Дешко И.П., Ковалев С.Н. и др. Информационные и коммуникационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

121

Данный алгоритм относится к группе алгоритмов, реали-

зующих удаление невидимых линий и поверхностей. Чаще всего

он используется для визуализации трехмерных поверхностей,

описываемых функциями вида

F (x, y, z) = 0. Главная идея заклю-

чается в сведении трехмерной задачи к двумерной: поверхность

сечется параллельными и равноотстоящими друг от друга плос-

костями, и на экран выводятся линии пересечения (рис.4). Так,

например, при задании секущих плоскостей постоянными значе-

ниями

z поверхность представ-

ляется совокупностью кривых,

которые описываются функ-

циями

y = f (x, z) при z = const,

т.е.

y = f (x). Плоскости

z = const сортируют по степе-

ни их удаленности от точки на-

блюдения. Затем поочередно

для каждой плоскости, начиная

с ближней, строится лежащая

на ней кривая. При этом для

каждого из значений

х, зада-

ваемых в пространстве изо-

бражения (в координатной плоскости экрана) с шагом, равным

расстоянию между пикселями (т.е. единице), определяется зна-

чение

у. Если на текущей кривой при конкретном значении х со-

ответствующее значение

у больше или, наоборот, меньше, чем

значения

y для всех предыдущих кривых при том же значении х,

то текущая кривая полагается видимой в данной точке; в против-

ном случае она считается невидимой (на рис.4 невидимые участ-

ки кривых показаны пунктиром).

Для хранения максимальных и минимальных значений

у при

каждом значении

х используются два массива чисел: массив

верхнего горизонта

и массив нижнего горизонта (они отража-

ют текущее состояние «верхнего горизонта» и «нижнего горизон-

та» соответственно). Очевидно, что по мере обработки кривых

значения в первом массиве могут только увеличиваться («верх-

ний горизонт» всплывает), а во втором – только уменьшаться

Рис.4. Кривые y = f (x)

в секущих плоскостях z = const

const

122

(«нижний горизонт» опускается). При использовании таких мас-

сивов текущая кривая в какой-либо точке полагается видимой,

если при заданном значении

x значение у либо больше соответст-

вующего значения в массиве верхнего горизонта, либо меньше

аналогичного значения в массиве нижнего горизонта. Если кри-

вая в данной точке видима, значение

у заносится в один из масси-

вов на место прежнего элемента.

При аналитическом задании исходной функции расчет кри-

вых с единичной дискретностью изменения

х, как правило, не

вызывает трудностей. Если же по каким-либо причинам (напри-

мер, при обработке результатов экспериментальных исследова-

ний) шаг задания точек по оси

x больше 1, при расчете значений

y в промежуточных точках применяется интерполяция (чаще все-

го линейная) значений

y между известными значениями. Полу-

ченные таким образом значения

y используются затем как при

анализе видимости кривых в этих точках, так и при заполнении

массивов верхнего и нижнего горизонтов.

Приведем уравнение, соответствующее линейной интерпо-

ляции кривой между двумя известными точками с координатами

(

, y

) и (x

n+k

, y

n+k

) (здесь k – шаг задания точек по оси х):

(

)

(

)

(

)

nnnknnkn

yxx*xxyyy

−

−=

При изложенном подходе,

когда обрабатываемая текущая

кривая появляется слева или

справа из-под множества ранее

обработанных кривых, может

появиться некорректность в

изображении поверхности –

эффект зазубренного ребра

(на рис.5 приводящие к иска-

жению фрагменты кривой по-

казаны пунктиром). Избежать такого эффекта можно относитель-

но простым приемом: при обработке каждой текущей кривой (за

исключением первой) создаются ложные боковые ребра, соеди-

няющие соответственно крайние левые и крайние правые точки

текущей и предыдущей кривых (на рис.5 – штрихпунктирные ли-

Рис.5.Устранение эффекта за-

зубренного ребра

2 4 6 8 10 12 14

123

нии). Ложные ребра на экран не выводятся, но ординаты точек на

них при тех дискретных значениях

x, при которых ребра опреде-

лены, участвуют в формировании массивов верхнего и нижнего

горизонтов (при тех же условиях, что и сами кривые).

