图形编程指南Chapter1new.docVIP

第一章 硬件接口 目录 1.1 3D应用程序与硬件的交互作用 1.1.1 在计算机屏幕上显示图像 1.1.2 事件反应 1.2 使用不同的体系结构 1.2.1 MS-DOS. 1.2.2 MS-Windows. 1.2.3 X11. 1.2.4 NeXTStep. 1.2.5 MacOS. 引言 3D计算机图形能够作为一个领域存在，1.1 3D应用程序与硬件的交互作用 图形应用程序的主要目标是在计算机屏幕上合成再现创建的图像。我们要讨论现今主要的技术—光栅图形技术。这种思想是把图像细分为规则的小块，最普通的是矩形小块，每一块都有它自己个别的颜色（参见图1.1）。只要图像的像素空间足够小，人的眼睛就会把它们看成是光滑和连续的。根据计算机硬件，这种技术需要使用一些内存来存储颜色值数组，这些值被显示设备专用电路认为是屏幕像素的颜色。改变这些值将触发屏幕的改变。早期的技术，比如说矢量图形学，把图像作为一系列图元来描述：通常是线段片段。光栅图像技术的极大灵活性使得矢量图形在今天几乎绝迹了。 图 1.1: 光栅图像. 由于计算机图形应用程序的多样性，与用户能够保持持续交互所必需的一点是特别的兴趣。一些交互式的计算机绘图程序必须经常在合成屏幕上描述运动，或者是观察者沿着场景移动，或者是场景本身移动，或者两者兼而有之。这由显示带有一定次序的称之为帧（frame）的图像来实现。每一帧描述了场景的些微状态改变。只要在一个短时间内足够数量的帧被显示，对观察者来说，就得到了平滑运动的印象。 在显示的时候，帧必须被完全绘制。在大多数场合，我们不想看到多边形或线段一个接一个地显示在屏幕上构建单帧的过程。而且，如果帧要被拍在电影胶片上，所有的像素必须在同样长的时间中可见。否则，胶片曝光会不均匀。通常的做法是在离屏（off-screen）缓冲中绘制新帧，同时前一个绘制完的帧就储存在主显示设备的缓冲区中，从而它被显示出来。一旦新的帧绘制完毕，离屏缓冲的内容就传递（也许是blit，位块传输）到显示设备的存储器内，对下一帧重复这个过程。不同的系统处理访问显存方式的确是不同的，对此不要惊讶。在早期的操作系统，比如说MS-DOS，显示设备的存储器可以被直接访问到。另一方面，当对MS-Windows、X-Windows、NeXTStep、MacOS或者甚至是使用某些DOS扩展器的应用程序编程时，直接写显存一般是不可能的。内存保护模式阻止我们这么做。因此，要调用不同的操作系统资源和使用某些低级的工作处理涉及硬件的接口。 一个交互式的3D应用程序，除了能够在屏幕上渲染帧之外，还要必须对外部事件做出反应，比如说键盘敲击或鼠标移动，还要运用当前事件信息在未来的帧中导入改变。举个例子来说，按下箭头键改变场景被观察的角度，等等。处理外部事件通常依赖于执行流程（execution flow）——被特定操作系统执行的组成计算机程序代码的片段的次序。执行流程和应用程序结构依赖于操作系统。 基于系统的“事件”通常假定代码必须依照发生事件的函数执行。换句话说，如果键被按下，同这个键关联的代码被执行。这种方法在NeXTStep中被用到了极处。MS-Windows则在较小的范围使用它，X-Windows也是这样。在另一方面，MS-DOS和UNIX不使用事件机制，除非我们自己操作。代码从入口处被执行，除非我们退出（或者操作系统不能承受下去）。 因此，依赖于平台，处理外部事件应该充分地以不同方式实现。我们或者使用特定操作系统的各种各样的规定，或者可能的话，如果允许，直接访问硬件。 让我们确定一下图形应用程序的哪些方面要必须面对硬件，以及有关交互作用的本质。后面，我们将要简要地讨论这些交互作用对目前的平台和操作系统来说如何被实现 1.1.1 在计算机屏幕上显示图像 我们已经提到，显示在光栅显示设备内的图像存储在计算机存储器中。提供图形用户界面（GUI）的操作系统会为应用程序分配一些物理屏幕（窗口）的端口。为了创建窗口并随后在它的窗口上显示图像，图形应用程序必须同操作系统通讯。没有GUI的操作系统需要应用程序直接同显示硬件通讯，在这个工作上不提供或只提供很少的帮助。在那些情况下，应用程序必须把显示设备切换到合适的模式下，然后，为了显示生成的图像，还要把离屏缓冲的内容移到显示设备的存储器中。 我们能够区分几种交互作用的类型，为了显示图像，图形应用程序应该同操作系统或硬件一起完成这些作用。其中最重要的是：打开和关闭图形输出以及图像的位块传输，这些可以被作为函数来完成。应用程序其它的模块用于屏蔽硬件以及同离屏缓冲通讯并调用前述的函数。 这个范围，除了作为应用程序模块设计的起点外，也允许离屏缓冲保留来自显示设备的不同的数据格式。当然，同样的格式意味着位块传输函数