Computer Graphics Gerätetechnik, Programmierung und Anwendung graphischer Systeme

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1 Computer Graphics Gerätetechnik, Programmierung und Anwendung graphischer Systeme Von Prof. Dr.-Ing. Jose Encarnacäo Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Straßer, Technische Hochschule Darmstadt, Fachbereich Informatik - Fachgebiet Graphisch-Interaktive Systeme Mit 268 Abbildungen 2., völlig überarbeitete und erweiterte Auflage R. Oldenbourg Verlag München Wien 1986

2 Inhalt Vorwort 1. Einführung in die Graphische Datenverarbeitung Klassifizierung der Graphischen Datenverarbeitung Die generative Computer Graphik Die Bildverarbeitung Die Bildanalyse Die Entwicklung der Graphischen Datenverarbeitung Typische Anwendungen der Graphischen Datenverarbeitung Plotsysteme zur Zeichnungserstellung Kartographie Computerunterstützter Entwurf Simulationen Prozeßüberwachung Zusammenfassung der Anforderungen Modellkonfiguration graphischer Systeme Graphische Datenstrukturen und Datentypen Die Daten des Anwendungssystems die Modelldaten Die Datenstrukturen des graphischen Systems Datenstrukturen und Datentypen graphischer Geräte Datentypen der graphischen Eingabe Graphische Programmiersprachen Gerätetechnik graphischer Systeme Das Sichtgerät (Display) Die Kathodenstrahlröhre Die "Penetron"-Röhre Die Lochmaskenröhre Die Speicherröhre (DVST = Direct-View Storage Tube) Das Plasma-Panel-Display Neuere Technologien Drucker, Schreiber und Zeichenmaschinen Drucker und Schreiber Zeichenmaschinen (Plotter) Laserprinter Tintenstrahldrucker Eingabegeräte 47 XI 10

3 VI Inhalt Der Lichtgriffel (Lightpen) Das Tablett Indirekt graphische Eingabegeräte Spracheingabe Displayprozessoren für Vektorgeräte Vektorgenerator (DVG) Zeichengenerator Kurven- und Flächengenerator Transformationen Clipping Hardware Kontrolle der Bilderzeugung Kommunikation Vorverarbeitung graphischer Eingaben Alternative Architekturen für Displayprozessoren Displayprozessoren für Rastergeräte Bilddarstellung (image display) Bilderzeugung (image creation) Bildspeicher (Refresh Memory) Graphische Systemprogrammierung Teilbereiche des GKS GKS-Schnittstellen GKS-Funktionsklassen Globale Attribute Arbeitsplatzspezifische Attribute Koordinatensysteme und Transformationen Koordinatensysteme Transformationen Klippen Transformation von Koordinateneingaben Graphische Arbeitsplätze Charakteristika des graphischen Arbeitsplatzes Auswahl eines GKS-Arbeitsplatzes Aktualisieren von Bildänderungen Gerätetransformationen Modell der logischen Eingabegeräte, ' Interaktionsablauf Initialisierung von Eingabegeräten Segmente I Einleitung zu Segmenten Segmentattribute 138

4 Inhalt VII Segmenttransformationen Segmentspeicher Wiederverwendung von Segmenten Die GKS-Bilddatei Ausgabe auf Bilddatei Wiedereinlesen der Bilddatei ins GKS Die Zustandslisten des GKS Der GKS-Betriebszustand Die GKS-Zustandslisten Erfragefunktionen Fehlerbehandlung GKS-3D U GKS-3D Arbeitsplätze (Workstations) GKS-3D Darstellungselemente Attribute I Viewing Pipeline Eingabe I 57 :. Programmierung graphischer Dialoge Einführung in die Dialogprogrammierung Dialogzellen als Programmierwerkzeug Das Dialogzellenkonzept Syntax einer Dialogzelle Semantik einer Dialogzelle Realisationsstruktur Gesamtstruktur Der Preprozessor Laufzeitsystem 1" Tabellen zur Laufzeit Zustandsänderungen der Tabellen Initialisierung und GKS-Anschluß Viewport handler Menü- und Texthandler Tracemöglichkeiten Einsatz der Dialogzellen Dialogzellen in der Hand des Dialogautors Dialogzellen für den Benutzer Dialogzellen auf dem Rechnersystem Weitere Entwicklungsschwerpunkte Dreidimensionale Darstellungen Geometrische Transformationen 197

5 VIII Inhalt Homogene Koordinaten jgy Koordinatentransformationen Projektionen Beispiele Kurven- und Flächendarstellung Parameterdarstellung Analytisch gegebene Kurven und Flächen Freiform-Kurven und -Flächen Interpolation Approximation B-Splines Interpolation mit B-Splines Verallgemeinerungen Schnelle Transformation und Berechnung der Flächen Differenzenverfahren Flächenberechnung durch Matrizenmultiplikation in der Transformationshardware Ausschnittsbildung (Windowing and Clipping) Visibilitätsverfahren (Hidden-Line-, Hidden-Surface-Algorithmen) Perspektivische Transformation Beseitigung der Rückseiten (Back face culling) Punktklassifizierung Min/max Test Punktorientierte Algorithmen Linienorientierte Algorithmen Flächenorientierte Algorithmen Bewertung von Visibilitätsverfahren Beleuchtungsmodelle 3jj Ray-Tracing (Strahlverfolgung) Gouraud-Shading Phong-Shading 323. Geometrische Modellierung Klassifizierung von geometrischen Modellierungssystemen Mathematische Grundlagen Flächenorientierte Darstellung Körperorientierte Darstellung Strukturen existierender geometrischer Modellierungssysteme Architektur 32g

6 Inhalt IX Unterstützte Anwendungen Die Mensch-Maschine-Schnittstelle Bildverarbeitung Bildfilterung Kantenfilter Translation Skalierung Rotation Quantisierungsfehler Halbtonverfahren Konstante Schwelle Variable Schwelle (Dither) Grautonmuster Farbmodelle für die graphische Datenverarbeitung Technisch-physikalische Farbmodelle Wahrnehmungsorientierte Farbmodelle Rechnergestütztes Entwerfenund Konstruieren Interaktive Graphik-Systemkomponenten CAD/CAM-Software Dateien und Datenbanken für CAD/CAM-Systeme Wirtschaftlichkeit 380 Anhang 1: Übungen 382 L Geräteteehnik D-Darstellungen Programmierung graphischer Systeme 391 Anhang 2: Lösungen Gerätetechnik D-Darstellungen Programmierung graphischer Systeme 411 Anhang 3: Glossar 418 Anhang 4: Literatur 432 Stichwortverzeichnis 448 Bildanhang 453