Реферат: Прикладное программирование, 1 семестр

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N1 (ВВОДНАЯ)

I. ОРГВОПРОСЫ

1. Спискигрупп

2. Расписаниезанятий

II.ПРОБЛЕМЫ СИСТЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ РОССИИ

Денег насистему образования у государства нет и не будет:

— проблемыобеспечения учебного процесса литературой, техни-

кой и т.д. в конечном итоге будут так илииначе переложены на

плечи студентов — они вынуждены будут сами себе покупатькниги и

даже компьютеры;

— возможнареформа системы образования с непредсказуемыми

последствиями;

— возможна(замаскированная) ликвидация бесплатного образо-

вания вообще.

III.ПРОБЛЕМЫ МИРОВОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ИНДУСТРИИ

Западнаяэкономика построена по принципу совместного функци-

онирования двух систем: планирующей (для крупных фирм) ирыночной

(для мелких фирм и частных лиц). Планирующая системаявляется до-

минирующей — она диктует цены рыночной системе.

В планирующейсистеме не действуют законы рынка:

— она можетпроизвольным образом устанавливать цены на това-

ры и услуги;

— можетнавязывать потребителю любой товар («промывая мозги»

при помощи рекламы);

— кризисыперепроизводства почти не затрагивают планирующую-

щую систему — всеиздержки она может переложить на рыночную сис-

тему, которая, в конечном итоге, всегда платит за ошибкипланиру-

ющей системы.

ФирмыIntel, IBM и Microsoft явно принадлежатк планирующей

системе и пользуются всеми ее преимуществами. Однако их деятель-

ность явно вызывает кризис в мировой компьютернойиндустрии.

Архитектуракомпьютеров IBM AT и микропроцессоров Intel

принципиально устарела. Система Windows сталасверхуниверсальной,

что приводит к чрезвычайному замедлению работыкомпьютеров.

За кризис в конечном итоге расплатится рыночная система,

т.е. потребители.

IV.ПРАВИЛА РАБОТЫ С ЛИТЕРАТУРОЙ

Книги стоятдорого! Как найти хорошую книгу среди тысяч пос-

редственных?

1.Хорошая книга обычно написана от первоголица, посредс-

твенная — от третьего.

2. Признакявной халтуры — отсутствие картинок (т.е. образ-

ных моделей).

3.Следует избегать книг с названием «учебник» и книг«для

чайников». Обычно учебники пишут теоретики — люди, полностью от-

резанные от реальности и практических навыков порассматриваемому

в книге предмету. Книги «для чайников» пишутлюди, только начина-

ющие изучать описываемые ими вопросы.

Проблемы:хорошие книги обычно издаются малыми тиражами и

дорого стоят.

V. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

1. Что такоемодель?

Модель - это нечто, чем можно заменить физический объект в

процессе эксперимента.

2. Зачем нужнамодель?

Экспериментировать с физическим объектом может быть дорого,

неудобно или опасно.

3. Зачем нужноимитационное моделирование?

Когда задачаимеет слишком большую размерность или не подда-

ется решению в явном виде по каким-то другим причинам,используют

иммитационное моделирование.

4. Профессиональные тренажеры и компьютерныеигры.

VI. МАШИННАЯ ГРАФИКА

1.Компьютерная графика позволяет наглядно отображать ре-

зультаты моделирования.

2.Технический прогресс позволил упроститьработу с памятью

компьютеров. На аппаратном уровне оперативная,графическая и дис-

ковая память теперь фактически имеют линейнуюорганизацию.

3. Организациявидеопамяти. Рисование точки. Рисованиеста-

тической картинки. Рисование буквы. Рисование плоских движущихся

изображение.

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N2

I. ОРГАНИЗАЦИЯ ВИДЕОПАМЯТИ

1.Восьмибитовый режим (256 цветов).

1.1.Режим с разрешением 320х200 точек.

Линейноеадресное пространство 64 кб (адреса A0000h-AFFFFh).

