Kovács Emőd Fejezetek a számítógépi grafikából
1. ELŐSZÓ... 4. GRAFIKUS HARDVER ÉS SZOFTVER... 6.1 BEVITELI ESZKÖZÖK... 6. KIVITELI ESZKÖZÖK... 7..1 Hardcopy perifériák... 7..1.1 Asztali és hengeres rajzgép... 7..1. Nyomtatók... 8.. Megjelenítők, monitorok... 9..3 Vezérlő kártyák.... 1..4 Különböző BGI driver-ek beillesztése Pascal programunkba... 14.3 GRAFIKUS SZOFTVER... 16 3. A SZOFTVEREK HORDOZHATÓSÁGA ÉS A GRAFIKUS SZABVÁNYOK:. 0 4. GRAFIKUS KÉPEK KÓDOLÁSA, TÁROLÁSA ÉS HASZNÁLATA... 3 4.1 BEVEZETÉS... 3 4. KÓDOLÁSI ELJÁRÁSOK... 4 4..1 Huffman kód... 4 4.. RLE algoritmus (Run-length encoding)... 5 4..3 LZW algoritmus (Lempel-Ziv-Welch)... 6 4..4 Hierarchikus megközelítés... 8 4..5 Aritmetikai tömörítés... 9 4..6 Adatvesztéses tömörítés... 9 4.3 GRAFIKUS KÉPFORMÁTUMOK... 30 4.3.1 Állóképek... 30 4.3. Mozgókép formátumok... 3 4.4 VEKTOR- ÉS RASZTERGRAFIKA ÖSSZEHASONLÍTÁSA... 34 4.4.1 Raszteres grafika... 34 4.4. Vektorgrafika... 35 4.5 GRAFIKUS KÉPEK A WINWORD SZÖVEGSZERKESZTŐBEN ÉS AZ OLE TECHNIKA... 36 4.5.1 Képek beágyazása (Embedding) és csatolása (Linking)... 37 4.5.1.1 Meglevő állomány csatolása a dokumentumhoz:... 37 4.5.1. Meglevő állomány beágyazása a dokumentumba:... 38 4.5.1.3 Még nem létező objektum újként való beágyazása a dokumentumba:... 38 4.5.1.4 Beágyazott objektum kapcsolttá alakítása:... 38 4.5.1.5 Kapcsolt objektum beágyazottá alakítása:... 38 4.5.1.6 OLE technika hátrányai... 38 5. NÉHÁNY ALAPVETŐ RASZTERES ALGORITMUS... 39 5.1 WINDOW-VIEWPORT TRANSZFORMÁCIÓK... 41 5. UNIFORM ESZKÖZ TRANSZFORMÁCIÓ... 43 5.3 SZAKASZ RAJZOLÁSA... 45 5.3.1 Egyszerű növekményes módszer... 45 5.3. Bresenham-algoritmus... 46 5.4 KÖR ÉS ELLIPSZIS RAJZOLÁSA... 51 5.4.1 Origó körüli forgatás:... 54
5.4. A midpoint (középonti) algoritmus... 56 6. REKURZÍV GÖRBÉK ÉS A TEKNŐC GRAFIKA... 59 6.1 REKURZIÓ:... 59 6. A REKURZÍV GÖRBÉK:... 59 6..1 Fraktálok:... 60 6.. Hilbert görbe:... 63 7. IRODALOM... 65 3
Fejezetek a számítógépi grafikából 1. Előszó A Eszterházy Károly Tanárképző Főiskola Számítástechnika Tanszékén 1989-óta folyik Számítástechnika tanár (főiskolai végzettség) szakképzés. A tanszék a MKM engedélyével alapította meg a szakot. Később a többi főiskola is szakindítási kérelemmel élt a már létező szakra, így most már az országban a tanárképző főiskolák mindegyikén képeznek számítástechnika szakos általános iskolai tanárokat. A képzési célnak, és a képzési követelményrendszernek megfelelően alakítottuk ki a kredit rendszerben a tanegységlistánkat. A tanegységlista közlése nélkül a számítógépi grafika oktatásának ismertetésére szorítkozunk. Két tanegység tarozik a számítógépi grafika oktatási területéhez. Elemezzük ki részletesen ezen tantárgyak célját és tartalmát. Természetesen a tantárgyak tartalmának kialakításánál figyelembe vettük a képzési követelményrendszert, valamint a bel- és külföldi tapasztalatokat. Grafikus és képi információk kezelése A tantárgy célja: a komputergrafikának, ennek az igen fiatal diszciplínának a megismerése, a grafikus hardver és szoftver eszközök tanulmányozása és használata. A tantárgy tartalma: A számítógépi grafika tárgya. Bevezetés a grafikus adatok feldolgozásába. A számítógépi grafika hardvere (Be és kiviteli eszközök: monitorok, digitalizálók, rajzgépek fajtái és működési elvük, Grafikus kártyák (Hercules, VGA, SVGA, VESA szabvány). Turbo Pascal grafika (áttekintés). Grafikus képek kódolása, tárolása, használata (Huffmann kód, LZW kód; BMP, PCX, GIF, JPEG, WMF, TIFF, AVI, MPEG stb. formátumok.). Alapvető rajzoló eljárások. Szakasz rajzolása és lehatárolása. Kör és körív rajzolása. Gráf és ív rajzolása. Anti-aliasing (szépséghibák kijavítása), elvesző információk, motion-blur. Ábraszerkesztő használata, grafika a szövegszerkesztő programokban. Rekurzív görbék megvalósítása Logo vagy Fractint programmal. Grafikus rendszerek A tantárgy célja: a komputer grafikának haladó szintű elsajátítása, és annak megismertetése, hogy a geometria hogyan tud ezen a tudományágon keresztül bekapcsolódni a termelésbe. A tantárgy tartalma: Homogén koordináták, koordináta transzformációk, ponttranszformációk. Transzformációk a síkban (D) és térben (3D): egybevágósági, hasonlósági, affin és projektív transzformációk. Tér leképezése síkra: ortogonális axonometria, klinogonális axonometria, perspektíva és centrális projekció. Görbék interpolációja: Lagrange interpoláció és Hermit interpoláció. Görbék approximációja: Bézier görbék, B-spline-ok. Másodrendű görbék és felületek. Az y=f(x) és a z=f(x,y) függvények ábrázolása. Görbék és felületek ábrázolása paraméteres egyenleteikkel. Felületek approximációja: Bézier felületek, B-spline foltok. Testmodellezés, poliéderek. Láthatósági kérdések, algoritmusok: poliéderek láthatósága, tömör területek pásztává alakítása, scan-line algoritmus, depth-sort algoritmus, z-puffer algoritmus, területfelosztó algoritmus, Ray-tracing. A grafikus nyelvek és szabványok (GKS, PHIGS,SRGP) A fenti tematikák megvalósításához próbálunk minden hasznosnak ítélt programot használni az oktatásban. Sajnos a hardver feltételeink behatárolják lehetőségeinket. Egyenlőre szinte csak PC kategóriájú számítógé- 4
