Разработка технологических систем машинной графики

Дебелов, Виктор Алексеевич

Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка технологических систем машинной графики

доктора технических наук: Дебелов, Виктор Алексеевич
город: Новосибирск
год: 2003
специальность ВАК РФ: 05.13.11

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Разработка технологических систем машинной графики»

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологических систем машинной графики"

На правах рукописи

ДЕБЕЛОВ Виктор Алексеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ МАШИННОЙ ГРАФИКИ

05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 2003

Работа выполнена в Институте вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., профессор

Клименко Станислав Владимирович,

д.т.н., профессор

Пяткин Валерий Павлович,

д.т.н., профессор

Хабаров Валерий Иванович

Ведущая организация:

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, г. Москва

Защита состоится 3 марта 2004 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.06 в Новосибирском государственном техническом университете (630092, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан января 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

В.М. Чубич

¿aoa?

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Данная работа охватывает период около трех десятилетий, и на каждом из ее этапов актуальность решаемых задач соответствовала требованиям времени.

1. В конце 1960-х - начале 1970-х годов в нашей стране появились графические устройства (в основном иностранного производства) без технических и программных средств сопряжения с отечественными ЭВМ. Автоматизация вывода информации из ЭВМ в графическом виде многократно увеличивает производительность труда исследователей, но для ее обеспечения необходимо наличие на ЭВМ программных средств обработки и вывода в графическом виде результатов расчетов. Следовательно, на начало 70-х годов прошлого столетия актуальными были две проблемы: разработка технических и программных средств сопряжения графических устройств с отечественными ЭВМ (эта проблема в диссертации не рассматривается) и задача разработки систем для графического представления и вывода результатов научных расчетов (рассмотренная в диссертации) на отечественных ЭВМ (М-220, БЭСМ-б и др.), оснащенных системами автоматизации программирования (языки: Алгол-60, Альфа, Фортран и трансляторы с них).

Вывод графического представления результатов численных экспериментов (графической информации) непосредственно из ЭВМ (в режиме on-line) на графическое устройство резко уменьшал производительность ЭВМ (до скорости рисования графиков на графопостроителе), и для высокопроизводительных ЭВМ такой режим вывода графической информации нецелесообразен. Для решения этой проблемы, фирма Бенсон (Франция) например, разработала аппаратуру для считывания управляющих команд для графопостроителя с магнитной ленты (режим off-line). Вывод графической информации на магнитную ленту несколько, но не существенно, уменьшил зависимость производительности ЭВМ от наличия в программе графического вывода. Актуальной для высокопроизводительных ЭВМ и Вычислительных центров коллективного пользования (ВЦКП), оснащенных мощными вычислителями в единой сети, стала проблема разработки технологии, обеспечивающей вывод графической информации без уменьшения производительности ЭВМ. Таким образом, решение задачи разработки системы программной поддержки технологии и организации вывода графической информации в крупном вычислительном центре или ВЦКП становится определяющим условием эффективного (по крайней мере, с точки зрения владельца ВЦКП) использования графических устройств. Например, в 1977 году ВЦ СО АН СССР обслуживал не менее 1500 пользователей из институтов Новосибирского научного центра, получающих в среднем за месяц 3000 графиков общей длиной 30 км пути пера.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА 1 С Петербург

200^>К

ческими устройствами - в первую очередь производилось в конструкторских бюро и отраслевых институтах нашей страны. Проблемы их технического и программного обеспечения во многом совпадали с подобными проблемами в научных организациях, но имели особенности, связанные с производством, в частности:

- решение геометрических и графических задач в САПР,

- выпуск технической документации.

Во второй половине 1970-х годов актуальной становится задача разработки многофункциональных систем машинной графики для систем автоматизированного проектирования и АСНИ (как части решения отраслевых задач), включающих в себя средства геометрического моделирования рассчитываемых объектов и вывода расчетных данных в графическом виде как части документации по проектируемым изделиям. Актуальность исследований методов разработки систем машинной графики для САПР машиностроения в конце 1970-х и начале 1980-х годов для отечественных ЭВМ не вызывают сомнения, а сами исследования проводились в тот период большинством академических и отраслевых научных организаций нашей страны.

3. В конце 1980-х годов, к сожалению, в нашей стране произошла смена отечественной вычислительной техники на иностранную. Резкое ежегодное увеличение производительности ПЭВМ и рабочих станций создало необходимые предпосылки для рассмотрения проблем реализации и практического применения алгоритмов трехмерной графики. Широкое распространение вычислительной техники и ее применение непрерывно растущим кругом пользователей поставило задачу создания, в частности, графических систем мощных по их возможностям и простых для освоения. Стандартные профессиональные графические библиотеки трехмерной графики OpenGL и Microsoft DirectX требуют значительного времени для практического освоения. Актуальной (с середины 1990-х) становится задача исследований и разработки простого, с точки зрения освоения, но достаточно мощного, с точки зрения практических приложений, программного средства задания и визуализации динамических пространственных сцен.

Проблема визуализации пространственных сцен остается и на сегодняшний день сложной задачей, прежде всего, с точки зрения объема и времени вычислений. Задача разработки новых эффективных методов визуализации пространственных сцен актуальна и по сегодняшний день. Один из методов решения этой задачи предлагается в заключительном параграфе диссертации.

Цель работы заключается в исследовании и разработке принципов, подходов и методов построения программного обеспечения графического ввода-вывода информации из ЭВМ: научно-исследовательские расчеты, системы автоматизации проектирования, визуализация пространственных сцен. В соответствии с этими задачами были выполнены следующие исследования и разработки:

- исследование и разработка принципов построения системы математического обеспечения графического представления результатов вычислений, унифицированной для различных ЭВМ и систем программирования;

- исследование и разработка технологии хранения и вывода графической информации на графические устройства вычислительного центра коллективного пользования;

- исследование и разработка подходов и принципов построения на двухмашинных комплексах (главная ЭВМ для массовых расчетов, сателлит для формирования заданий и анализа результатов расчета: АРМ - автоматизированное рабочее место) многофункциональной интегрированной системы для САПР, обеспечивающей полный цикл проектирования и сопровождения изделий, включая построение геометрических моделей, выпуск чертежной документации и пояснительных документов, визуализацию исходных и расчетных данных;

- исследование и разработка методики изучения и применения стандартных систем построения и визуализации динамических пространственных сцен в повседневной практике;

- исследование и разработка алгоритмов фотореалистической визуализации пространственных сцен.

В основе методологии исследований лежит применение системного подхода, современных информационно-вычислительных технологий, методов объектно-ориентированного программирования. Один из основных используемых подходов - эволюционный - от создания прототипа к конечному продукту, т.е. через эксперименты и/или обратную связь с пользователем, получаемую во время опытной эксплуатации. При разработке алгоритмов использовались методы вычислительной геометрии, численные методы решения уравнения переноса, элементы теории графов и др.

Научная новизна представленной работы заключается в следующем:

1. Разработаны (1974 [2], 1976 [4], 1979 [8]) принципы построения системы математического обеспечения графического представления данных, заключающиеся в выделении следующих компонент системы:

- СУГВ - система управления графическим выводом,

- 1-й уровень - базовые графические средства (графический стандарт),

- 2-й уровень - прикладные графические алгоритмы (графики, поверхности, изолинии и т.д.).

Отметим, что в дальнейшем эти принципы развивались как отечественными, так и зарубежными исследователями, а виртуальное графическое устройство, впервые разработанное в нашей стране в рамках СУГВ, является прототипом графических стандартов, таких как СМ/СвМ.

2. Разработаны (1985 [14], 1986 [16, 17], 1988 [21]) принципы построения на двухмашинных комплексах многофункциональной системы машинной графики для САПР машиностроения, суть которых в следующем:

- независимость функциональных возможностей системы от операционной среды, в которой система должна быть реализована и эксплуатироваться;

- отделение геометрических и графических данных от алгоритмов и программ, которые их обрабатывают;

- независимость функциональных средств от специфики прикладных областей;

- общая база данных для хранения геометрических моделей и технической документации по проектируемым объектам;

- описание двумерных геометрических моделей проектируемых объектов (геометрическая и чертежная документация);

- описание трехмерных геометрических моделей проектируемых объектов (полиэдры и параметрические кривые и поверхности);

- программно-техническая подсистема (СПО ГД), обеспечивающая программирование распределенных прикладных программ на комплексе "главная ЭВМ - сателлит"

- программное средство подготовки документации, обеспечивающее форматирование текстов с математическими формулами, рисунками и таблицами, включающее один из первых в мире экранных редакторов математических формул (1987 [20]).

3. В развитие систем СМОГ и СМОГ-85 была исследована и решена (1987-1998 [31, 32], 2000 [36]) прикладная задача задания областей с криволинейной границей, состоящей из параметрических кривых Безье. Построен новый метод разбиения плоскости набором четырехточечных кривых Безье на подобласти, что позволило верифицировать задание области и построить ее характеристическую функцию как необходимое средство идентификации точек области. Эта методика .и программы были применены при решении задач математической физики для описания геометрии двумерных областей и построения сеток.

4. Исследована и разработана технология (1990 [25]) для создания графического интерфейса диалоговых прикладных программ в среде DOS ШМ PC, заключающаяся в представлении пользователю удобных и экономичных средств создания меню для управления процессом решения прикладной программы, в основу которой были положены принципы (подсистема СПО ГД системы СМОГ-85):

- отделение процесса проектирования диалогового графического интерфейса от расчетной части прикладной программы;

- применение подхода WYSIWYG (что вижу, то и получаю) - экранный редактор для планирования раскроя экрана и создания графических меню, прототип диалога;

- библиотеки программ ввода и вывода данных и работы с меню.

5. На основе анализа материалов и пособий по использованию системы MS DirectX для описания и визуализации динамических пространственных сцен разработана новая методика (в том числе программная реализация методики -система SmogDX/3D, 1999 [34, 35], 2001 [37]) изучения основ динамической

трехмерной машинной графики, достаточных для решения большинства практически важных задач.

6. Предложена и исследована (2001 [38], 2002 [39]) модификация метода обратной рекурсивной трассировки лучей визуализации пространственных сцен -метод световых сеток, позволяющий строить мягкие тени от точечных источников света и требующий меньшего объема вычислений по сравнению с объемом вычислений метода обратной рекурсивной трассировки лучей в случае большого количества источников света и/или большого размера изображения.

Практическая ценность

1. Система СМОГ была широко распространена в стране и установлена на отечественных вычислительных машинах, таких как ряд М-22х/БЭСМ-4, БЭСМ-6, ЕС и СМ ЭВМ, ДВК и других.

2. Система управления графическим выводом СУГВ для БЭСМ-6 разрабатывалась на оборудовании ВЦКП СО АН СССР и в течение двух десятилетий использовалась в качестве единственного модуля, отвечающего за технологический вывод графической информации, для систем СМОГ, ГРАФОР и других графических систем. Ее терминальный модуль, работающий на периферийных центрах (мини-ЭВМ) ВЦКП в институтах СО АН СССР, обеспечивал просмотр графического вывода задач непосредственно на рабочем месте исследователя. СУГВ обеспечивала вывод на такие специфические графические устройства как: а) СОМ-320 для получения более 200 графических кадров на одной микрофише, б) устройство микрофильмирования КАРАТ, обеспечивающего вывод машинных фильмов на 35мм кинопленку.

3. После ввода в ВЦ СО АН СССР в эксплуатацию ЕС ЭВМ СУГВ была реализована на этих машинах и обеспечила для пользователей все возможности, которые до этого были у них на БЭСМ-6: вывод и/или просмотр графики, получение микрофиш и компьютерных фильмов.

4. Система СМОГ-85 была положена в основу отраслевой системы машинной графики "Магистраль" для САПР машиностроительных изделий Миноборон-прома СССР. Функционирование системы осуществлялось на комплексе, состоящем из нескольких БЭСМ-6, нескольких ЕС ЭВМ и нескольких автоматизированных рабочих мест (типа АРМ-М и АРМ-Р), объединенных универсальной магистралью системного обмена УМСО (разработка ИАиЭ СО АН СССР). Система проектирования работала по технологии "главная ЭВМ - сателлит" и была построена на основе СПО ГД. Калининское НПО Центрпрограммсистем выпустило документацию по системе СМОГ-85 в соответствие с ГОСТами, зарегистрировало ее во Всесоюзном фонде алгоритмов и программ и распространяло систему в организациях страны, как целиком, так и отдельными подсистемами.

5. Технология разработки графического интерфейса VAD для интерактивных программ в DOS IBM PC использовалась в разработках ВЦ СО АН СССР, проводимых в рамках плановых работ и по хоздоговорам.

6. Система авторской подготовки текстов ФОРТ (а затем система DP для ШМ PC в DOS) использовалась в ВЦ СО АН СССР с 1983 по 1992 годы в делопроизводстве и при подготовке документации, статей, диссертаций, сборников научных трудов, пока не была заменена системами LaTeX и Word по очевидной причине - издательства и конференции стали брать тексты, подготовленные только в этих системах. Экранный редактор формул СЭРФ эксплуатировался дольше в связи с тем, что: а) ему не было альтернативы - формулы в текстовом процессоре Word появились позднее; б) в системе DP существовала утилита, обеспечивающая конвертирование описаний документов с языка системы ФОРТ/DP в язык LaTeX.

7. Система классов SmogDX опубликована в виде трех монографий, ее исходные тексты свободно доступны через интернет, либо высылаются читателям в ответ на их запросы по электронной почте. На ее освоение достаточно 5-6 лекций, она преподается в рамках курса по машинной графике на трех факультетах НГУ.

8. Библиотека БЕЗЬЕ для C/C++ (Windows, Mac), реализующая теоретико-множественные операции на плоскости над областями, ограниченными кривыми Безье 3-й степени, применяется для описания областей в расчетных задачах.

9. Метод световых сеток может быть достаточно просто встроен в существующие алгоритмы и системы синтеза изображений (RenderMan, 3Dstudio, Maya, инструментальные средства разработки мультимедийных приложений и др.). По сравнению со стандартной лучевой трассировкой он позволяет: а) ускорить и упростить процесс расчета теней; б) повысить реализм изображений за счет генерации мягких теней; в) ускорить расчет сцен, содержащих большое количество источников света и объектов, и/или при изображениях большого разрешения; г) интерактивно управлять процессом синтеза изображения. Метод световых сеток позволяет последовательно повышать качество изображения путем добавления дополнительных точек световой сетки в расчеты освещенности объектов сцены.

Личный вклад автора

1. Система СМОГ 1-ый уровень разработана коллективом под руководством А.Я. Куртукова, реализована в 1969 году для ЭВМ М-220 с графопостроителем Benson-121. Прототип системы для БЭСМ-6 был реализован автором диссертации на БЭСМ-Алгол в 1971 году. На основе результатов опытной эксплуатации автором совместно с C.B. Гориным, В.И. Дворжецом, А Л. Куртуковым была разработана архитектура системы для БЭСМ-6, реализация завершена к 1975 году. Подсистему управления графическим выводом СУГВ автор разрабатывал самостоятельно. Перенос СМОГ и СУГВ на ЕС ЭВМ осуществляли С.А. Упольников и В.И. Дворжец. Перенос на СМ-ЭВМ - Р.Н. Вильданов. Л.Ф. Васильевой выполнены все подключения нестандартных мафических устройств в ОС Д-68, ДИАПАК и ДИСПАК, обеспечена программная связь разнотипных ЭВМ в универсальной магистрали системного обмена УМСО.

2. Система СМОГ 2-ой уровень разработана автором совместно с C.B. Гориным, В.И. Дворжецом.

3. СПО ГД (программирование комплекса "главная ЭВМ - сателлит") разработана совместно с A.M. Мацокиным, А.И. Чубаревым. В реализации сател-литного обеспечения участвовали Р.Н. Вильданов и В.И. Торшин. Автору принадлежит определяющий вклад в разработку концепции системы и протокола межмашинного обмена.

4. Перенос системы СМОГ на Burroughs-6700, Labtam-3215/FS, IBM-PC (DOS и Windows) осуществлялся автором с помощью С.А. Плеханова, Ю.А. Ткачева, A.B. Русскова, К.К. Дурнецова, П.В. Горана, С.И. Купряхина.

5. Система СМОГ-85. Общая концепция системы разрабатывалась совместно с A.M. Мацокиным. В реализации автор руководил разработкой компонент СМОГ, СПО ГД (реализация с А.И. Чубаревым, В.И. Торшиным, Р.Н. Вильдановым), БАЗАД (с Н.С. Шуптой), ФОРТ (с С.А. Плехановым), а также выполнил ряд работ по программированию алгоритмов визуализации в компоненте СПЕЙС.

6. Библиотека БЕЗЬЕ. Автор разработал программный интерфейс и участвовал в разработке алгоритмов и реализации программ наравне с A.M. Мацокиным и С.А. Упольниковым.

7. SmogDX. Системная часть разработана совместно с Ю.А. Ткачевым, который также реализовал двумерную графику. Часть, относящаяся к трехмерной графике - SmogDX/3D, принадлежит автору.

8. Алгоритмы реалистической визуализации разрабатывались автором и коллективом его магистрантов и аспирантов: И.М. Севастьяновым (метод световых сеток), Д.В. Мальдоном, Е.В. Париловым, O.A. Кимом, С.А. Саттаровым.