С учетом приведенных соображений формальное описание

последовательности действий алгоритма плавающего горизонта

можно описать примерно так: поочередно для каждой из равно-

отстоящих друг от друга плоскостей

z = const, начиная с ближней

от точки наблюдения:

 определить координаты первой (левой) точки

на лежащей в

плоскости кривой

y = f (x);

 обработать левое боковое ребро: если точка

является первой

точкой на первой кривой, то запомнить ее в качестве

n–1

и за-

кончить обработку; в противном случае создать ребро, соеди-

няющее

n–1

и P

, занести, если это требуется, ординаты точек

ребра в массивы верхнего и нижнего горизонтов и запомнить

в качестве P

n–1

;

 определить координаты остальных точек на кривой

y = f (x) при

дискретном изменении

x с единичным шагом, в том числе по-

следней (правой) точки

;

 если

y = f (x) является первой обрабатываемой кривой, занести

значения

y всех точек на ней для соответствующих x в массивы

верхнего и нижнего горизонтов и закончить обработку, если

нет, тогда: сравнить для каждой точки на кривой значение

y с

имеющимися в массивах верхнего и нижнего горизонтов (для

соответствующего значения

x); если y точки не меньше, чем в

массиве верхнего горизонта, или не больше, чем в массиве

нижнего горизонта, или значения в массивах отсутствуют, объ-

явить точку видимой и занести

y точки в соответствующий

массив (или в оба массива); в противном случае объявить точку

невидимой;

 обработать правое боковое ребро: если точка

является по-

следней точкой на первой кривой, то запомнить

в качестве

n–1

и закончить обработку; в противном случае создать ребро,

124

соединяющее Q

n–1

и Q

, занести, если это требуется, ординаты

точек ребра в массивы верхнего и нижнего горизонтов и за-

помнить

в качестве Q

n–1

Поясним, что ординаты боковых ребер заносятся в массив

верхнего горизонта, только когда они больше, а в массив нижнего

горизонта, только когда они меньше имеющихся там значений

для соответствующих значений

x. Ординаты левого бокового

ребра могут заноситься в массивы также в случае отсутствия в

них каких-либо значений

y для тех значений x, в которых опреде-

лено ребро.

3. Представление графической информации в ПЭВМ

Способы кодирования изображения подразделяются рас-

тровые

и векторные. Им ставят в соответствие понятия, соот-

ветственно,

растровой и векторной графики. В растровой гра-

фике используются способы кодирования изображений, при ко-

торых в соответствующих файлах содержится информация об ат-

рибутах (цвете) каждого пикселя – элементарного фрагмента

изображения. При векторных способах кодирования файлы со-

держат информацию об атрибутах объектов, составляющих изо-

бражение: форме (в виде математических формул и геометриче-

ских абстракций) и местоположении,

толщине и цвете контура, а

для замкнутых контуров – также о цвете внутренней области.

Растровую графику целесообразно использовать для хране-

ния и обработки художественных рисунков и фотографий. Рас-

тровые изображения могут обеспечить высокую степень реали-

стичности. Однако необходимо иметь в виду, что такие изобра-

жения достаточно трудно редактировать, а масштабирование (как

при

увеличении, так и при уменьшении) приводит к потере каче-

ства. Кроме того, файлы с растровыми изображениями занимают

относительно большие объемы памяти накопителей, а их обра-

ботка связана с существенной загрузкой оперативной памяти.

Векторное изображение представляет собой совокупность

объектов, которые можно сравнительно легко редактировать,

причем независимо друг от друга. Масштабируются отдельные

125

объекты и все изображение в целом практически без потери каче-

ства. Размеры файлов, хранящих рисунки в векторной форме, не-

велики. Вместе с тем, векторная графика не может конкурировать

с растровой по степени реалистичности, но она незаменима при

прорисовке чертежей, иллюстраций, плакатов и т.п.

Для представления цвета в изображениях, формируемых в

цветных графовыводящих устройствах, разработаны три основ-

ные модели (и множество их модификаций). Коротко рассмотрим

принципы реализации цвета при использовании этих моделей.

Модель

RGB (Red – красный, Green – зеленый, Blue – си-

ний) основана на аддитивном смешении (см. выше) трех назван-

ных цветов. Любой цветовой оттенок в этой модели представля-

ется тремя числами, каждый из которых отображает уровень ин-

тенсивности одного из этих цветов. Черный цвет образуется, ко-

гда интенсивность всех трех составляющих равна нулю, а белый

– когда их интенсивность максимальна

. Модель очень проста и

широко используется в телевизорах и компьютерных дисплеях.

Модель

CMYK (Cyan – голубой, Magenta – пурпурный,

Yellow – желтый, blасK – черный) – применяется в основном при

цветной печати (на типографском оборудовании, принтерах).

Модель построена на эффекте вычитания цветов. На бумагу на-

носится несколько слоев прозрачной краски. Каждый слой отра-

жает преимущественно свет одного из указанных (кроме черного)

цвета. Все остальные цвета в той или иной степени поглощаются

(или вычитаются). При нанесении

большего количества красок

разных цветов поглощается больше цвета и меньше отражается.

