1.3. Графические стандарты

Обмен графической информацией между различными подсистемами реализуется как в программной среде, так и аппаратными средствами. При этом важно правильно выбрать формат записи данных, который должен обеспечивать минимальный размер файлов и сохранение точности графической модели изделия. Поэтому существует кодирование графической информации с помощью графических форматов.

Для записи графической информации используются два разных способа

– растровый – применяется при обработке и редактировании фотоизображений (сканер, камера и др.);

Растровый файл описывает изображение как совокупность точек (dots), число которых определяется разрешением, измеряемым в специальных единицах – dpi или dpc (число точек на 1 дюйм или на 1 см соответственно), Для цветных и полутоновых изображений определяется также «глубина цвета» – число двоичных разрядов, отводимых для хранения информации о цвете. Например, для изображений типа RGB глубина 24 разряда означает, что на каждый основной цвет (красный – R, зеленый – G, синий – В) отводится по 8 разрядов и можно закодировать 2²⁴=16 млн. цветов. Недостаток – большой объем файлов. Так, для растрового изображения с разрешением 1024×768 точек и 256 цветами требуется файл размером 768 кб. Поэтому в графических пакетах используются различные алгоритмы сжатия, что затрудняет преобразование растровых форматов.

– векторный – в системах автоматизированного проектирования и графических пакетах.

Векторный файл описывает изображение как совокупность простейших элементов (линия, ломаная, кривая Безье, эллипс, прямоугольник и т.д.). Для каждого задаются атрибуты: координаты вершин или характерных точек, толщина и цвет контурной линии, тип и цвет заливки и т.д. Кроме того, задается послойное расположение элементов относительно друг друга (сверху или снизу). Главное достоинство – малый размер и удобство редактирования. Недостаток – меньше скорость вывода векторных изображений, т.к. при их выводе на экран производится множество математических операций (проблема решается за счет использования графических ускорителей).

Есть целый ряд программ, переводящих графические данные из векторного формата в растровый. Обратный перевод является довольно сложной задачей и решается только в наиболее совершенных графических пакетах. Сложные проблемы возникают при преобразованиях одного векторного формата в другой. В настоящее время применяют несколько десятков форматов представления графических данных:

BMP-формат – реализует растровый способ представления графических данных и поддерживается любым Windows-приложением. Главная особенность – независимость от типа адаптера и монитора при кодировании цвета. Для сжатия данных используется алгоритм RLE (Run-Length Encoded), но размер файлов довольно большой;

CGM-формат (Computer Graphics Metafile) – класс «метафайлов», т. е. обеспечивает кодирование как векторных, так и растровых изображений. Достоинство – независимость от аппаратных и программных средств, что позволяет эффективно осуществлять обмен данными между различными программами и платформами. Для хранения чертежей и рисунков этот формат практически не применяется.

DXF-формат (Drawing eXchange Format) – является векторным и поддерживается практически всеми САПР и графическими пакетами, включая AutoCAD. В нем реализованы многие возможности, отсутствующие в других форматах, например хранение трехмерных объектов. Однако из-за сложности формата некоторые приложения позволяют только читать DXF-файлы, но не используют его при сохранении изображений.

EPS-формат (Encapsulated PostScript) – является как векторным, так и растровым способом записи графических файлов, которые представляет собой набор команд, выполненных интерпретатором языка PostScript при выводе изображения. Формат не зависит ни от операционной системы, ни от аппаратных средств. Однако программы, поддерживающие этот формат, часто не обеспечивают полной совместимости.

НPGL-формат (Hewlett-Packard Graphical Language) – векторный и является одним из основных для систем автоматизированного проектирования. Широко используется при выводе чертежей на плоттеры и принтеры.

IGES-формат (International Graphical Exchange Standard) – набор протоколов для передачи графических данных и вывода на экран. Используется в ряде CAD-приложений, оперирующих с трехмерными изображениями.

РСХ-формат – растровый. Первоначально использовался в программе PaintBrush, но постепенно получил широкое распространение в другим графических редакторах. Недостаток – зависимость от типа видеоадаптера. Здесь используется алгоритм сжатия RLE, позволяющий уменьшать размер файла на 40…70 %, если число цветов не превышает 16.

PICT-формат – класс «метафайл», кодирует как векторные, так и растровые изображения. Ориентирован на платформы типа Macintosh и их графические приложения. Ввиду сложности редко поддерживается приложениями, работающими на других платформах.

