"Графика для Windows средствами DirectDraw" - читать интересную книгу автора (Трухильо Стэн)

Что такое DirectDraw?

Весьма интересное определение DirectDraw можно найти у одного из его самых яростных противников — FastGraph. Графический пакет FastGraph появился уже довольно давно. В настоящее время существует версия FastGraph, которая поддерживает DirectDraw, но скрывает DirectDraw API за своим собственным нестандартным API. Тед и Диана Грубер (Ted and Diana Gruber), создатели и поставщики FastGraph, разместили на своем Web-узле файл, в котором доказывается, что FastGraph лучше DirectDraw.

В числе прочих доводов Груберы заявляют, что DirectDraw представляет собой «просто механизм блиттинга». Такая формулировка оказывается довольно точной, но чрезмерно упрощенной. Правильнее было бы сказать, что DirectDraw — аппаратно-независимый механизм блиттинга, наделенный некоторыми возможностями программной эмуляции. Главная задача DirectDraw как раз и заключается в том, чтобы по возможности быстро и надежно копировать графические изображения в память видеоустройств (блиттинг).

DirectDraw можно рассматривать и с другой точки зрения - как менеджер видеопамяти. DirectDraw распределяет блоки памяти и следит за состоянием каждого блока. Программы могут по своему усмотрению создавать, копировать, изменять и уничтожать такие блоки, причем конкретные подробности этих операций остаются скрытыми от программиста. Такое описание тоже оказывается излишне упрощенным. Во-первых, DirectDraw может использовать не только видеопамять, но и обычную память (RAM). Кроме того, при проектировании менеджеров памяти основное внимание обычно уделяется надежности, а не быстродействию. При проектировании же DirectDraw главной целью было именно быстродействие.

С технической точки зрения DirectDraw представляет собой переносимый API в сочетании с набором драйверов устройств. В своей работе DirectDraw полностью обходит традиционный графический механизм Windows (интерфейс графических устройств, GDI). GDI завоевал дурную славу своим низким быстродействием, поэтому независимость от него крайне важна для достижения оптимальной скорости.

Приняв к сведению все эти описания DirectDraw, давайте познакомимся с некоторыми терминами и концепциями, составляющими неотъемлемую часть используемого жаргона. Мы начнем с простейших, но основных понятий, которые относятся к графике вообще, а затем перейдем к специфике DirectDraw.

Видеорежимом называется набор параметров, поддерживаемый аппаратурой видеокарты (видеоадаптера) и позволяющий организовать вывод графического изображения. Самым известным атрибутом видеорежима является разрешение экрана. По умолчанию в Windows используется видеорежим с разрешением 640#215;480. Это означает, что на экране выводится 640 пикселей по горизонтали и 480 пикселей по вертикали. Также часто встречаются видеорежимы с разрешением 800#215;600 и 1024#215;768. Некоторые видеокарты поддерживают так называемые режимы ModeX. Типичный режим ModeX имеет разрешение 320#215;200.

Видеорежимы также различаются по глубине пикселей (pixel depth). Этот параметр определяет количество различных значений, принимаемых отдельным пикселем, и, следовательно, количество отображаемых цветов. Например, в видеорежиме с глубиной пикселей в 8 бит каждый пиксель может иметь один из 256 различных цветов. В режимах с 16-битной глубиной пикселей поддерживается отображение до 65536 цветов. Глубина пикселей обычно равна 8, 16, 24 или 32 битам.

Видеорежимы реализуются специальным устройством, установленным на компьютере, — видеокартой. На видеокарте устанавливается отдельная память, не входящая в основную память компьютера. Память, установленную на видеокарте, мы будем называть видеопамятью, а обычную память (RAM) — системной памятью. Объем памяти, необходимой для поддержки определенного видеорежима, определяется разрешением и глубиной пикселей в этом режиме. Например, для видеорежима 640#215;480#215;8 (640#215;480 пикселей, каждый из которых имеет глубину в 8 бит) требуется 307300 байт. Видеорежим 1024#215;768#215;16 требует 1572864 байт. Для поддержки видеорежимов используется видеопамять. Следовательно, режимы, поддерживаемые конкретной видеокартой, ограничиваются объемом установленной видеопамяти. Скажем, режим 1024#215;768#215;16 не поддерживается видеокартами с 1 Мбайт памяти, потому что для него такой объем памяти недостаточен.

Одна из ключевых возможностей DirectDraw — переключение видеорежимов. Она позволяет приложению DirectDraw обнаружить и активизировать любой режим, поддерживаемый установленной видеокартой. Переключение режимов подробно рассматривается в главе 4.