При полном отсутствии краски получается белый цвет (если но-

ситель белый). Смешение трех цветных красок в максимальном

количестве на практике не дает черного цвета. Его реально мож-

но получить только при использовании черной краски, поэтому в

модель добавлена черная

компонента.

Цвета модели CMYK тесно связаны с цветами модели RGB:

в последней голубой цвет образуется при поглощении красного,

пурпурный – при поглощении зеленого, а желтый – при погло-

щении синего.

В модели

HSV цвета описываются тремя числами. Одно за-

126

дает собственно цвет (или оттенок – Hue), другое – его насыщен-

ность (

Saturation), третье – яркость (Value). При увеличении на-

сыщенности цвет становится более сочным, при уменьшении –

блеклым. С уменьшением яркости цвет осветляется, с уменьше-

нием – темнеет; соответственно при нулевой яркости любой цвет

становится черным, при максимальной – белым. С этой моделью

часто работают различные программы, в дальнейшем преобразуя

цвета в модель RGB (для вывода изображения на экран) или

модель CMYK (для печати на принтере).

Отметим также, что в современных компьютерных дисплеях

модели RGB и HSV обеспечивают получение 16 777 216 оттенков

в цветовой палитре экрана.

Формат любого файла определяет конкретный способ коди-

рования содержащейся в нем информации. Существует множест-

во форматов для хранения графической информации. Многие

графические редакторы предлагают для сохранения рисунков ис-

пользовать

собственный формат. При работе с изображением в

таком редакторе целесообразно использовать предлагаемый фор-

мат (что удобно и весьма рационально). Вместе с тем, по завер-

шению работы может возникнуть необходимость сохранения

изображения в ином формате (например, для уменьшения объема

файла перед размещением его на сайте в Интернете или отправ-

кой по

электронной почте, что достаточно часто применяется для

растровых изображений). С этой точки зрения следует обратить

внимание на два широко используемых эля этой цели формата.

Формат GIF – растровый формат, использующий сильное сжатие

без потери качества. Основным его недостатком является ограни-

ченная цветовая палитра (всего 256 цветов), но для простых ри-

сунков, в которых не слишком много цветов, он вполне прием-

лем. Растровый формат

JPEG – применяется для рисунков, в ко-

торых имеется множество цветов. Формат допускает сильное

сжатие, но с потерей качества. Впрочем, соотношение степени

сжатия и уровня потерь качества формат позволяет варьировать.

Под

экспортом графики понимается преобразование ис-

ходного формата (в котором создавался рисунок) в другой фор-

мат (например, с целью уменьшения объема файла).

Импорт

127

графики – вставка в документ, обрабатываемый конкретным ре-

дактором, изображений, имеющих формат, отличный от того, с

которым работает редактор (с возможным последующим сохра-

нением всего документа в его исходном формате). При современ-

ном состоянии программного обеспечения ПЭВМ проблем при

таких операциях, за редким исключением, не возникает. Детально

обсудить вопросы экспорта и импорта

графики целесообразно на

практических занятиях по теме.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной

графики: Пер. с англ. – М.: Мир, 2001. – 604 с.

2. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики:

Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 512 с.

3. Порев В.Н. Компьютерная графика. – СПб.: БХВ-Петербург,

2004. – 432 с.

4. Шикин Е.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Полиго-

нальные модели. –

М.: Диалог-МИФИ, 2001. – 464 с.

5. Коцюбинский А.О., Грошев С.В. Компьютерная графика:

Практ. пособ. – М.: Технолоджи-3000, 2001. – 752 с.

МОБИЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Н.И.Трифонов, доцент

Введение. Прежде всего, следует отметить, что речь идет не

о ноутбуках и субноутбуках, работающих на тех же платформах,

что и настольные ПК.

В настоящее время понятие мобильный ассоциируется,

прежде всего, с мобильными телефонами. Однако наряду с мо-

бильными средствами связи в мировой информационной индуст-

рии чрезвычайно динамично развиваются и другие мобильные

направления. Действительно, первые модели карманных персо-

нальных компьютеров (КПК) фирмы Casio с операционной сис-

темой (ОС) Windows CE появились в конце 1996 г. и имели про-

цессор c частотой 16 МГц, а в начале века iPaq H3600 в значи-

128

тельно меньших габаритах имел процессор – 203 МГц и был за-

несен в книгу рекордов Гиннеса, а сейчас выпускаются КПК с

процессором 400 МГц и более. На Macworld Expo-

2001отмечалось, что развитие достижений в области компьюте-

ров и коммуникаций предлагают человеку новый стиль жизни –

цифровой («digital life stile era»). И в число набора устройств,

обеспечивающих этот стиль, входят и

мобильные информацион-

ные устройства, о которых говорилось выше. Уже в настоящее

время некоторые модели мини компьютеров имеют возможности

близкие к настольным ПК. По прогнозам число мини-

компьютеров возрастет с 75 млн. в 2001 году до 450 млн. в 2007

году, и их станет больше, чем настольных компьютеров и ноут-

буков.