Используется таблица цветов — можно выбрать 256 из 2 518 0 возможных

оттенков.

1.2. Режимы сболее высоким разрешением и стандарт VESA.

Возможналибо страничная адресация через сегменты по 64 кб

(по адресу A0000h-AFFFFh), либо линейная адресация пространства

объемом до 64 Мб (по адресу E0000000h-E3FFFFFFh).

2. 24-и 32-битовый режимы (True color).

Возможналибо страничная адресация через сегменты по 64 кб

(по адресу A0000h-AFFFFh), либо линейная адресация пространства

объемом до 64 Мб (по адресу E0000000h-E3FFFFFFh).

II. АНИМАЦИЯ В ДВУМЕРНОМ

ПРОСТРАНСТВЕ И ПСЕВДОТРЕХМЕРНАЯ АНИМАЦИЯ.

Экономияпроцессорного времени (обмен «память-быстродейс-

твие»): при реализации двумерной графики обычно не нужно пере-

рассчитывать изображение для каждого объекта в каждомновом кад-

ре. Изображения всех объектов могут быть рассчитаны заранее (с

помощью профессиональных анимационных программ), записаны в фай-

лах на диске и, помере необходимости, перенесены воперативную

память компьютера. Движущиеся объекты отличаются от неподвижных

тем, что требуют по несколько картинок для описанияотдельных фаз

— 2 -

каждого возможного движения (3-16 фаз на один типдвижения).

Аппроксимация.Влияние разрешения на качество картинки.

Лестничный эффект.

Скоростьобмена данными с кеш-памятью, оперативной памятью и

видеопамятью.

Необходимовначале накопить данные в оперативнойпамяти, и

уже затем выводить в видеопамять изображение новогокадра.

Расходпамяти. Использование симметрии приотображении пос-

тупательных и вращательных движений для экономии оперативной па-

мяти. Разделение сложных объектов на несколько независимоотобра-

жаемых элементов.

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N3

АНИМАЦИЯ В ДВУМЕРНОМ

ПРОСТРАНСТВЕ И ПСЕВДОТРЕХМЕРНАЯ АНИМАЦИЯ.

Расходпамяти. Использование симметрии приотображении пос-

тупательных и вращательных движений для экономии оперативной па-

мяти. Разделение сложных объектов на несколько независимоотобра-

жаемых элементов.

Объекты снесколькими осями симметрии. Круг — объект с бес-

конечным числом осей симметрии. Иллюзия вращения круга.

Сколькоразных подвижных и неподвижных объектов заданного

размера (при заданном числе фаз движения) можно сохранитьв опе-

ративной памяти компьютера (заданного объема)?

Фон. Лабиринтыи псевдокарты. Прокрутка изображения.

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N4

АНИМАЦИЯ В ДВУМЕРНОМ

ПРОСТРАНСТВЕИ ПСЕВДОТРЕХМЕРНАЯ АНИМАЦИЯ.

Необходимозадать жесткие ограничения:

— наразмерность отображаемого пространства (на число коор-

динатных осей);

— на размеротображаемого пространства (площадь и глубину);

— на сложностьфона;

— на число и сложность формы неподвижныхобъектов;

— на число исложность формы подвижных объектов, число типов

движений и число фаз движений;

— на масштабируемость объектов (на сколькодопустимо увели-

чение и уменьшение объекта);

— нанаправление взгляда и угол обзора.

Направлениевзгляда: сверху, сбоку, сверху-сбоку.

Координатныеоси. Двумерное, псевдотрехмерное и трехмерное

пространство.

Ориентацияосей в двумерном пространстве (относительно экра-

на монитора).

┌─────── x

│

Ориентацияосей в трехмерном пространстве (оси x и y — как в

двумерном, ось z направлена от оператора вглубь экрана).

— 2 -

Соотношениемежду сферическими и прямоугольнымикоордината-

ми:

x = 7r 0 sin 7f 0cos 7Q

y = 7r 0 sin 7f 0sin 7Q

z = 7r 0 cos 7f

Алгоритмхудожника. Примитивный вариант z-буферизации в

псевдотрехмерной графике.

