Факультативный курс «Программирование графики» для старшей школы

Теоретические основы программирования графики

Несомненно, перед тем как разработать факультативный курс необходимо четко представлять, о чем можно и нужно рассказать детям. В основу любого курса должен быть заложен хорошо проработанный теоретический материал. В данном разделе будет предложен теоретический материал, на который будет в дальнейшем опираться факультативный курс «Программирование графики».

Графика в Pascal.

Экран дисплея ПК представляет собой прямоугольное поле, состоящее из большого количества точек. Дисплей может работать в текстовом и графическом режимах. Но в отличие от текстового режима в графическом режиме имеется возможность изменять цвет каждой точки.

Чтобы сделать процесс графического программирования более эффективным, фирма Borland International разработала специализированную библиотеку Graph (в этом библиотечном модуле содержится 79 графических процедур, функций, различных стандартных констант и типов данных), набор драйверов, позволяющих работать с разными типами мониторов, и набор шрифтов для вывода на графический экран текстов разной величины и формы. Аппаратная поддержка графики ПК обеспечивается двумя основными модулями: видеомонитором и видеоадаптером. Какой бы адаптер ни был установлен на компьютере, мы можем использовать один и тот же набор графических процедур и функций Turbo Pascal благодаря тому, что их конечная настройка на конкретный адаптер осуществляется автоматически. Эту настройку выполняют графические драйверы.

Запуск и завершение работы в графической системе осуществляется следующим образом:

• 1. Подключить модуль Graph (библиотеку графических процедур): uses Graph;
• 2. Установить графический режим: — описываем переменные, которые определяют графический драйвер и монитор: var gd, gm: integer; - задаем команду ПК для самовыбора значений переменных: gd := Detect; (detect — драйвер сам определяет лучший режим) — инициализируем графический режим: InitGraph (gd, gm, 'указывается путь к драйверу (пусть будет пустым)') С этого момента все графические средства доступны пользователю.
• 3. Завершить работу в графической системе: CloseGraph;

Совет: Возникает очень много вопросов вроде «я всё делаю, как написано, а почему оно не работает?». Так вот перед использованием графического режима, перепишите файлы bgi в папку, куда у вас компилируется программа, и проверьте, не стоит ли на файле bgi атрибут Read Only (толко чтение) и если стоит, то уберите его.

Экран и окно в графическом режиме По аналогии с текстовыми режимами графический экран может рассматриваться как одно большое или несколько меньших по размеру окон. После установки окна вся остальная площадь экрана как бы не существует, и весь ввод-вывод осуществляется только через окно. В каждый отдельный момент может быть активным только одно окно. Если окон несколько, за переключение ввода-вывода в нужное окно отвечает программист. По умолчанию окно занимает весь экран, значения координат его левого верхнего и правого нижнего угла устанавливаются автоматически процедурой инициализации InitGraph. Если требуется создать окно, следует воспользоваться процедурой SetViewPort (x₁, y₁, x₂, y₂ integer, Clip: boolean); где x₁, y₁ — координаты левого верхнего угла, x₂, y₂. Координаты левого верхнего угла окна. Параметр Clip определяет, будет ли рисунок отсекаться при выходе за границы окна (Clip:= True) или нет (Clip:=False). После создания окна за точку отсчета принимается верхний левый угол окна, имеющий координаты (0,0).

Необходимо помнить, что в отличие от текстовых окон графические окна после команды установки фона SetBkColor и очистки с помощью ClearViewPort меняют фон вместе с общим фоном экрана. Поэтому фон (точнее «закраску») графического окна следует устанавливать с помощью процедур SetFillStyle и SetFillPattern.

Вывод простейших фигур Вывод точки Какие бы изображения не выводились на экран, все они построены из точек, теоретически можно создать любое изображение путем построения точек определенного цвета в нужном месте экрана. В библиотеке Graph вывод точки осуществляется процедурой PutPixel (x, y: integer, color: word);где x, y: координаты расположения точки, color — цвет.

Возможные значения Color приведены в таблице.

Вывод линии Из точек строятся линии (отрезки прямых). Это можно сделать с помощью процедуры Line (x₁, y₁, x₂, y₂ :integer); где x₁, y₁ — координаты начала, x₂, y₂— координаты конца линии.

В процедуре Line нет параметра для установки цвета. В этом случае цвет задается процедурой SetColor (цвет: word); где цвет из таблицы.

Для черчения линий применяются еще две процедуры: LineTo и LineRel. Процедура LineTo (x, y: integer) строит линию из точки текущего положения указателя в точку с координатами x, y. Процедура LineRel (dx, dy: integer) проводит линию от точки текущего расположения указателя (x, y) в точку x+dx, y+dy.

