Pascal-Паскаль
Программирование. Графика Pascal-Паскаль
Программирование. Графика Pascal-Паскаль
Основные понятия графики
В современных компьютерах изображения на экране строятся в виде растров, и всегда прямоугольных.
Пример растра и изображения, построенного на нем:
На рисунке вы видите сильно увеличенную картинку, на самом же деле элементарные точки, из которых состоит изображение, или пиксели, должны быть очень маленькими, чтобы глаз воспринимал картинку как единое целое. Пиксель ( Pixel ) – сокращение от Picture Element (элемент рисунка).
Экраны цветных мониторов состоят из прямоугольной решетки точек (пикселей), светящихся разным цветом. Каждый цветной пиксель образован тремя более мелкими по площади участками красного, зеленого и синего цветов. При свечении этих участков с разной интенсивностью цвета смешиваются, создавая элементы изображения различных оттенков и яркости.
Важной характеристикой растра является его расширение, т.е. количество точек (пикселей) на единицу длины. Чем это число выше, тем более мелкими являются сами пиксели, и, соответственно, более плотно они располагаются на плоскости, что и приводит к тому, что мы воспринимаем их как единое, цельное изображение. Из года в год разрешающая способность мониторов, принтеров, сканеров и т.п. растет.
В современных SVGA мониторах предусмотрено, как правило, по 2 6=64 уровня интенсивности каждого из основных цветов, таким образом, в целом можно получить (2 6) 3=262144 цвета. Для представления большего числа цветов необходим больший объем памяти. Один бит может кодировать два цвета: 1 – белый, 0 – черный. Два бита могут хранить 2 2=4 цветовых комбинации, 4 бита – 16, 8 бит – 256, 16 бит – 65536, 32 бита – 4294967296.
Если для каждой точки задавать уровни красного, зеленого и синего цветов, то потребуется достаточно большой объем памяти для хранения информации об изображении. Для сокращения объема памяти используются палитры. При этом ограничиваются некоторым количеством цветов, например 16 или 256, каждому из цветов присваивается номер (соответственно, от 0 до 15 или от 0 до 255), и при записи изображения используют именно этот код. «Точка цвета номер 5». Информация о палитре, то есть данные, сколько красного, зеленого и синего нужно взять для получения «цвета номер 5», хранится и используется отдельно от записи изображения.
Важное понятие в машинной графике – графический примитив – совокупность пикселей, определяющая некоторую геометрическую фигуру. Наиболее распространенные примитивы – это точка, линия, прямоугольник, закрашенный прямоугольник, окружность и эллипс.
Растровые изображения обладают одним очень существенным недостатком: их трудно увеличивать или уменьшать, т.е. масштабировать. При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется разборчивость мелких деталей. При увеличении – увеличивается размер каждой точки, поэтому появляется ступенчатый эффект. Кроме того растровые изображения занимают много места в памяти.
Чтобы избежать указанных проблем, изобрели так называемый векторный способ кодирования изображений.
Векторный способ представления графики заключается в том, что геометрические фигуры, кривые и прямые линии, составляющие рисунок, хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и геометрических абстракций: круг, квадрат, эллипс и т.п. Для каждого примитива существуют свои характерные параметры. Например, для отрезка – это координаты концов; для окружности – координаты центра и радиус. Т.е. размеры, кривизна, местоположение элементов изображения хранятся в виде числовых коэффициентов. Благодаря этому появляется возможность масштабировать изображения, поворачивать, подвергать любым другим геометрическим преобразованиям с помощью простых математических операций, в частности, простым умножением параметров на коэффициент масштабирования. При этом качество изображения не меняется.
Формирование изображения на экране
Из книги Румянцева Дмитрия, Монастырского Леонида «Путь программиста: Опыт созидания личности программиста». – М.: «Издательский Дом ИНФРА-М», 2000.
Программисту не обязательно знать технические подробности конструкции монитора, но общее представление о его схеме он иметь должен. Еще важнее представлять, как программа работает с памятью, когда осуществляет вывод информации на какое-либо из устройств визуального отображения, подключенных к компьютеру.
Участок оперативной памяти компьютера, где хранится информация об изображении, появляющемся на экране, называется видеопамятью. Иногда эту область называют видеобуфером. Видеопамять занимает определенную область в адресном пространстве оперативной памяти компьютера, следовательно, видеопамять имеет ограниченный размер.