Beviteli eszközök pekkel rendelkezünk, de ezek száma és minősége kielégítőnek mondható. Nemzetközi és hazai kapcsolataink, valamint az Internet segítségével tanulmányozzuk más egyetemek és főiskolák tematikáit. Természetesen a fentebb megadott tematikák változhatnak, és változniuk is kell tartalmukban, hiszen a számítástechnika talán egyik legdinamikusabban fejlődő területe a komputergrafika. Bizonyára ezzel a bevezetővel sikerült áttekintést adnunk a főiskolán folyó oktatási munkánkról. Kollégáim, ismerőseim véleménye szerint az itt tanított ismeretek nagy része igen jól használható a közoktatásban. Ezen vélemények ösztönöztek arra, hogy elkészítsük ezt az írásos anyagot megpróbálva összegyűjteni olyan fejezeteket a számítógépi grafika területéről, amelyek hasznosan forgathatóak a közoktatásban is. Munkánkat korántsem tekintjük befejezetnek. A közeljövőben szeretnénk még néhány fejezetet elkészíteni, hiszen javarészt csak a Grafikus és képi információk kezelése tanegység témaköreit tárgyaltuk. A Grafikus rendszerek témakörei közül is számtalan lehet érdekes a közoktatásban, amelyek indokolttá teszik munkánk folytatását. A szövegben nem hivatkoztunk a szakirodalomra, de a függelékben megtalálhatóak a kapcsolódó magyar és idegen nyelvű könyvek és folyóiratok címei. Megpróbáltuk az összes általunk ismert és hasznosnak tartott Magyarországon beszerezhető könyveket is felsorolni. Véleményünk szerint ez a gyűjtemény sok segítséget ad a szakterület iránt érdeklődő olvasók számára. Eger, 1997. március a szerző Kovács Emőd 5
Fejezetek a számítógépi grafikából. Grafikus hardver és szoftver A számítógépi grafika egyik legismertebb területe a hardver és szoftver eszközök használata. A felhasználók, oktatók és diákok többsége rendelkezik ismeretekkel ezekről az eszközökről. Minden iskolában most már a NAT előírása szerint is tanítani kell hardver ismereteket. Ezeken az órákon elhangzott tananyag nagy része a témakörünkbe bele tartozik, ezért is tárgyaljuk a számunkra fontos eszközöket, de nem azonos alapossággal. Ezt azért tesszük így, mert egyrészt nem akarjuk untatni az olvasót, másrészt a már említett előismeretekre alapozunk..1 Beviteli eszközök Két alapvető grafikus beviteli művelet van. Egy adott pozíció megkeresése és egy már meglevő grafikus objektum azonosítása, kiválasztása további feldolgozás céljából. A beviteli eszközöket nem ismertetjük részletesen, feltételezve a könnyen elsajátzítható előismerteket, mivel a téma kifejtése számtalan könyvben megtalálható. Billentyűzet: A komputer grafikai alkalmazásokban is szerepet kaptak a funkcióbillentyűk és a különböző billentyűkombinációk. Sajnos a vágólap használatán kívül ezek nem szabványosak. Digitalizáló tábla, grafikus tábla: Főleg vonalrajzok térképek digitalizálására használt eszközök. A két eszköz között különbség csak a méretekben van. A digitalizáló pl. 150x00 cm addig a grafikus tábla mérete 0x0 cm-től 1x1 m-ig terjed. Az elsőt mérete miatt állványra szerelik, a másik asztalon is elhelyezhető. Az elsőn egy kocsi a pozicionáló eszköz, a másikon lehet pálca, fényceruza, korong szálkereszttel vagy akár az egér is használható digitalizáló eszközként. 1. ábra. Digitalizálók Joystick, egér és trackball: közös feladatuk a kurzor mozgatása a képernyőn. Az egerek típusai: Mechanikus egerek Optomechanikus Optikai egerek Rádiófrekvenciás egerek. ábra. A mechanikus egér szerkezete 6
Kiviteli eszközök Fényceruza és az emberi ujj: A fényceruza általában fotóoptikai cellát tartalmaz és a terminálhoz csatlakozva a képernyőn tudunk vele pozícionálni. Az emberi ujj szintén szolgálhat beviteli eszközként a speciális fóliával ellátott úgynevezett érintést érzékelő képernyőknél (touch-screen). GlidePoint: a Cirque Corporation (USA) által kifejlesztett eszköz, amely az egéralátéthez hasonlít legjobban, azonban egér nélkül működik. Ha össze kellene hasonlítani valamivel, leginkább egy kisméretű (49x66 milliméter) az előbb említetett touch-screen monitor felületéhez lehetne viszonyítani. A billentyűzet mellé helyezve az eddigieknél jóval egyszerűbben kezelhető, elődeihez képest tartósabban és pontosabban pozícionálható vele a kurzor. Az alapjaiban új logikai felépítésű eszköznél ugyanis a kurzor mozgását ujjunkkal irányíthatjuk, mégpedig igen nagy (a beállításoktól függően maximum 1000 milliméter/secundum) sebességgel. Az érintkező "egéralátét" három rétegből áll : az alsó és középső rétegben helyezkedik el a vízszintes, illetve a függőleges elmozdulásokat érzékelő elektrofólia, amelyre egy védőfilm kerül, s ezen csúsztatjuk az ujjunkat. Az elektrofóliák jeleit a szerkezetbe épített processzor dolgozza fel, és küldi a számítógépbe. Optikai olvasók (Image Scanners): Ezek az eszközök végig pásztáznak egy papírlapot és annak felületét képpontokra bontják. A képpontok értéke az alkalmazott bitek számától függően lehet 0-1, vagy egy szürkeskála (grey scale), vagy egy színskála értékei. A szkennerre jellemző a lapméret, a felbontás (dpi), valamint a színek ill. a szürkeárnyalatok számának fölismerése. Léteznek kézi- és lapszkennerek, valamint vonalkód olvasók. A bevitt kép részleteinek felismerése és azonosítása jelentős szoftver probléma. Ebbe a témakörbe tartozik, a karakterfelismerés, az aláírás felismerés, a számjegyek azonosítása, valamint a vonalkód (barcode) bevitele.. Kiviteli eszközök 3. ábra. Szkennerek..1 Hardcopy perifériák Ezek a berendezések a képeket automatikusan állítják elő tartós alakban papíron, filmen, mikrofilmen, fólián, pausz papíron vagy hasonló anyagon. A mechanikus rajzolócsúccsal rendelkező hardcopy perifériákat rajzgépeknek nevezzük...1.1 Asztali és hengeres rajzgép Az asztali vagy síklapos rajzgépeknél a síkban fekvő papíron egy rajzoló csúccsal ellátott kocsi fut. A hengeres vagy dob rajzgépek elve ugyanaz, mint az asztali, csak az egyik irányban a papír tetszőlegesen hosszú lehet. A rajzgépek elsősorban mérnöki munkáknál (nagyméretű rajzok A/3, A/, A/1, A/0) használhatóak ki előnyösen. Aki ilyen vásárlására szánja magát a következő paraméterek alapján fogalmazhatja meg a kívánalmait: Rajzterület mérete (Csupán síkplotternél. A dobplottereknél a rajzterület szélessége, és a tekercspapír hossza a mérvadó.) 7
Fejezetek a számítógépi grafikából Felbontóképesség (A tintasugaras nyomtatófejjel rendelkező korszerű típusoknál elérheti a 70 dpi-t is.) Vonalvastagság (Csupán a műszaki rajzeszközzel rajzoló közismertebb nevén csőtoll plottereknél. Általában 0.1 mm és mm közé esik. Ma már a tollas rajzgépeket szinte teljesen kiszorítják a tintasugaras társaik.) Rajzolási sebesség (Ez határozza meg a rajz várható elkészülésének idejét. Mértékegysége a vonalak húzási sebességéből adódik : 300...1500 mm/s.) Ismétlési pontosság (Ugyanazon ábrán vagy annak részletén újból végighaladva mennyi eltérésre kell számítani. Hasonló tulajdonság a visszaállási pontosság is. Jobb típusoknál néhány századmilliméteres érték.) 4. ábra. Hengeres rajzgép A felbontóképesség fogalmát mindenképpen pontosítanunk kell. Két fogalom tartozik ide, a címezhetőség (addressability) és a pont méret (dot size). Pont méret: az output eszköz egy pontjának a mérete, az átmérője. Címezhetőség: Az egy inch-en elhelyezhető nem feltétlenül elkülönülő pontok száma. Mértékegysége: DPI= Dots per inch. A címezhetőség értéke pontosan a reciproka a két szomszédos kör alakú pont középpontjai közötti távolságának (Interdot distance). Általában akkor megfelelő a pont méret, ha valamivel nagyobb mint az interdot size. A fentiek értelmében a felbontás valójában összefüggésben van a pont mérettel és általában kisebb, mint a címezhetőség. Ezért úgy vizsgálhatjuk a felbontást, hogy függőleges vonalakat húzunk a lehető legközelebb egymáshoz, hogy még különbözőnek látszanak. Pl. ha 40 fekete vonalat elválaszt 40 fehér 1 inch-en, akkor azt mondjuk, hogy a felbontás 80 vonal per inch...1. Nyomtatók Ezt a témakört csak felsorolás szintjén ismertetjük, feltételezve a könnyen megszerezhető előismereteket, mivel a téma kifejtése számtalan könyvben megtalálható. Pontmátrix nyomtatók: Tűs vagy mátrix nyomtatók Tintasugaras nyomtatók Lapnyomtatók: Lézernyomató (Lézerxerografikus nyomtató) Ionsugaras nyomtató Hőnyomtató A nyomtatók kiválasztásának szempontjai: 8
Kiviteli eszközök Nyomtatási minőség, felbontás (300x300, 600x300, 600x600, 70x70 dpi, stb.) Üzemelési költségek (tintapatron, festékszalag, stb.) Speciális igények (fólia, InkJet vagy LeserJet papír, stb.) Leporellóra képes-e nyomtatni (toló, húzó traktor) Maximális nyomtatható méret (A/4, A/3, A/, >A/, egyéb méretek) Egyszerre nyomtatható példányszám (egy példány, több példány) Színes vagy fekete-fehér Nyomtatási sebesség (karakter/secundum, lap/perc) Nyomtatási leterheltség adott időszakra (napi, havi, éves példányszám) Karbantartási költségek Garanciális feltételek (szervizellátottság) Támogatás különféle szoftverekhez (driverek) Belátható, hogy csupán szövegnyomtatással nem derülnek ki a nyomtatók hibái. Aki komolyabb mustrát akar tartani, az mindenféleképpen grafikai feladatokkal teszteljen. Legnehezebb nagyméretű középszürke foltot előállítani, mert ekkor minden hiba mechanikai, festékezési, szoftverfüggetlen azonnal láthatóvá válik. Teljesen fekete foltot tintasugaras készülékkel átázás, bántó meghullámosodás nélkül szinte lehetetlen jó minőségben előállítani. Kivételek ez alól az olyan típusok amelyek melegítéssel szárítják a papírt. A sokféle árnyalat igényli a legtöbbet a nyomtató részéről. A különböző fedettségű és méretű rendezett ponthalmazok nyomtatása, ami nagyobb felületű, átmenetes kép, vagy rajzelemek esetén elkerülhetetlen sávozottságot okoz. 5. ábra. Lapnyomtató.. Megjelenítők, monitorok A megjelenítők alapvetően két csoportba sorolhatók: vannak saját fényűek (emissziós) és vannak amelyek valamely külső fényforrás fényét hasznosítják (nem emissziósak). Az elsőre példa a TV-nél is használt katódsugárcső (Cathode Ray Tube, CRT), a másodikra példa a folyadékkristályos megjelenítő (Liquid Crystal Display, LCD). 6. ábra. CRT megjelenítő 9
Fejezetek a számítógépi grafikából Működési elvük alapján: CRT: a katódsugár ágyú elektronsugarat állít elő, amely különböző maszkokon és eltérítőkön áthaladva jut el a foszforral bevont üveglapra. A gerjesztés miatt a foszfor rövid ideig világít. A folyamatos világítás eléréséhez a képernyőt újra és újra frissíteni kell. Képtárolós képernyő: Szintén CRT elvű, de a kép közvetlenül a képernyőn tárolódik. A képernyőt egy állandó elektronnyaláb éri, amely biztosítja a már aktív foszforpontok továbbvilágítását. Sajnos ha módosítani akarjuk a kép egy részletétet, akkor az egész képet újra kell rajzolni, ezért interaktív munkára kevésbé alkalmas. LCD: A képernyő valójában több rétegből áll. Rétegek között található egy folyadékkristályos felület, amelynek kristályai megváltoztatják állapotukat (ugyanabba az irányba mutatnak) a hozzá kapcsolódó elektródák feszültségváltozásának hatására. A megváltozott állapotban másképpen verik vissza a fényt mint korábban. Aktív mátrixos LCD panelek: Jelenleg költséges, de igen népszerű megoldás a hordozható számítógépeken. Méltán népszerű, mert továbbra is az LCD-hez hasonlóan hordozható lapos, de már saját fényű színes megjelenítő. A kijelző rácspontjaiban tranzisztorok találhatók, amelyek segítségével szabályozható a kristályok állapotváltozása. A tranzisztorok memóriaként is szolgálnak, megőrizve az állapotváltozást, így lehetővé téve a cellának az állandó működést, ami fényesebbé teszi, mintha állandóan frissíteni kellene. A színeket a kristályok befesthetősége biztosítja. Plazma képernyő: A képernyő két üveglapja közötti teret nemesgázzal töltik ki. A két üveglap együttesen rácsszerkezetet alkot, s ha feszültség kerül egy rácspontra akkor ott a gáz világítani kezd. Úgy képzelhetjük el mintha kicsiny neon lámpák halmaza lenne a képernyő. A plazma képernyő előnyei: lapos, nagyméret és nagy felbontás lehetősége, masszív felépítés. Hátránya a magas előállítási költség és egyenlőre csak monochrom változata ismert. Előnyei miatt főleg a hadseregben használják. Elektro-lumineszcens képernyő (EL): A plazma képernyőhöz hasonló felépítésű, a két üveglap között foszforeszkáló anyag található, pl. cinkszulfid magnéziummal elegyítve. Működésük hasonló az aktívmátrixos LCD panelekhez, csak nagyobb az energiaszükségletük, de sokkal fényesebbek, mint LCD társaik. Előnyös tulajdonságaik miatt elterjedtek a hordozható számítógépeknél. A megfelelő monitor kiválasztására már a grafikus kártya vásárlásakor figyelmet kell fordítani. Amíg a kártyán megtakaríthatunk néhány forintot, addig a monitor kiválasztásánál legyünk körültekintőek. Mindenekelőtt a kártya által biztosított felbontást tudja produkálni. Vigyázzunk tehát, mert az 104x768 képpontos SVGA felbontást csak a nagyobb (legalább 15") monitorokkal lehet elfogadhatóan megjeleníteni. Könnyen kiszámolható, hogy hány pontot képes a monitor megjeleníteni fizikailag egymástól elkülönítve. Ha ismerjük a monitor képpontjainak távolságát (lyukmaszktávolság: rendszerint 0.6, 0.8 és 0.31 milliméter között változik). 10
Kiviteli eszközök 7. ábra. A Mitsubishi cég plazma monitorja Megjelenítő eszközök CRT elvű Paneles megjelenítő Monochrom Színes Emissziós Nem emissziós TV célú Pontméret 0,6mm Professzionális célú Pontméret 0,6mm LCD Delta lyukmaszk In-Line CRT 1 Plazma EL Aktív LCD Világító diódás (LED) Résmaszkkal Lyukmaszkkal Rácsmaszkkal (Sony Trinitron) 8. ábra. A megjelenítők csoportosítása 1 Legalább ennyire fontos, hogy a monitor képes legyen a grafikus kártya képismétlési frekvenciájának leképezésére. A legjobbak az úgynevezett multiscan monitorok, amelyek felismerik a grafikus kártya frekvenciáját és automatikusan ehhez igazodnak. Ahhoz, hogy a szemünk számára villódzás mentes képet kapjunk, a monitornak másodpercenként legalább hatvanszor újra kell rajzolnia a képet. Tehát legalább 60 Hz a képismétlési frekvencia. A horizontális frekvencia vagy vízszintes sáv szélesség azon sorok száma amit a monitor 1 másodperc alatt meg tud jeleníteni. Ez közelítőleg a frissítési sebesség és a sorok számának a szorzata. Nézzük pl. a következő értékeket: 640x480-as VGA felbontás: Frissítési frekvencia Horizontális frekvencia 60 Hz 480 60 8,8 khz 7 Hz 480 7 34,56 khz 75 Hz 480 75 36 khz 800x600-as SVGA felbontás: Frissítési frekvencia Horizontális frekvencia 56 Hz 600 56 33,6 khz 60 Hz 600 60 36 khz 75 Hz 600 75 45 khz 1 Természetesen ide azért soroltuk a CRT-t mert szintén emissziós, de nem lapos megjelenítő 11
Fejezetek a számítógépi grafikából 104x768-as SVGA felbontás: Frissítési frekvencia Horizontális frekvencia 86 Hz (Interlaced ) 768 43 33 khz 60 Hz 768 60 46,1 khz 75 Hz 768 75 57,6 khz A táblázatokból kitűnik, hogy ha egy 14 képátlójú monitor műszaki paraméterei között Non Interlaced jelzés szerepel, de ha a horizontális frekvencia tartománya csak 30-35 khz, akkor bizony csak 800x600-as SVGA felbontásban 56 Hz képfrissítési frekvencián tudja produkálni a Non Interlaced módot. Az újabb 14 - es monitorok horizontális frekvencia tartománya már legalább 30-50 khz között van amely biztosítja a szemnek még elfogadható 75 Hz-es 800x600-as SVGA üzemmódot. A monitorok gyártói szemben a televíziót gyártókkal a monitor kávájába épített katódsugárcső (CRT) mérete szerint osztályozzák és sajnos forgalmazzák termékeiket. Ezt a képcsövet először be kell foglalni egy keretbe, és ez csökkenti a használható felületet. Ráadásul a képernyő sarokpontjaiban történő pontos megjelenítést éppen a technikai nehézségek miatt nem szavatolják, annak ellenére, hogy a szabályozó gombokkal a képernyő teljes szélességéig nagyíthatjuk a képet. Ezért van az, hogy a felhasználó számára ténylegesen hasznosnak tekinthető terület még a kereten belüli területnél is jóval kisebb. A hasznos képernyő felületet még pontosabban úgy állapíthatjuk meg, ha bekapcsoljuk a monitort és megmérjük a képernyő bal felső és jobb alsó sarka közötti távolságot. Ha lehetséges, akkor a monitoron található beállító gombokkal állítgassunk a képen, mert ilyenkor olyan problémák is előtérbe kerülhetnek mint például a monitor csücskeiben elhomályosodó képpontok, stb. Hogy mennyire létező ez a probléma, arra álljon itt egy hír: a Kaliforniai Állami Ügyészi Hivatal vizsgálatot indított egy bejelentés nyomán, amely szerint a monitorok katódsugárcsövük mérete szerinti árusítása kimeríti a félrevezető reklám fogalmát. A monitorgyártók és a Video Electronics Standard Association (VESA) nevű szabványügyi szervezettel együtt egy olyan általános módszer kidolgozásán munkálkodnak, amellyel a hasznos képernyőméretet lehet mérni. Egy ideje a nagyobb cégek (IBM, NEC, SONY, SAMSUNG, MAG, DAEWOO) a termékeik kísérő dokumentációjában a tényleges képernyőméretet is publikálják. Igaz ezt már csak akkor látja meg a vevő, ha a dobozt kinyitja., de ez is csak olyan üzlet, mint minden másik...3 Vezérlő kártyák. Miután már esett szó a megjelenítőkről, most legyen szó azok vezérlőiről. Az együttes tárgyalást az indokolja, hogy egyik összetevő sem képes önálló működésre, hiszen vezérlő nélkül a monitoron nem jelenik meg információ, monitor vagy egyéb megjelenítő eszköz nélkül pedig a vezérlő olyan mintha nem is lenne, mert funkcióját képtelen betölteni. A grafikus kártyák feladata, hogy megjelenítsék a szöveget vagy képet a monitoron. Bőséges kínálatból választhatunk annak függvényében, hogy milyen alkalmazásra kívánjuk használni. A következőkben összefoglaljuk, hogy a közoktatásban leggyakoribb IBM PC kompatíbilis számítógépekhez milyen típusú grafikus kártyák vannak. Ahhoz, hogy ezek közül választani tudjunk, bizonyos alapfogalmakkal tisztáznunk kell Ezek a következők: a maximális felbontás, a megjeleníthető színek száma, a képismétlési frekvencia és a sebesség. A megjelenítéséhez szükséges kártyán levő minimális memória az előzőekből számítható. Felbontás: A komputergrafikában használatos grafikus felbontásokra szorítkozunk, eltekintünk a szöveges felbontások tárgyalásától. Felbontás alatt a grafikus képernyő oszlopainak és sorainak számát értjük pl: 800x600-as érték 600 sort jelent és egy sorban 800 pixelt. Színek: A grafikák hatását nemcsak az eltérő felbontás határozza meg. Legalább ilyen fontos szerepet játszik az egyidejűleg ábrázolható színek száma is. A színek számát általában a tárolásra fordított bitek száma határozza meg, s ebből lehet kiszámolni a grafikus kártyán szükséges memória mennyiségét. A megjelenítendő Interlaced: Váltott sorú üzemmód, első menetben a páratlan, második menetben a páros sorszámú sorokat frissíti a sugárnyaláb. 1
Kiviteli eszközök pontok számát a sorok és oszlopok szorzatából határozzuk meg, majd ezt az értéket szorozzuk a színek számához szükséges bitek számával. Pl. 640x480x16 azt jelenti, hogy 640x480 = 307 00 pont, 16 színű üzemmód esetén: 307 00 4bit = 153 600 byte memóriára van szükség a megjelenítésre. Mivel a használt memóriaméret -nek hatványa, ezért ehhez az üzemmódhoz legalább 56 kbyte-os VGA kártya szükséges. Előfordul, hogy nem színeket, hanem a szürke árnyalatait jeleníti meg a monitor egy adott színhez valamilyen árnyalatot hozzárendelve. Ilyen megjelenítők pl. a MonoVGA monitorok. Az SVGA kártyán szükséges memória mennyiségek byte-ban: Felbontás 16 szín (4 bit) 56 szín (8 bit) 65 536 szín (16 bit) 1 6777 16 szín (true color 4 bit) 30x00 64 000 0.5=3 000 64 000 18 000 19 000 640x480 153 600 307 00 614 400 91 600 800x600 40 000 480 000 960 000 1 440 000 104x768 393 16 786 43 1 57 864 359 96 Képernyő lapok száma: A programozás szempontjából fontos, hogy egyidejűleg hány db. képernyő lapot lehet használni. Természetesen a lapok száma a grafikus kártyán kívül az adott programnyelv grafikus interfészén is múlik. Különösen fontos ez animációk készítésénél. A látható lapon (Visual Page) valamilyen ábra van, a felhasználó azt látja. Közben az aktív lapon (Active Page) rajzolunk láthatatlanul, és csak a végeredmény tesszük láthatóvá, a lapok funkciójának felcserélésével. Turbo Pascalban (4.0, 5.0, 5.5, 6.0 vagy 7.0- ban) az EGA vagy VGAMed (640x350) felbontásban két lapot használhatunk, ezzel szemben VGAHi (640x480) felbontásban csak egyet. Sebesség : A szebbnél-szebb komputergrafikák és animációk (a mostanában egyre nagyobb divatnak örvendő intrókról nem is beszélve) csak akkor okoznak nézőjének osztatlan örömet, ha a növekvő felbontással és színárnyalatszámmal szorosan összefüggő sebességcsökkenés nem következik be, vagy legalábbis a normális tűrőképesség határain belül marad. Így fordulhat elő, hogy a nagyfelbontású, sokszínű kép adattömege "térdre kényszeríti" az olcsóbb grafikus kártyákat. Még érzékelhetőbb ez a probléma akkor, amikor grafikákat kell ide-oda mozgatni a képernyőn. Erre is van azonban már megoldás. Az "intelligensnek" nevezett típusokon már külön gyors grafikus processzor gondoskodik a képfelépítés gyorsításáról, olyan módon, hogy a munka zömét átvállalja a számítógép központi processzorától. Amíg ugyanis az egyszerűbb (és egyben olcsóbb) kártyák a képalkotáshoz szükséges információkat készen kapják a központi processzortól, addig az utóbbiak már csak utasításokat kapnak, és a felhasználó más feladatokat adhat a számítógépe processzorának, mert a grafikus lapka tehermentesíti. Üzemmódok: Az eredeti IBM PC szabvány szerint a 56 kbyte-os videó memória címe A0000 BFFFF terjed. Azok a VGA kártyák amelyek kompatibilisek akarnak maradni, azok A0000 AFFFF memória területet használják a grafikus üzemmódokban és a B8000 BFFFF területet a szöveges üzemmódokban. Természetesen az SVGA kártyákat gyártók kialakítottak saját üzemmódokat is a nagyobb felbontások biztosítása érdekében. Pl. a megadott memória területet belapozzák, A modern SVGA kártyák rendelkeznek úgynevezett "linear framebuffer"-rel amely azt jelenti, hogy az egész SVGA memória terület (1 MB, MB, 4 MB, vagy több) egyetlen folytonos memória területre van leképezve. A gyártók az IBM szabványai mellett kialakították saját VESA szabványukat, hogy egységesítsék a grafikus kártyák üzemmódjait. A VESA szabvány definiál olyan módbeállító és egyéb funkciókat, amelyekkel a normál VGABIOS-hoz hasonlóan az INT 10h megszakítással lehet kezelni az SVGA kártyákat. Accelerátor : A Windows első megjelenése után a hardver-előállítók rögtön megjelentek a piacon az úgynevezett windows-accelerátor kártyákkal, ami a minél gyorsabb képváltások kiszolgálására volt hivatott. Ebből már adódik a feladata, a képpont-tömbök és a grafikus kurzor mozgatása. Léteznek olyan típusok is, amelyek már vonalrajzolásra és sokszögek előállítására is képesek. Bit BT : Bit Block Transfer. A képernyő egyes részleteinek másolásához vagy mozgatásához fejlesztett eszköz. Elég csupán a terület befoglaló csúcspontjait megadni a mozgatáshoz. Így az operációs rendszernek nem kell az összes képpontot mozgatnia, csak a csúcspontokat, a másolási munkát a grafikus processzor végzi el. A művelet sebessége a nagyban függ a chip belső memóriaszervezésétől. 13
Fejezetek a számítógépi grafikából Hardver (grafikus) kurzor : érdekes megoldás arra, hogyan lehet úgy mozgatni, hogy magát a kurzort ne kelljen a képmemóriába beírni. Ez különösen olyankor érdekes, ha a kurzor alatt kép látható. Ilyenkor nem a megszokott mentés és visszatöltés folyamata hajtódik végre, hanem a hardver (a kártyán levő chip) rákeveri az aktuális képre a kurzor alakját. Ezáltal nagyon megnőhet a grafikus felület gyorsasága, arról nem is szólva, hogy maga az operációs rendszer, vagy az alkalmazás más feladatot kaphat. RAMDAC (DAC) : a képernyő memóriában található digitális formában tárolt információkat alakítja analóg jellé. VESA DDC (VESA Display Data Channel) : segítségével már a monitor is küldhet adatokat a vezérlőkártya irányába, így például ha az operációs rendszer is támogatja (Windows 95) azonosíthatóak a monitor adatai: típusa, felbontóképessége, stb. Ha a kártyák piacán széttekintünk, csupán PCI-buszos termékeket találunk, nem véletlenül, hiszen a helyi sínes technológiát egyik legjobban kihasználó területét a video megjelenítők jelentik. Rengeteg neves gyártó kínálja termékeit (Video Seven, Orchid technologie, SPEA, Genoa, Hercules, Sigma Design, Eizo, Trident, Miro Magic, Ati, S3 és a Cirrus Logic és még hosszasan sorolható) bár még a hétköznapi felhasználók általában pénztárcájuk alapján döntenek...4 Különböző BGI driver-ek beillesztése Pascal programunkba Nagyon gyakran gondolunk arra, hogy túl kellene már lépnünk a Turbo Pascal adta grafikus lehetőségeken. Ha IBM kompatíbilis számítógéppel rendelkezünk, akkor Turbo Pascal programjainkban az EGAVGA.BGI grafikus interfészt tudjuk használni. Ez a driver a standard VGA üzemmódokat biztosítja 16 színnel. Maga a Turbo Pascal viszont lehetőséget ad arra, hogy saját felhasználói BGI driver-eket installáljunk programjainkba. Ezeket nem a Borlad cég forgalmazza, hanem általában programozóktól lehet beszerezni őket. Mivel az SVGA és VESA üzemmódok nem szabványosak, ezért bizonyos grafikus kártyán nem, vagy csak korlátozottan működik a driverek használata. A legtöbb probléma az egér kezelésével van. Ezek után nézzünk meg egy programrészletet: 14