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N5

ЗАДАНИЕ НА ЗАЧЕТ

Задание:написать программу, выполняющую моделирование функ-

ционирования какой-либо системы и отображающую результатымодели-

рования на экране монитора в графическом виде.

Каждыйстудент может выбрать себе задание (типмоделируемой

системы) самостоятельно. Программа может иметь форму игры, но

обязательно должна моделировать какую-то реальную систему или

процесс.

ОГРАНИЧЕНИЯ:

1. Программадолжна работать под операционной системой DOS.

Нельзя использовать возможности Windows.

2. Языкипрограммирования: С, Паскаль или Ассемблер. Объект-

но-ориентированные возможности языков использоватьнельзя.

3. Ограничениена графические режимы: можно использовать

только режим 256 цветов (1 байт видеопамяти на каждую точку) с

разрешением 320х200 точек или (в случае крайней необходимости)

640х400 точек.

4. Нельзя использовать никакие графические библиотеки — вы-

вод информации должен производиться напрямую ввидеопамять.

5. Ограничениепо быстродействию: программа должна сохранять

работоспособность на медленных 486-х компьютерах.

6. Ограничениепо оперативной памяти - нельзя использовать

более 500 кб основной памяти и более 1 Мб расширенной.

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N6

ПЕРЕНОС И ПОВОРОТ ИЗОБРАЖЕНИЯ

2Перенос и поворот в двумерном пространстве

Перенос точкиP(x,y) в точку P(x',y'):

x' = x + 7D 0x

y' = y + 7D 0y

Поворот вокруг центра координат (точка P(x,y) переходитв

точкуP(x',y')):

x' = x cos 7f 0 — y sin 7f

y' = x sin 7f 0 + y cos 7f

Вычисления в матричной форме

Перенос:

┌ ┐

│1 0 │

[x' y'] = [x y 1] │ 0 1│

│ 7D 0x 7D 0y │

└ ┘

Удобнееработать с квадратной матрицей переноса (которая мо-

жет быть получена введением фиктивной переменной):

┌ ┐

│1 0 0 │

[x' y' 1] = [x y 1] │ 0 1 0│

│ 7D 0x 7D 0y 1 │

└ ┘

Такуюзапись принято называть записью всистеме «однородных

координат».

Поворот вокругцентра координат на угол 7f 0:

┌ ┐

│ cos 7f 0 sin 7f 0 │

[x'y'] = [x y] │ │

│ -sin 7f 0 cos 7f 0│

└ ┘

— 2 -

┌ ┐

│ cos 7f 0 sin 7f 0 0 │

[x' y' 1] = [x y 1] │ -sin 7f 0 cos 7f 0 0 │

│ 0 0 1 │

└ ┘

Поворотвокруг произвольной точки с координатами(x 40 0,y 40 0) на

угол 7f 0 может быть представлен формулой:

[x' y' 1] = [x y 1] R

где через Rобозначена матрица поворота размером 3x3.

Такой поворотсостоит из трех операций:

1.Преобразование для переноса точки (x 40 0,y 40 0) вначало коор-

динат О:

┌ ┐

│ 1 0 0 │

T' = │ 0 1 0│

│-x 40 0 -y 40 0 1│

└ ┘

2. Поворотвокруг начала координат на угол 7f 0:

┌ ┐

│ cos 7f 0 sin 7f 0 0 │

R 40 0 = │ -sin 7f 0 cos 7f 0 0 │

│ 0 0 1 │

└ ┘

3. Перенос изначала координат в точку (x 40 0,y 40 0):

┌ ┐

│ 1 0 0│

T = │ 0 1 0 │

│x 40 0 y 40 0 1 │

└ ┘

Матрица R =T'R 40 0T:

┌ ┐

│ cos 7f 0 sin 7f 0 0 │

R = │ -sin 7f 0 cos 7f 0 0 │

│ c 41 0 c 42 0 1 │

└ ┘

где

c 41 0 = x 40 0 — x 40 0 cos 7f 0 + y 40 0 sin 7f

c 42 0 = y 40 0- x 40 0 sin 7f 0 — y 40 0 cos 7f

— 3 -

2Перенос и поворот в трехмерном пространстве

Перенос точкиP(x,y,z) в точку P'(x',y',z'):

x' = x + 7D 0x

y' = y + 7D 0y

z' = z + 7D 0z

В матричнойформе:

[x' y' z' 1] = [x y z 1] T

┌ ┐

│ 1 0 0 0 │

T = │ 0 1 0 0 │

│ 0 0 1 0 │

│ 7D 0x 7D 0y 7D 0z 1 │

└ ┘

Поворотвокругосинаугол 7a 0:

┌ ┐

│ 1 0 0 │

R 4x 0 =│ 0 cos 7a 0 sin 7a 0│

│ 0 -sin 7a 0 cos 7a 0│

└ ┘

┌ ┐

│ cos 7a 0 0 -sin 7a 0│

R 4y 0 =│ 0 1 0 │

│ sin 7a 0 0 cos 7a 0│

└ ┘

┌ ┐

│ cos 7a 0 sin 7a 0 0 │

R 4z 0 = │-sin 7a 0 cos 7a 0 0 │

│ 0 0 1 │

└ ┘

Поворот наугол 7a 0 вокруг произвольной оси, заданной вектором

v, может быть представлен формулой:

[x' y' z' 1] = [x y z 1] R

где через R обозначена матрица обобщенного поворотаразмером 4x4.

— 4 -

Такой поворотсостоит из трех операций:

1.Преобразование для переноса начальной точки вектора

v(x 40 0,y 40 0,z 40 0) вначало координат О:

┌ ┐

│ 1 0 0 0 │

T' = │ 0 1 0 0 │

│ 0 0 1 0 │

│ -x 40 0 -y 40 0 -z 40 0 1 │

└ ┘

2. Поворотвокруг начала координат выполняется в полярных

координатах (как комбинация из нескольких поворотов):

┌ ┐

│ cos 7Q 0 -sin 7Q 0 0 │

R 4z 5-1 0 = │ sin 7Q 0 cos 7Q 0 0 │

│ 0 0 1 │

└ ┘

┌ ┐

│ cos 7f 0 0 sin 7f 0│

R 4y 5-1 0 = │ 0 1 0 │

│ -sin 7f 0 0 cos 7f 0│

└ ┘

┌ ┐

│ cos 7a 0 sin 7a 0 0 │

R 4v 0 = │ -sin 7a 0 cos 7a 0 0 │

│ 0 0 1 │

└ ┘

┌ ┐

│ cos 7f 0 0 -sin 7f 0│

R 4y 0 = │ 0 1 0 │

│ sin 7f 0 0 cos 7f 0│

└ ┘

┌ ┐

│ cos 7Q 0 sin 7Q 0 0 │

R 4z 0 = │ -sin 7Q 0 cos 7Q 0 0 │

│ 0 0 1 │

└ ┘

В результатеполучим матрицу:

┌ ┐

│r 411 0 r 412 0 r 413 0 │

R 5* 0 =R 4z 5-1 0R 4y 5-1 0R 4v 0R 4y 0R 4z 0= │ r 421 0 r 422 0 r 423 0 │

│r 431 0 r 432 0 r 433 0 │

└ ┘

— 5 -

Расширим этуматрицу до размера 4х4:

┌ ┐

│ r 411 0 r 412 0 r 413 0 0 │

R 40 0 = │ r 421 0 r 422 0r 423 0 0 │

│ r 431 0 r 432 0 r 433 0 0 │

│ 0 0 0 1 │

└ ┘

3. Перенос изначала координат в точку (x 40 0,y 40 0,z 40 0)):

┌ ┐

│ 1 0 0 0 │

T = │ 0 1 0 0 │

│ 0 0 1 0 │

│ x 40 0 y 40 0 z 40 0 1 │

└ ┘

Получаем матрицу обобщенного поворота:

R =T'R 40 0T

Следуетотметить, что в компьютерной графике одновременно

используются оба способа описания пространства: в прямоугольных

координатах рассчитывают перемещения, а в сферических — повороты.