TIFF-формат (Tagged Image File Format) – класс растровых, обеспечивает переносимость графических файлов с IBM-совместимых компьютеров на Macintosh и обратно. Очень удобен, но приводит к очень большим размерам файлов (например, цветное изображение А4 при 300 dpi занимает около 40 Мб).

WMF-формат (Windows MetaFile) – класс «метафайлов», является аналогом формата PICT для оболочки Windows. Используется при обмене графическими данными между Windows-приложениями, поддерживается графическими программами, реализованными на ряде других платформ.

При организации обмена графической информацией в компьютерной графике различают несколько уровней графических стандартов (рис. 1.17). Эти стандарты обеспечивают связь между:

а) графическими утилитами и устройствами графического вывода;

б) прикладными программами и графическими утилитами;

в) различными САПР.

Для обеспечения связи между графическими утилитами и устройствами вывода наиболее часто используется стандарт VDI (Virtual Device Interface – интерфейс виртуального устройства), который сейчас переименован в CGI (Computer Graphics Interface – интерфейс компьютерной графики).

Наиболее распространенным стандартом, обеспечивающим связь между прикладными программами и графическими утилитами, является GKS (Graphical Kernel System – графическая корневая система). Иногда используется более ранний стандарт CORE, основные функции которого реализованы в GKS. Наиболее совершенным стандартом этого класса является PHIGS (Programmers Hierarchical Interface for Graphics – программистский иерархический графический интерфейс), описывающий сложные иерархические структуры графических данных, в том числе и трехмерные.

Д ля обеспечения связи между различными САПР используется ряд стандартов, наиболее распространенным из которых является IGES (Initial Graphics Exchange Specification – стандартный протокол обмена графической информацией). Здесь различные данные классифицируются тремя категориями: геометрия (точки, отрезки, дуги, плоскости и т. п.), аннотация (размеры, осевые линии, стрелки и т.п.), структура (геометрические группы, макроопределения и т.д.). Чтобы использовать IGES, любая САПР снабжается двумя программами – препроцессором и постпроцессором (рис. 1.18).

Международный стандарт GKS (Graphical Kernel System) принят в 1985 г., обеспечивает переносимость и совместимость программных средств машинной графики. Изображение строится из 6 типовых базовых элементов – примитивов вывода (рис. 1.19)

– полимаркер – используется для указания характерных точек на экране, которые отображаются в виде ярких точек, крестов, квадратов и т.д.,

– полилиния – представляет собой набор отрезков прямых (ломаную), соединяющую тленную последовательность точек,

– текст – это строка символов, располагающаяся в указанной позиции,

– заполнение области представляет собой многоугольник, заполненный штриховкой, узором или фоновой окраской,

– массив пикселей – позволяет задать цвет индивидуально для каждой точки некоторой области (пикселя),

– обобщенный примитив вывода – стандартное средство определения более сложных элементов (прямоугольник, эллипс и т. д.), вид и количество которых зависят от специфики конкретных графических пакетов.

GKS разделяет изображение на отдельные сегменты, которые могут обрабатываться и отображаться независимо друг от друга. Предусмотрены также средства для включения одного сегмента в другой.

При создании графической модели объекта и его изображения используются три типа систем координат – глобальная, нормализованная приборная и собственно приборная.

Ввод в GKS определяется как связь с одним из пяти допустимых логических устройств ввода:

ЛОКАТОР – выдает положение в глобальной системе координат;

ЗНАЧЕНИЕ – выдает значение числа;

ВЫБОР – выдает целое число, определяющее один из возможных вариантов ответа;

УКАЗАНИЕ – выдает имя сегмента и идентификатор примитива;

СТРОКА – обеспечивает ввод строки символов.

Ввод может происходить в одном из трех режимов:

запрос – аналогичен операции чтения языков программирования: система ожидает, пока не произошло событие ввода, после чего передает в программу соответствующее значение, допустимо наличие только одного запроса на ввод;

опрос – применяется для ввода от таких устройств, у которых на выходе постоянно существует какое-либо значение (например, положение указателя мыши);

событие – используется для ввода от устройств, инициирующих прерывания, которые запоминаются в очереди и обрабатываются в соответствии с очередностью обслуживания.

Появление GKS в качестве первого международного стандарта оказало существенное влияние на развитие машинной графики и ее применение в САПР.