Видеопамять, как и любая другая память, соединена с процессором шиной данных. Но видеопамять, кроме того, подключена к специальной электронной схеме, которая на основе данных, хранящихся в видеобуфере, формирует изображение на экране. Физически экранное изображение обновляется 60 раз в секунду – с такой частотой упомянутая электронная схема осуществляет сканирование видеобуфера. Поэтому любое изменение состояния видеобуфера практически мгновенно (с точки зрения человека, смотрящего на экран) приводит к изменению изображения на экране.
Электронная схема, сканирующая видеобуфер и преобразующая двоичные числа в видеосигнал, называется адаптером видеодисплея или просто видеоадаптером.
Сегодня все большую популярность приобретают так называемые жидкокристаллические мониторы. Но большинство действующих сегодня мониторов по-прежнему представляют собой устройства, изображения в которых строится с помощью электронно-лучевой трубки. Напомним еще раз известный из курса физики принцип формирования изображения, получаемого в этом случае.
Этот способ называется растровым сканированием. Изображение «рисуется» тщательно сфокусированным электронным лучом. Поток электронов «бомбардирует» экран, покрытый специальным светящимся веществом – люминофором. Места, в которые ударяются электроны, начинают фосфоресцировать. В каждой точке свечение затухает приблизительно в течение нескольких сотых долей секунды, поэтому необходимо постоянно повторять «бомбардировку» поверхности экрана. Это задача специального устройства – электронной пушки. Наводчик электронной пушки (специальное электронное устройство) рассматривает весь экран как последовательность множества линий. Он «простреливает» последовательно каждую линию – слева направо, точка за точкой.
Движение луча по экрану происходит с огромной скоростью. Чтобы изображение, которое воспринимает человек, не было мерцающим, весь цикл – от первой до последней строки – должен быть закончен за 1/60 секунды (или еще быстрее). Следовательно, за секунду происходит не менее 60 проходов луча по всему экрану, строка за строкой. Такая схема формирования изображения называется растром. После того, как луч доходит до последней точки последней строки (до правого нижнего угла экрана), он мгновенно по диагонали переносится в начало первой строки экрана (левый верхний угол), и процесс повторяется.
Формирование цветного изображения осуществляется не одним, а тремя электронными лучами (красным, зеленым и синим), перемещающимся по экрану одновременно. Три луча подсвечивают сразу три элемента экрана, расположенных на очень незначительном угловом расстоянии друг от друга, поэтому человеческий глаз воспринимает эти три элемента как одну точку. Благодаря различной интенсивности свечения каждой из трех точек и эффекту аддитивного смешения трех цветов такая составная точка может иметь любой цветовой оттенок. Качество изображения тем выше, чем меньше расстояние между двумя отдельными точками. В современных мониторах расстояние между точками не превышает 0.25–0.26 мм.
Существует два принципиально разных способа указания интенсивности свечения пикселя.
Первый применяется в так называемых цифровых мониторах. В этом случае для каждой точки монитору подается информация об ее интенсивности в виде двоичного числа. Используя аддитивную модель, передавая два бита для каждого цвета (красный, зеленый и синий), из которых формируется цвет точки, можно получить 64 цвета (4*4*4). Однако при увеличении количества цветов нужно увеличивать и количество битов для каждого цвета (т.е. количество проводов для каждого цвета).
Поэтому конструкторы мониторов, в конце концов, отказались от цифровой схемы и пришли к аналоговой. При этой схеме сигналы V и H остаются по-прежнему цифровыми, а сигналы о трех составляющих цвета становятся аналоговыми и поступают по трем проводам. На каждом проводе поддерживается напряжение от 0 до 1 вольта с плавным переходом из одного состояния в другое. Ноль вольт на проводе указывает на отсутствие свечения, 1 вольт – на максимальное свечение. При такой схеме каждый из трех цветов условно может принимать бесконечное число оттенков. Следовательно, таким образом можно задавать десятки миллионов цветов.
Работа с графикой в Паскале
Формирование изображения на экране
Программисту не обязательно знать технические подробности конструкции монитора, но общее представление о его схеме он иметь должен. Еще важнее представлять, как программа работает с памятью, когда осуществляет вывод информации на какое-либо из устройств визуального отображения, подключенных к компьютеру.
Участок оперативной памяти компьютера, где хранится информация об изображении, появляющемся на экране, называется видеопамятью. Иногда эту область называют видеобуфером. Видеопамять занимает определенную область в адресном пространстве оперативной памяти компьютера, следовательно, видеопамять имеет ограниченный размер.