Очевидно, что мобильные информационные устройства

яв-

ляются уникальным инструментом информационного обеспече-

ния общества, в том числе и в области образования.

Классификация мобильных информационных уст-

ройств.

К функциональным особенностям КПК типа PDA (personal

digital assistant – персональный цифровой помощник), Handheld

PC и Palm-size PC КПК относятся:

• мгновенный запуск и выключение в любое время не за-

крывая приложений;

• отсутствие механики и приводов;

• функционирование на твердотельной электронике – опе-

рационные системы и приложения прошиты в ПЗУ;

• крайне низкий расход энергии (особенно для моделей с

не цветным дисплеем), возможность работы 12 и более

часов в автономном режиме.

Разработанная классификация мобильных информационных

устройств приведена на рис. 1.

Карманные персональные компьютеры подразделяются

на два типа: бесклавиатурные (типа Palm-size), у которых вирту-

альная клавиатура может быть размещена на дисплее устройства,

и КПК, имеющие

клавиатуру.

Бесклавиатурные КПК имеют массу до 250 г. и размеры,

129

позволяющие размещать их в нагрудный карман. Они использу-

ют операционные системы Palm OS и Windows СЕ.

Клавиатурные КПК имеют массу до 500 г. (некоторые мо-

дели – 800-1200 г.), клавиатуру с достаточно большим шагом, что

позволяет осуществлять набор и редактирование материалов.

Они используют операционные системы Symbian ЕРОС и Win-

dows СЕ. Большинство клавиатурных КПК имеют встроенный

модем. Во всех

моделях имеются различные гнезда и разъемы

для подключения периферийных устройств, дополнительной па-

мяти и модемов. Все модели оснащены инфракрасным портом,

обеспечивающим обмен данными с ноутбуком, мобильным те-

лефоном и т.д.

Электронные книги – специально отформатированные

электронные документы, загружаемые на карманные компьюте-

ры или специализированные устройства, полноценно заменяю-

щие полиграфические книги. Существует

единая спецификация

на программный формат Open eBook Publication Structure

(http://www.openebook.org/

). Электронные книги позволяют вести

мгновенный поиск нужной информации (через механизмы индек-

сации), делать пометки на полях, использовать тысячи закладок.

RocketBook – книжный планшет компании NuvoMedia

RocketBook (http://www.nuvomedia.com/) это фактически один

большой дисплей с четырьмя экранными кнопками-

пиктограммами и линейкой прокрутки. Монохромный сенсорный

экран изготовлен по гибридной технологии, имеет большой угол

обзора и высокую контрастность

при любом освещении. Его раз-

мер 11,43х7,62 см, а разрешение составляет 106 точек/дюйм. Это

в полтора раза лучше, чем у ЭЛТ-монитора. Белая подсветка эк-

рана и низкое энергопотребление. Показатель контрастности

дисплея 30:1 с подсветкой и 25:1 на солнечном свету. Кнопка-

пиктограмма в левом верхнем углу дисплея является программи-

руемой, а по

умолчанию задает размер шрифта. В правой верхней

части сенсорного дисплея расположена пиктограмма, задающая

книжную или альбомную ориентацию документа на дисплее.

Справа внизу имеется пиктограмма навигации по книжной пол-

ке – для выбора одной из записанных в памяти книг (она же от-

130

крывает доступ к примитивным настройкам, например, интен-

сивности подсветки дисплея). Меню последней пиктограммы по-

зволяет устанавливать закладки, вводить комментарии, вести по-

иск по документу, получать доступ к встроенному словарю. На

левой рамке размещены две кнопки постраничной прокрутки.

Размер всего планшета 12,7х19х3,8 см. В стандартной поставке

планшет имеет 4 Мб флэш-памяти

(на 4000 страниц), из которых

800 Кб занимает системное ПО. Выпущена расширенная моди-

фикация книжного планшета с 16 Мб памяти, усовершенствован-

ной версией программы-посредника RocketLibrarian и кросс-

платформной совместимостью (IBM PC и Macintosh). Rocket

eBook Pro весит около 620 граммов и позволяет хранить чуть ме-

нее 20 тыс. страниц с текстом и картинками. Впервые в устройст-

во подобного класса внедрена

система распознавания рукописно-

го ввода Fonix's Allegro. Через последовательный порт с ПК на

планшет можно загрузить документы формата Word, HTML и

текстовые ASCII.