В 1986 году автору была присуждена бронзовая медаль выставки ВДНХ СССР за разработку программного обеспечения (графическая система авторской подготовки документов ФОРТ). В 1988 году вместе с коллективом разработчиков системы СМОГ-85 автор получил диплом 3-й степени на конкурсе прикладных работ Сибирского отделения АН СССР. В 1988 году в составе другого коллектива автор получил Государственную премию СССР в области науки и техники за разработку и реализацию алгоритмов научной визуализации. Разработка библиотеки БЕЗЬЕ (1998 год) и разработка системы SmogDX (1999 год) вошли в годовые отчеты ИВМиМГ СО РАН в качестве важнейших результатов института. Разработка метода световых сеток для лучевой трассировки отмечена как важнейшее достижение в годовом отчете Сибирского отделения РАН (2001 год).

(Боржоми, 1980), Ш школа-семинар "Интерактивные системы" (Боржоми, 1981), Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики (Новосибирск, 1981), Всесоюзное совещание по интерактивным системам проектирования (Москва, ИЛУ, 1981), Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики и цифровой обработке изображений (Владивосток, 1985), Международная конференция по машинной графике (ЧССР, Смоленице, 1986), Всесоюзная школа-семинар "Информатика и интерактивная компьютерная графика" (Цахкадзор, 1987), 4-я Всесоюзная конференция по машинной графике (Серпухов, 1987), 13-я школа "Программирование" (Болгария, Варна, 1988), Всесоюзная конференция по машинной графике (Новосибирск, 1989), Международная конференция по визуальному анализу и интерфейсу VAI-91 (Новосибирск, 1991), Международные конференции Графикон'94, Графикон'96, Графикон'97, Графикон'98, Графикон'99, Графикон'2000, Графикон'2001, Графикон'2002, АНИГРАФ-98 (Москва, 1998), Международные конгрессы по индустриальной математике INPRIM (Новосибирск, 1998, 2000), International Conference on Computer Science (Амстердам, 2002), международный семинар "Virtual environments on PC clusters" (Протвино, 2002).

Основания для выполнения работ

Все работы, представленные к защите, выполнялись в соответствии с планами Института, Государственными программами, хоздоговорами по темам: "Пакет программ для вывода информации из ЭВМ на графические устройства" (Per. 76051923, 1974-1980гг.), "Разработка математического обеспечения устройств графического ввода-вывода" (Per. 76093229, 1976-78гг.), "Математические методы и программное обеспечение решения трехмерных графических задач на ЭВМ" (Per. 81032953, 1981-85гг.), Государственная научно-техническая программа 0.80.03 "Создать новые и развить действующие системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) в народном хозяйстве", задание 09.14.А "Создать и ввести в эксплуатацию в ВНИИПАС программно-технический комплекс для проектирования объектов машиностроения на базе локальной сети ЭВМ высокой производительности, персональных ЭВМ и профессиональных рабочих станций интерактивной графики" (1986-90гг.), "Математические методы трехмерной машинной графики" (Per. 0186.0125723, 1986-95гг.; Per. 01.9.30001314, 19961999гг.), "Разработка методов декомпозиции решения краевых задач и аппроксимации функций" (Per. 01.20.0004754,2000-2002гг.); Государственной научно-технической программе "Перспективные информационные технологии" (проекты № 242 - 1992г., № 1054 - 1995г., № 1239 - 1997г.). Дополнительно разработка алгоритмов реалистической визуализации пространственных сцен поддерживалась грантами РФФИ 96-01-01758 "Синтез реалистических изображений пространственных сцен" и 99-01-00577 "Моделирование фотореалистических изображений методами декомпозиции", которые выполнялись под руководством автора. Развитие библиотеки БЕЗЬЕ осуществлялось при поддержке РФФИ по гранту 99-07-90422ск (руководитель академик А.С. Алексеев).

Публикации: основные публикации по теме диссертации включают 42 наименования, приведенные в конце автореферата.

Объем и структура работы

Диссертация общим объемом 260 страниц содержит 209 страниц основного текста, списка литературы из 192 наименований, включает 36 рисунков и 9 таблиц (без учета приложений), состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений, которые содержат рисунков и пояснения к ним.

Содержание работы

Во введении рассматривается кратко история разработки графических систем, актуальность поставленных и решенных в диссертации задач. Дается краткий реферат содержания диссертации по главам.

Глава 1. Системы графического вывода

Данная глава посвящена разработкам системы математического обеспечения графопостроителей СМОГ и системы управления графическим выводом СУГВ и охватывает исследования и разработки, выполнявшиеся в период с 1969 по 1990 годы.

В 1969 году в ВЦ СО АН СССР были закуплены графопостроители (ГП) фирмы Бенсон (Франция). Отечественные ЭВМ (М-220 и БЭСМ-6) не имели штатных устройств графического вывода (УГВ) и в их конструкции даже не была заложена техническая возможность их подсоединения. Конечно, в первую очередь необходимо было разработать техническое сопряжение ЭВМ с УТВ. В ВЦ СО АН СССР на М-220 необходимое инженерное решение было сделано раньше, а на БЭСМ-6 требовалось разработать еще и решение на уровне операционной системы (тогда это была Д-68). Другими словами, встала задача разработки математического обеспечения графического вывода.

В первом параграфе главы рассматривается задача построения системы математического обеспечения графопостроителей (ГП) для вывода из ЭВМ результатов расчетных задач в графическом виде. В 1971 году в ВЦ СО АН СССР на ЭВМ М-220 был сдан в эксплуатацию 1-ый уровень системы СМОГ, разработанный коллективом под руководством А.Я. Куртукова и обеспечивающий вывод графической информации на ГП в режиме on-line. В связи с тем, что обслуживалось только одно устройство графического вывода (УГВ), то драйвер-ный уровень СМОГ М-220 включал только одну процедуру БУФЕРфс, Ndir), которая просто копировала язык обслуживаемого одноперьевого шагового ГП БЕНСОН-120. Здесь Nc - номер (идентификатор) команды, a Ndir - значение. Смена пера осуществлялась оператором вручную, о чем ему сообщала система СМОГ.

В 1971 году на БЭСМ-6 автором был реализован прототип СМОГ-БЭСМ (получивший рабочее название СМОГ Б1) на системе БЭСМ-Алгол и автокоде ИТМиВТ АН СССР М.Г. Чайковского. При разработке прототипа СМОГ-БЭСМ автором были сделаны изменения в системной организации по сравне-

нию с вариантом СМОГ для М-220. Функциональная нагрузка на процедуру Буфер была значительно увеличена - теперь она скрывала от остальной части системы многие различия между УГВ [2,3].

Система реализовывалась в виде двух стандартных программ (СП, вызываемых по экстракоду 066). Одна СП - это 1-ый уровень СМОГ, вторая СП БУФЕР -это система каналов графического вывода или СУГВ. Для всех языков программирования разрабатывались комплексы процедур-фантомов для языковой привязки к СП СМОГ (см. рис. 1). В 1974 году реализация 1-го уровня СМОГ-БЭСМ была завершена [2,4].

Рис. 1. Схема 1-го уровня СМОГ-БЭСМ

В 1969 году Ю.А. Кузнецовым перед разработчиками была поставлена задача: разработать и реализовать алгоритмы изображения расчетных данных в виде графиков, изолиний, поверхностей [1] и векторных полей. Первое решение этих задач было выполнено автором совместно с C.B. Гориным и В.И. Дворжецом на языке АЛЬФА для ЭВМ М-220. На основе этих алгоритмов был создан 2-ой уровень СМОГ на алгоритмических языках АЛЬФА, Алгол, Фортран, С.

Последний пункт параграфа посвящен вопросу переноса системы на М-220/БЭСМ-4, ЕС и СМ ЭВМ, ДВК, Электроника-хх, Burroughs-6700, Labtam-7215/FS, IBM PC DOS и Windows [14, 15, 23,24, 41].

Второй параграф главы посвящен Системе Управления Графическим Выводом (СУГВ). В каждой графической программной системе (ГПС) можно выделить некоторый драйверный уровень, который предоставляет более высоким уровням некоторый набор графических примитивов для описания графического результата и средств управления графическим выводом. В связи с тем, что на ВЦ действовала и совершенствовалась дисциплина выделения машинного времени и пропуска задач, необходимо было развивать технологию прохождения задач с графическим выводом, обеспечивающую решение задач, использующих различные ГПС: СМОГ, ГРАФОР, ГРАФАЛ. Поэтому автором от СМОГ был отчужден уровень виртуального устройства графического вывода (СП БУФЕР), который должен был решать следующие две основные задачи [7, 8]:

1. Служить драйверным уровнем для всех графических программных систем на конкретной платформе и скрывать от них конкретику функционирования и особенности системы команд реальных УГВ вычислительного комплекса.

2. Обеспечивать единую технологию вывода графической информации на вычислительном комплексе независимо от ГПС, породившей ее.

Рассмотрим состояние на 1975 год. Задача разработки СУГВ решалась на вычислительном комплексе ВЦ СО АН СССР, который обслуживал около 1500 пользователей из 140 организаций. В сутки около 1200 запусков задач. Из них значительная часть использовала графический вывод. На рис. 2 представлен вычислительный комплекс, который включает:

Рис. 2. Конфигурация аппаратных средств. Пунктирные линии указывают на перенос СМЛ оператором

• Три ЭВМ БЭСМ-6 с общей памятью на магнитных дисках.

• К двум БЭСМ-6 подключены специальные магнитофоны, через которые осуществляется передача графики на УТВ. С МЛ - специальная магнитная лента, которая может содержать несколько отдельных графических страниц или кадров.

• К третьей БЭСМ-6 непосредственно подсоединено устройство микрофильмирования УМКФ КАРАТ, осуществляющее вывод на 35мм кинопленку.

• Три графопостроителя фирмы БЕНСОН, оснащенные декодерами СМЛ.

• Фотопостроитель (ФП) фирмы БЕНСОН, оснащенный декодером СМЛ, осуществляет вывод слайдов на фотопленку.

• Устройство СОМ-320 фирмы БЕНСОН, оснащенное декодером СМЛ, осуществляет вывод на микрофиши.

Второй набор исходных данных к задаче строился на основе анализа графических систем ГРАФОР, ГРАФ АЛ, Комплекса номограмм ВЦ АН СССР, системы фирмы БЕНСОН и др. Язык СУГВ, как виртуального УГВ, должен быть не беднее набора графических примитивов, используемых в этих системах. Как и в СМОГ, он был ограничен отрезками прямых. Каждая из систем имела в своем составе библиотеку знаков (с точностью "до штриха"), которые строились в виде набора отрезков.

На основе этого разнообразия была создана модель виртуального УГВ, основные "технические" характеристики которого следующие:

• Рабочее поле - это прямоугольная матрица прямоугольных кадров. Например, микрофиша - это 14 строк по 16 кадров с текстом и графикой. Графопостроитель - рабочее поле состоит из одного кадра.

• Кадр с точки зрения встроенного текстового знакогенератора - это матрица литерных площадок. Знакогенератор может выводить знаки нескольких типоразмеров. Матрицы - разные для разных типоразмеров, если их несколько. В основе лежит микрофиша. Если был текстовый генератор, то мог применяться только в таком матричном виде - аналог АЦПУ, например, на КАРАТе.

• Кадр (графический) - это прямоугольное рабочее поле. Максимальный формат АО для графопостроителя, и формат 200x150 мм для остальных устройств. Такое решение для электроннолучевых устройств оказалось очень удобным в эксплуатации. Во-первых, каждое устройство, выводящее информацию на фотопленку, дублировало рисунок на контрольный дисплей, имеющий примерно эти размеры. Во-вторых, пользователи могли применять бумажные эскизы или макеты такого размера.

• Система координат - прямоугольная с миллиметром в качестве единицы по осям. Хотя все УГВ были шаговыми, но шаги были разные: 0.1, 0.05 мм и другие. Координаты представлялись вещественными числами.

• Отсутствие клиширования выводимой информации. Эта задача уже решалась на уровне графических систем и было бы нерационально повторять достаточно дорогостоящие вычисления.

• Основные примитивы или команды виртуального УГВ: Начать работу, Закончить работу, Новый кадр. Лист, Начало сегмента, Конец сегмента, Вывод сегмента, Выбор инструмента, Активировать инструмент, Деактивировать инструмент, Вектор, Установить АЦ резким, АЦ строка, Расширение.

Прикладная программа

СМОГ 1

ГРАФОР

Другая графическая

система

Оператор

Устройства

Рис. 3. Общая схема системы каналов вывода (СП БУФЕР)

Примитив Начать работу имеет параметры, которые содержат сведения о пользователе, кому принадлежит этот результат, и о графической системе, через которую осуществляется вывод. И некоторая специфическая для БЭСМ-6 информация. Два ресурсных параметра: общий путь пера (инструмента) в метрах и число кадров. СУГВ обеспечивала их контроль так же, как операционная система следила за ресурсом заказанного времени счета или метрами бумажной выдачи на АЦПУ. Это позволяло избегать зацикливания в задачах. Служба пропуска задач использовала этот параметр для того, чтобы сбалансировать выделение услуги графического вывода, поскольку в противном случае один студент по ошибке мог загрузить всю службу УГВ.

Языковая привязка СУГВ выполнена таким же образом, как и языковые фантомы СМОГ (см. рис. 3). Далее в тексте параграфа рассматриваются особенности программных каналов вывода [8], разработанных для различных графопострои-

телей, фотопостроителя, устройства микрофильмирования [6], устройства вывода на микрофиши. Особо рассмотрен универсальный канал накопления (УКН), который складывал весь графический вывод в виде графических метафайлов в технологический архив на магнитном диске. После его приемки в эксплуатацию такой ресурс, как УГВ, перестал быть препятствием для высокой оборачиваемости задач. После появления дискового архива и ввода в эксплуатацию терминальной сети С УГВ функционирует для поддержки технологии графического вывода СУГВ и для поддержки диалоговой работы пользователей. Окончательная структура СУГВ показана на рис. 4.

Рис. 4. Структура СУГВ при наличии буферизации

Модуль СЕРВГП поддерживал работу операторов УГВ, а модуль User позволял пользователям узнавать прохождение их графического вывода, переписывать метафайлы с результатами на свои носители, вставлять их во вновь формируемые рисунки. В дальнейшем модуль User был перенесен на мини-ЭВМ периферийных узлов ВЦКП СО РАН сотрудниками бюро Б.С. Новоселова ГПВЦ СО АН СССР.

В заключении по главе отмечается, что многие решения, сделанные при разработке СУГВ, были найдены автором самостоятельно:

• Модель виртуального графического устройства. К необходимости в CGI (computer graphies interface) и CGM (computer graphies metafile) за рубежом пришли, в основном исходя из требований портабильности прикладных графических программ. Как правило, зарубежные вычислительные центры оснащались однотипным оборудованием, что откладывало актуальность дан-

ной задачи. В вычислительном комплексе ВЦ СО АН СССР мы сразу в начале разработки должны были разрабатывать систему для совершенно разных УГВ, функционально и по системе команд.

• Графические метафайлы. Их разработка была естественным решением для поддержки технологии в условиях крайнего дефицита машинного времени.

• Сегментированный формат. Это средство было разработано, исходя из анализа фильмовой информации.

• СУГВ в целом была первой отечественной системой поддержки технологии графического вывода, которая комплексно решала такой объем задач (см. табл. 1) в рамках крупного ВЦ а затем и территориального ВЦКП.

Таблица 1.

Статистика графического вывода на (только) графопостроители в ВЦ СО АН СССР, собранная Н.В. Кульковым

Год Месяц Длина пути пера(м) Количество кадров Количество кадров в сутки Средняя длина пути для одного кадра

1977 Август 24379 3596 116 6.77

Сентябрь 33573 2985 100 11.24

Октябрь 31221 2348 78 13.29

Ноябрь 32489 2752 95 11.80

Декабрь 19558 1654 103 10.96

1978 Январь 22575 2436 128 9.27

Февраль 25135 2215 106 11.35

Март 28629 2421 127 11.82

Апрель 39685 3640 130 10.90

Глава 2. Многоцелевая система машинной графики СМОГ-85

В ВЦ СО АН СССР к 1979 году были завершены основные работы по созданию систем машинной графики первого поколения: разработка технологической системы управления графическим выводом СУГВ, перенос системы СМОГ на машины типа ЕС и АСВТ, ряд исследований и разработок автора в области графического диалога [5, 9]. Таким образом, была создана определенная системная база, но, учитывая научно-технические и хоздоговорные связи с организациями науки и промышленности, перед нами встала задача развития функционального наполнения систем для геометрической и графической поддержки АСНИ и САПР. Это было время двухмашинных комплексов: в качестве главной ЭВМ брались БЭСМ-6 или ЕС, а сателлит - мини-ЭВМ с графическими дисплеями (или АРМы).

Автор диссертации вместе с А.М. Мацокиным разработали основные принципы построения многоцелевой интегрированной системы машинной графики: был определен ее состав и поставлены задачи, которые должны были решаться отдельными компонентами. После реализации система называлась СМОГ-85 [14,16,17,21].

В первом параграфе главы описывается структура системы СМОГ-85, в которой выделено 6 основных компонент, которые могли использоваться автономно или в комплексе, как в пакетном режиме, так и в режиме графического диалога на двухмашинном комплексе. При разработке системы мы опирались на следующие принципы:

- независимость функциональных возможностей системы от операционный среды, в которой система должна быть реализована и эксплуатироваться;

- отделение геометрических и графических данных от алгоритмов и программ, которые их обрабатывают;

- независимость функциональных средств от специфики прикладных областей.