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N7

РИСОВАНИЕ ЛИНИЙ, ОКРУЖНОСТЕЙ И ЭЛЛИПСОВ.

ЗАЧЕМ ЭТО НУЖНО ЗНАТЬ?

Основнойнедостаток всех универсальных графических библиотек

— медленная работа (универсальная система всегдазначительно ус-

тупает по производительности специализированной).

Использованиечужой библиотеки всегда сопровождается серьез-

ным риском:

— программыбиблиотеки могут содержать ошибки, которые вы не

можете исправить (исходные коды программ обычно непоставляются);

— возможны ошибкив документации на библиотеку (либо просто

неточное описание ее функционирования);

— впродажу, как правило, поступают уже сильно устаревшие

библиотеки — фирмы-разработчики не нуждаются в конкуренции с ва-

шей стороны. Покупка чужой технологии всегда приводит к техноло-

гическому отставанию — вы сами себя изгоняете с рынка за свои же

собственные деньги;

— разработчик библиотеки в любой момент может перестать ее

развивать;

— вкомпьютерной промышленности периодически происходят кри-

зисы, уничтожающие целые классы («ряды»)морально устаревших вы-

числительных машин. Заменяющие их принципиально новыесистемы в

течение нескольких лет могут не иметь необходимого программного

обеспечения.

Проектировщикисистем управления постоянно имеют дело с но-

вейшей аппаратурой, и часто вынуждены сами создавать для нее

программное обеспечение.

— 2 -

РИСОВАНИЕ ЛИНИИ

(алгоритм Брезенхема)

«Несмотряна всю сложность программирования графики, в осно-

ве любой графической функции лежит несколько на удивлениепростых

функций, называемых графическими примитивами. Такими примитивами

являются прорисовка точек, линий, окружностей, а такжезаполнение

областей и перемещение битовых образов. Многие годы вграфическое

оборудование встраивался тот или иной набор графических примити-

вов. Такой примитив, как рисование линии, особенно широкоисполь-

зуется конструкторскими программами, а также программами автома-

тизированной разработки.

У каждойфункции рисования линии есть две важнейшие характе-

ристики. Во-первых, функция должна хорошо приближать то, что она

рисует, к реальной линии. Разрешение компьютера ограничено, поэ-

тому программа может приближать реальную линию толькосериями то-

чек, устанавливаемых в заданном направлении. Этапоследователь-

ность точек должна создавать хороший зрительный эффект — то, что

нарисовано, должно быть похоже на линию. Во-вторых, чтобы быть

полезной, функция рисования линии должна работать быстро. Ми-

ни-компьютеры и большие машины имеют аппаратно встроенныефункции

рисования линии. Уперсональных же компьютеров аппаратной под-

держки рисования линии нет.»

Майкл Абраш

Появлениеаппаратной поддержки графики в ПЭВМ (графические

ускорители, команды MMX).

Приближениереальной линии набором пикселей. Лестничный эф-

фект.

АлгоритмБрезенхема:

Алгоритм идетпо оси, проекция линии на которую больше(ос-

новной оси), ипроверяет соседние точки по другой оси, выбирая

ту, что ближе к реальной линии. Текущая ошибка отклоненияисполь-

зуется как критерий того, что пора менять неосновную координату,

чтобы лучше приблизить реальную линию.

Для того,чтобы можно было работать только с целыми числами,

избегая вычислений с плавающей запятой, достаточнопромасштабиро-

вать картинку.

Благодаряиспользованию только целочисленнойарифметики ал-

горитм Брезенхема является одним из самых простых ибыстрых алго-

ритмов.

