Računarska grafika Uvod 2. deo
Konceptualni okvir za interaktivnu RG Sledeći konceptualni model se može koristiti da prikaže skoro svaki interaktivni grafički softver Aplikativni model Aplikativni program Grafički sistem Softver ima tri komponente: aplikativni model aplikativni program grafički sistem 2
Aplikativni model (1) Aplikativni model reprezentuje objekte koji se prikazuju na ekranu sadrži podatke o objektima, njihove funkcije i relacije Aplikativni model obuhvata opise objekata relevantne za: prikaz (npr. geometriju objekta, boju) interakciju (npr. stanje selekcije ili stanje promene) negrafičke module (npr. funkciju objekta koja se računa u simulaciji) Modeli su specifični za aplikaciju i potpuno nezavisni od U/I uređaja Specifični modeli: geometrija se opisuje proceduralno (npr. fraktali) model je sama slika (npr. aplikacija za slikanje) dopušta se korisniku da postavlja i modifikuje pojedine piksele ne postoji eksplicitni model objekata bitmapa ili piksmapa u kojoj se crta predstavlja i aplikativni model 3
Aplikativni model (2) Model podataka može biti rudimentaran (niz tačaka u datoteci) kompleksan (hijerarhijska ili mrežna struktura, ili relaciona baza pod.) Model tipično smešta: primitive (npr. tačke, linije, poligoni) definišu oblik objekta atribute primitiva (npr. stil linije, boja ili tekstura) definišu osobine obj. relacije konektivnosti opisuju veze između objekata Objekti u modelu se mogu bitno razlikovati po učešću geometrije potrebne za njihovu specifikaciju: jedan kraj skale: "sve-je-geometrija" CAD alati za projektovanje sklopova drugi kraj skale: "nema-geometrije" demografski podaci o starosti stanovnika 4
Aplikativni program (1) Aplikativni program ima sledeće uloge: kreira, smešta u aplikativni model (AM), dohvata iz AM i menja objekte proizvodi pogled na AM (view), preko komandi grafičkom sistemu obrađuje korisnički ulaz (radi menjanja modela i pogleda na njega) Aplikativni program kreira aplikativni model na jedan od dva načina: a priori kao rezultat prethodnog računanja ili snimanja podataka tipčno za inženjerske ili naučne simulacije kroz interaktivnu sesiju, korisnik vodi proces konstrukcije korak po korak: bira komponente iz neke palete određuje vrednosti geometrijskih i negeometrijskih svojstava određuje relacije (geometrijske i druge) između komponenata traži da se prikaže izgled modela koji je kreirao do tog trenutka (ili se model automatski prikazuje pri svakoj izmeni) 5
Aplikativni program (2) Aplikativni program konvertuje opis dela modela koji treba prikazati iz interne reprezentacije geometrije i atributa (bilo da je ova eksplicitno smeštena u model ili se izračunava) u pozive funkcija (komande) koje grafički sistem koristi da kreira sliku Konverzioni proces koji obavlja aplikativni program ima dve faze: pretraživanje aplikativnog modela za izdvajanje objekata za prikaz formatiranje geometrije i atributa u format za grafički sistemu Kriterijumi izbora objekata za prikaz mogu biti: geometrijski po prirodi, na primer: deo modela za prikaz nakon pomeraja kamere (pan ili zoom operacije) slični tradicionalnom upitu u bazu podataka, na primer: sve aktivnosti posle 01. 01.2010. u dijagramu rasporeda aktivnosti 6
Grafički sistem (1) 7 Grafički sistem (GS) ima sledeće uloge: realizuje grafičke izlazne komande koje se odnose na: detaljni geometrijski opis objekata koji treba da se prikažu i atribute koji govore kako da se ti objekti prikažu prosleđuje komande korisnika sa ulaznih uređaja aplikativnom programu GS je međusloj između aplikativnog programa i hardvera prikazivača GS obavlja izlaznu i ulaznu transformaciju: izlaznu iz opisa objekata koje zadaje aplikacija u njihov prikaz ulaznu iz korisničke akcije u ulaz aplikaciji Veći deo programerskog posla projektovanje (stvaranje, izmenu, pretragu) modela i obrada interakcija Manji deo posla je stvaranje prikaza, jer to radi grafički sistem