Часть пакетов - специализированные (СМОГ, ГРАФИТ, СПЕЙС, ФОРТ), т.е. предназначены для решения конкретного класса задач, а остальные (БАЗАД, СПО ГД) создают операционную среду для функционирования специализированных пакетов. Отметим основное отличие от постановки задачи при разработке системы СМОГ-БЭСМ. Тогда ставилась задача обеспечить графикой всех пользователей, т.е. дать графические средства во всех системах программирования. Здесь был выбран единый язык программирования Фортран, имеющийся на всех платформах, для которых разрабатывалась система.

Во втором параграфе описывается пакет для управления внешней памятью и работы со структурой данных БАЗАД [14,17,42]. Основная задача при его создании - (Обеспечение фортран-программ платформенно-независимыми средствами динамического образования внешних динамических массивов с прямым доступом к их элементам. Ее решение повлекло за собой разработку всего комплекса вопросов, связанных с хранением информации во внешней памяти и доступом к ней. ПП БАЗАД разрабатывался, в первую очередь, с учетом стоящих перед нами задач из области машинной графики и вычислительной геометрии. По своей сути это не СУБД, а скорее, аналог файловой системы. Дело в том, что на момент разработки не было общепризнанной СУБД, более или менее удовлетворяющей различным требованиям разработчиков программных средств машинной графики. Это было видно и на примере международного графического стандарта ГКС, в котором имелись только понятия графического сегмента и метафайла, т. е. линейные структуры, но не специфицировались структуры хранения.

Основным понятием ПП БАЗАД является виртуальная внешняя память (ВП) -это набор данных прямого доступа на ЕС ЭВМ или БЭСМ-6. Для ее организации и работы с ней используются стандартные средства операционной системы. ВП строится как коллективная, что важно при создании баз данных в рамках

интегрированных САПР. Единицей измерения информации выбран байт. На уровне ВП выделено понятие области - динамический байтовый массив. В ПП БАЗАД введено понятие ВПОЗУ - виртуальная внешняя память, которая моделируется на оперативной памяти. Использование ВПОЗУ вместо ВП удобно в том случае, когда общий объем динамически возникающих массивов достаточно мал, меньше, чем объем доступной оперативной памяти, особенно в тестовых расчетах.

Дополнительно ПП БАЗАД позволял организовать на ВП иерархическую структуру данных. Основные понятия структуры данных - объект и куст. Данные размещаются в оперативной (обязательно) и во внешней (не обязательно) памяти ЭВМ. Откачка и подкачка при необходимости осуществляются автоматически, но могут выполняться и принудительно.

Заметим, что аналогичные задачи, связанные с архивами и внешней памятью, решались и другими коллективами, например, СУБД ИКАР ИПМ АН СССР, иерархическая СУБД ИАиПУ ДВНЦ АН СССР и другие.

Третий параграф посвящен компоненте СМОГ. Здесь за основу был взят фор-транный вариант системы (СМОГ-Ф), разработанный автором при ее переносе на ЭВМ Вшто1щЬз-6700 (1981г.). СМОГ обеспечивал вывод информации в графическом виде из пакетов ГРАФИТ и СПЕЙС, формирование графических сегментов для организации диалогового режима работы и нес обычную нагрузку визуализации научных данных. В отличие от других пакетов СМОГ-Ф является одномашинным и служит для описания графических изображений как на главной ЭВМ (БЭСМ-6 или ЕС), так и на сателлите (М-400, СМ ЭВМ) - СМОГ-СМ [15]. В рамках этого варианта совершенствовались средства визуализации научных данных, в основном - это графические представления трехмерных объектов. Одним из основных алгоритмов был алгоритм 2-го уровня СМОГ [I], реализованный с учетом новых изобразительных возможностей устройств. Эти средства применялись в пакете СПЕЙС и ряде других разработок [22,26,27, 30].

В четвертом параграфе рассматривается компонента СПО ГД - инструментальные средства программирования распределенных программ для двухмашинного комплекса, состоящего из главной ЭВМ (БЭСМ-6 или ЕС) и сопряженного с ней сателлита (АРМ на основе СМ ЭВМ) [10, 11, 15, 18]. Известны два основных подхода к разработке распределенного графического программного обеспечения для таких конфигураций: фиксированный и программируемый. При первом подходе функции сателлита определяются и фиксируются в самом начале разработки, например, графический протокол (Спрулл и Томас, 1974) или станция ГКС (180/Е)187942, 1981). Программирование новых функций возможно только на центральной ЭВМ. Разработчик программного обеспечения сателлита имеет определенную свободу, но только в рамках фиксированной функциональности, известной для главной ЭВМ. При втором подходе функциональное расширение программного обеспечения возможно и на сател-

лите. В системе СМОГ-85 был выбран второй подход, что согласовывалось с общей тенденцией интенсивного роста вычислительной мощности сателлитных мини-ЭВМ. Большое влияние на разработку СПО ГД оказала экспериментальная исследовательская разработка (Van Dam, 1973), обеспечивающая крайнюю виртуализацию и приспособляемость системы не только к конкретной приборной конфигурации, но и к текущей загрузке процессоров комплекса.

Пакет СПО ГД предоставляет инструментальные средства создания и операционную среду для поддержки функционирования распределенных программ. Основные понятия в СПО ГД - это одномашинный (1М-) или двухмашинный (2М-) модули. 1М-модуль - это комплект подпрограмм (или отдельная подпрограмма), написанный на языке Фортран и выполняющий некоторую функцию по обработке данных на одной из ЭВМ конфигурации - сателлите или центральной. 2М-модуль также является комплектом подпрограмм на Фортране, состоящим из нескольких компонент, расположенных на разных ЭВМ и взаимодействующих между собой. Считается, что компоненты 2М-модуля строятся с использованием библиотек 1М-модулей. В основе всего пакета лежит программное обеспечение (ПО) связи, позволяющее формировать и передавать данные с одной ЭВМ на другую. Совместно с ПО связи реализовано ПО запуска компонент 2М-модулей, которые реализует довольно простой логический протокол. На уровне ПО связи используется модель канала, в которой обеспечивается передача по одному примитивному элементу данных: целое, вещественное числа, текстовая и байтовая строки, примитивы начала и конца передаваемых данных. Другими словами, на уровне входного языка ПО нет технических деталей, таких как квантование сообщения на порции, передача квантов, поддержка правильности передачи по каналу. Типы данных, передаваемых по каналу, соответствуют тем, с которыми обычно работают фортранные программы. ПО связи обеспечивает фортранный интерфейс между ЭВМ, необходимые преобразования машинных представлений данных осуществляются непосредственно в ПО.

Таким образом, нижний уровень СПО ГД симметричен и, в принципе, может применяться для связи между двумя СМ ЭВМ либо между БЭСМ-6 и ЕС при наличии соответствующего технического сопряжения. Верхний уровень пакета СПО ГД опирается также на средства пакетов БАЗАД и СМОГ для описания и архивации графических сегментов изображения. Функциональное расширение СПО ГД осуществляется за счет разработки дополнительных 2М-модулей на основе средств ПО связи и запуска. Пакет СПО ГД построен таким образом, что его эксплуатация возможна на АРМ-Р или АРМ-М без учета сопряжения с другими ЭВМ.

В целом различные компоненты пакета СПО ГД можно было использовать в следующих режимах:

• пакетная обработка - для подготовки базы данных графических сегментов в виртуальной памяти ВП при помощи пакетов БАЗАД и СМОГ на центральной ЭВМ, либо на сателлите через графический редактор;

• центральная - двухмашинная работа, инициатором заданий выступает центральная ЭВМ, а сателлит выполняет запрошенные функции обработки данных, при выполнении которых диалог с человеком возможен, но не обязателен;

• терминальная - двухмашинная работа, инициатором заданий выступает сателлит, а центральная ЭВМ выполняет запрошенные функции обработки данных. Обычно предполагается, что сателлит управляется человеком.

Возможен переход от центральной обработки к терминальной и наоборот.

В заключение отметим, что компоненты 2М-модулей на разных ЭВМ комплекса исполняются параллельно, моментами синхронизации являются моменты обмена информацией. Эта характеристика СПО ГД позволяет пользователю во время выполнения на центральной ЭВМ очередного задания заниматься на сателлите какой-либо локальной обработкой данных. Специальная индикация позволяет определить момент, когда центральная ЭВМ запрашивает разрешение на обмен.

Пятый и шестой параграфы посвящены компонентам (или пакетам программ) геометрического моделирования плоских и трехмерных объектов.

Специализированный пакет программ ГРАФИТ системы СМОГ-85 предназначен для описания и корректировки геометрических моделей плоских объектов и выпуска чертежно-графической документации. Работа конструктора на основе применения IIII ГРАФИТ может выполняться в следующей последовательности:

• Формирование геометрической модели плоского объекта (чертежа). Пакет ГРАФИТ предоставляет также средства вычисления ряда геометрических характеристик, таких, как расстояние, площадь, центр тяжести и Другие.

• Превращение геометрической модели в чертеж добавлением размерной информации.

К моменту начала разработки уже существовали чертежные системы, например, ФАП-КФ (Минск), но их использование в рамках интегрированной системы СМОГ-85 было невозможно.

Пакет программ СПЕЙС решает задачи геометрического моделирования трехмерных объектов. Основными объектами моделирования являются тела и поверхности в трехмерном пространстве, описываемые ориентированными граничными элементами: тело - набором поверхностей, поверхность - граничными кривыми. Предусмотрены два способа представления объектов в памяти ЭВМ - параметрический для кривых и поверхностей и линейный для полиэдров. Линейное представление, принятое в пакете СПЕЙС, базируется на ключевых понятиях комбинаторной топологии: симплекс, комплекс, полиэдр. Его основная особенность состоит в том, что граничные элементы ориентированы и структурно не связаны между собой. Это позволило разработать алгоритмы реализации регуляризованных булевых (теоретико-множественных) операций,

обеспечивающих получение результата операции непосредственно в классе представлений объектов-операндов.

В седьмом параграфе описывается разработка компоненты ФОРТ. Конечно, чертежи машиностроительных деталей и их "трехмерные" изображения выводились во всех графических системах проектирования. Но проектная документация не ограничивается только ими - в принципе, готовятся документы, которые содержат обоснование конструкторского решения в САПР с формулами, графиками и таблицами расчетных данных. В АСНИ часто результатом является научная статья или отчет. Для того, чтобы обеспечить в рамках СМОГ-85 полный процесс документооборота, была поставлена задача разработать специализированное программное средство ПС ФОРТ для оформления документов, содержащих текст, математические формулы, таблицы, рисунки и распечатки файлов (например, текстов программ или результатов расчетов). В связи с отсутствием матричных принтеров было принято решение получать документы на графических устройствах, через СМОГ [12, 13, 19]. В дальнейшем ПС ФОРТ был выделен в отдельный программный продукт DP (см. ниже).

Восьмой параграф содержит заключение по главе, где отмечается, что СМОГ-85 - это пионерская отечественная разработка многофункциональной интегрированной системы, обеспечивающей решение графических и геометрических задач АСНИ и САПР машиностроения.

Глава 3. Графические системы для персональных ЭВМ

По мере того, как в нашей стране осуществлялись достаточно массовые оснащения мини-ЭВМ типа Labtam-3215/FS, ДВК и СМ ЭВМ, на эти платформы осуществлялся перенос систем СМОГ, СУГВ, ФОРТ. Основные разработки программного обеспечения относятся к времени, когда IBM PC заменяли парк отечественных ЭВМ.

В первом параграфе описывается программное средство VAD (или VAD-технология) для разработки диалоговых графических приложений в MS DOS [25]. Появление мощного настольного компьютера (по скорости PC/AT была примерно БЭСМ-6), имеющего цветной экран, собственный графопостроитель и качественный принтер, потребовало создания новых технологий вычислительного эксперимента, автоматизации создания диалоговых программ. Были поставлены традиционные в рамках ВЦ СО АН СССР задачи, связанные с переносом прикладных программ:

а) адаптация графического пакета СМОГ, создание вокруг него операционной среды для разработки графических программ, применяющих, по крайней мере, вывод на дисплей и ввод с клавиатуры и мыши, входящих в состав ПЭВМ. Вывод на устройства получения твердой копии - принтеры и графопостроители;

б) автоматизация рутинных работ, возникающих при создании интерактивных графических программ и связанных с формированием меню, планированием раскроя экрана, разработкой сценария диалога.

На основе анализа диалоговых графических программ, построенных с использованием системы СМОГ-85, опыта разработок на мини-ЭВМ ЬаЫат [22,23], графического стандарта ГКС, а также обзора Хартсона и Хикс по человеко-машинным интерфейсам, была разработана VАО-технология для 1ВМ РС [25]. На рис. 5 показаны основные компоненты технологии и их взаимосвязь. Для программирования вывода графики использовалась система СМОГ (СМОГ-Ф), которая только формировала поток графических примитивов. Эти примитивы могли быть: а) накоплены в метафайле и в дальнейшем обработаны при помощи СУГВ - выведены на твердую копию; б) выведены на экран через библиотеку ЦЮИ (разработка Ю.А. Ткачева).

Рис. 5. Основные элементы операционной среды

Физические устройства клавиатура и мышь объединялись понятием виртуальная клавиатура ВК, через которую в программу поступали все управляющие воздействия пользователя. Описания текстовых меню и графических панелей готовились пользователем заранее через диалоговый экранный редактор БМ-МАКЕЯ. Графическая панель - это весь растровый экран или некоторая его прямоугольная часть, которая содержит статическое изображение, строящееся из различных примитивов, и несколько помеченных точек - пунктов. Пункты служат для передачи в программу точек привязки объектов, изображенных на панели: световых кнопок, областей для размещения других панелей, графиков, подсказок и т.п. по усмотрению пользователя. Вся работа с текстовыми меню, графическими панелями и виртуальной клавиатурой поддерживалась библиотеками системы УАЕ).

В системе можно оперировать с двумя протоколами:

Выходной протокол. Создается на уровне обращений к функциям библиотеки URRI. Возможные применения: а) для создания демонстрационных слайд-фильмов, б) в качестве исходной информации для СУГВ.

Входной протокол. Вся работа с ВК в прикладной программе, точнее все принимаемые коды, протоколируются и формируют этот протокол. В дальнейшем весь этот протокол или его избранные фрагменты можно подавать в ВК для отработки, другими словами - для подмены действий пользователя.

Таким образом, для MS DOS была разработана технология не программирования, а создания в диалоге при помощи редактора FM-MAKER панели управления задачей, определения в ней световых кнопок, конструирования для них текстовых и графических, возможно, очень объемных, подсказок. Данная технология была использована при разработке многих графических приложений в среде MS DOS, в том числе компьютерной игры [28].

Небольшой второй параграф главы посвящен дальнейшему развитию VAD-технологии - проекту UI_EDIT, который бьгл предложен автором фирме Инте-гра (Япония) в 1992 г. В фирме для программных разработок использовалась собственная операционная среда, обеспечивающая переносимость приложений в исходных кодах между различными платформами (ПЭВМ, рабочие станции). Графические меню и диалоги были достаточно сложные, они могли включать диалоговые устройства типа EditBox, Slider, ListBox и т.д. Но готовились эти меню и диалоги "вручную", т.е. и раскрой экрана, и внешний вид кнопок и диалоговых устройств кодировался разработчиком в текстовом виде на специальном языке описания. В спецификациях UI_EDIT кроме собственно экранного редактора меню и панелей обеспечивались также заготовки функций реакции на различные события меню, кнопок меню, диалоговых устройств, функции-заготовки (stubs).

В третьем параграфе описывается система авторской подготовки текстовых документов DP (Desktop Publishing), включающих математические формулы, таблицы, рисунки и распечатки файлов. Система DP - это автономный вариант ПС ФОРТ системы СМОГ-85. Сначала она была реализована на мини-ЭВМ Labtam-3215/FS, а затем перенесена на IBM PC. В отличие от ПС ФОРТ, где были только штриховые шрифты, здесь был разработан растровый шрифт пишущей машинки "Оптима" для качественного матричного принтера Toshiba. В ВЦ СО РАН система ФОРТ-DP применялась несколько лет для делопроизводства и авторской подготовки рукописей, статей, отчетов, авторефератов и диссертаций, препринтов и целых сборников научных статей. В издательстве НГУ была подготовлена даже монография. В отличие от других отечественных разработок, которые ориентировались либо на АЦПУ (различные документаторы) - бедные по выразительным средствам документы, либо на специализированную аппаратуру типа фотонаборных аппаратов или специально разрабатываемых АРМов редакторов - недоступные большинству пользователей, ПС ФОРТ

строилось для векторного графического устройства без ограничений. Документ описывался на компактном командном языке, большое влияние оказали публикации по ТЕХу (Кнут), nroff, troff, pic (Керниган), работы ИФВЭ (Протвино).

Отметим, что в составе системы был экранный редактор математических формул СЭРФ [19, 20], что представляло новизну и являлось несомненным плюсом всей системы. Судя по публикациям, это был один из первых редакторов математических формул в мире. Даже после того, как ТЕХ повсеместно вытеснил другие системы подготовки текстов, редактор СЭРФ все еще использовался, поскольку в составе системы был конвертор документов из описания DP в описание ТЕХа.