Видеопамять, как и любая другая память, соединена с процессором шиной данных. Но видеопамять, кроме того, подключена к специальной электронной схеме, которая на основе данных, хранящихся в видеобуфере, формирует изображение на экране. Физически экранное изображение обновляется 60 раз в секунду – с такой частотой упомянутая электронная схема осуществляет сканирование видеобуфера. Поэтому любое изменение состояния видеобуфера практически мгновенно (с точки зрения человека, смотрящего на экран) приводит к изменению изображения на экране.
Электронная схема, сканирующая видеобуфер и преобразующая двоичные числа в видеосигнал, называется адаптером видеодисплея или просто видеоадаптером.
Сегодня все большую популярность приобретают так называемые жидкокристаллические мониторы. Но большинство действующих сегодня мониторов по-прежнему представляют собой устройства, изображения в которых строится с помощью электронно-лучевой трубки. Напомним еще раз известный из курса физики принцип формирования изображения, получаемого в этом случае.
Этот способ называется растровым сканированием. Изображение «рисуется» тщательно сфокусированным электронным лучом. Поток электронов «бомбардирует» экран, покрытый специальным светящимся веществом – люминофором. Места, в которые ударяются электроны, начинают фосфоресцировать. В каждой точке свечение затухает приблизительно в течение нескольких сотых долей секунды, поэтому необходимо постоянно повторять «бомбардировку» поверхности экрана. Это задача специального устройства – электронной пушки. Наводчик электронной пушки (специальное электронное устройство) рассматривает весь экран как последовательность множества линий. Он «простреливает» последовательно каждую линию – слева направо, точка за точкой.
Движение луча по экрану происходит с огромной скоростью. Чтобы изображение, которое воспринимает человек, не было мерцающим, весь цикл – от первой до последней строки – должен быть закончен за 1/60 секунды (или еще быстрее). Следовательно, за секунду происходит не менее 60 проходов луча по всему экрану, строка за строкой. Такая схема формирования изображения называется растром. После того, как луч доходит до последней точки последней строки (до правого нижнего угла экрана), он мгновенно по диагонали переносится в начало первой строки экрана (левый верхний угол), и процесс повторяется.
Формирование цветного изображения осуществляется не одним, а тремя электронными лучами (красным, зеленым и синим), перемещающимся по экрану одновременно. Три луча подсвечивают сразу три элемента экрана, расположенных на очень незначительном угловом расстоянии друг от друга, поэтому человеческий глаз воспринимает эти три элемента как одну точку. Благодаря различной интенсивности свечения каждой из трех точек и эффекту аддитивного смешения трех цветов такая составная точка может иметь любой цветовой оттенок. Качество изображения тем выше, чем меньше расстояние между двумя отдельными точками. В современных мониторах расстояние между точками не превышает 0.25–0.26 мм.
Существует два принципиально разных способа указания интенсивности свечения пикселя.
Первый применяется в так называемых цифровых мониторах. В этом случае для каждой точки монитору подается информация об ее интенсивности в виде двоичного числа. Используя аддитивную модель, передавая два бита для каждого цвета (красный, зеленый и синий), из которых формируется цвет точки, можно получить 64 цвета (4*4*4). Однако при увеличении количества цветов нужно увеличивать и количество битов для каждого цвета (т.е. количество проводов для каждого цвета).
Поэтому конструкторы мониторов, в конце концов, отказались от цифровой схемы и пришли к аналоговой. При этой схеме сигналы V и H остаются по-прежнему цифровыми, а сигналы о трех составляющих цвета становятся аналоговыми и поступают по трем проводам. На каждом проводе поддерживается напряжение от 0 до 1 вольта с плавным переходом из одного состояния в другое. Ноль вольт на проводе указывает на отсутствие свечения, 1 вольт – на максимальное свечение. При такой схеме каждый из трех цветов условно может принимать бесконечное число оттенков. Следовательно, таким образом можно задавать десятки миллионов цветов.
Графические возможности конкретного адаптера определяются разрешением экрана, т.е. общим количеством пикселей, а также количеством цветов. Кроме того, многие адаптеры могут работать с несколькими графическими страницами.
Для инициализации графического режима используется процедура:
Изучение графики
Этот язык программирования не очень удобен для создания графических приложений. Есть множество более удобных альтернатив, особенно в плане быстродействия кода. Однако большинство школьников, как и некоторые студенты, начинают изучать программирование именно с Паскаля, а с приближением экзаменов всё больше времени тратится на подготовку, из-за чего изучать сторонний материал не всегда уместно. Научиться работать с графическим интерфейсом будет полезно по таким причинам:
К тому же освоившись с примерами элементарной графики, у многих возникает желание написать игру или приложение для онлайн-рисования. Такая программа будет очень простой, но из-за постоянного обновления функционала начинающий программист будет узнавать о новых возможностях языка. Кому-то это покажется пустой тратой времени, но работа над проектом — на самом деле лучший способ обучения. Особенно хорошо метод работает, когда ученик сам заинтересован в получении какого-либо информационного продукта, а не получает указание от преподавателя.