Kiviteli eszközök... Var AutoDetect : pointer; GraphDrv, GraphMod, GrafHiba : Integer ; {$F} Function Always : integer; Begin Always := 3;{VidMode;} { (*Az adott SVGA.BGI által támogatott üzemmódok *) Const VGA30x00 = 0; (* Standard VGA *) SVGA640x400 = 1; (* 640x400x56 Svga *) SVGA640x480 = ; (* 640x480x56 Svga *) SVGA800x600 = 3; (* 800x600x56 Svga *) SVGA104x768 = 4; (* 104x768x56 Svga *) } End; {$F-} Begin AutoDetect := @Always; GraphDrv := InstallUserDriver('SVGA56',AutoDetect); GraphDrv := Detect; InitGraph(GraphDrv,GraphMod,''); GrafHiba := GraphResult ; If GrafHiba <> GrOK Then Begin WriteLn(GraphErrorMsg(GrafHiba)) ; ReadLn ; Halt ; End; Setcolor(White); {Rajzoló szín beállítása} Line(... {Grafikus programrész} CloseGraph ; End. 15
Fejezetek a számítógépi grafikából.3 Grafikus szoftver A számítógépi grafika (Computer Graphics) természetesen képekkel foglalkozik. Feladata a grafikus adatok feldolgozása amely négy, nem teljesen elkülönülő főterületet ölel fel: Generatív grafikus adatfeldolgozás: képek és grafikus adatok bevitele, képek előállítása, manipulálása és rajzolása leírások alapján. Síkbeli és térbeli objektumok modellezése. Grafikus képek tárolása a számítógépen és adathordozókon kódolt formában. Képfeldolgozás: képek javítása átalakítása a későbbi feldolgozás érdekében. Mintafelismerés: Képekből meghatározott információk kiolvasása, a képből valamilyen információt, leírást nyerünk. Képtárolás Leírás vagy Input kép Generatív adatfeldolgozás Mintafeldolgozás Számítógépen megjelenő kép Képfeldolgozás 9. ábra. A számítógépi grafika feladatai A számítógépi grafika önmagában csak a képekkel foglalkozik, de számtalan alkalmazási területe van a grafikus adatok feldolgozásának. A következő felsorolásban kísérletet teszünk arra, hogy a számítógépi grafika témakörébe tartozó alkalmazásokat csoportosítsuk. A csoportosításnál az volt a szempontunk, hogy az alkalmazások milyen feladatcsoportot ölelnek fel és a használt módszerekben milyen összefüggések találhatók. 1. Művészet és animáció (Art and Animation) A számítógépes művészet kétségtelenül a XX. század végének egyik legellentmondásosabb vívmánya, amely önmagától alakult ki és ez idáig még nem igazán elismert művészeti ág. A számítógépet már eddig is használták mint segédeszközt művészeti alkotások megtervezésében és létrehozásában. Gondoljunk csak pl. két világhírű művészünkre Victor Vasarely-re és Szász Endrére. Náluk a végeredmény már nem a számítógépen keletkezett, hanem konkrét kézzel fogható formában. De fölmerül a kérdés, hogy művészet-e síkban (D) karaktereket, fontokat és háttereket, térben (3D) pedig modelleket, felületeket testeket megalkotni a számítógép monitorján? Gondoljunk a videó klippekre, ahol animációkat sőt néhány perces filmeket is láthatunk. A filmiparban, egy magára valamit is adó film nem készülhet el számítógép által készített trükkök nélkül. Walt Disney elkészítette a Toy s story-t, ami teljes egészében számítógéppel rajzolt egész estét betöltő rajzfilm. Ebbe a témakörbe tartozik a reklámfilmek készítése is. Az egyre jobb és gyorsabb harver eszközök lehetőséget teremtenek olyan animációk, klippek és egyéb számítógépes alkotások létrehozására, amelynek csak az emberi képzelet szab határt. De azt senki sem gondolhatja, hogy csak eszköz kérdése az ilyen jellegű alkotás. Vajon ezek az alkotók csak a szakma művészei vagy valójában művészek a szó hagyományos értelmében? Animáció esetén a grafika szokásos feladatain kívül időbeli változásokat is rögzíteni kell egy forgatókönyvben (script), amely a kameraállásnak, a tárgyak helyzetétnek és a megvilágítási időnek változásait határozza meg az idő függvényében.. Számítógéppel segített tervezés és gyártás Ebbe a témakörbe tartozik: Computer Aided Design (CAD): Automatizált szerkesztés, tervezés és vázlatkészítés. Pl. autók, épületek, munkadarabok és áramkörök tervezése, gépészeti tervrajzok kapcsolási rajzok készítése. Computer Aided Manufactoring (CAM):Számítógéppel segített gyártás termelés, NC megmunkálásra való előkészítés stb. 16