На рис. б приводится схема функционирования системы.

• ОР_Р - основной процессор системы. Разбирает исходный файл БР с описанием документа, производит форматирование документа и вызывает процессоры для форматирования формул, рисунков и распечаток. Ис-

пользует библиотеку шрифтов BF. Формирует выходной файл интерпретации IF и файл протокола PRN.

• DP S - редактор СЭРФ. Формирует файл FF с текстовым описанием формулы.

• DP L выводит сформатированный документ на графический дисплей.

• DPPLi - программа печати документа на i-м устройстве.

• DP P - препроцессор, разработанный А.И. Роженко для форматирования статей (диссертаций) из области вычислительной математики.

• ГТП - прикладная программа, формирующая файл для распечатки.

• GMF - графический метафайл.

• СМОГ и VAD (редактор FM MAKER) использовались для создания рисунков.

Четвертый параграф главы посвящен библиотеке для работы с плоскими областями. В пакете С ПЕЙС системы СМОГ-85 был создан мощный аппарат конструирования плоских объектов с границей, состоящих из отрезков прямых. Но в САПР (и даже при конструировании шрифтов) часто используются плоские объекты с криволинейными границами, как правило, заданными отрезками параметрических кривых. В ряде приложений бывает достаточно использовать линейную аппроксимацию границы, но много случаев, когда такое упрощение неприемлемо. В связи с этим была поставлена задача разработать библиотеку для конструирования плоских объектов, состоящих из областей с границей, заданной четырехточечными отрезками Безье, решающую следующие задачи: а) проверка правильности описания объекта, б) построение характеристической функции, в) вычисление точек пересечения прямой с границей объекта, г) выполнение регуляризованных теоретико-множественных (РТМ) операций над объектами, д) построение разбиения плоскости семейством отрезков Безье на непересекающиеся области.

Разработанная библиотека БЕЗЬЕ на С для Windows и Мае [31, 32, 36] обладает следующими характеристиками:

- границу объекта можно задавать в виде набора непрерывных путей (возможно с самопересечением);

- участки границы объектов можно задавать в произвольном порядке, тогда соответствующая функция сама строит границу;

- в обоих случаях проверяется правильность задания - должен получиться набор областей;

- РТМ операции производятся сразу над несколькими объектами (не менее двух).

В пятом параграфе дается заключение по главе, где, в частности, отмечается, что в настоящее время в среде Windows технологии (подобные VAD) для разработки графического пользовательского интерфейса стали общепринятыми, например, MS Visual Studio с MFC, Delphi. Также общепринятым является при-

менение экранного редактора математических формул в составе форматирующих редакторов (например, MS Word).

Глава 4. Системы визуализации трехмерных сцен

Первый параграф содержит краткое описание мотивации разработок. Делается вывод, что программные средства и методы, разрабатываемые для практического применения, должны основываться на общепризнанных технологиях, которые поддерживаются мировыми лидерами программного обеспечения.

Во втором параграфе описывается объектно-ориентированная система SmogDX/3D. В середине 90-х годов аппаратно-программные средства ПЭВМ обеспечивали возможность программирования динамических графических 3D приложений, компьютерных игр. Традиционно применялась библиотека OpenGL, производители видеоадаптеров обеспечивали ее поддержку. Как вызов Микрософта появился DirectX, а в нем трехмерная динамическая графика после закупки соответствующей библиотеки у фирмы RenderMorphics. Библиотеки OpenGL и DirectíD Immediate Mode по уровню представления являются скорее драйверами, поскольку всю иерархию построения сцены, динамику объектов и т.п. пользователь должен был делать сам. А вот библиотека Direct3D Retained Mode (Direct3DRM) - это достаточно высокоуровневые средства описания геометрии и динамики поведения трехмерных сцен. По реализации и программному интерфейсу - это набор СОМ-объектов (СОМ-интерфейсов). Но конструкция интерфейсов очень неудачная, особенно после трех модификаций - от 3-й до 6-й версии DirectX. Автор исследовал возможности Direct3DRM во время переноса компьютерной игры из среды MS DOS [28] в среду Windows [30].

Была поставлена задача: разработать расширяемую объектно-ориентированную систему динамической 3D графики на основе Direct3DRM. Эта задача была решена в виде объектно-ориентированной оболочки (системы классов) над СОМ-интерфейсами Direct3DRM. Подобные попытки уже предпринимались, в интернете имеются конструкции классов, механически копирующих СОМ-интерфейсы. Наиболее удачными являются оболочки Трухильо и Томпсона, но и они отталкивались от имеющегося набора СОМ-интерфейсов.

Автор решил исходить от понятия динамическая трехмерная сцена, разработал систему классов SmogDX/3D, которую построил, используя функции тех же интерфейсов [33-35, 37]. Система обладает следующими характеристиками:

• Является объектно-ориентированной системой машинной графики, построенной на множестве СОМ-интерфейсов Direct3DRM.

• Очень компактна, но обладает при этом достаточной функциональной мощностью при создании динамических трехмерных графических приложений. Система включает 6 основных классов: основной объект (сцена), фрейм, источник света, материал, текстура, анимация.

• Может рассматриваться как следующая в ряду:

DirectDraw => Direct3D => Direct3DRM => SmogDX/3D.

• Открыта для расширения (добавления новых классов) и модификации (добавления новых методов в имеющиеся классы).

Основной объект Бто^Х/ЗО - это сцена или трехмерный мир, состоящий из множества геометрических объектов, множества источников освещения и множества декалов. Сцена как целое характеризуется такими параметрами и свойствами: декартова система координат; камера и ее параметры; порт вывода, цвет фона, изображение фона; рассеянный свет, его интенсивность и цвет; туман, его цвет и плотность; метод закраски граней: однородная или интерполяция Гуро; метод представления геометрии: точками, каркасом (ребра), в виде телесных объектов (грани); тик (пульс сцены).

Для реализации такого сложного объекта использовался ряд методов различных СОМ-интерфейсов, но все это закрыто конструкцией классов.

Геометрические объекты. ОкесООКМ понимает только односторонние поверхности. Все поверхности задаются в виде полигональных сеток. Хотя 01ге«30ЯМ предоставляет несколько способов задания сеток, здесь используется только один - интерфейс ИГНгесО ОЛММезЫЗшЫег - интерфейс построителя сеток. Несколько уменьшив гибкость, мы не ограничили класса предста-вимых поверхностей. В дальнейшем пользователь может расширить систему, добавив, например, интерфейс ГОпеЛЗОИММезИ.

Источники освещения. В систему вошли все типы источников: точечный, параллельный точечный, направленный, прожектор (зональный). Рассеянный свет - это характеристика всей сцены, как уже упоминалось выше.

Декады. Плоское прямоугольное изображение (аналог спрайта), содержащее специфицированную текстуру. Декал имеет фиксированную ориентацию по отношению к камере.

Дополнительно в системе распознаются следующие объекты-качества:

Текстуры - изображения, которые накладываются на поверхности. Они приписываются сеткам поверхностей и декадам.

Материалы - отражающие свойства поверхностей сцены, назначаются сеткам.

Анимации - сценарии динамического поведения объектов сцены, т.е. временные зависимости положения, размеров и ориентации одних объектов по отношению к другим. Время управляется (отсчитывается) тиками пульса сцены.

Третий параграф главы кратко характеризует исследования и разработки алгоритмов расчета реалистических изображений трехмерных сцен. Последние годы характеризуются постоянным ростом мощности персональных компьютеров (как производительности, так и памяти). А это именно те показатели, которые сдерживали широкое применение алгоритмов реалистической физически корректной визуализации в компьютерных играх, рекламе и т.д. Появление многопроцессорных ПЭВМ для настольной работы, развитие Суперкомпьютерных

вычислительных центров и сети Интернет расширяет оперативное применение таких алгоритмов. В работах автора и его коллектива по грантам РФФИ 96-0101758 и 99-01-00577 разрабатывались алгоритмы, объединенные одним общим подходом - декомпозицией [40]. Преследовалась основная цель - добиться ускорения расчета сцены по сравнению со стандартными алгоритмами. В процессе разработки были исследованы несколько подходов и созданы работающие алгоритмы:

1. Расщепление уравнения визуализации (или рендеринга - rendering equation). Известны работы: а) Уоллеса, который в сцены, состоящие из диффузных поверхностей и рассчитываемые методом излучательности (radi-osity), добавил точечные источники; б) Силлиона, который применил метод излучательности для расчета сцен с зеркальными поверхностями и ввел понятие расширенного форм-фактора. Нами была поставлена задача расчета методом излучательности изображения сцен, включающих диффузные и зеркальные поверхности и точечные источники. Для ее решения мы применили метод расщепления или двухфазный метод, который был теоретически рассмотрен в книге Г.И. Марчука и В.И. Лебедева "Численные методы в теории переноса нейтронов" (1971), названный ими К-операция. Проведенные численные эксперименты показали, что хотя метод и дает изображения достаточного качества, но довольно трудоемок: требует много памяти и времени для расчета.

2. Алгоритм бисекции сцены, т.е. применение разбиения сцены фиктивной плоскостью для итерационного решения задачи методом излучательности. Было предложено решение, обеспечивающее ускорение расчета до двух раз по сравнению с классическим методом матричной излучательности.

3. Алгоритм адаптивного иерархического разбиения конечных элементов сцены с упрощенным расчетом форм-факторов при расчете методом излучательности более пригоден для работы на параллельных машинах -его параллельная реализация при работе на платформе с п процессорами дает ускорение в п -1 раз.

Эти алгоритмы несут определенную новизну по сравнению с известными подходами, они пополняют спектр возможных средств физически корректной визуализации пространственных сцен, но не обеспечивают значительного выигрыша в производительности или в реализме получаемых изображений.

Наконец, были проведены исследования по применимости декомпозиции сцены на подсцены при помощи фиктивной разделяющей плоскости при расчете изображения методом Монте-Карло. На разделяющей фиктивной плоскости строится функция влияния одной части сцены на другую - четырехмерная функция, зависящая от точки на плоскости и от направления. Были построены численные эксперименты, которые показали неприменимость подхода декомпозиции даже для сцен, состоящих только из диффузных поверхностей. Даже при 10000 на-

правлений в точке плоскости на изображении получается искаженная геометрия сцены.

Все эти работы послужили базисом для разработки алгоритма, которому посвящен материал четвертого параграфа - новому подходу в рекурсивной лучевой трассировке, основанному на распределении энергии источников освещения по сцене для ускорения лучевой трассировки и имитации мягких теней, который был назван нами Метод Световых Сеток (Light Meshes Method -LMM) [38, 39]. Он основывается на нашей идее, что все источники света наводят в пространстве сцены некоторое скалярное поле световой энергии (или освещенности). Реально распределение освещенности в пространстве описывается пятимерной функцией - f{x,y,z,6,(p) - три переменные по пространству и две по направлению. Исследования и эксперименты, основанные на дискретизации данной функции (конечно-элементная аппроксимация по всем пяти переменным), проводились Ширли и Гринбергом с коллегами в проектах "Light Volumes" и "Irradiance Volumes", где выяснилась полная непрактичность такого подхода. Что нами было экспериментально показано даже на примере разделения сцены на две части.

Задача. Рассчитать изображение сцены без взаимодействующей со светом среды, состоящей из непрозрачных поверхностей с заданными коэффициентами диффузного kj (у) и зеркального (_у) отражений в точке поверхности у (в объектной точке). Заданы положение и параметры камеры.

В настоящее время наиболее используемым алгоритмом рендеринга таких сцен является обратная рекурсивная лучевая трассировка (OPJIT), введенная Уитте-дом в 1980 году.

Мы вводим скалярное поле прямой освещенности в сцене - DL{x), т.е. освещенность точки непосредственно источниками. На практике наш алгоритм LMM оценивает поле только в некотором конечном множестве точек (сеточные точки), как правило, заданных на регулярной сетке.

Прямые световые сетки. Данные сетки используются при вычислении локальной освещенности объектной точки у. В стандартной OPJIT интенсив-

ность вычисляется по формуле: I(y) - ^ /г (у) • V^y) ■ Ni{y), где п - число

¡=1

точечных источников, /у {у) - интенсивность, приходящая в точку от i-го источника, V^y) - видимость 1-го источника из точки (0 или 1), iV, (y) - это функция, которая учитывает вклад i -го источника в зависимости от материала, вектора нормали и других свойств поверхности. Положим Jl - yjJ^ и запишем следующее выражение:

Ё^ОО-^ОО

i=l

ZJj(y)-Vjiy) J=1

= DL(y)-T(y).

Отметим, что I (у) = Ijj^ (у), если в сцене только один источник. Первый сомножитель отвечает за условную видимость точки, взвешенную интенсивно-стями источников, а второй - за ее закраску. Первый член может оцениваться в любой точке пространства сцены, разбивая его на зоны видимости от источников и обеспечивая нерезкие переходы между зонами. Приведем основные моменты алгоритма.

1. Выбираем некоторое конечное множество точек в пространстве сцены независимо от геометрии (!) DLM = 6 Л"* j и называем его прямой световой сеткой.

2. Вычисляем прямую освещенность в сеточной точке по формуле

п J

DL(x) — /lYi(х)' Ji--> интенсивность i-го источника,

<Р(п(х))

Г;(х) - расстояние до 1-го источника, <p{t) - некоторая функция, традиционно это Const +1.

3. Локальная освещенность точки у поверхности сцены вычисляется по формуле ILU(_у) = DLT(y)xT(y), где DLT(y) - это оценка DL(y), получаемая на основе интерполяции значений поля в близлежащих сеточных точках, в некоторой окрестности у.

4. При наличии эмиссии к полученному значению добавляется слагаемое Emiss(y).

Все остальные шаги алгоритма полностью идентичны шагам алгоритма ОРЛТ. Для цветных изображений расчет по каждому цвету делается отдельно.

Мягкие тени. Построение мягких теней от точечных источников - это одна их популярнейших и труднейших задач в лучевой трассировке. Известны быстрые алгоритмы имитации мягких теней: алгоритм Ширли, который требует увеличения времени расчета на 20%; алгоритм Хейнеса для случая теней на плоскости. Оба эти алгоритма имеют существенный недостаток - они распространяют зону мягкой тени (полутени) только вовне контура четкой тени. Метод световых сеток обеспечивает распространение полутени как вовне, так и вовнутрь контура четкой тени, давая наиболее реалистический результат (рис. 7).

Скорость. Стандартная трассировка использует теневые зонды во всех точках дерева трассировки, что является основным замедляющим фактором. Метод световых сеток генерирует теневые зонды только при подсчете значений поля в

сеточных точках, он даже выигрывает значительно у стандартного алгоритма в случае, когда разрешение изображения велико и/или большое число источников (см. табл. 2). Более того подсчет значения поля в сеточных точках производится "по требованию", т.е. вычисляются сеточные значения только в малой окрестности от объектных точек, попавших в дерево трассировки.

Рис. 7. Слева: рисунок получен при помощи стандартной ОРЛТ. Справа: рисунок получен при помощи алгоритма световых сеток (имитация мягких теней)

Таблица 2.

Зависимость времени счета от числа источников, с.

Количество источников света 1 2 3 4 5 10 100 500

Метод-световых сеток 30 31 33 35 36 45 150 586

Стандартная трассировка 23 26 29 33 39 70 277 3025

Отметим уникальные характеристики метода прямых световых сеток.

Независимость от направлений. Во всех известных методах распределение освещенности в сцене всегда характеризуется по направлениям. Данный метод информацию о направлениях приходящей освещенности не учитывает, чем значительно экономит память.

Независимость от геометрии. В известных подходах карт освещенности, фотонных карт, градиента освещенности также применяются сетки, в которых запоминается (оценивается) необходимая информация об освещенности. Но эти сеточные точки выбираются исходя из анализа геометрии, т.е. требуют достаточно трудоемкой процедуры предварительной обработки. В методе световых сеток мы задаем только плотность сеточных точек, а подсчет значений производится в достаточно тонком слое вблизи поверхностей сцены. Сетка как бы чувствует геометрию.

Интерактивное управление. Задав сначала грубую сетку, пользователь может быстро рассчитать изображение. Затем сгустить ее в некоторых областях сцены. Отметим, что расчет надо будет делать только в новых сеточных точках, что существенно экономит время.

В заключение отмечается, что из всех исследованных и разработанных нами алгоритмов только метод световых сеток является технологическим на данное время, он является весомым вкладом в теорию и практику реалистической визуализации.

Применимость. Метод световых сеток может быть применен для модификации любой реализации стандартного алгоритма ОРЛТ.

Пятый параграф содержит заключение по главе.

Основные результаты, выносимые автором на защиту.

1. Система математического обеспечения графопостроителей СМОГ ВЦ СО АН СССР:

разработаны принципы построения системы математического обеспечения графического представления данных, заключающиеся в выделении следующих компонент системы:

СУГВ - система управления графическим выводом,

1-й уровень - базовые графические средства (графический стандарт),

2-й уровень - прикладные графические алгоритмы (графики, поверхности, изолинии и т.д.);

отметим, что в дальнейшем эти принципы развивались как отечественными, так и зарубежными исследователями, а виртуальное графическое устройство, впервые разработанное в нашей стране в рамках СУГВ, является прототипом графических стандартов СИ/СОМ.

2. Многофункциональная интегрированная система машинной графики для АСНИ и САПР машиностроения СМОГ-85:

разработаны принципы построения на двухмашинных комплексах многофункциональной системы машинной графики для САПР машиностроения, суть которых в следующем:

- отделение геометрических и графических данных от алгоритмов и программ, которые их обрабатывают;

- независимость функциональных средств от специфики прикладных областей;

- программно-техническая подсистема (СПО ГД), обеспечивающая программирование распределенных прикладных программ на комплексе "главная ЭВМ - сателлит";

3. Библиотека БЕЗЬЕ для геометрического моделирования плоских объектов с параметрически заданной границей:

построен новый метод разбиения плоскости набором четырехточечных кривых Безье на подобласти, что позволило верифицировать задание области и построить ее характеристическую функцию, как необходимое средство идентификации точек области. Эта методика и программы были применены при решении задач математической физики для описания геометрии двумерных областей и построения сеток.

4. Инструментальная система VAD: исследована и разработана технология для создания графического интерфейса диалоговых прикладных программ в среде DOS IBM PC, заключающаяся в представлении пользователю удобных и экономичных средств создания меню для управления процессом управления прикладной программой, в основу которой были положены следующие принципы:

- библиотеки программ ввода и вывода данных и работы с меню.

5. Объектно-ориентированный программный интерфейс системы динамической 3D графики SmogDX/3D:

на основе анализа материалов и пособий по использованию системы DirectX для описания и визуализации динамических пространственных сцен разработана новая методика изучения основ динамической трехмерной машинной графики, достаточных для решения большинства практически важных задач (курс освоения SmogDX/3D - 12 академических часов).

6. Метод световых сеток для реалистической визуализации пространственных сцен:

предложена и исследована новая модификация метода обратной рекурсивной трассировки лучей визуализации пространственных сцен, позволяющая строить мягкие тени от точечных источников света и требующая меньшего объема вычислений по сравнению с объемом вычислений метода обратной рекурсивной трассировки лучей в случае большого количества источников света и/или большого размера изображения.

Благодарности

Я с благодарностью вспоминаю всех, с кем мне приходилось работать за эти три десятилетия и кто оказывал содействие в осуществлении полученных ре-

зультатов. Особая признательность A.M. Мацокину, |С.А. Упольникову

Ю.А. Ткачеву.

Основные публикации автора по теме диссертации

1. Дебелов В.А. Процедуры изображения поверхностей // Машинная графика и ее применение / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1973. - С. 6675.

2. Горин C.B., Дворжец В.И., Дебелов В.А., Куртуков А .Я. Структура СМОГ-БЭСМ-6 // Машинная графика и ее применение / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1974. - С. 7-18.

3. Дебелов В.А. Буферная часть СМОГ // Машинная графика и ее применение / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1974. - С. 19-37.

4. Васильева Л.Ф., Горин C.B., Дворжец В.И., Дебелов В.А., Кузнецов Ю.А., Куртуков А.Я. Система математического обеспечения графических устройств ВЦ СО АН СССР // Материалы VI конфер. по эксплуатации вычислительной машины БЭСМ-6. Программное обеспечение. - Тбилиси, 1977. -С. 128-139.

5. Дебелов В.А., Мацокин А.М. Структура программного обеспечения графических дисплеев // Автометрия. - 1978. - № 5. - С. 85-86.

6. Дебелов В.А., Мацокин A.M. Программное обеспечение устройства микрофильмирования КАРАТ // Автометрия. - 1978. - № 5. - С. 25-28.

7. Дебелов В.А. Организация графического вывода // Организация вычислительного процесса в крупном ВЦ / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1978.-С. 11-18.

8. Дебелов В.А. Система управления графическим выводом // Машинная графика и ее применение / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1979. -С. 41-65.

9. Дебелов В.А. Диалоговый графический канал // Машинная графика и ее применение / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1979. - С. 66-90.

10. Дебелов В.А., Мацокин А.М., Чубарев А.И. СПО ГД - система программного обеспечения графического диалога // Проблемы машинной графики / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1982. - С. 64-71.

11. Дебелов В.А., Мацокин А.М., Чубарев А.И. Подход к разработке распределенных систем для двухмашинных комплексов // Машинная графика и ее приложения / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1983. - С. 5-22.

12. Дебелов В.А., Плеханов С.А. Вывод формульной информации на графопостроитель // Машинная графика и ее приложения / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1983. - С. 57-62.

13. Дебелов В.А., Плеханов С.А. ФОРТ - графическое программное средство оформления документов // Программные средства машинной графики / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1984. - С. 22-40.

14. Дебетов В.А., Мацокин А.М. Система машинной графики СМОГ-85. - Новосибирск, 1985. - 22 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 594).

15. Вильданов Р.Н., Дебелов В.А., Уполышков С.А.. Графический пакет для ЕС и СМ ЭВМ // Тез. доклад, всесоюзн. конф. по проблемам машинной графики и цифровой обработки изображений, 24-26 сент. 1985 / АН СССР. ДВНЦ. ИАиПУ. - Владивосток, 1985. - С. 11-12.

16. Дебелов В.А., Мацокин А.М. Система машинной графики СМОГ-85 // Управляющие системы и машины. - 1986. - № 4. - С. 107-112.

17. Мацокин А.М., Вильданов Р.Н., Голубев В.М., Дебелов В.А., Сиротин В.Г., Торшин В.И., Чубарев А.И., Упольников С.А., Шупта Н.С. Система машинной графики для машиностроительных САПР "СМОГ-85" // Методы и средства обработки графической информации. Межвузовский сборник / Горь-ковский государст. университет. - Горький, 1986. - С. 167-179.

18. Дебелов В.А., Мацокин А.М., Чубарев А.И. Подход к разработке распределенных систем для двухмашинных комплексов // Перспективы развития автоматизированных систем управления проектирования и информации / отв. ред. акад. A.C. Алексеев. - Новосибирск: Наука, 1986. - С. 112-126.

19. Дебелов В.А., Плеханов С.А. Программное средство полного оформления документов на графопостроителе // Pocitacova Grafika 86, Zbornik konferencie. - Smolenice (ЧССР), 1986. - С. 29-31.

20. Дебелов В.А., Плеханов С.А. Структурный экранный редактор формул СЭРФ // Машинная графика и ее применение / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1987. - С. 27-36.

21.Matsokin A.M., Debelov V.A., Sirotin V.G., Upol'nikov S.A. Multi-Purpose Computer Graphics System SMOG-85 // Computers and Graphics. - 1988. -Vol.12, № 3/4. - P. 441-456.

22. Дебелов B.A., Мацокин A.M., Ткачев Ю.А. Диалоговая программа решения уравнения Пуассона // Микропроцессорные средства и системы. - 1988. -№2.

23. Дебелов В.А., Русское A.B. Технология графического вывода в крупном ВЦ или сети // Технология математического моделирования / под ред. В.П. Ильина / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1988. - С. 76-81.

24. Дебелов В.А., Русское A.B., Ткачев Ю.А. Система СМОГ для IBM PC И Тез. доклад. V всесоюз. конф. по машинной графике "Машинная графика 89" / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1989. - С. 54-55.

25. Дебелов В.А. Об одном подходе к разработке интерактивных графических программ // Машинная графика и геометрическое моделирование / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1990. - С. 5-19.

26. Дебелов В.А. Визуализация данных в научных исследованиях // Тр. 4-й ме-ждунар. Конф. по компьютерной графике и визуализации Графикон-94. -Нижний Новгород, 1994. - С. 27-30.

27. Debelov V.A., Tkachov Yu.A., Upol'nikov S.A. Geometric and Graphic Problems of Visual Analyses of Scientific Data // Proc. of 6th Intern. Conf. on Com-

puter Graphics and Visualization Graphicon-96. St.-Petersburg, July 1-5. - 1996. -Vol. 2.-P. 24-29.

28. Дебелов B.A., Донская О.Г., Иутин B.C., Малахин A.C., Тарасов Е.А., Ткачев Ю.А., Штарк М.Б., Шульман Е.И. Биологическая обратная связь на основе компьютерной игры // Автометрия. - 1996. - № 6. - С. 37-44.

29. Стебаев И.В., Акава Н.И., Дебелов В.А., Молодцов В.В. Перспективы опыта применения оригинальных компьютерных методов к хорологическому анализу популяционной и ценотической структуры населения насекомых травянистых биогеоценозов Южной Сибири // Известия АН (серия биологическая). - 1997. - № 3. - С. 329-348.

30. Дебелов В.А., Донская О.Г., Великохатный Р.И., Иутин B.C., Мазурок Б.С., Ткачев Ю.А., Черепанов А.И., Штарк М.Б., Шульман Е.И. Компьютерные оздоровительные и лечебно-реабилитационные игры (новая ветвь биоуправления) // Биоуправление-3. Теория и практика / Отв.ред.: М.Б. Штарк, К.Р. Колл. - Новосибирск: ИМиБК СО РАМН, 1998. - С. 233-242.

31. Дебелов В.А., Мацокин A.M., Упольников С.А. Разбиение плоскости и теоретико-множественные операции // Сибирский журн. вычисл. матем. - 1998. -Т. 1,№3.-С. 227-247.

32. Дебелов В.А., Мацокин А.М. Алгоритм реализации теоретико-множественных операций. - Тр. 8-ой междунар. конф. по компьютерной графике и визуализации Графикон-98 (7-11 сентября 1998, Москва). - М.: МГУ, 1998. -С. 173-181.

33. Debelov V.A., Tkachov Yu.A., One approach to С++ look at DirectDraw and Di-rect3D // Тр. 9-й междунар. конф. Графикон-99. - M.: МГУ, 1999. - С. 286291.

34. Дебелов В.А., Ткачев Ю.А. Объектно-ориентированная система машинной графики для Windows (С++ и Microsoft DirectX). - Новосибирск: Изд-во ИВМиМГ СО РАН, 1999. - 287 с.

35. Sirotin V., DebeloffV., Yuri Urri. DirectX-Programmierung mit Visual С++ 6. -Addison-Wesley, - 1999. - 495 p. (на немецком).

36. Debelov V.A., Matsokin A.M. Implementation of set operations and intersection of Bezier curves // Computers and Graphics. - 2000. - Vol. 24, № 1. - P. 53-65.

37. Дебелов B.A., Ткачев Ю.А. SmogDX - объектно-ориентированная графика для Windows (DirectX и Visual С++). - Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2001. - 311 с.

38. Дебелов В.А., Севастьянов И.М. Оригинальный подход к имитации мягких теней и учету диффузных переотражений в лучевой трассировке // Тр. 11-й междунар. конф. по компьютерной графике и машинному зрению Графи-кон'2001. - Нижний Новгород, 2001. - С. 18-24.

39. Debelov V.A., Sevastyanov I.M. Light Meshes - Original Approach to Produce Soft Shadows in Ray Tracing // Lecture Notes in Computer Science. - SpringerVerlag, 2002, Vol. 2330. - P. 13-21.

40. Дебелов В.А. Глобальная освещенность и методы декомпозиции // Тр. Ме-ждунар. семинара "Virtual Environment on PC Clusters" / Fraunhofer Institute for Media Communications, 2002. - P. 111-127.

(см. также http://viswiz.imk.fraunhofer.de/VEonPC/ 2002/proceedings.html).

41. Васильева Л.Ф., Горин C.B., Дворжец В Л., Дебелов В.А., Кузнецов Ю.А., Куртуков А .Я., Лукинцов A.B., Мацокин А.М., Торшин В.И., Чубарев А.И., Упольников С.А. Система математического обеспечения графопостроителей (СМОГ)- Третье издание. Переработанное и дополненное. - Калинин: НПО "Центрпрограммсистем", 1987. - (1-е издание, 1985 год).

42. Шупта Н.С., Дебелов В.А., Мацокин А.М., Упольников С.А. Пакет прикладных программ средств управления внешней памятью (ШIII СУП). - Калинин: НПО "Центрпрограммсистем", 1988.

Формат бумаги 60x84 '/16 Обьем 2,0 п.л. 1.5 уч.-изд.л.

Тираж 100 экз. "Заказ № 804

Отпечатано в ЗАО РИЦ "Прайс-курьер", Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 6

РНБ Русский фонд

2006-4 32027

О 2 ФЕВ 2004

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Дебелов, Виктор Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ГРАФИЧЕСКОГО ВЫВОДА.

1.1. Система математического обеспечения графопостроителей.

1.1.1. СМОГ, 1 -ый уровень.

1.1.2. СМОГ, 2-ой уровень.

Введение 2003 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Дебелов, Виктор Алексеевич

Машинная (или как сейчас говорят - компьютерная) графика - это достаточно новое научное направление: почти все авторы связывают ее начало с работой И. Сазерденда 1963 года [1], где он представил первую программную разработку — редактор графических изображений Sketchpad, давший старт всему направлению. За какие-то 5 лет проблематика машинной графики заняла определенную нишу в тематике таких конференций как весенние и осенние конференции (SJCC и FJCC) AFIPS (American Federation of Information Processing Society). Уже в 60-х годах затрагивалась достаточно широкая проблематика. Большое место занимала тематика вывода на графические устройства - пассивная графика. С технологической точки зрения большое влияние оказала работа Брезенхэма 1965-го года [2], посвященная алгоритмам растеризации отрезков с использованием только операций сдвига и сложения. К 1973-му году накапливается значительное количество исследований и практических разработок, так авиастроительные компании США разрабатывают и применяют САПР на комплексах IBM/360 с графическими дисплеями IBM-2250 [3].

В конце 60-х годов в нашей стране ряд научных учреждений и КБ (ИПМ АН СССР, ВЦ АН СССР, ВЦ СО АН СССР, и др.) приобретают импортные графические устройства, в основном графопостроители, а также и дисплеи - JIBTA ОИЯИ (г. Дубна). Организации страны эксплуатировали в основном отечественную вычислительную технику, для которой еще несовершенное западное программное обеспечение было совсем неприменимо. Стали проводиться работы по инженерному сопряжению графических устройств с ЭВМ и параллельно велись разработки графических устройств (например, дисплеи ИАЭ СО АН СССР) и графического программного обеспечения.

В 1973 году выходит книга Ньюмена и Спрулла "Principles of Interactive Computer Graphics", которая переводится на русский язык и издается в СССР в 1976 году [4]. Она оказывает неоценимое влияние на развитие машинной графики в нашей стране. В это время графическая техника получает распространение в стране, особенно на машинах типа М-220 и БЭСМ-6, во многих городах ведутся разработки. На различных конференциях, связанных с АСНИ или САПР, докладываются работы по графике. В сентябре 1977 года ВЦ СО АН СССР и Новосибирский филиал ИТМиВТ АН СССР проводят в Новосибирске первую конференцию, посвященную машинной графике, которая имела региональный статус, но собрала специалистов из многих районов Союза.

В 1979 году ассоциация Сигграф (АСМ США) анонсирует проект Core System [5], который претендует на стандарт графической системы. Этот факт показывает, что назрела насущная проблема обмена алгоритмами в форме программ, переноса (продажи) графических программных продуктов в другие организации и/или на другие компьютерные платформы. Проект оказал значительное влияние на разработки графических систем во всем мире.

В 1981-м в Новосибирске состоялась Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики, которая имела действительно всесоюзное представительство (Москва, Владивосток, Новосибирск, Дубна, Киев, Протвино, Ленинград, Ижевск, Горький, Харьков, Пенза, Свердловск, Жуковский, Кишинев, Челябинск, Минск, Кемерово, Николаев, Ульяновск). По докладам видно влияние Core System, хотя большинство из них посвящается разработке графических алгоритмов и прикладных систем.

В 1983, наконец, официально выходит стандарт ISO Graphical Kernel System (GKS или ГКС) [6], который во многом опирается на Core System, но задание самих графических примитивов отличается значительно. Многие разработчики начинают ориентироваться уже на ГКС. Забегая вперед, скажем, что с появлением IBM PC ГКС постепенно забывается, но то огромное влияние, особенно единая терминология и большой вклад в графическое образование нельзя не отметить. В 1988 году в СССР ГКС также становится стандартом [7].

Сильная команда из ИАиПУ ДВНЦ АН СССР, которая занималась всем спектром проблем машинной графики, проводит во Владивостоке в 1985 году очередную всесоюзную конференцию, которая даже в названии показывает расширение тематики до "распознавания изображений". В 1987 году 4-я всесоюзная конференция по машинной графике проводится в Протвино сильной командой по научной визуализации из ИФВЭ. А в 1989 году в Новосибирске проводится пятая и, пожалуй, последняя конференция, на которой еще серьезно рассматривались проблемы, связанные с реализацией графических систем для отечественных машин.

Очередная эра развития машинной графики в нашей стране начинается в 1991 году, когда при поддержке АСМ и Сигграф АСМ проводится первая из 13-ти ежегодных международных конференций Графикон (1991-2003). На ней отечественные специалисты знакомятся из первых рук с наиболее передовыми разработками, в том числе: фотореалистическая визуализация, анимация, станция Silicon Graphics.

С сожалением стоит отметить, что переход на импортные ЭВМ с западным программным обеспечением и недофинансирование привели к резкому сокращению числа отечественных исследований и разработок, да и разработчиков. Это видно по составу докладов на Графиконах, где почти половину докладов представляют специалисты их западных стран. Главная причина видится в отсутствии внутреннего заказчика. А выживают только те, которые смогли найти внешние гранты или заказы.

Актуальность темы. Результаты данной работы были получены за период около трех десятилетий, и на каждом этапе актуальность решаемых задач соответствовала требованиям времени.