Замена графики
Чтобы пользоваться минимальными графическими возможностями, достаточно подключить модуль CRT, который отображает отдельное окно консоли на экране. Без его использования код выводится в соответствующем поле интерпретатора, а также недоступны многие полезные команды Pascal ABC.
В таком режиме можно пользоваться псевдографикой — интерфейсом, построенным из различных символов:
Так как по умолчанию шрифт консоли таков, что все знаки занимают одинаковую ширину, можно включать любые символы, которые будут достаточно контрастны. Есть несколько вариантов реализации, которые отличаются по сложности кода.
Упрощённый способ
Новичкам лучше начинать с самого простого варианта. Такой код будет плохо оптимизирован, но его проще всего написать. Выполняется это в несколько простых шагов:
Ещё один важный момент — необходимость задержки для корректного отображения анимации. Проще всего сделать это, поместив процедуру delay () между окончанием внутреннего цикла и командой очистки экрана. Внутрь этой команде передаётся время задержки в миллисекундах. Если это время должно как-то меняться, то следует выделить для этого отдельную переменную, а также прописать алгоритм изменения.
Это самый лёгкий способ. Его удобно реализовать, на это тратится мало времени, единственная трудность — ручное построение рисунков текстом (при написании программы). А также такой код не всегда будет работать плавно, ведь слишком частая очистка и наполнение консоли заметна визуально из-за мерцания.
Оптимизированный метод
Этот вариант несколько сложнее в реализации, ибо для него не хватит одиночного вложенного цикла. С другой стороны, этот метод не требует обязательной предварительной отрисовки всех изображений. Чтобы адаптироваться к такой технологии, лучше начать с простых фигур:
Для каждой из вариаций лучше прописывать отдельную функцию. Принцип заключается в том, что если курсор стоит на пространстве консоли, занятом другим символом, то старый знак заменится новым при выводе этого символа. Эта реализация требует использования функции setcursorpos (x, y), где x и y — это координаты установки курсора по ширине и высоте соответственно, отсчёт начинается с левого верхнего угла.
Если на экране ещё нет изображения, то этот оператор используется для точечной отрисовки фигур. При этом важно использовать write, а не writeln, чтобы курсор не переходил на новую строку — в этом нет необходимости. Если рисунок уже есть, то ненужные фрагменты можно просто заменить необходимыми знаками, либо стереть вовсе, введя символ пробела. Функции следует отводить не под целые фигуры, а под составляющие их линии и окружности.
Алгоритм линейного рисования довольно прост. При самой практичной реализации функция принимает лишь координаты двух точек, а также выводимый символ. Затем она вычисляет разницу по ширине и высоте — это необходимо, чтобы строить линии под углом, отличным от 0, 45 и 90. После каждого выполнения цикла печатается по одному знаку, а курсор смещается в новую точку. Смещение рассчитывается при помощи уравнения прямой, которое составляется исходя из разницы по «иксу» и «игрику». Для окружности соответственно применяется уравнение окружности, а принцип остаётся прежним.
Дополнительный вариант
Этот вариант не исключает использования прошлых методик, но больше подходит для оптимизированной реализации. Модуль crt предусматривает заполнение фона консоли различным цветом. Это распространяется не только на заливку всего окна, но также актуально для каждого пространства под символ.
Таким образом, можно нарисовать любую необходимую фигуру или изображение. Единственное отличие от прошлых двух методов — заполнение осуществляется при помощи связки трёх, а не двух команд. Сначала надо установить курсор консоли в требуемое положение, а после этого функцией textbackground (x), где x — это цвет, заданный числом от 0 до 15 или текстовой константой. Можно как печатать пробел, так и любой другой знак. Этот символ возможно также окрасить процедурой textcolor, которая определяет цвет по аналогичному входящему параметру. Ориентироваться по номерам легче, когда открыта таблица цвета в Паскале abc.
Графический модуль
Если воспользоваться специализированным модулем, то будет возможно создавать пиксельные изображения любой сложности. В Пакале АБС он называется GraphABC, входит в список стандартных и подключается аналогично другим.