Turbo Pascal позволяет вычерчивать линии самого различного стиля: тонкие, широкие, штриховые, пунктирные и т. д. Установка стиля производится процедурой SetLineStyle (a, b, c: word), где a устанавливает тип строки, возможные значения которого приведены в таблице; b — образец, с — толщина линии, определяемая константами, указанными в таблице. Если применяется один из стандартных стилей, то значение b равно 0. Если пользователь хочет активизировать собственный стиль, то значение b =4. В этом случае пользователь сам указывает примитив (образец), из которого строится линия. факультативный информатика школа.

Построение многоугольников Построение прямоугольников Для построения прямоугольных фигур имеется несколько процедур. Первая из них — вычерчивание одномерного прямоугольника: Rectangle (x₁, y₁, x₂, y₂:integer), где x₁, y₁ — координаты левого верхнего угла, x₂, y₂— координаты правого нижнего угла прямоугольника. Область внутри прямоугольника не закрашена и совпадает по цвету с фоном.

Более эффектные для восприятия прямоугольники можно строить с помощью процедуры Bar (x₁, y₁, x₂, y₂:integer), которая рисует закрашенный прямоугольник. Цвет закраски устанавливается с помощью SetFillStyle. Еще одна эффектная процедура: Bar3D (x₁, y₁, x₂, y₂, d: integer, a: boolean) вычерчивает трехмерный закрашенный прямоугольник (параллелепипед). При этом используются тип и цвет закраски, установленные с помощью SetFillStyle. Параметр d представляет собой число пикселей, задающих глубину трехмерного контура. Чаще всего его значение равно четверти ширины прямоугольника (d:= (x₂ — x₁) div 4). Параметр a определяет, строить над прямоугольником вершину (а:=True) или нет (a:=False).

Построение многоугольников Многоугольники можно рисовать самыми различными способами, например с помощью процедуры Line. Однако в Турбо Паскале имеется процедура DrawPoly, которая позволяет строить любые многоугольники линией текущего цвета, стиля и толщины. Она имеет формат DrawPoly (a: word, var PolyPoints).

Параметр PolyPoints является нетипизированным параметром, который содержит координаты каждого пересечения в многоугольнике. Параметр, а задает число координат в PolyPoints. Необходимо помнить, что для вычерчивания замкнутой фигуры с N вершинами нужно передать при обращении к процедуре DrawPoly N+1 координату, где координата вершины с номером N будет равна координате вершины с номером 1.

В результате работы программы на экране появится красный треугольник на черном фоне. Изменить фон внутри треугольника можно с помощью процедуры FillPoly (a: word, var PolyPoints). Значения параметров те же, что и в процедуре DrawPоly. Действие тоже аналогично, но фон внутри многоугольника закрашивается.

Построение дуг и окружностей Процедура вычерчивания окружности текущим цветом имеет следующий формат: Cicrle (x, y, r: word), где x, y — координаты центра окружности, r — ее радиус.

Дуги можно вычертить с помощью процедуры Arc (x, y: integer, а, b, R: integer), где x, yцентр окружности, a, bначальный и конечный углы в градусах, R — радиус. Для задания углов используется полярная система координат.

Цвет для вычерчивания устанавливается процедурой SetColor. В случае a=0 и b=360, вычерчивается полная окружность.

Для построения эллиптических дуг предназначена процедура Ellipse (x, y: integer, a, b, R_x, R_y: integer), где x, y — центр эллипса, R_x, R_y: горизонтальная и вертикальная оси. В случае a=0 и b=360 вычерчивается полный эллипс.

Фон внутри эллипса совпадает с фоном экрана. Чтобы создать закрашенный эллипс, используется специальная процедура FillEllipse (x, y: integer, R_x, R_y: integer). Закраска эллипса осуществляется с помощью процедуры SetFillStyle (a, b: word), где, а — стиль закраски (таблица), b — цвет закраски (таблица).

Для построения секторов можно использовать следующие процедуры: PieSlice (x, y: integer, a, b, R: word), которая рисует и заполняет сектор круга. Координаты x, y — центр окружности, сектор рисуется от начального угла a до конечного угла b, а закрашивание происходит при использовании специальных процедур; Sector (x, y: integer, a, b, R_x, R_y: word), которая создает и заполняет сектор в эллипсе. Координаты x, y — центр, R_x, R_y — горизонтальный и вертикальный радиусы, и сектор вычерчивается от начального угла a до конечного угла b.

Работа с текстом Выводимые на экран изображения лучше всего сопровождать пояснительным текстом. В графическом режиме для этого используются процедуры OutText и OutTextXY. Процедура OutText (Textst: string) выводит строку текста, начиная с текущего положения указателя. Недостаток этой процедуры — нельзя указать произвольную точку начала вывода. В этом случае удобнее пользоваться процедурой OutTextXY (x, y: integer, Textst: string), где x, y — координаты точки начала вывода текста, Textst — константа или переменная типа String. Например, OutTextXY (60, 100, `Нажмите любую клавишу').