1. В конце 1960-х - начале 1970-х годов в нашей стране появились графические устройства (в основном иностранного производства) без технических и программных средств сопряжения с отечественными ЭВМ. Автоматизация вывода информации из ЭВМ в графическом виде многократно увеличивает производительность труда исследователей, но для ее обеспечения необходимо наличие на ЭВМ программных средств обработки и вывода в графическом виде результатов расчетов. Следовательно, на начало 70-х годов прошлого столетия актуальными были две проблемы: разработка технических и программных средств сопряжения графических устройств с отечественными ЭВМ (эта проблема в диссертации не рассматривается) и задача разработки систем для графического представления и вывода результатов научных расчетов (рассмотренная в диссертации) на отечественных ЭВМ (М-220, БЭСМ-6 и др.), оснащенных системами автоматизации программирования (языки: Алгол-60, Альфа, Фортран, и трансляторы с них).

Вывод графического представления результатов численных экспериментов (графической информации) непосредственно из ЭВМ (в режиме on-line) на графическое устройство резко уменьшал производительность ЭВМ (до скорости рисования графиков на графопостроителе) и для высокопроизводительных ЭВМ такой режим вывода графической информации нецелесообразен. Для решения этой проблемы, например, фирма Бенсон (Франция) разработала аппаратуру для считывания управляющих команд для графопостроителя с магнитной ленты (режим off-line). Вывод графической информации на магнитную ленту несколько, но не существенно, уменьшил зависимость производительности ЭВМ от наличия в программе графического вывода. Актуальной для высокопроизводительных ЭВМ и Вычислительных центров коллективного пользования (оснащенных мощными вычислителями в единой сети) стала проблема разработки технологии, обеспечивающей вывод графической информации без уменьшения производительности ЭВМ. Таким образом, решение задачи разработки системы программной поддержки технологии и организации вывода графической информации в крупном вычислительном центре или ВЦКП (Вычислительные центры коллективного пользования) становится определяющим условием эффективного (по крайней мере с точки зрения владельца ВЦКП) использования графических устройств. Например, в 1977 году ВЦ СО АН СССР обслуживал не менее 1500 пользователей из институтов Новосибирского научного центра, получающих в среднем за месяц 3000 графиков общей длиной 30 км пути пера.

2. Естественно, что для развития экономики страны, проблема вывода информации научных расчетов играет меньшую роль, чем решение задач отраслей народного хозяйства. Пожалуй, оснащение вычислительной техникой и графическими устройствами в первую очередь производилось в конструкторских бюро и отраслевых институтах нашей страны. Проблемы их технического и программного обеспечения во многом совпадали с аналогичными проблемами в научных организациях, но имели особенности, связанные с производством, в частности:

- решение геометрических и графических задач в САПР,

- выпуск технической документации.

Во второй половине 1970-х годов актуальной становится задача разработки многофункциональных систем машинной графики для систем автоматизированного проектирования и АСНИ (как части решения отраслевых задач), включающих в себя средства геометрического моделирования рассчитываемых объектов и вывода расчетных данных в графическом виде, как части документации по проектируемым изделиям. Актуальность исследований методов разработки систем машинной графики для САПР машиностроения в конце 1970-х и начале 1980-х годов для отечественных ЭВМ не вызывают сомнения, а сами исследования проводились в тот период большинством академических и отраслевых научных организаций нашей страны.

3. В конце 1980-х годов, к сожалению, в нашей стране произошла смена отечественной вычислительной техники на иностранную. Резкое ежегодное увеличение производительности ПЭВМ и рабочих станций создало необходимые предпосылки для рассмотрения проблем реализации и практического применения алгоритмов трехмерной графики. Широкое распространение вычислительной техники и ее применение непрерывно растущим кругом пользователей (от школьников до домохозяек) поставило задачу создания, в частности, графических систем мощных по их возможностям и простым для освоения. Стандартные профессиональные графические библиотеки трехмерной графики OpenGL и Microsoft DirectX требуют значительного времени для практического освоения. Актуальной (с середины 1990-х) становится задача исследований и разработки простого, с точки зрения освоения, но достаточно мощного, с точки зрения практических приложений, программного средства задания и визуализации динамических пространственных сцен.

Проблема визуализации пространственных сцен остается и на сегодняшний день сложной задачей, прежде всего, с точки зрения объема и времени вычислений. Задача разработки новых эффективных методов визуализации пространственных сцен остается актуальной и по сегодняшний день. Один из методов решения этой задачи предлагается в заключительном параграфе диссертации.

- исследование и разработка принципов построения системы математического обеспечения графического представления результатов вычислений унифицированной для различных ЭВМ и систем программирования;

- исследование и разработка подходов и принципов построения на двухмашинных комплексах (главная ЭВМ для массовых расчетов, сателлит для формирования заданий и анализа результатов расчета (АРМ - автоматизированное рабочее место) многофункциональной интегрированной системы для САПР, обеспечивающей полный цикл проектирования и сопровождения изделий, включая построение геометрических моделей, выпуск чертежной документации и пояснительных документов, визуализацию исходных и расчетных данных;

- исследование и разработка алгоритмов фотореалистической визуализации пространственных сцен.

В основе методологии исследований лежит применение системного подхода, современных информационно-вычислительных технологий, методов объектно-ориентированного программирования. Одним из основных использовался эволюционный подход - от создания прототипа к конечному продукту, т.е. через эксперименты и/или обратную связь с пользователем, получаемую во время опытной эксплуатации. При разработке алгоритмов использовались методы вычислительной геометрии, численные методы решения уравнения переноса, элементы теории графов и др.

Научная новизна представленной работы заключается в следующем:

1. Разработаны (1974 [13], 1976 [12], 1979 [37]) принципы построения системы математического обеспечения графического представления данных, заключающиеся в выделении следующих компонент системы:

- СУГВ - система управления графическим выводом,

- 1-й уровень - базовые графические средства (графический стандарт),

- 2-й уровень - прикладные графические алгоритмы (графики, поверхности, изолинии и т.д.).

2. Разработаны (1985 [58], 1986 [59, 60], 1988 [61]) принципы построения на двухмашинных комплексах многофункциональной системы машинной графики для САПР машиностроения, суть которых в следующем:

- отделение геометрических и графических данных от алгоритмов и программ, которые их обрабатывают;

- независимость функциональных средств от специфики прикладных областей;

- программное средство подготовки документации, обеспечивающее форматирование текстов с математическими формулами, рисунками и таблицами, включающая один из первых в мире экранных редакторов математических формул (1987 [138]).

Предложенная структура и ее функциональное наполнение системы машинной графики для САПР машиностроения впервые были предложены в 1980 году автором диссертации совместно с A.M. Мацокиным для решения конкретных прикладных задач машиностроительной отрасли.

3.В развитие систем СМОГ и СМОГ-85 была исследована и решена (1997 [147], 1998 [148], 2000 [145]) прикладная задача задания областей с криволинейной границей, состоящей из параметрических кривых Безье. Построен новый метод разбиения плоскости набором четырехточечных кривых Безье на подобласти, что позволило верифицировать задание области и построить ее характеристическую функцию, как необходимое средство идентификации точек области. Эта методика и программы были применены при решении задач математической физики для описания геометрии двумерных областей и построения сеток.

4. Исследована и разработана технология (1990 [128]) для создания графического интерфейса диалоговых прикладных программ в среде DOS IBM PC, заключающаяся в представлении пользователю удобных и экономичных средств создания меню для управления процессом управления прикладной программой, в основу которой были положены принципы (подсистема СПО ГД системы СМОГ-85):

- применение подхода WYSIWYG (что вижу, то и получаю): экранный редактор для планирования раскроя экрана и создания графических меню, прототип диалога;

- библиотеки программ ввода и вывода данных и работы с меню.

5. На основе анализа материалов и пособий по использованию системы DirectX для описания и визуализации динамических пространственных сцен разработана новая методика (в том числе программная реализация методики - система

SmogDX/3D, 1999 [160, 161], 2001 [159]) изучения основ динамической трехмерной машинной графики, достаточной для решения большинства практически важных задач (курс освоения SmogDX/3D - 12 академических часов).

6. Предложена и исследована (2001 [189,190], 2002 [191]) модификация метода обратной рекурсивной трассировки лучей визуализации пространственных сцен - метод световых сеток, позволяющий строить мягкие тени от точечных источников света и требующий меньшего объема вычислений по сравнению с объемом вычислений метода обратной рекурсивной трассировки лучей в случае большого количества источников света и/или большого размера изображения.

Практическая ценность

1. Система СМОГ была широко распространена в стране и установлена на отечественных вычислительных машинах, таких как ряд М-22х/БЭСМ-4, БЭСМ-6, ЕС и СМ ЭВМ, ДВК и др.

2. Система управления графическим выводом СУГВ для БЭСМ-6 разрабатывалась на оборудовании ВЦКП СО АН СССР и в течение двух десятилетий использовалась в качестве единственного модуля, отвечающего за технологический вывод графической информации, для СМОГа, ГРАФОРа и других графических систем. Ее терминальный модуль, работающий на периферийных центрах (мини-ЭВМ) ВЦКП в институтах СО АН СССР, обеспечивал просмотр графического вывода задач непосредственно на рабочем месте исследователя. СУГВ обеспечивала вывод на специфические графические устройства: а) СОМ-320 для получения более 200 графических кадров на одной микрофише, б) устройство микрофильмирования КАРАТ, обеспечивающего вывод машинных фильмов на 35мм кинопленку.

4. Система СМОГ-85 была положена в основу отраслевой системы машинной графики "Магистраль" для САПР машиностроительных изделий Миноборон-прома СССР. Функционирование системы осуществлялось на комплексе, состоящем из нескольких БЭСМ-6, нескольких ЕС ЭВМ и нескольких автоматизированных рабочих мест (типа АРМ-М и АРМ-Р), объединенных универсальной магистралью системного обмена УМСО. Система проектирования работала по технологии "главная ЭВМ - сателлит" и была построена на основе СПО ГД. Калининское НПО Центрпрограммсистем выпустило документацию по системе СМОГ-85 в соответствие с ГОСТами, зарегистрировало ее во Всесоюзном фонде алгоритмов и программ и распространяло в организациях страны систему как целиком, так и отдельными подсистемами.

5. Технология разработки графического интерфейса VAD для интерактивных программ в DOS IBM PC использовалась в разработках ВЦ СО АН СССР, проводимым в рамках плановых работ и по хоздоговорам (например, [131-133]). 6. Система авторской подготовки текстов ФОРТ (а затем система DP для IBM PC в DOS) использовалась в ВЦ СО АН СССР с 1983 по 1992 годы при подготовке документации, статей, диссертаций, сборников научных трудов, пока не была заменена системами LaTeX и Word по очевидной причине - издательства и конференции стали брать тексты, подготовленные только в этих системах. Экранный редактор формул СЭРФ эксплуатировался дольше в связи с тем, что: а) ему не было альтернативы - формулы в текстовом процессоре Word появились позднее; б) в системе DP существовала утилита, обеспечивающая конвертирование описаний документов с языка системы ФОРТ/DP в язык LaTeX.

8. Библиотека БЕЗЬЕ для C/C++ (Windows, Mac), реализующая теоретико-множественные операции на плоскости над областями, ограниченными кривыми Безье 3-ей степени, применяется для описания областей в расчетных задачах.

Апробация. Все представленные в диссертации результаты докладывались на Всесоюзных и международных конференциях и семинарах: 6-я конференция по эксплуатации вычислительных машин БЭСМ-6 (Тбилиси, 1976), конференция по автоматизации научных исследований (Новосибирск, 1977), первая конференция по машинной графике (Новосибирск, 1977). II Всесоюзное совещание "Диалог-79" (Протвино, 1979), II школа-семинар "Интерактивные системы" (Боржоми, 1980), III школа-семинар "Интерактивные системы" (Боржоми, 1981), Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики (Новосибирск, 1981), Всесоюзное совещание по интерактивным системам проектирования (Москва, ИПУ, 1981), Всесоюзная конференция по проблемам машинной графики и цифровой обработке изображений (Владивосток, 1985), Международная конференция по машинной графике (ЧССР, Смоленице, 1986), Всесоюзная школа-семинар "Информатика и интерактивная компьютерная графика" (Цахкадзор, 1987), 4-я Всесоюзная конференция по машинной графике (Серпухов, 1987), 13-я школа "Программирование" (Болгария, Варна, 1988), Всесоюзная конференция по машинной графике (Новосибирск, 1989), Международная конференция по визуальному анализу и интерфейсу VAI-91 (Новосибирск, 1991), Международные конференции Графикон'94, Графикон'96, Графикон'97, Графикон'98, Графикон'99, Графикон'2000, Графикон'01, Графикон'02, АНИГРАФ-98 (Москва, 1998), Международные конгрессы по индустриальной математике INPRIM (Новосибирск, 1998, 2000), International Conference on Computer Science (Амстердам, 2002), международный семинар "Virtual environments on PC clusters" (Протвино, 2002).

Личный вклад автора

1. Система СМОГ 1 -ый уровень разработана коллективом под руководством

A.Я. Куртукова, реализована в 1969 году для ЭВМ М-220 с графопостроителем Benson-121. Прототип системы для БЭСМ-6 был реализован автором диссертации на БЭСМ-Алгол в 1971 году. На основе результатов опытной эксплуатации автором совместно с С.В. Гориным,

B.И. Дворжецом, А.Я. Куртуковым была разработана архитектура системы для БЭСМ-6, реализация завершена к 1975 году. Подсистему управления графическим выводом СУГВ автор разрабатывал самостоятельно. Перенос СМОГ и СУГВ на ЕС ЭВМ осуществляли С.А. Упольников и

B.И. Дворжец. Перенос на СМ-ЭВМ - Р.Н. Вильданов. Л.Ф. Васильевой выполнены все подключения нестандартных графических устройств в ОС Д-68, ДИАПАК и ДИСПАК, обеспечена программная связь разнотипных ЭВМ в универсальной магистрали системного обмена УМСО.

2. Система СМОГ 2-ой уровень разработана автором совместно с

C.В. Гориным, В.И. Дворжецом.

3. СПО ГД (программирование комплекса "главная ЭВМ - сателлит") разработана совместно с A.M. Мацокиным, А.И. Чубаревым. В реализации сателлитного обеспечения участвовали Р.Н. Вильданов и В.И. Торшин.

Автору принадлежит определяющий вклад в разработку концепции системы и протокола межмашинного обмена.

4. Перенос системы СМОГ на Burroughs-6700, Labtam-3215/FS, IBM-PC (DOS и Windows) осуществлялся автором с помощью С.А. Плеханова, Ю.А. Ткачева, А.В. Русскова, К.К. Дурнецова, П.В. Горана, С.И. Купря-хина.

7. SmogDX. Системная часть разработана совместно с Ю.А. Ткачевым, который также реализовал двумерную графику. Часть, относящаяся к трехмерной графике - SmogDX/3D - принадлежит автору.

8. Алгоритмы реалистической визуализации разрабатывались автором и коллективом его магистрантов и аспирантов: И.М. Севастьянов (метод световых сеток), Д.В. Мальдон, Е.В. Парилов, О.А. Ким, С.А. Саттаров.

В 1986 году автору была присуждена бронзовая медаль выставки ВДНХ СССР за разработку программного обеспечения (графическая система авторской подготовки документов ФОРТ). В 1988 году вместе с коллективом разработчиков системы СМОГ-85 автор получил диплом 3-ей степени на конкурсе прикладных работ Сибирского отделения АН СССР. В 1988 году в составе другого коллектива автор получил Государственную премию СССР в области науки и техники за разработку и реализацию алгоритмов научной визуализации. Разработка библиотеки БЕЗЬЕ (1998 год) и разработка системы SmogDX (1999 год) вошли в годовые отчеты ИВМ и МГ СО РАН в качестве важнейших результатов института. Разработка метода световых сеток для лучевой трассировки отмечена как важнейшее достижение в годовом отчете Сибирского отделения РАН (2001 год).

Основания для выполнения работ

Все работы, представленные к защите, выполнялись в соответствии с планами Института, Государственными программами, хоздоговорами по темам: "Пакет программ для вывода информации из ЭВМ на графические устройства" (Per. 76051923, 1974-1980гг.), "Разработка математического обеспечения устройств графического ввода-вывода" (Per. 76093229, 1976-78гг.), "Математические методы и программное обеспечение решения трехмерных графических задач на ЭВМ" (Per. 81032953, 1981-85гг.), Государственная научно-техническая программа 0.80.03 "Создать новые и развить действующие системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) в народном хозяйстве", задание 09.14.А "Создать и ввести в эксплуатацию в ВНИИПАС программно-технический комплекс для проектирования объектов машиностроения на базе локальной сети ЭВМ высокой производительности, персональных ЭВМ и профессиональных рабочих станций интерактивной графики" (1986-90гг.), "Математические методы трехмерной машинной графики" (Per. 0186.0125723, 1986-95гг.; Per. 01.9.30001314, 19961999гг.), "Разработка методов декомпозиции решения краевых задач и аппроксимации функций" (Per. 01.20.0004754, 2000-2002гг.); Государственной научно-технической программе "Перспективные информационные технологии" (проекты № 242 - 1992г., № 1054 - 1995г., № 239 - 1997г.). Дополнительно разработка алгоритмов реалистической визуализации пространственных сцен поддерживалась грантами РФФИ 96-01-01758 "Синтез реалистических изображений пространственных сцен" и 99-01-00577 "Моделирование фотореалистических изображений методами декомпозиции", которые выполнялись под руководством автора диссертации. Развитие библиотеки БЕЗЬЕ осуществлялось при частичной поддержке РФФИ по гранту 99-07-90422ск (руководитель академик А.С. Алексеев).