Grafički sistem (2) 8 Podaci mogu biti opisani GS-u u terminima: primitiva koje sistem može direktno da prikaže i atributa koji upravljaju izgledom primitiva Primitive prikaza tipično odgovaraju geom. primitivama modela: 2D: linije, pravougaonici, poligoni, krugovi, elipse, tekst 3D: poligoni (u prostoru), poliedri, tekst Napredni GS (kao PHIGS+) podržavaju dodatne primitive: krive i površine definisane polinomima višeg stepena Ako model smešta geometrijske primitive koje GS ne podržava, AP mora da ih redukuje na one koje će sistem prihvatiti na primer, ako sfere i površine slobodnog oblika nisu podržane, AP mora da aproksimira takve površine pomoću mreža poligona Atributi prikaza odgovaraju onim smeštenim u AM ili izračunatim Primeri atributa: boja, stil i debljina linije, font teksta, transformacija
Grafički sistem (3) Napredni GS (kakav je PHIGS) podržavaju mogućnosti: za specificiranje geometrijskih transformacija skaliranje, rotacija, translacija za specificiranje projekcije 3D scene u 2D sliku za grupisanje logički korelisanih primitiva, atributa i transformacija grupisanje može biti i hijerarhisko (kompozicije) GS se tipično sastoji od skupa potprograma (funkcija) ili klasa može biti proceduralno ili objektno orijentisan Funkcije odgovaraju različitim primitivama i atributima pomoću njih AP specificira geometrijske primitive i atribute Funkcije su u biblioteci grafičkih potprograma ili paketu klasa mogu se koristiti iz viših jezika (npr. Pascal, C/C++, Java, C# ili LISP) Funkcije upravljaju prikaznim uređajem tako da ovaj prikaže sliku 9
Grafički sistem (4) Analogija sa operativnim sistemom: konvencionalni U/I sistemi koriste logičke U/I jedinice da zaštite programera od opterećujućih detalja hardvera i drajvera grafički sistem koristi logičke prikazne i ulazne grafičke uređaje Apstrakcija uređaja: izlaz logički prikazivač sa svojim (x,y) koordinatnim sistemom ulaz logički pokazivački uređaj, vraća (x,y) lokaciju na prikazivaču miš, grafički tablet, dodirni panel, 2D palica (joystick), ili kugla (trackball) AP dobija od GS podatke sa logičkog ulaznog uređaja Postoje dva režima komunikacije sa logičkim ulaznim uređajem: program povremeno uzorkuje ulazni uređaj (sampling) ili program čeka na događaj koji izaziva uređaj (event waiting) 10
Obrada interakcija (1) Tipična programska šema za upravljanje interakcijom: petlja za čekanje događaja (event-driven loop) Konačni automat sa centralnim stanjem čekanja i tranzicijama u druga stanja koje uzrokuju ulazni događaji Obrada korisničke komande može da ima ugnežđene petlje ugnežđene petlje imaju njihova vlastita stanja i tranzicije Alternativna programska šema za upravljanje interakcijom: uzorkovanje ulaznih uređaja i dohvatanje njihovih tekućih vrednosti Na osnovu komande korisnika, aplikacija može da menja: stanje aplikativnog programa pogled na model (sliku) aplikativni model (bazu podataka) 11
Obrada interakcija (2) Pseudokod petlje za čekanje događaja: Generisanje početnog ekrana na osnovu AM while (!quit){ omogućavanje izbora komandi; čekanje na izbor korisnika; switch (izbor) { obrada da se kompletira komanda ili obrada kompletirane komande uz ažuriranje stanja aplikacije, modela i/ili prikaza } } 12
Obrada interakcija (3) AP odgovara na korisnikove akcije na jedan od načina: korisnikova akcija zahteva samo da se ažurira slika na ekranu npr. isticanjem izabranog objekta ili omogućavanjem nekog menija aplikacija treba samo da ažurira svoje interno stanje i da pozove grafički paket da ažurira ekran korisnikova akcija zahteva promenu u modelu npr. dodajući ili brišući komponentu aplikacija mora da ažurira model i poziva grafički paket da ažurira ekran Pri ažuriranju ekrana na osnovu promene u modelu ekran se ažurira u celini ceo model se ponovo pretražuje da se iscrta slika ekran se ažurira selektivno uz pomoć sofisticiranih algoritama za inkrementalno ažuriranje 13