Основная причина, по которой DirectDraw обеспечивает оптимальное быстродействие, состоит в том, что во всех возможных случаях применяется аппаратное ускорение. Это означает, что видеокарта выполняет некоторые операции с помощью встроенных в нее аппаратных средств. Аппаратное ускорение обладает двумя основными преимуществами. Во-первых, в нем используются средства, спроектированные специально для ускорения графических операций. Тем самым обеспечивается максимальная скорость выполнения всех действий. Во-вторых, аппаратное ускорение освобождает процессор компьютера от необходимости выполнения этих операций, благодаря чему процессор может заняться другими задачами.

Поверхностью (surface) в DirectDraw называется прямоугольная область памяти, обычно содержащая графические данные. Блок памяти, изображающий поверхность, может находиться как в системной, так и в видеопамяти. Хранение поверхностей в видеопамяти обычно повышает скорость работы программы, поскольку большинство видеокарт не может обращаться к системной памяти напрямую.

Поверхности делятся на несколько типов. Простейшими являются внеэкранные (off-screen) поверхности. Внеэкранная поверхность может находиться как в видеопамяти, так и в системной памяти, но не отображается на экране. Такие поверхности обычно используются для хранения спрайтов и фоновых изображений.

Первичная (primary) поверхность, напротив, представляет собой участок видеопамяти, отображаемой на экране. Любая программа DirectDraw, обеспечивающая графический вывод, имеет первичные поверхности. Первичная поверхность должна находиться в видеопамяти.

Первичные поверхности часто бывают составными (complex), или, что то же самое, переключаемыми (flippable). Переключаемая поверхность может участвовать в переключении страниц — операции, при которой содержимое всей поверхности мгновенно отображается на экране с помощью специальных аппаратных средств. Переключение страниц используется во многих графических программах как с поддержкой DirectDraw, так и без, поскольку оно обеспечивает очень гладкую анимацию и устраняет мерцание. Переключаемая первичная поверхность на самом деле состоит из двух поверхностей, одна из которых отображается на экране, а другая — нет. Невидимая поверхность называется вторичным буфером (back buffer). При переключении страниц поверхности меняются местами: та, которая была вторичным буфером, отображается на экране, а та, что ранее отображалась, превращается во вторичный буфер.

Как внеэкранные, так и первичные поверхности делятся на две разновидности: палитровые (palettized) и беспалитровые (non-palettized). Палитровая поверхность вместо конкретных значений цветов содержит индексы в цветовой таблице, которая называется палитрой. В DirectDraw палитровыми являются только 8-битные поверхности. Поверхности с глубиной пикселей, равной 16, 24 и 32 битам, являются беспалитровыми. Вместо индексов в них хранятся фактические значения цветов.

Поскольку в каждом пикселе беспалитровой поверхности находятся реальные цветовые данные, необходимо знать, в каком формате хранятся отдельные пиксели поверхностей. Формат пикселя описывает способ хранения красной, зеленой и синей (RGB) составляющих. Он зависит от глубины пикселей, видеорежима и аппаратной архитектуры. Форматы пикселей подробно рассматриваются в главе 5.

На жаргоне, принятом в компьютерной графике, «блиттингом» называется операция копирования. Примером типичного блиттинга служит копирование внеэкранной поверхности во вторичный буфер. Если аппаратное ускорение невозможно, DirectDraw эмулирует блиттинг на программном уровне. Такая эмуляция справляется со своей задачей, однако выполняется намного медленнее аппаратного блиттинга. Обычно аппаратные средства видеокарты допускают блиттинг лишь для поверхностей, находящихся в видеопамяти.

В блиттинге обычно участвуют две поверхности: источник (source) и приемник (destination). Содержимое поверхности-источника копируется в поверхность-приемник. В результате операции содержимое поверхности-источника остается неизменным; блиттинг влияет лишь на поверхность-приемник. Кроме того, блиттинг не всегда изменяет все содержимое приемника; любой прямоугольный фрагмент источника можно скопировать в любое место приемника.

При блиттинге непрямоугольных областей (например, спрайтов) применяется эффект прозрачности. Для этого некоторые пиксели поверхности помечаются так, чтобы они не копировались в ходе блиттинга. Такая пометка осуществляется с помощью цветовых ключей (color key).

Цветовые ключи можно назначить как источнику, так и приемнику. Чаще применяются цветовые ключи источника. В этом случае прозрачность обеспечивается за счет того, что пиксели источника, имеющие определенные цветовые значения, не копируются в приемник. При использовании цветовых ключей приемника содержимое источника в ходе операции изменяет только те пиксели приемника, которые помечены цветовым ключом.

Кроме того, DirectDraw поддерживает ряд специализированных операций блиттинга, в ходе которых выполняется растяжение, сжатие, повороты, зеркальные отображения и наложение. Наличие этих возможностей часто зависит от видеокарты. Некоторые из операций могут при необходимости эмулироваться DirectDraw, однако за это нередко приходится расплачиваться заметным снижением быстродействия.

К сожалению, некоторые возможности вообще не эмулируются DirectDraw (например, цветовые ключи приемника). Их использование оказывается рискованным, потому что без поддержки со стороны видеокарты такие операции могут закончиться неудачей. У разработчика остаются два варианта: отказаться от данной возможности или включить в приложение собственную программную эмуляцию.

Приложение, работающее в 8-битном видеорежиме, должно иметь палитру. Палитрой называется таблица цветов, к которой можно обратиться в любой момент. Если бы 8-битные видеорежимы обходились без палитры, то приложениям пришлось бы работать с фиксированным набором из 256 цветов. Палитра же позволяет указать, какие именно 256 цветов будут использоваться в приложении.

При использовании палитровых видеорежимов необходимо позаботиться о том, чтобы во всех графических объектах вашего приложения использовалась одна и та же палитра. В противном случае некоторые объекты будут отображаться в искаженных цветах. Палитры могут причинить немало хлопот, особенно когда вам придется выбирать единую палитру для отображения большого количества графических объектов. Тем не менее они обладают некоторыми преимуществами. Как упоминалось выше, палитры позволяют представить в ограниченном наборе максимальное количество цветов. Кроме того, с помощью палитр можно организовать палитровую анимацию (palette animation).

Палитровой анимацией называется методика, при которой анимация выполняется за счет изменения элементов палитры, а не самих пикселей. Это позволяет мгновенно изменить цвета многих пикселей изображения. В некоторых ситуациях (например, для повторяющихся анимаций) она оказывается полезной.

В идеальном случае блиттинг сводится к копированию всей поверхности на другую поверхность. Однако на практике источник довольно часто копируется на край приемника, или же приемник частично перекрыт другой поверхностью или окном. В таких случаях применяется отсечение (clipping). Оно позволяет скопировать лишь отдельную часть (или несколько частей) поверхности.

Отсечение чаще всего оказывается необходимым при написании оконных приложений DirectDraw, поскольку эти приложения должны подчиняться «правилам поведения» для рабочего стола Windows. Мы поговорим об оконных приложениях позднее в этой главе.

DirectDraw обеспечивает полноценную поддержку прямоугольного отсечения. Тем не менее в некоторых ситуациях бывает полезно написать свою собственную процедуру отсечения. Нестандартное отсечение рассматривается в главе 3.

Внеэкранные и первичные поверхности (со вторичными буферами) образуют основу всех приложений DirectDraw. Тем не менее существуют и другие разновидности поверхностей. В их число входят оверлейные поверхности, альфа-поверхности, Z-буферы и поверхности 3D-устройств.

Оверлеи (overlay) представляют собой аппаратные спрайты; следовательно, они доступны лишь на видеокартах, поддерживающих работу с оверлеями. В отличие от программного спрайта при перемещении оверлея нет необходимости восстанавливать фоновое изображение.

Альфа-поверхности (alpha channel surface) используются для выполнения альфа-наложения (alpha blending). Альфа-наложение является более сложной формой прозрачности и позволяет осуществлять «полупрозрачное» копирование поверхностей. Альфа-поверхность может использоваться для управления прозрачностью отдельных пикселей. Такие поверхности имеют глубину в 1, 2, 4 или 8 бит. Альфа-поверхность с глубиной 1 бит поддерживает лишь два уровня прозрачности: нулевой (непрозрачный пиксель) и стопроцентный (полностью прозрачный пиксель). С другой стороны, 8-битные альфа-поверхности позволяют задавать до 256 различных степеней прозрачности. Альфа-наложение относится к числу возможностей, не эмулируемых в DirectDraw. Следовательно, для использования альфа-наложения необходимо иметь видеокарту, обладающую соответствующими аппаратными средствами, или же написать собственную функцию для программной эмуляции альфа-наложения.

Z-буферы и поверхности 3D-устройств используются в трехмерных приложениях. Эти типы поверхностей были включены в DirectDraw специально для поддержки Direct3D. Z-буферы используются при визуализации трехмерных сцен; они определяют, какие объекты сцены находятся ближе к зрителю и, следовательно, отображаются перед другими объектами. Поверхности 3D-устройств могут использоваться для синтеза трехмерных изображений в DirectDraw. Z-буферы и поверхности 3D-устройств в этой книге не рассматриваются.