Grafikus szoftver Computer Aided Engineering (CAE): Számítógéppel segített mérnöki műszaki tervezés. Ez a témakör rokon a CAD-del, de ide inkább a gyártási rendszerek tervezését értjük. A rengeteg CAD program közül a legismertebb az AutoCAD. 3. Bemutató és üzleti grafika (Presentation and Business Graphics) Ebbe a témakörbe értjük különböző hisztogramokat, és diagramokat előállító táblázatkezelőket, a bemutató grafikát és slideshow-t készítő programokat (pl. Excel és PowerPoint). Egy jó grafikon önmagáért beszél, olyan összefüggéseket szemléltethet, amelyeknek az írásbeli magyarázata igen hosszadalmas lenne. Gondoljunk csak az üzleti kimutatásokra, statisztikai elemzésekre és a politikai választási csatározásokra. 4. Tudományos és műszaki szemléltetés és szimuláció (Scientific Visualization and Simulation) Ehhez a témakörhöz tartozik fogalmak, jelenségek, törvényszerűségek, folyamatok szemléltetése, vizuális megjelenítése és szimulációja: költségesen vizsgálható dolgok szemléltetése: autók futása, katonai alkalmazások, környezet szimulációja, űrhajós és pilóta képzés. közvetlenül nem vizsgálható dolgok szemléltetése: bolygók és galaxisok mozgása, mikroszkópikus dolgok vizsgálata. műholdak pályája. fraktálok és mandelbrot halmazok előállítása és felhasználásukkal mesterséges alakzatok teremtése. 5. Képelemzés és feldolgozás (Image analysis and processing) Raszteres képek feldolgozásával foglalkozik. Ide értjük a képek részleteinek felismerését, elemzését és módosítását is: ujj- vagy tenyérlenyomat felismerő programok orvosi képfeldolgozás: computer tomográf (CT), MRI, ultrahang, digitális radiológia, nukleáris medicina karakter felismerő programok 6. Grafikus kezelő felületek (Graphics User Interfaces, GUI) Az ember és a számítógép közötti interakciót elősegítő programok rendszere. Pl. Microsoft Windows, OpenWin. Ezek a felületek a grafikát nem a program tárgyaként használják, hanem a minél egyszerűbb és hatásosabb interaktív kommunikáció érdekében. Manapság már ide értendő a hang mint eszköz bevetése is az előbbi cél érdekében. Ezen rendszerek közös jellemzője az ablakok, menük, ikonok, párbeszéd ablakok stb. Fontos követelmény a következetesség, vagyis egy újabb alkalmazás esetén a felhasználó a már megszokott felülettel találkozik. Nem kell keresgélnie a menük között, mindent a megszokott helyen talál és így a feladat megoldására koncentrálhat, s nem a felület kezelésének elsajátításával bajlódik. A 10. ábra egy ismert program ablakát tartalmazza a WIN95-ből, amelyen jól lehet tanulmányozni a szabványosítási törekvéseket. 17
Fejezetek a számítógépi grafikából Menü Ablak kezelő gombok Eszközök Függőleges gördítő sáv Paletta 10. ábra. A Microsoft Paint programablakja 7. Virtuális valóság (Virtual Reality) Mesterséges szimulált környezetek létrehozása számítógéppel, biztosíja az ember közvetlen beavatkozását a fejére helyezett virtuális sisak, a kezére és esetleg más testrészeire helyezett érzékelő eszközök segítségével. A szimuláció segítségével egy képzeletbeli valóságban merülünk el, amelynek minősége meghatározó jellegű az alkalmazások területén. Jelentős alkalmazásai: oktatás, távműködtetés, INTERNET, játék és szórakozás. 8. Multimédia alkalmazások Manapság egy átlagos személyi számítógép is lehetővé teszi multimédiás alkalmazások használatát. Az Intel kifejlesztette az MMX processzort, amelynek használatával valószinűleg új távlatok nyílnak meg ezen a területen. A böngészésre használt World Wide Web mint az Internet multimédiás felülete is egy új alkalmazási részterülete a számítógépi grafikának, és ezen ismeretek tanítása merőben új feladat a közoktatás számára. 9. Számítógépes játékok A grafikus adatfeldolgozás kétségtelenül legelterjedtebb felhasználási területe. Manapság már teljesen valósághű játékprogramok készülnek. Általános az SVGA üzemmódok, a 56 szín, sőt 65536 szín használata. A játékprogramok, más programokhoz hasonlóan azt sugallják a felhasználóknak, hogy minél drágább és nagyobb teljesítményű számítógépet vásároljunk, hogy ki tudják használni a programokban rejlő lehetőségeket. Az INTERNET előbb utóbb megteremtheti annak a lehetőségét, hogy az emberek a világhálózaton keresztül játszanak egymással. Erre a jövőképre mindenképpen lehetőséget biztosít a szoftver és főleg a hardver eszközök és erőforrások árának rohamos esése. 18
Grafikus szoftver 11. ábra. Játékra fel! 19
Fejezetek a számítógépi grafikából 3. Grafikus kártyák története! MonoChrom, Hercules, CGA, EGA, VGA, SVGA, XGA. Egyéni feldolgozás! 4. A szoftverek hordozhatósága és a grafikus szabványok: 3D Core Graphics System (1977) ANSI-American National Standards Institute ISO-International Standards Organization GKS: Graphical Kernel System -D az első hivatalos grafikai szabvány (1985) GKS 3D kiterjesztése (1988) PHIGS Programmer's Hierarchical Interactive Graphic System (ANSI sz. 1988) PHIGS PLUS (ANSI/ISO 199) SRGP Simple Raster Graphic Primitívek: egyenesek, poligonok, körök, ellipszisek, szöveg Konstansok és típusok Turbo Pascalban Konstansok Bar3D Constants BitBlt Operators Clipping Constants Color Constants Graphics Colors for the 8514 Fill Pattern Constants Graphics Drivers Graphics Modes for Each Driver Justification Constants Line-Style and Width Constants Text-Style Constants Típusok ArcCoordsType FillPatternType FillSettingsType Memory Pointers LineSettingsType PaletteType PointType TextSettingsTyp ViewPortType 0