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N8

РИСОВАНИЕ ОКРУЖНОСТЕЙ

(алгоритм Харденбурга)

Уравнениеокружности:

R 52 0 = X 52 0 +Y 52

С точки зренияпрограммирования достаточно рассчитать 1/8

часть окружности - остальные точки могут быть получены за счет

симметрии.

Обычноначинают рисовать из точки, гдекоордината по основ-

ной оси (по которой приращение больше) равна 0, а понеосновной -

радиусу. Каждая следующая точка получается из формулы:

7|\\\\\\\\

MinorAxis = 7? 0R 52 0 — MajorAxis 52

гдеR — радиус,

MinorAxis — координата понеосновной оси,

MajorAxis — координата по основной оси.

Недостаток — нужно вычислять квадратный корень и использо-

вать арифметику с плавающей запятой. Желательно, однако,работать

только с целочисленной арифметикой.

Вместовычисления такого выражения для каждой точки доста-

точно отслеживать текущие значенияMinorAxis 52 0 и R 52 0 — MajorAxis 52

и декрементируйте один пиксель по неосновной оси, как только

MinorAxis 52 0 становится меньшеR 52 0 — MajorAxis 52 0.

Ошибканакопления — не целое число. Однако никаких проблем

это не создает. Координату по неосновной оси нужноизменять, ког-

да

(Y — 0.5) 52 0 > R 52 0 — X 52

— 2 -

Однако:

(Y — 0.5) 52 0 = Y 52 0 — Y + 0.25

Разность Y 52 0 — Y вычисляется в целых числах, а 0.25 можно

просто игнорировать, потому что разность R 52 0 — X 52 0, которую мы бу-

дем сравнивать с ошибкой накопления по Y, всегда целоечисло. Ес-

ли R 52 0 — X 52 0 равенY 52 0 — Y, то на самом делеR 52 0 — X 52 0 меньше ошибки.

Следовательно, неосновную координату нужно менять, когда

Y 52 0 — Y >= R 52 0 — X 52 0.

Кроме того,при необходимости можно ускорить вычисления, за-

менив операцию взведения в квадрат (умножения) на сдвиг,сложение

и инкремент (для 486-х и более мощных процессоров такаязамена не

имеетсмысла):

(a + 1) 52 0 =a 52 0 + 2a + 1.

ПРИКЛАДНОЕПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ЛЕКЦИЯ N9

2РИСОВАНИЕ ЭЛЛИПСОВ

Современныемикропроцессоры, используемые в персональных

ЭВМ, включают в себя быстродействующие блоки для вычислений с

плавающей запятой. Это позволяет рассчитывать любыеэллипсы.

Однако ненаклонные эллипсы можно достаточно быстро прорисо-

вывать, используя только целочисленную арифметику. Ненаклонный

эллипс описывается уравнением:

x 52 0 y 52

─── + ─── = 1.

A 52 0 B 52

следовательно

7|\\\\

7/ 0 B 52 0x 52

y = 7/ 0B 52 0 — ──── ,

7? 0 A 52

где полученноезначение Y необходимо округлить до ближайшего

целого.

Так как эллипсимеет две оси симметрии, то вычисления доста-

точно выполнить для оного из четырех квадрантов. Сначаларисуется

дуга, где основнойосью является X, затем — дуга, где основной

осью является Y. Затем полученные точки отображаются на три ос-

тальных октанта.

Точка, вкоторой ось перестает быть основной, вычисляется по

формуле

B 52 0x 52 0 = A 52 0y 52&n

еще рефераты

Еще работы по программированию, базе данных

Реферат по программированию, базе данных

Языки и технология программирования. Начальный курс Pascal

29 Августа 2013

Реферат по программированию, базе данных

Кибернетика и сознание. Проблемы искусственного интеллекта

29 Августа 2013

Реферат по программированию, базе данных

Алгоритм Кнута-Морриса-Пратта

29 Августа 2013

Реферат по программированию, базе данных

Динамические объекты

29 Августа 2013