Obrada interakcija (4) 14 Interpretiranje korisnikovog ulaza je posao AP GS nije odgovoran za izmenu modela usled korisničke akcije GS samo prosleđuje ulazne podatke aplikaciji Paradigma petlje za čekanje događaja je ograničena dijalog korisnika i računara je sekvencijalan, ping-pong model alterniranja korisničkih akcija i reakcija računara Moderni jezici i biblioteke za razvoj grafičkih aplikacija sakrivaju od programera petlju za obradu događaja programiraju se rukovaoci za obradu događaja (event handlers) na primer, OnMouseClick, OnMouseMove i sl. Već se pojavljuju mogućnosti sa više paralelnih konverzacija, sa simultanim U/I koji koristi više komunikacionih kanala uz konvencionalnu interakciju još i glas, gestikulacija, mimika,... formalizmi za takve konverzacije još nisu dovoljno razvijeni
Počeci računarske grafike (1) Crtanje na uređajima sa trajnom slikom od ranih dana računarstva Tipični hardcopy uređaji: teleprinterski terminali i linijski štampači Whirlwind Computer razvijen 1950 na MIT: računarski upravljani CRT prikazivači papirne kopije snimljene kamerom Slike su uklonjene iz prezentacije 15
Počeci računarske grafike (2) Sredinom 50-ih razvijen sistem vazdušne odbrane SAGE prvi koji koristi komandne i kontrolne CRT prikazivačke konzole operatori identifikuju ciljeve pomoću svetlosnih pera Slike su uklonjene iz prezentacije 16
Počeci računarske grafike (3) Počeci interaktivne grafike: doktorat Ivana Sutherlanda (1963, Sketchpad sistem za crtanje, MIT) strukture podataka za smeštanje hijerarhija simbola jednostavna replikacija standardnih elemenata crteža kao plastični šabloni za crtanje tehnike interakcije koriste tastaturu i svetlosno pero za pravljenje izbora, ukazivanje i crtanje formulisao je fundamentalne ideje i tehnike koje se i danas koriste mnoge mogućnosti Sketchpad-a se nalaze u PHIGS grafičkom paketu Slike su uklonjene iz prezentacije 17
Počeci računarske grafike (4) Šezdesete proizvođači automobila i drugi shvataju potencijal: CAD (Computer Aided Design) i CAM (Computer Aided Manufacturing) za automatizaciju aktivnosti sa intenzivnim crtanjem Pionirski napori: sistem DAC (General Motors, 1964) za dizajn automobila sistem Digitek (Itek) za projektovanje sočiva pokazali korist grafičke interakcije u iterativnim ciklusima projektovanja Slike su uklonjene iz prezentacije 18
Počeci računarske grafike (5) Od sredine šezdesetih: više istraživačkih projekata i komercijalnih proizvoda ulaz/izlaz primarno u paketnoj obradi koristeći bušene kartice velike nade za proboj u interaktivnu komunikaciju korisnik-računar interaktivna grafika kao "prozor na računaru" grafika postaje integralni deo ciklusa interaktivnog projektovanja Slike su uklonjene iz prezentacije 19
Počeci računarske grafike (6) Interaktivna grafika je dugo ostala iznad mogućnosti većine korisnika koriste je samo tehnološki napredne organizacije Među razlozima su bili sledeći: visoka cena grafičkog hardvera (proizvodi se u malim serijama) prvi komercijalni računarski displeji koštali više od sto hiljada dolara inertnost programera da prihvate novu paradigmu grafika i interakcija su bili novi za FORTRAN programere dominantno orijentisane na paketnu obradu neportabilan softver, tipično pisan za poseban prikazni uređaj bez modernih principa softverskog inženjerstva za razvoj modularnih strukturiranih i objektno-orijentisanih sistema prelaz na nove prikazivače zahteva skupa prilagođenja postojećih programa nepostojanje grafičkih standarda 20
Počeci računarske grafike (7) Osamdesetih godina pojava grafički-orijentisanih PC Apple Lisa, IBM PC, Amiga, Atari,... dramatično oborena cena hardvera i softvera milioni grafičkih računara prodati kao aparati za kancelarije i kuće Slike su uklonjene iz prezentacije IBM PC-XT Apple Lisa Amiga A500 21
Dodatna literatura A Critical History of Computer Graphics and Animation http://design.osu.edu/carlson/history/id797.html 22