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе рассматривается разработка систем СМОГ и СУГВ. Вторая глава посвящена многофункциональной графической системе СМОГ-85. Обе главы охватывают исследования и разработки графических систем для отечественных ЭВМ. В третьей главе описаны системы для персональных ЭВМ: инструментальная система VAD для программирования графического диалогового интерфейса, система авторской подготовки текстов DP и библиотека БЕЗЬЕ. Основы этих трех компонент были заложены еще при разработке системы СМОГ-85. В связи с переходом на ЭВМ типа IBM PC эти компоненты были оформлены в виде самостоятельных продуктов. Четвертая глава работы посвящена графической объектно-ориентированной системе SmogDX/3D, построенной на основе библиотеки DirectX Direct3D Retained Mode, и методу световых сеток для реалистической визуализации пространственных сцен.

Заключение диссертация на тему "Разработка технологических систем машинной графики"

Основные результаты, выносимые автором на защиту.

1. Система математического обеспечения графопостроителей СМОГ ВЦ СО АН СССР: разработаны (1974 [13], 1976 [12], 1979 [37]) принципы построения системы математического обеспечения графического представления данных, заключающиеся в выделении следующих компонент системы:

СУГВ - система управления графическим выводом,

1 -й уровень - базовые графические средства (графический стандарт),

2-й уровень - прикладные графические алгоритмы (графики, поверхности, изолинии и т.д.); отметим, что в дальнейшем эти принципы развивались как отечественными, так и зарубежными исследователями, а виртуальное графическое устройство, впервые разработанное в нашей стране в рамках СУГВ, является прототипом графических стандартов CGI/CGM [55].

2. Многофункциональная интегрированная система машинной графики для АСНИ и САПР машиностроения СМОГ-85: разработаны (1985 [58], 1986 [59, 60], 1988 [61]) принципы построения на двухмашинных комплексах многофункциональной системы машинной графики для САПР машиностроения, суть которых в следующем:

- отделение геометрических и графических данных от алгоритмов и программ, которые их обрабатывают;

- независимость функциональных средств от специфики прикладных областей;

3. Библиотека БЕЗЬЕ для геометрического моделирования плоских объектов с параметрически заданной границей: построен (1997 [147], 1998 [148], 2000 [145]) новый метод разбиения плоскости набором четырехточечных кривых Безье на подобласти, что позволило верифицировать задание области и построить ее характеристическую функцию, как необходимое средство идентификации точек области. Эта методика и программы были применены при решении задач математической физики для описания геометрии двумерных областей и построения сеток.

4. Инструментальная система VAD: исследована и разработана технология

1990 [128]) для создания графического интерфейса диалоговых прикладных программ в среде DOS IBM PC, заключающаяся в представлении пользователю удобных и экономичных средств создания меню для управления процессом управления прикладной программой, в основу которой были положены следующие принципы:

- библиотеки программ ввода и вывода данных и работы с меню.

5. Объектно-ориентированный программный интерфейс системы динамической

3D графики SmogDX/3D: на основе анализа материалов и пособий по использованию системы DirectX для описания и визуализации динамических пространственных сцен разработана новая методика (1999 [160, 161], 2001 [159]) изучения основ динамической трехмерной машинной графики, достаточных для решения большинства практически важных задач (курс освоения SmogDX/3D - 12 академических часов).

6. Метод световых сеток для реалистической визуализации пространственных сцен: предложена и исследована (2001 [189, 190], 2002 [191]) новая модификация метода обратной рекурсивной трассировки лучей визуализации пространственных сцен, позволяющая строить мягкие тени от точечных источников света и требующая меньшего объема вычислений по сравнению с объемом вычислений метода обратной рекурсивной трассировки лучей в случае большого количества источников света и/или большого размера изображения.

Заключение

Библиография Дебелов, Виктор Алексеевич, диссертация по теме Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

1. Sutherland 1. SKETCHPAD, a man-machine graphical communication system // In. AFIPS Confer. Proc., SJCC. - 1963. - Vol. 23. - P. 329-346.

2. Bresenham J.E. Algorithm for computer control of digital plotter // IBM System Journal. 1965. - Vol. 4, № 1. - P. 25-30.

3. Принс М.Д. Машинная графика и автоматизация проектирования. М.: Советское радио, 1975.

4. Ньюмен У., Спрулл Р. Основы интерактивной машинной графики. М.: Мир, 1976.

5. Status report of the Graphics Standards Planning Committee // Computer Graphics. 1979. - Vol. 13, №3.

6. IS0/DIS7942. ISO/TC 97. Information processing. Graphical Kernel System (GKS). - Functional description. - Submitted on 1983-06-23.

7. ГОСТ 27817-88. Системы обработки информации. Машинная графика. Функциональное описание ядра графической системы. М.: Госстандарт СССР, 1989.

8. Ершов А.П. Комплексное развитие системного программного обеспечения постановка проблемы. - Новосибирск, 1983. - 38 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 469).

9. Математическое обеспечение для графопостроителей (Первый уровень): Инструкция по программированию / под ред. А.Я. Куртукова. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1971.

10. Васильева Л.Ф., Томилин А.Н. Математическое обеспечение для подключения графопостроителя к операционной системе БЭСМ-6 // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1973. - С. 31-39.

11. Куртуков А.Я., Горин С.В., Дворжец В.И., Дебелов В.А. Система для БЭСМ-6 // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1973. - С. 18-23.

12. Горин С.В., Дворжец В.И., Дебелов В.А., Куртуков А.Я. Структура СМОГ-БЭСМ-6 // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1974. - С. 7-18.

13. СМОГ. Методическая разработка / под ред. Ю.А. Кузнецова. Новосибирск: НГУ, 1978 с.

14. Дворжец В.И., Торшин В.И., Упольников С.А. СМОГ для ЭВМ ЕС и АСВТ. // Машинная графика и ее применение / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1979. - С. 91-97.

15. Математическое обеспечение графопостроителей. I уровень: СМОГ. Инструкция по программированию / под ред. Ю.А. Кузнецова. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1976.

16. Володюков A.M., Дворжец В.И., Лукинцов А.В. Генерация символов и чисел в СП СМОГ // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1974. - С. 47-65.

17. Горин С.В. Процедуры вывода векторных полей // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. -Новосибирск, 1973. С. 76-85.

18. Дворжец В.И. Комплект процедур вывода графиков // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ.- Новосибирск, 1973. С. 45-53.

19. Дворжец В.И. Процедуры вычерчивания изолиний // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. -Новосибирск, 1973. С. 54-65.

20. Дебелов В.А. Процедуры изображения поверхностей // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ.- Новосибирск, 1973. С. 66-75.

21. Математическое обеспечение графопостроителей. II уровень: СМОГ. Инструкция по программированию / под ред. Ю.А. Кузнецова. — Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1976.

22. Завьялов Ю.С. Интерполирование кубическими многозвенниками. // Вычислительные системы / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИМ. Новосибирск, 1970.-№38.-С. 23-101.

23. Баяковский Ю.М., Михайлова Т.И., Мишакова С.Т. ГРАФОР: комплекс графических программ на Фортране. М., 1972. - 60 с. - (Препринт / АН СССР. ИПМ; 41).

24. Баяковский Ю.М., Галактионов В.А., Михайлова Т.Н. Графор. Графическое расширение фортрана. М.: Наука, 1985.

25. Чибисов В.В. Вычерчивание и оформление номограмм на графопостроителе, подключенном к машине БЭСМ-6 // Номографический сборник / АН СССР ВЦ.-М., 1973.-№9.-С. 169-176.

26. Кобелев В.В. Машинная графика для системы БЭСМ-алгол. Серия "Библиотечка программиста". М.: Наука, 1978.

27. Гладких Б.А. и др. СМОГ система математического обеспечения графопостроителя. - Томск: Изд-во ТГУ, 1974.

28. Костюк B.JI. Система математического обеспечения графического вывода для ЕС ЭВМ. Томск: Изд-во ТГУ, 1977.

29. Громов В.П., Москалев О.В. Подходы к планированию процесса обработки информации в ВЦКП. // Программное и техническое обеспечение ВЦКП / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1978. - С. 186-201.

30. Васьков С.Т. и др. Устройство вывода информации из ЭВМ на микрофильм // Средства ввода в ЭВМ и отображения графической информации. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИАЭ. Новосибирск, 1974. - С. 34-45.

31. Баяковский Ю.М., Галактионов В.А. Графические протоколы // Автометрия.-1978.-№ 5. С. 3-11.

32. Дебелов В.А. Буферная часть СМОГ // Машинная графика и ее применение / под ред. Ю.А. Кузнецова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1974.-С. 19-37.

33. Дебелов В.А. Организация графического вывода // Организация вычислительного процесса в крупном ВЦ / под ред. Н.В. Кулькова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1978. - С. 11-18.

34. Дебелов В.А., Русское А.В. Технология графического вывода в крупном ВЦ или сети // Технология математического моделирования / под ред. В.П. Ильина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1988. - С. 76-81.

35. Дебелов В.А. Система управления графическим выводом // Машинная графика и ее применение / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1979. - С. 41-65.

36. Дебелов В.А., Мацокин A.M. Программное обеспечение устройства мик-^ рофильмирования КАРАТ. Новосибирск, 1977. - 22 с. - (Препринт / АН

37. СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 60).

38. Дебелов В.А., Мацокин A.M. Программное обеспечение устройства микрофильмирования КАРАТ // Автометрия. 1978. - № 5. - С. 25-28.

39. Кульков Н.В. Организация многомашинного вычислительного комплекса и анализ его работы: Автореферат на соискание учен. степ. канд. тех. наук:ф 05.13.13. спец Новосибирск, 1979.

40. Василенко В.А., Ковалков А.В. Микрофильмирование полей изолиний. -Новосибирск, 1978. 32 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 88)

41. Ким П.А., Нариньяни А.С. Простой пример модели шагающего автомата // Вычислительная математика и программирование / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1974.

42. Дебелов В.А. Программные средства формирования магнитофильмов на ЕС ЭВМ. Новосибирск, 1984. 23 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 486)

43. Вывод графической информации на микрофиши. Инструкция. Оперативно-информационный материал. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1978.

44. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1978. - С. 7-39.

45. Корякин В.К. и др. Работа пользователей в режиме непосредственного доступа в ОС ДИСПАК (руководство по работе с отладчиком). Информатор, вып. 12.2. М.: ИПМ АН СССР, 1976.

46. Метляев Ю.В. Вычислительная сеть для новых технологий обработки данных // Технология математического моделирования / под ред. В.П. Ильина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1989. - С. 97-111.

47. Дебелов В.А., Руссков А.В. Технология графического вывода в крупном ВЦ // Тез. доклад. VII всесоз. симпозиума "Модульные информационно-вычислительные системы" / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИЯФ. Новосибирск, 1989.-С. 174.

48. Дебелов В.А., Руссков А.В., Ткачев Ю.А. Система СМОГ для IBM PC // Тез. доклад. V всесоюз. конфер. по машинной графике "Машинная графика 89" / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1989. - С. 54-55.

49. Ткачев Ю.А. Комплект графических программ GRAPH'ER // Машинная графика и геометрическое моделирование / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. -Новосибирск, 1990. С. 20-59.

50. Дворжец В.И. Основные принципы графической системы СИГАМ // Автометрия. 1978. - № 5. - С. 18-24.

51. Вильданов Р.Н., Дебелов В.А., Упольников С.А. Графический пакет для ЕС и СМ ЭВМ // Тез. доклад, всесоюзн. конфер. по проблемам машинной графики и цифровой обработки изображений, 24-26 сент. 1985 / АН СССР. ДВНЦ. ИАиПУ. Владивосток, 1985. - С. 11-12.

52. Потапов В.П., Вылегжанин В.Н., Витковский Э.И. Система машинной графики для автоматизированного проектирования элементов шахтных полей // Машинная графика и ее приложения / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. -Новосибирск, 1983.-С. 136-139.

53. Arnold D.B., Bono P.R. CGM and CGI: Metafile and interface standards for computer graphics. Berlin: Springer-Verlag, 1988.

54. Дебелов В.А., Мацокин A.M. Структура программного обеспечения графических дисплеев // Автометрия. 1978. - № 5. - С. 85-86.

55. Дебелов В.А. Диалоговый графический канал // Машинная графика и ее применение / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. -Новосибирск, 1979. С. 66-90.

56. Дебелов В.А., Мацокин A.M. Система машинной графики СМОГ-85. Новосибирск, 1985. - 22 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 594).

57. Дебелов В.А., Мацокин A.M. Система машинной графики СМОГ-85 // Управляющие системы и машины. 1986, - № 4. - С. 107-112.

58. Matsokin A.M., Debelov V.A., Sirotin V.G., Upol'nikov S.A. Multi-Purpose Computer Graphics System SMOG-85 // Computers and Graphics. 1988. -Vol.12, № 3/4. - P. 441-456.

59. Шупта H.C., Дебелов В.А., Мацокин A.M., Упольников C.A. Пакет прикладных программ средств управления внешней памятью (ППП СУП). -Калинин: НПО "Центрпрограммсистем", 1988.

60. Фокс А., Пратт М. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве. М: Мир, 1982.

61. Баяковский Ю.М. и др. Система управления базами данных ИКАР. М., 1986.-60 с.-(Препринт /АНСССР.ИПМ; 179).

62. Белов С.Б. Иерархическая структура данных для интерактивной графиче-^ ской системы. Реализация для ЕС ЭВМ. Владивосток, 1979. - 39 с. —

63. Препринт / АН СССР. ДВНЦ. ИАиПУ ).

64. Белов С.Б. Система управления базой графических данных ПРИС // Проблемы машинной графики (материалы всесоюзной конференции) / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1982. - С. 6-10.

65. Butland J. Surface drawing made simple // Computer aided design. 1979. -ф Vol. 17, № 1,-P. 19-22.

66. JansenT.L. A simple effective hidden line algorithm // Computers and structures. 1983. - Vlo. 17,№4.-P. 563-571.

67. Сиротин В.Г. Комплект программ автоматического черчения. М.: ВИНИТИ, 1983. - (№ 3169-83).

68. Дебелов В.А. Визуализация данных в научных исследованиях // Тр. 4-й международной конференции по компьютерной графике и визуализациит Графикон'94. Нижний Новгород, 1994. - С. 27-30.

69. Debelov V.A., Tkachov Yu.A., Upol'nikov S.A. Geometric and Graphic Problems of Visual Analyses of Scientific Data // Proc. of 6th Intern. Confer, on Computer Graphics and Visualization Graphicon'96. St.-Petersburg, July 1-5. -1996.-Vol. 2.-P. 24-29.

70. Дебелов В.А., Мацокин A.M., Ткачев Ю.А. Диалоговая программа решения уравнения Пуассона // Микропроцессорные средства и системы.1988.-№2.т

71. Вильданов Р.Н., Дебелов В.А., Мацокин A.M., Могильницкий М.И. Визуализация сейсмических волновых полей // Проблемно-ориентированные вычислительные комплексы / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск,1989.-С. 39-44.

72. Sproull R.F., Thomas E.L. A network graphics protocol // Computer Graphics. -1984.-Vol. 8, № 3.

73. Михайлова Т.И., Рыжова И.Г. Базовая графическая система мини-ГКС -М., 1986. 27 с. - (Препринт / АН СССР. ИПМ; 160).

74. Сизых В.Г. Многоцелевой цветной графический дисплей высокого разрешения Гамма-4.2 // Тез. доклад. II всесоюз. конфер. "Методы и средства обработки сложной графической информации". Горький, 1985, С. 329330.

75. Александров М.А., Лазутин Ю.М. Комплекс программ на фортране для работы с графическим дисплеем Сигда на ЭВМ М-6000. М., 1981. — 22 с. — (Препринт / АН СССР. ИПМ; 107).

76. Бобков В.А., Белов С.Б. Графический протокол // Программирование. -1983.-№ 1.-С. 39-49.

77. Бобков В.А. и др. Распределенные графические системы // Машинная графика баз данных. Методические материалы и документация по пакетам прикладных программ. Вып. 26. М.: МЦНТИ, 1984. - С. 65-85.

78. Van Dam A., Stabler G.M. Intelligent satellites for interactive graphics // Proc. Nat. Comput. Conf. 1973. - P. 229-238.

79. Дебелов B.A., Мацокин A.M., Чубарев А.И. СПО ГД система программного обеспечения графического диалога // Проблемы машинной графики / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1982.-С. 64-71.

80. Чубарев А.И. Средства программирования сателлита в рамках СПО ГД // Машинная графика и ее приложения / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1983. - С. 23-44.

81. Дебелов В.А., Мацокин A.M., Чубарев А.И. Подход к разработке распределенных систем для двухмашинных комплексов // Машинная графика и ее приложения / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. -Новосибирск, 1983. С. 5-22.

82. Дебелов В.А., Торшин В.И., Чубарев А.И. Использование АРМ-Р в комплексе с БЭСМ-6 // Интерактивные системы: тез. докл. III школы-семинара. Тбилиси, 1981, кн. 2. - С. 206-207.

