслуживание ввода данных со станций;

- поддержка разбиения изображения на части, которые можно независимо обрабатывать (рисовать, преобразовывать, копировать, удалять);

- долговременное хранение изображений.

Рассматривая такие концепции, как отражение текущего состояния системы в специальных таблицах, группирование функций на уровни с возрастающими возможностями и обработка ошибок позволяют облегчить реализацию и эксплуатацию системы. Очень важной характеристикой графической системы можно назвать размерность пространства, в котором задаются обрабатываемые ею геометрические объекты. В настоящий момент стандарт определяет ЯГС как чисто двумерную систему (2D), но в тоже время бурно развиваются трехмерные (3D) расширения стандарта.

Рассмотрим, какими понятиями оперирует система машинной графики.

Вывод: одним из главных предназначений системы является создание изображений. Для решения этой задачи служит концепция графического вывода. Результирующая картина строится из элементарных объектов, называемых примитивами вывода, чье визуальное представление на носителе изображения графической станции определяется набором атрибутов (цвет, тип линии, толщина линии и др.).

Система координат и преобразования: примитивы вывода могут задаваться при создании в одной или нескольких системах координат пользователя. Эти примитивы должны быть размещены на носителе изображения различных графических станций с различными приборными системами координат. Последовательность изменений, претерпеваемая графическим выводом на пути от прикладной программы к носителю изображения устройства, называется видовым конвейером (viewing pipeline).

Управление направлением перемещения и преобразованием примитивов вывода, проходящих через видовой конвейер, берет на себя графическая система. Используя соответствующие функции, прикладная программа может воздействовать на преобразование вывода. В трехмерных системах видовое преобразование трехмерных координат на двумерную картинную плоскость является одной из операций видового конвейера.

Графические станции: единственное устройство вывода и несколько устройств ввода объединяются в понятие графическая рабочая станция (workstation) или просто станция. Каждой из них управляет, как правило, один оператор. Станцией считается, например, графопостроитель или дисплей, оснащенный клавиатурой или планшетом. Концепция станций является одним из оригинальных вкладов ЯГС в общую методологию построения графических систем.

Ввод: при взаимодействии с оператором прикладной программе необходимы средства для получения данных, поступающих с графической станции. Помимо собственно графической информации (значений координат или идентификации частей изображения) в ЯГС возможны также ввод строк литер, выбор альтернатив, например с помощью функциональной клавиатуры, и получение значений от устройств типа потенциометра. Благодаря наличию концепции логических устройств ввода ввод в ЯГС является независимым от конкретных физических устройств.

Сегментация: концепция сегментации связана с необходимостью обеспечить возможность работы над отдельными частями изображения, называемыми сегментами. Их можно независимо визуализировать, преобразовывать, копировать, удалять. Сегмент может быть выделен оператором, а идентифицирующая его информация может быть передана в прикладную программу. ЯГС обладает очень мощными средствами сегментации, что в первую очередь относится к возможности хранения сегментов в приборно-независимой форме, а также к функциям вывода копий сегмента на несколько станций или их вставки в другие сегменты.

Метафайл: служит средством сохранения изображений с целью их записи в архив, транспортировки или обмена с другими системами. Интерфейс метафайла ЯГС допускает запоминание в долговременной памяти и считывание изображений из нее, что существенно увеличивает гибкость системы в целом.

Таблица состояния: в любой момент ЯГС находится в некотором функциональном состоянии, которое характеризуется параметрами, отражаемыми в соответствующих таблицах. Значения этих параметров изменяются функциями ЯГС, вызываемыми в процессе выполнения прикладной программы. Текущее состояние может определять, например, перечни доступных графических станций или существующих сегментов. Эта концепция, получившая развитие в ходе проектирования ЯГС, должна полно и точно отражать эффект выполнения функций и помочь в реализации конкретных версий системы.

Уровни: все функции ЯГС соотнесены с девятью различными уровнями. Если в самый нижний уровень входит минимальный набор функций, обслуживающих только вывод, то самый верхний включает все возможности ЯГС. Таким образом, разработчику достаточно реализовать только тот уровень системы, который по своему функциональному объему удовлетворяет данным приложениям.

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Обработка ошибок: вместе с каждой функцией ЯГС определяет некоторое число ошибочных состояний, которые могут быть зафиксированы во время выполнения функции. В случае возникновения такого ошибочного состояния прикладная программа может либо удовлетворяться стандартной реакцией системы, либо предпочесть собственные средства управления обработкой ошибок.

Размерность системы координат: то, что в настоящий момент ЯГС является двумерной системой, удовлетворяет потребностям большинства приложений машинной графики. Это означает, что все вводимые и выводимые позиции представляются в двумерном пространстве. Тем не менее в некоторых приложениях могут потребоваться объемные примитивы вывода, такие как прямые в трехмерном пространстве и отсеки пространства или даже трех координатный ввод.

Эти базовые понятия рассмотрим более подробно