Предварительная подготовка
Написание программы следует начать с настройки используемого окна. Для этого можно воспользоваться некоторыми из этих процедур:
Когда необходимые настройки прописаны, можно приступить к следующему шагу. Если приложение не предполагает, что шрифт будет меняться, его следует также изменить на первых строках кода. Установить цвет и стиль возможно командами SetFontColor и SetFontStyle соответственно. В некоторых случаях могут пригодиться функции FontColor и FontStyle, которые возвращают используемые значения цвета и стиля.
А также важно заранее научиться работать с цветом в Паскале ABC. Будет полезно знать про:
Эти функции очень практичны, ведь в модуле GraphABC цвет задаётся в формате RGB. А также, в сравнении с методами псевдографики, роль курсора играет кисть, поэтому необходимо уметь изменять её параметры. Существуют SetPenColor, SetPenStyle и SetPenWidth — для установки цвета, стиля и толщины.
Для контроля этих значений можно включать в код PenColor, PenWidth, PenStyle. Координаты отслеживаются с помощью PenX и PenY.
Основные процедуры
Этот модуль предоставляет большое количество функций для рисования примитивов наподобие линий, ломаных, текста, а также окружностей и прямоугольников с последующей заливкой. Самая универсальная команда — PutPixel. Она размещает пиксель выбранного цвета в указанной координате. При помощи этой функции можно нарисовать любое изображение, но гораздо удобнее воспользоваться встроенными процедурами:
Также может потребоваться GetPixel. Эта функция вернёт цвет пикселя, на который указывает кисть.
Работа с графикой в PascalABC
После запуска PascalABC, по умолчанию, запускается текстовый режим. Для работы с графикой служит отдельное графическое окно.
Чтобы его открыть, необходимо подключить модуль GraphABC. В этом модуле содержится набор процедур и функций, предназначенных для работы с графическим экраном, а также некоторые встроенные константы и переменные, которые могут быть использованы в программах с графикой.
С их помощью можно создавать разнообразные графические изображения и сопровождать их текстовыми надписями.
Подключение осуществляется в разделе описаний.
Формат подключения модуля GraphABC:Uses GraphABC;
Графический экран PascalABC (по умолчанию) содержит 640 точек по горизонтали и 400 точек по вертикали. Начало отсчета – левый верхний угол экрана. Ось x направлена вправо, а ось y –вниз. Координаты исчисляются в пикселях.
Все команды библиотеки GraphABC являются подпрограммами и описаны в виде процедур и функций. Для того, что бы команда выполнилась необходимо указать команду и задать значения параметров.
Управление графическим окном
После запуска PascalABC, по умолчанию, запускается текстовый режим. Для работы с графикой служит отдельное графическое окно.
Чтобы его открыть, необходимо подключить модуль GraphABC. В этом модуле содержится набор процедур и функций, предназначенных для работы с графическим экраном, а также некоторые встроенные константы и переменные, которые могут быть использованы в программах с графикой.
С их помощью можно создавать разнообразные графические изображения и сопровождать их текстовыми надписями.
Подключение осуществляется в разделе описаний.
Формат подключения модуля GraphABC:Uses GraphABC;
Графический экран PascalABC (по умолчанию) содержит 640 точек по горизонтали и 400 точек по вертикали. Начало отсчета – левый верхний угол экрана. Ось x направлена вправо, а ось y –вниз. Координаты исчисляются в пикселях.
Все команды библиотеки GraphABC являются подпрограммами и описаны в виде процедур и функций. Для того, что бы команда выполнилась необходимо указать команду и задать значения параметров.
Процедуры рисования графических примитивов
Процедуры, используемые для работы с цветом
Процедуры для работы с текстом
Цвета в PascalABC
Пример графической программы, рисующей изображение дома:
Рисунок в PascalABC
Программа, рисующая фигурку:
Практическая работа за компьютером
Задание 1. Определите координаты и составьте программу, выводящую на экран рисунок дома и дерева.
Программа будет иметь вид:
Задание 2. Используя оператор цикла и введя переменную для пересчета координат по оси x, постройте “поселок”, состоящий из 5 домов. Внесите соответствующие дополнения и изменения в предыдущую программу.
Весь наш «поселок» выстроился вдоль горизонтальной оси экрана — оси X. Построение рисунка начинается с левого верхнего угла стены первого дома — точки с координатами (100, 50). Координата Y не изменяется. Чтобы начать рисовать второй домик, нужно координату X увеличить на 150 (50 точек — ширина первого дома и 100 точек — расстояние между домиками).
Выберем в качестве параметра цикла целочисленную переменную X.
Для всех элементов нашего рисунка абсолютное значение координаты X заменим на относительное. Например, для стены дома процедура для рисования запишется следующим образом:
