Download pptx - Компьютерная графика. Лекция 2

Компьютерная графика. Лекция 2

Программирование с использованием GDI+ и технологии WPF


Многоуровневая архитектура графической подсистемы

• Верхний слой – клиентские API• GDI, DirectDraw, Direct3D, OpenGL, GDI+, WPF

• используются прикладными программами• находятся в адресном пространстве приложения

• Средний слой – т.н. Graphics Engine• часть ядра ОС

• содержит сотни функций, используемых верхним слоем

• Нижний слой – драйвер устройства• осуществляет непосредственное взаимодействие с

графическим устройством• используется средним слоем для доступа к

устройству


Приложение

GDI, GDI+

Graphics Engine

Драйвер устройства

Аппаратное устройство


GDIGDI (Graphics Device Interface) – API фирмы Microsoft для аппаратно-независимого программирования различных графических устройств• Видеоадаптеры• Принтеры

• Изначально разработана для Windows 3.1• 16-битное графическое ядро по наследству

перешло и в Windows 95/98• в Windows NT/2000+ используется 32-битное

графическое ядро, предоставляющее больше возможностей

• GDI+ - это новое графическое API, появившееся в Windows XP/2003 Server• Объектно-ориентированный интерфейс

предоставленный в виде набора C++ классов


Достоинства GDI

Абстрагирование от особенности работы различных графических устройств

• Один и тот же код может с легкостью производить вывод на различные графические устройства

Данная особенность сделала GDI основным инструментом программирования пользовательского интерфейса Windows


Недостатки GDI• Огромное количество функций усложняет

изучение данного API• Отсутствие сглаживания векторных

примитивов, растровых изображений и шрифтов

• Слабые возможности по работе с полупрозрачными изображениями

• Отсутствие поддержки изображений в формате, отличном от BMP и WMF/EMF

• Управление ресурсами целиком возложено на программиста, а не на библиотеку

• За универсальность пришлось заплатить низким быстродействием, что сделало GDI малопригодным для динамических приложений


Что такое GDI+ Объектно-ориентированная библиотека для вывода графики• Представлена в виде нескольких

десятков классов на С++• появилась начиная с Windows XP• доступна в виде redistributable

packages для Windows 98/ME/NT4/2000

• Двумерная векторная графика• Обработка растровых изображений• Вывод текстов

Область применения GDI+


Достоинства и недостатки GDI+Достоинства

улучшены возможности по работе с текстом, векторной и растровой графикой

вместо сотен функций GDI+ предоставляет несколько десятков хорошо спроектированных C++ классов

большая часть работы по управлению ресурсами возложена на библиотеку и компилятор

разработчики рекомендуют использовать GDI+ вместо GDI в новых программах

Недостаток низкая производительность

универсальность и в этот раз делает GDI+ малопригодной для создания динамических приложений


Графические объекты GDI+

Для отображения графики и текста GDI использует следующие графические объекты:

• Bitmap – растровое изображение;• Brush – кисть;• Font – шрифт;• Metafile – метафайл;• Path – путь;• Pen – перо;• Region – регион.


Bitmap

• Растровое изображение, имеющее определенный формат пикселей и, возможно, палитру

• Типы растровых изображений:• DDB – device-dependent bitmap• DIB – device-independent bitmap


Brush

Графический объект, используемый GDI для заполнения внутренностей замкнутых примитивов

• эллипс, многоугольник, путь

• заполнение внутренней области может быть как сплошным, заштрихованным, использовать шаблон или растровое изображение


Типы кистей

В GDI+ появилась поддержка кистей с градиентной заливкой. Градиент применяется для заполнения внутренностей замкнутых фигур и путей


FontШрифт – графический объект GDI+, используемый для вывода текста

Шрифт определяет начертание символовТипы шрифтов

Растровые шрифты (определяют набор растровых изображения символов)

Векторные шрифты (отрезки линий, определяющие внешний вид символов)

TrueType- и OpenType-шрифты (содержат команды рисования линий и кривых)


MetafileМетафайл – это массив структур переменной длины, называемых записями, хранящий информацию о командах GDI, необходимых для отображения изображенияОбеспечивает лучшую независимость от графических устройств, чем bitmap

Типы метафайлов:• WMF – windows metafile• EMF – enhanced metafile


PathПуть – одна или несколько фигур, с заполнением внутренностей и/или обводкой

• Приложение может использовать пути для создания сложных векторных фигур из более простых (многоугольников, текстов, кривых и отрезков линий)


Pen

Перо – графический объект, используемый для рисования линий и кривых

Типы перьев• Cosmetic – задают толщину линии в

единицах физического устройства • Geometric – задают толщину линий в

логических единицах


Пример использования перьев для рисования векторных примитивов


RegionРегион – это прямоугольник, многоугольник, эллипс или комбинация нескольких данных фигур. Регион может быть закрашен, инвертирован, обведен, а также может быть использован для проверки попадания точки в область региона и создания областей отсечения


Фундаментальные сплайны (Cardinal Splines)

Cardinal spline – последовательность отдельных кривых, соединенных в виде одной кривой

• Такие сплайны проходят через заданные точки, не образуя острых углов


Независимые объекты путей(Independent Path Objects)

В GDI+ рисование выполняется при помощи объекта Graphics, в то время как пути хранятся в объектах GraphicsPath

• это дает возможность рисования одного и того же объекта GraphicsPath несколько раз


Трансформации и матрицы

• GDI+ предоставляет класс Matrix, упрощающий повороты, переносы, масштабирование объектов, а также их комбинирование

• На рисунке показан результат применения двух трансформаций к пути (масштабирование и поворот)


Трансформации регионов

GDI+ позволяет применять матричные преобразования к регионам, что дает возможность их масштабирования, поворота и переноса


Смешивание цветов и полупрозрачностьGDI+ позволяет задать прозрачность

заливки или линий при выводе графики


Класс Graphics

GDI+ предоставляет пользователю класс Graphics, инкапсулирующий работу с графикой

• связан с определенным окном• не связан с кистью, перьями и

шрифтами

• нужные объекты GDI+ передаются в методы рисования класса Graphics


HDC hdc;PAINTSTRUCT ps;hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);{

Pen myPen(Color(255, 255, 0, 0), 3);Graphics myGraphics(hdc);myGraphics.DrawLine(&myPen, 20, 10, 200, 100);

}EndPaint(hWnd, &ps);

Рисование линии при помощи GDI+


Кисти, перья, пути, изображения и шрифты – параметры методовОбъекты GDI+ создаются и хранятся отдельно от класса Graphics. Методы класса Graphics, выполняющие рисование, принимают указатель на нужный им объект, что упрощает работу с ресурсами

Многие методы GDI+ перегружены, т.е. имеют одно имя, но различные списки параметров - программист может использовать более удобный в конкретной ситуации способ вызова метода

Перегрузка методов


Прочие улучшения• Отказ от текущей позиции рисования линий

• методы рисования линий принимают начальную и конечную точки

• нет необходимости в MoveTo/LineTo• Отделение методов рисования от методов

заливки• DrawRectangle и FillRectangle

• Цвет в GDI+ имеет Alpha составляющую, задающую прозрачность

• Упрощение создания и комбинирования регионов


Поддержка различных форматов изображений

GDI+ предоставляет классы Image, Bitmap и Metafile для загрузки, сохранения и обработки изображений различных форматов

BMPGIFJPEGPNGExifTIFFICONWMFEMF


Рисование линий• Для рисовании линии необходимо создать

объекты Graphics и Pen• Метод DrawLine объекта Graphics выполняет

рисование линии заданным пером:myGraphics.DrawLine(&myPen, 4, 2, 12, 6);

Для рисования прямоугольника служит метод DrawRectangle объекта GraphicsmyGraphics.DrawRectangle(&myPen, 100, 50, 80, 40);Rect myRect(100, 50, 80, 50);myGraphics.DrawRectangle(&myPen, myRect);

Рисование прямоугольника


Рисование эллипсаДля рисования эллипса служит метод DrawEllipse

• myGraphics.DrawEllipse(&myPen, 100, 50, 160, 80);

• Rect myRect(100, 50, 160, 80); myGraphics.DrawEllipse(&myPen, myRect);


Рисование многоугольниковДля рисования многоугольников служит метод DrawPolygon

Point myPointArray[] ={Point(0, 0), Point(50, 30), Point(30,

60)};myGraphics.DrawPolygon(&myPen, myPointArray, 3);


Антиалиасинг

Антиалиасинг позволяет уменьшить ступенчатость при отображении векторных примитивов на растровом дисплееmyGraphics.SetSmoothingMode(SmoothingModeAntiAlias); myGraphics.DrawLine(&myPen, 0, 0, 12, 8);


Загрузка растрового изображения

• Загрузка растрового изображения из файла при помощи GDI+ выполняется очень просто – достаточно передать имя файла в конструктор класса Bitmap• Bitmap myBitmap(L"Spiral.png");

• Важное замечание - загрузка изображения из файла занимает некоторое время• для многократного рисования

изображения нужно сохранить его после создания в переменной, а не загружать каждый раз заново


Рисование растрового изображенияДля рисования растрового изображения служит команда DrawImage

Пример:myGraphics.DrawImage(&myBitmap, 10, 10);


Работа с текстомДля создания шрифта необходимо указать семейство шрифта, размер, стиль и единицы измерения

FontFamily fontFamily(L"Arial");Font font(&fontFamily, 16, FontStyleRegular, UnitPixel);


Работа с текстом

Для вывода текста служит метод DrawString объекта Graphics

FontFamily fontFamily(L"Times New Roman");Font font(&fontFamily, 24, FontStyleRegular, UnitPixel);PointF pointF(30.0f, 10.0f);SolidBrush solidBrush(Color(255, 0, 0, 255));

graphics.DrawString(L"Hello", -1, &font, pointF, &solidBrush);

WINDOWS PRESENTATION FOUNDATION 4


Windows Presentation Foundation (WPF) — система для построения клиентских приложений Windows с визуально привлекательными возможностями взаимодействия с пользователем, графическая (презентационная) подсистема в составе .NET Framework (начиная с версии 3.0), использующая язык XAML.


Базовые сведения

Технология WPF существенно упрощает создание любых пользовательских интерфейсов. При этом интерфейс может создаваться относительно независимо от остального приложения, что позволяет дизайнерам гораздо эффективнее участвовать в процессе разработки приложения.


Преимущества WPF

WPF предустановлена в Windows Vista, Windows 7, Windows 8.

WPF предоставляет средства для создания визуального интерфейса, включая язык XAML (Extensible Application Markup Language), элементы управления, привязку данных, макеты, двухмерную и трёхмерную графику, анимацию, стили, шаблоны, документы, текст, мультимедиа и оформление.


Особенности WPF

В основе WPF лежит векторная система визуализации, не зависящая от разрешения устройства вывода и созданная с учётом возможностей современного графического оборудования.

Графической технологией, лежащей в основе WPF, является DirectX, в отличие от Windows Forms, где используется GDI/GDI+. производительность WPF выше, чем

у GDI+ за счёт использования аппаратного ускорения графики через DirectX


Особенности WPF

Технологию Silverlight является подмножеством WPF и дополнительно включает несколько фундаментальных классов из каркаса .NET Framework (встроенные типы данных, классы коллекций и т. д.). Если требуется функциональность, которая существует только в полной версии .NET, то рекомендуется использовать WPF. Если необходима возможность выполнять приложение на компьютерах Мас или устройствах, отличных от стандартного ПК, то используется Silverlight. На любой платформе Silverlight обеспечивает единую технологию построения интерфейса.


Технология Silverlight и WPF

Создание WPF приложения начинается с процедуры задания размеров и положений элементов управления (и других элементов) – компоновки или верстки макета. В WPF имеется богатая инфраструктура компоновки. В ее основе лежит механизм взаимодействия между элементами-родителями и их потомками.

Создание WPF-приложения


Панели WPF

Родительские элементы, поддерживающие компоновку нескольких детей, называются панелями.WPF пять основных встроенных панелей (все в пространстве имен System.Windows.Controls) в порядке возрастания сложности (и полезности): Canvas; StackPanel; WrapPanel; DockPanel; Grid.


1) Canvas (холст) - самая простая панель. Использовать для организации пользовательского интерфейса не рекомендуется. 2) StackPanel последовательно размещает своих потомков в виде стопки. 3) Панель WrapPanel похожа на StackPanel, но при нехватке места для одной стопки создает новые строки или столбцы. 4) Панель DockPanel дает простой способ пристыковки элемента к одной из сторон, растягивая его на всю имеющуюся ширину или высоту. 5) Grid(сетка) - самая гибкая из всех панелей и, пожалуй, наиболее употребительная. В проектах VisualStudio и ExpressionBlend панель Grid используется по умолчанию. Она позволяет расположить дочерние элементы в несколько строк и несколько столбцов, не полагаясь на режим автоматического переноса.


Виды панелей


Свойства панелей

Во всех классах, производных от FrameworkElement, есть свойства Height (высота) и Width (ширина) (типа double), а также MinHeight, MaxHeight, MinWidth и MaxWidth, которыми можно пользоваться для задания допустимых диапазонов значений. Все эти свойства можно задавать в любой комбинации как в процедурном коде, так и в XAML.


Свойства Height и Width

Свойства Margin и Padding тоже связаны с размером элемента. Margin задает внешнее поле вокруг элемента, a Padding - внутренний отступ между содержимым элемента и его границами.Результат установки разных свойств Margin и Padding


Свойства Margin и Padding

С помощью свойств HorizontalAlignment и VerticalAlignment элемент может управлять распределением избыточного пространства, выделенного ему родителем. Значениями свойств являются одноименные перечисления, которые определены в пространстве имен System.Windows:- HorizontalAlignment - Left, Center, Right, Stretch - VerticalAlignment - Top, Center, Bottom, Stretch Пример:


Выравнивание

В WPF имеется ряд встроенных классов двумерных геометрических преобразований (производных от System.Windows.Media.Transform), которые позволяют изменять размер и положение элементов независимо от ранее рассмотренных свойств.


Применение преобразований

Встроенные двумерные преобразования, определенные в пространстве имен System.Windows.Media:• RotateTransform;• ScaleTransform;• SkewTransform; • TranslateTransform;• MatrixTransform.

RotateTransform ScaleTransform

Примеры преобразований Компьютерная графика. Лекция 2

SkewTransform

Рассмотрим две важных составных части инфраструктуры WPF - маршрутизируемые события и команды.

Маршрутизируемые события и команды


Сгенерированное маршрутизируемое событие может распространяться вверх или вниз по визуальному и логическому дереву, достигая каждого элемента простым и естественным образом без написания дополнительного кода. Маршрутизация событий позволяет большинству приложений вообще не задумываться о наличии визуального дерева и является основой механизма композиции элементов в WPF. События жестко связаны с деталями конкретных действий пользователя (например, нажатие кнопки или выбор элемента ListBoxItem из списка). Для различных устройств ввода определены свои события. Существуют события: клавиатуры; мыши; стилуса.

Маршрутизируемые события


В WPF существуют команды – это более абстрактная и слабо связанная версия событий. Команды представляют действия независимо от того, как они выглядят в пользовательском интерфейсе. Каноническими примерами служат команды Cut (Вырезать), Сору (Копировать) и Paste (Вставить). Мощь механизма команд основывается на трех основных особенностях: в WPF определено много встроенных команд; в команды встроена автоматическая поддержка

жестов ввода (например, сочетаний клавиш); встроенное поведение некоторых элементов

управления WPF уже ориентировано на те или иные команды.


Команды

Элементы управления

Есть три основных разновидности однодетных элементов управления:- Кнопки - Простые контейнеры - Контейнеры с заголовками


Примеры элементов управления


Двумерная графика Основное отличие WPF от GDI - это то, что в WPF применяется графическая система, работающая полностью в режиме запоминания, а не непосредственной визуализации. В системе, работающей в режиме запоминания, можно формулировать высокоуровневые указания, например: «Помести синий квадрат размером 10x10 точку (0,0), - и система сама запомнит и будет поддерживать это состояние. На самом деле это означает: «Помести синий квадрат размером 10x10 в точку (0,0) и следи за тем, чтобы он там оставался». В дальнейшем нет необходимости возиться с недействительными областями и перерисовкой, а это экономит немало времени.


Существует три типа данных: Drawing, Visual и Shape. Drawing - это просто описания путей и фигур с ассоциированными кистями Brush для заливки и контура. Визуальное представление Visual — это один из способов нарисовать объект Drawing на экране, но класс Visual открывает также возможность низкоуровневого и менее ресурсоемкого подхода к рисованию, позволяющего обходиться вообще без объектов Drawing. Фигуры Shape - это готовые объекты Visual, предлагающие самый простой (но и самый ресурсоемкий) подход к рисованию на экране.

Двумерная графика Компьютерная графика. Лекция 2

Трехмерная графика (или ЗD-графика) полностью интегрирована в платформу WPF, многие встречающиеся в ней концепции пересекаются с двумерной графикой и другими компонентами. Как и в случае двумерной графики, возможности 3D доступны как из процедурного кода, так и из XAML-разметки. Чтобы отобразить в WPF трехмерную сцену, необходимо построить граф объектов. После того как сцена описана, система берет на себя ответственность за ее визуализацию и перерисовку в нужные моменты времени.

Трёхмерная графика


Задача трехмерной графики - создание по трехмерным моделям двумерных изображений, которые можно было бы отобразить на некоем устройстве вывода, например на экране монитора. Хотя большинство ЗD-классов - прямые обобщения двумерного API, есть два понятия, не имеющих аналогов в двумерном мире: Материалы Material и источники света Light Камеры Camera

Трёхмерная графика


В WPF для управления тем, что появится в объекте Viewport3D, необходимо поместить на 3D-сцену виртуальную камеру (объект Camera). Для этого следует позиционировать и ориентировать камеру в мировой системе координат (иногда для краткости ее называют мировым пространством). На рисунке показаны двумерная и трехмерная системы координат, применяемые в WPF.


Камера

Освещение складывается из трех основных компонентов: объекты Light, являющиеся источниками света; объекты Material, то есть материалы, по-

разному отражающие свет в камеру; геометрия (Geometry) модели, определяющая

углы падения и отражения света. Рассмотрим различные источники освещения, поддерживаемые WPF.


Освещение

DirectionalLight (направленный источник света) — расположен в бесконечности, освещает сцену параллельными лучами света. Этот класс аппроксимирует удаленный источник света, например Солнце. PointLight (точечный источник) — излучает свет равномерно во всех направлениях. Яркость света убывает с увеличением расстояния от источника. Класс PointLight аппроксимирует нефокусированные источники света, например электрические лампочки.


Виды источников света

SpotLight (прожектор) - испускает конус света. Яркость убывает с увеличением расстояния от источника. Класс SpotLight аппроксимирует фокусированные источники света, например луч фонаря. AmbientLight (рассеянный свет) — освещает все поверхности равномерно. Яркий источник рассеянного света создает плоские изображения из-за отсутствия теней. Однако не слишком яркий источник аппроксимирует эффект рассеянного освещения, созданного диффузно отражающими поверхностями на сцене.


Виды источников света

АнимацияВ WPF у анимации есть следующее определение: изменение значения свойства во времени (цвета, размера, положения и т.п.). АудиоСредства работы с аудио представлены следующими классами: SoundPlayer SoundPlayerAction MediaPlayer MediaElement и MediaTimeline Видео Поддержка видео в WPF основана на классе MediaPlayer, а также на сопутствующих ему классах MediaElement и MediaTimeline. Таким образом, все форматы файлов, поддерживаемые Windows Media Player (WMV, AVI, MPG и прочие), поддерживаются и WPF-приложениями.


Анимация, аудио и видео

Создание анимированных изображений


Создание анимированных изображений

Анимация (мультипликация) – «оживление» изображения при помощи быстрой смены отдельных статических изображений – кадров

• исходя особенностей человеческого визуального восприятия для создания эффекта плавного движения скорость смены кадров должна быть не менее 18 кадров в секунду

• для получения наиболее плавного изображения частота смены кадров должна совпадать с частотой кадровой развертки монитора


Пример анимации


Создание анимации при помощи ЭВМПринципы те же самые, что и в кинематографе

• Необходимо отрисовывать на экране слегка отличающиеся изображения• построение изображений может

происходить как в реальном времени, так и заранее (возможны комбинированные методы)

• От частоты смены кадров зависит плавность движения


Способы вывода изображений с заданной периодичностью

• Использование таймера

• Инициирование перерисовки окна в цикле выборки сообщений• этот способ часто применяется в

компьютерных играх

• Использование многопоточности (multi-threading)• GUI-поток занимается отрисовкой

результатов работы параллельно работающего потока


Проблемы с мерцанием изображения

Построение изображения в видеопамяти занимает определенное время, при этом видеоконтроллер непрерывно формирует сигнал кадровой развертки на монитор, при этом возникает проблема с мерцанием изображения

Рассмотрим причину этого процесса в замедленном режиме


Кадр 1

Изображение на экране монитораСодержимое видеобуфера


Кадр 2

Изображение на экране монитораСодержимое видеобуфера


Кадр 3

Содержимое видеобуфера Изображение на экране монитора


Решение проблемы• При большем количестве объектов,

участвующих в анимации мерцание становится еще более заметным

• Ходом построения кадровой развертки на экране монитора управлять не получится

Однако выход есть• Необходимо производить рисование во

внеэкранное растровое изображение в памяти – теневом буфере кадра

• После полного построения изображения в теневом буфере кадра его содержимое перебрасывается на экран


Исправленный вариант

Содержимое теневого буфера кадра

Изображение на экране монитора

Содержимое видеобуфера

Кадр 1Кадр 2

Этап 1. Построение изображения в теневом буфереЭтап 2. Копирование содержимого теневого буфера в видеобуфер