83. Торшин В.И. Графические средства ПО АРМ // Программные средства машинной графики / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1984. - С. 5-16.

84. Федулов А.В., Спиров В.И., Корольков С.С., Мацокин A.M., Дебелов В.А. Система машинной графики САПР "Магистраль" // Техника, экономика, информация. Сер. Автоматизация проектирования, вып.1. М, 1986. - С. 58-77.

85. Васильева Л.Ф. Операционные средства, обеспечивающие работу ЭВМ ^ БЭСМ-6 с Унифицированной Магистральной Системой Обмена (УМСО) //

86. Машинная графика и ее применение / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1979. - С. 116-124.

87. Сиротин В.Г. Язык ГРАФИТ для описания, редактирования, хранения и визуализации моделей двумерных геометрических объектов и их чертежей // Машинная графика и ее приложения / под ред. A.M. Мацокина. / АН

88. СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1983. - С. 63-91.

89. Горелик А.Г. Автоматизация инженерно-графических работ с помощью ЭВМ. Минск: Вышейшая школа, 1980.

90. Голубев В.М., Сиротин В.Г. СМОГ-85. Программное обеспечение для создания банка конструкторских документов // Программные средства машинной графики / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1984. - С. 52-58.

91. Голубев В.М. Проставление размерной и технологической информации на машиностроительных чертежах // Машинная графика и ее приложения / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1983.-С. 101-107.

92. Шупта Н.С. Использование средств машинной графики в специализированной САПР // Программные средства машинной графики / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1984. - С. 71-76.

93. Щ 96. Упольников С.А. Алгоритмы конструирования трехмерных объектов на

94. ЭВМ // Машинная графика и ее приложения / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1983. - С. 115-135.

95. Упольников С.А. Реализация алгоритмов обработки полиэдров // Программные средства машинной графики / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1984. - С. 91-103.

96. Мацокин A.M., Упольников С.А. 111111 SPACE средство формирования и обработки трехмерных объектов // Программные средства машинной графики / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1984.-С. 77-90.

97. Баяковский Ю.М., Мишакова С.Т. Автоматизированная система подготовки публикаций и документов (АСПИД). М., 1977. - 25 с. - (Препринт / АН СССР. ИПМ; 19).

98. Талныкин Э.А., Юрашевский Е.Г. АВТОТИП система автоматизации фотонабора. - Новосибирск, 1978. - 32 с. - ( Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИАиЭ; 91).

99. Косарев Ю.Г., Москвитин А.А. Система широкого применения для автоматизации редакционно-издательских работ. // Вычислительные системы, вып. 74. Методы обработки информации. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИМ. -Новосибирск, 1978. С. 3-20.

100. Юдина J1.C., Нудельман А.С. Автоматическое определение места переноса в предложении. // Вычислительные системы, вып. 74. Методы обработки информации. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ИМ. Новосибирск, 1978. - С. 3151.

101. Митрофанов В.В. и др. Автоматизация технологии редакционно-издательского процесса на базе ЕС ЭВМ и фотонаборной техники // Алгоритмы и организация решения экономических задач. Вып. 14. М., 1980. -С.108-123.

102. Братухина В.А. и др. Системы автоматизации подготовки документации. ДОКУМЕНТАТОР БЭСМ-6. ДОКУМЕНТАТОР ЕС ЭВМ. Новосибирск, 1982. - 22 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 370).

103. Катков B.JL, Казан В.М. Система текстовой обработки "СТРЕЛА" // Управляющие системы и машины. 1984. - № 1. - С. 108-111.

104. Коняхина А.А. Характеристки некоторых программных систем подготовки документации. Новосибирск, 1983. - 35 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 470).

105. Клименко С.В. и др. PROTEX процессор текстов в системе подготовки документации PROTOTYP. - Серпухов, 1983. - 25 с. - (Препринт / РАН. ИФВЭ; 83-171).

106. Катков B.JL, Хлебцевич Т.Е., Близнец А.И. РИС язык наборной графики // Программные средства машинной графики / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1984. - С. 41-51.

107. Kernighan B.W., Lesk M.F., Ossanna J.F. Document preparation. Pt. 2 // Bell Syst. Techn. J. 1978. - Vol. 57, № 6. - P. 2115-2135.

108. Corbett C., Witten I.H. On the inclusion and placement of documentation graphics in computer typesetting // Computer J. 1982. - Vol. 25, № 2. - P. 235238.

109. Knuth D.E. The TeXbook. Addison-Wesley, 1993.

110. Подготовка и проведение приемо-сдаточных испытаний: методические рекомендации. Пакеты прикладных программ. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1983,-С. 38-55.

111. ПЗ.Берс А.А., Поляков В.Г. Архитектура многофункционального рабочего места обслуживания редакции // Персональные ЭВМ в задачах информатики / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1984.

112. Дебелов В.А., Плеханов С.А. ФОРТ графическое программное средство оформления документов // Программные средства машинной графики / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. - Новосибирск, 1984. -С. 22-40.

113. Witten I.H., Bonham М., Strong Е. On the power of traps and diversions in a document preparation language // Sofware Practice & Experience. 1982. -Vol. 12.-P. 1119-1131.

114. Lamport L. LaTeX: A document preparation system. Addison-Wesley, 1985.

115. Дебелов В.А., Плеханов С.А. Вывод формульной информации на графопостроитель // Машинной графика и ее приложения / под ред. A.M. Мацокина. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1983. - С. 57-62.

116. Kernighan B.W. Cherry L.L., A system for typesetting mathematics // Commun. ACM. 1975.-Vol. 18.-P. 151-157.

117. Дебелов В.А., Плеханов C.A. Автоматизация подготовки печатного материала на ЭВМ Burroughs-6700. Процессоры для подготовки текстов, формул и распечаток. Новосибирск, 1985. - 48 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 557).

118. Дебелов В.А., Плеханов С.А. Автоматизация подготовки печатного материала на ЭВМ. Процессор для подготовки рисунков. Новосибирск, 1985. - 21 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ; 627).

119. Wolcott N.M., McCrackin F.L. A Fortran IV program to draw enhanced graphic characters // Computer Graphics. 1977. - Vol. 11, № 2. - P. 121-127.

120. Детушев В.А. Реализация автоматического набора формул в системе САПФИР // Программное обеспечение задач информатики / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1982. - С. 61-69.

121. Kernighan B.W. PIC a language for typesetting graphics // Software Practice & Experience. - 1982. - Vol. 12. - P. 1-21.

122. Мацокин A.M., Упольников С.А. Пакет прикладных задач для решения трехмерных графических задач (111111 SPACE). Калининг: НПО "Центрпрограммсистем", 1988.

123. Сиротин В.Г., Голубев В.М., Шупта Н.С. Пакет прикладных программ машинной графики (111111 ГРАФИТ). Калининг: НПО "Центрпрограммсистем", 1988.

124. Голубев В.М., Сиротин В.Г. Программное средство архивации моделей конструкторских документов информационно-справочной системы (ПС АКД). Калинин: НПО "Центрпрограммсистем", 1988.

125. Дебелов В.А. Ободном подходе к разработке интерактивных графических программ // Машинная графика и геометрическое моделирование / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1990. - С. 5-19.

126. Hartson H.R., Hix D. Human-Computer Interface Development. Concepts and Systems for its Management // ACM Computing Surveys. 1989. - Vol. 21, № l.-P. 5-92.

127. Sirotin V.G., Debelov V.A., Upol'nikov S.A., a.o. CARAVAN: data generator for an expert vision automatic recognizer system for ship // Тез. докл. междунар. конфер. по визуальному анализу и интерфейсу. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1991.-С.5.

128. Sirotin V.G., Tkachov Yu.A. Computer magazines and tools for their creation // Там же. С. 34.

129. Upol'nikov S.A. Generation and visual analysis of polyhedral models // Там же. -С. 63.

130. Дубова Н. "Лексикон" в коробке. Computerworld, 2000, № 29.

131. Котельников И.А., Чеботаев П.З. Издательская система LATEX 2е. Новосибирск: НИЦ "Сибирский хронограф", 1998.

132. Мяленко В.И. Методы экспериментального определения силовых характеристик рабочих органов почвообрабатывающих орудий. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1991.

133. Дебелов В.А., Плеханов С.А. Подход к разработке экранного редактора формул // Тез. доклад. IV всесоюз. конфер. По проблемам машинной графики, Протвино, 9-11 сент. 1987 г. Серпухов: ИФВЭ, 1987. - С. 98.

134. Дебелов В.А., Плеханов С.А. Структурный экранный редактор формул СЭРФ // Машинная графика и ее применение ( под ред. В.А. Дебелова. / АН СССР. Сиб. отд-ние. ВЦ. Новосибирск, 1987. - С. 27-36.

135. Rayner T.J., Shaw J.D Review: T a PC scientific word processing // Laboratory microcomputer. - 1989. - Vol. 8, № 3. - P. 99-102.

136. Appelt W. Running TeX in an interactive environment. // TeX for scientific documentation, LNCS. 1986. - Vol. 236. - P. 5-63.

137. Nakayama Y. A prototype pen-input mathematical formula editor // Proc. of ED-MEDIA 93: World Conference on Educational Multimedia and Hypermedia, Orlando, FL, 23-26 June. 1993. - P. 400-407.

138. Guibas L., Sharir M. Chapter I. Combinatorics and Algorithms of Arrangements. // New Trends in discrete and computational geometry / Pach J. (ed.) -Springer-Verlag, 1993. P. 9-36.

139. Препарата Ф., Шеймос M. Вычислительная геометрия: введение. М.: "Мир", 1989.

140. Харари Ф. Теория графов. Пер. с англ. М.: МИР, 1973.

141. Debelov V.A., Matsokin A.M. Implementation of set operations and intersection of Bezier curves // Computers and Graphics. 2000. - Vol. 24, № 1. - P. 53-65.

142. Математический энциклопедический словарь. M.: Советская энциклопедия, 1988.

143. Дебелов В.А., Мацокин A.M. Разбиение плоскости кривыми Безье // Тр. 7-ой междунар. конфер. по компьютерной графике и визуализации Графи-кон-97. Москва, 21-24 мая, 1997. -М.: МГУ, 1997. С. 67-74.

144. Дебелов В.А., Мацокин A.M., Упольников С.А. Разбиение плоскости и теоретико-множественные операции // Сибирский журн. вычисл. матем. -1998. Т. 1, № 3. - С. 227-247.

145. Дебелов В.А., Мацокин A.M. Алгоритм реализации теоретико-множественных операций // Тр. 8-ой междунар. конфер. по компьютерной графике и визуализации Графикон-98. Москва, 7-11 сент., 1998. М.: МГУ, 1998.-С. 173-181.

146. Tilove R.B. Set membership classification: a unified approach to geometric intersection problem // IEEE Trans, on Comput. 1980. - Vol. C-29, №. 10. - P. 874-883.

147. Дебелов B.A., Донская О.Г., Иутин B.C., Малахин A.C., Тарасов Е.А., Ткачев Ю.А., Штарк М.Б., Шульман Е.И. Биологическая обратная связь на основе компьютерной игры // Автометрия. 1996, № 6. - С. 37-44.

148. Debelov V.A., a.o. Biological feedback based on a computer game // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. Allerton Press, Inc., 1996. - № 6. - P. 34-40.

149. Bargen В., Donnelly Т.Р. Inside DirectX. Microsoft Press, 1998.

150. Stein M., Bowman E., Pierce G. Direct3d: Professional Reference. New Riders Publishing, 1997.

151. Thompson N. 3D Graphics Programming for Windows 95. Microsoft Press, 1996.

152. Trujillo S. Cutting-Edge Direct3D Programming. Coriolis Group, 1996.

153. Шикин E.B., Боресков A.B. Компьютерная графика. Полигональные модели. М.: ДИАЛОГ- МИФИ, 2000.

154. Дебелов В.А., Ткачев Ю.А. SmogDX объектно-ориентированная графика для Windows (DirectX и Visual С++). - Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2001.

155. Дебелов В.А., Ткачев Ю.А. Объектно-ориентированная система машинной графики для Windows (С++ и Microsoft DirectX). Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, 1999.

156. Sirotin V., Debeloff V., Yuri Urri. DirectX-Programmierung mit Visual С++ 6. Addison-Wesley, 1999.

157. Климухин А.Г. Начертательная геометрия. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1973.

158. Гринберг Д. Синтез реалистических изображений: трассировка лучей и из-лучательность // Тр. междунар. конфер. по машинной графике Графи-кон'91. М.: ИПМ АН СССР, 1991.-С. 122-129.

159. Кэтмул Э. Компьютерная анимация для кино и телевидения // Тр. междунар. конфер. по машинной графике Графикон'91. М.: ИПМ АН СССР, 1991.-С. 26-49.

160. Greenberg D., Torrance К., Shirley P., Arvo J., Ferwerda J. A., Pattanaik S., La-fortune E. P. F., Walter В., Foo S., Trimbone B. A framework for realistic rendering // Proc. of SIGGRAPH-97, Los Angelos, С A, August 3-9, 1997. P. 477-494.

161. Kajiya J.T. The Rendering Equation // Proc. SIGGRAPH'86. P. 143-150.

162. Cohen M.F., Wallace J.R. Radiosity and realistic image synthesis. Academic Press, 1993.

163. Блох А.Г., Журавлёв Ю.А., Рыжков Jl.H. Теплообмен излучением. Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

164. Марчук Г.И., Лебедев В.И. Численные методы в теории переноса нейтронов. -М.: Энергоатомиздат, 1971.

165. Дебелов В.А., Саттаров М.А. Проблемы реалистической визуализации кристаллов // Тр. 13-й международной конференции по компьютерной графике и зрению Графикон-2003, Москва, 5-10 сент. 2003. М.: МГУ, 2003.-С. 221-227.

166. Дебелов В.А. Глобальная освещенность и методы декомпозиции // Тр. междунар. конфер. "Virtual Environment on PC Clusters" / Fraunhofer Institute for Media Communications, 2002. P. 111-127.

167. Wallace J.R., Cohen M.F., Greenberg D.P. A two-pass solution to the rendering equation : a synthesis of ray-tracing and radiosity methods // Computer Graphics. 1987. - Vol. 21, № 4. - P. 311-320.

168. Sillion F.X., Puech С. A general two-pass method integrating specular and diffuse reflection // Computer Graphics. 1989. - Vol. 23, № 3. - P. 335-344.

169. Дебелов B.A., Мальдон Д.В., Упольников С.А. Двухфазный метод визуализации сцен с точечными источниками // Труды 6-ой междунар. конфер. по компьютерной графике и анимации АНИГРАФ'98, Москва, 20-23 мая 1998. РЦФТИ, Протвино, 1998. - С. 112-119.

170. Debelov V. A., Sevastyanov I. М. One method to reduce complexity of matrix radiosity algorithm // Proc. GraphiCon-2000. P. 110-116.

171. Дебелов B.A., Саттаров M.A. Метод излучательности с упрощенным расчетом форм-факторов. Аспекты параллельной реализации // Тр. междунар. конфер. Графикон-2002, 16-21 сентября 2002 г. Нижний Новгород. Нижний Новгород, 2002. - С. 195-203.

172. Chiu К., Zimmerman К., Shirley P. The light volume: an aid to rendering complex environments // Seventh Eurographics Workshop on Rendering. Porto, Portugal, 1996.-P. 1-10.

173. Greger G., Shirley P., Hubbard P.M., Greenberg D.P. The irradiance volume // IEEE Computer Graphics & Applications. 1998. - Vol. 18, № 2. - P. 32-43.

174. Whitted T. An improved illumination model for shaded display // Commun. ACM. 1980. - Vol. 23, № 6. - P. 343-349.

175. Foley J.D., a.o. Computer graphics. Principles and practice 2nd ed. in C. -Addison-Wesley, 1996.

176. Д. Роджерс. Алгоритмические основы машинной графики. Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.

177. Slusallek P. Introduction to Interactive Ray-Tracing // Proc. SIGGRAPH 2001 .Couse Note 13 on CD. 2001.

178. Parker S., Shirley P., Smits B. Single sample soft shadows. Tech. Rep. UUCS-98-019. Utah: Computer Science Department, University, 1998.

179. Ward, G.J., Heckbert P.S.: Irradiance gradients // Proc. of the Third Eurographics Workshop on Rendering. Bristol, UK, 1992. - P. 85-98.

180. Arvo, J. Backward Ray Tracing. Developments in Ray Tracing // Proc. SIGGRAPH'86. Course Notes 12. 1986.

181. Jensen H. Wann, Christensen NJ. Photon maps in bidirectional monte carlo ray tracing of complex objects // Computers and Graphics. Vol. 19, № 2. - 1995. -P. 215-224.

182. Max N. Optical models for direct volume rendering // IEEE Trans, on Visualization and Comput. Graphics. 1995. - Vol. 1, № 2. - P. 99-108.

183. Ghali S., Fiume E., Seidel H.-P. Shadow computation: a unified perspective // Proc. EUROGRAPHICS^OOO on CD. shadows.pdf. 2000.

184. Debelov V.A., Sevastyanov I.M. Light meshes original approach to produce soft shadows in ray tracing // Lecture Notes in Computer Science. - Vol. 2330. -Springer-Verlag, 2002.-P. 13-21.

185. Haines E. Soft planar shadows using plateaus // J. of Graphics Tools. 2001. -Vol. 6,№ l.-P. 19-27.

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00