Вывод численных значений В модуле Graph нет процедур, предназначенных для вывода численных данных. Поэтому для вывода чисел сначала нужно преобразовать их в строку с помощью процедуры Str, а затем подключить посредством `+' к выводимой строке. Для удобства преобразование целочисленных и вещественных типов данных в строку лучше осуществлять специализированными пользовательскими функциями IntSt и RealSt:

function IntSt (Int: integer): string;

var Buf: string[10];

begin.

Str (Int, Buf);

IntSt := Buf;

end;

function RealSt (R: real, Dig, Dec: integer): string;

var Buf: string[20];

begin.

Str (R: Dig: Dec, Buf);

RealSt := Buf;

end;

Эти функции указываются как параметры в процедурах OutText и OutTextXY.

Шрифты Вывод текста в графическом режиме может осуществляться различными стандартными (таблица) и пользовательскими шрифтами. Различают два типа шрифтов: растровые и векторные. Растровый шрифт задается матрицей точек, а векторный — рядом векторов, составляющих символ.

По умолчанию после инициализации графического режима устанавливается растровый шрифт DefaultFont, который, как правило, является шрифтом, используемым драйвером клавиатуры.

Большинство стандартных шрифтом не содержат русских символов. Разработка же собственных шрифтов — довольно сложный и трудоемкий процесс. Он может быть ускорен, если воспользоваться специализированными пакетами TurboFont, BgiToolKit.

Установить нужный шрифт можно процедурой SetTextStyle (Font, d, c:word), где Font — выбранный шрифт, d — направление (горизонтальное или вертикальное), с — размер выводимых символов. Возможные значения двух первых параметров представлены в таблице. При организации вертикального вывода необходимо учитывать, что если не установить точку начала вывода с помощью MoveTo, то текст начинается с нижней строки экрана и продолжается вверх. Величина символов устанавливается коэффициентом с. Если с=1, то символ строится в матрице 8×8, если с= 2, то матрица 16×16 и т. д. до 10-кратного увеличения.

Выравнивание текста В некоторых случаях требуется в пределах одной строки выводить символы выше или ниже друг друга. Выравнивание текста выполняется с помощью процедуры SetTextJustify (Horiz, Vert: word) как по вертикали, так и по горизонтали посредством задания параметров Horiz и Vert (возможные значения в таблице).

Построение графиков функций Для построения графиков функций при помощи графического режима предполагается свободное владение учениками понятием функции, ее графическим и аналитическим представлением. Необходимо также использовать операторы цикла, которые помогут избежать однообразного труда по вычислению ординаты каждой точки.

До сих пор при создании рисунков использовали только первый квадрант системы координат. Для построения большинства функций в требуемом интервале изменения необходимо работать хотя бы в двух квадрантах. В общем случае полезно изображать систему координат в любой части плоскости, но наиболее наглядно располагать ее в центре экрана. В таких случаях, установив начало координат в точке (x₀, y₀) на экране, можно координаты (x, y) произвольной точки кривой определять разностью (x-x₀, y-y₀). После этого в программе можно употреблять не только положительные, но и отрицательные значения. Рисунок получается маленьким, поэтому требуется увеличить масштаб изображения. Если для функции будет использован весь экран, надо увеличить рисунок по x и по y в зависимости от выбранного экрана.

Выбрать масштаб увеличения можно следующим образом:

• — определить горизонтальный и вертикальный размеры графика (для этого вводятся границы области значений и определяются максимальное и минимальное значение функции на заданной области определения, затем вычисляются разности максимального и минимального значений аргументов и функции, которые и являются горизонтальным и вертикальным размерами графика соответственно);
• -определить масштаб (сначала определяются масштабы изображения по горизонтали и вертикали с учетом размеров выбранного экрана по формуле: масштаб (г/в) = размер экрана (по г/в) / размер графика (по г/в), затем из них выбирается меньший, который и принимается за необходимый масштаб. В нашем случае графический экран имеет размеры 640 на 480).В любом случае, чтобы высветить на экране точку, надо взять x, вычислить по данной абсциссе y и выполнить рисование точки. Так как на экране можно получить лишь ограниченное количество значений х, то их перебираем с помощью цикла.

Построение случайных процессов. Для того, чтобы картинки не были монотонными и регулярными, можно задавать фигурам случайные размеры, цвет, координаты. Для этого имеется специальная функция Random: Она генерирует случайные числа из [0, 1). Для расширения первоначального промежутка используется функция Random (I: word), которая выдает число из диапазона 0… I. На самом деле эти функции генерируют некоторую последовательность псевдослучайных чисел, и чтобы добиться иллюзии полной «случайности» используют команду Randomize, которая изменяет базу датчика случайных чисел.

Создание иллюзии движения Создать видимость движения изображения на экране можно несколькими способами. Рассмотрим два из них.

I способ. Имитация движения объекта на экране за счет многократного выполнения программой набора действий: нарисовать — пауза — стереть (нарисовать в том же месте цветом фона) — изменить координаты положения рисунка.

Перед началом составления программы надо продумать описание «двигающегося» объекта, характер изменения координат, определяющих текущее положение объекта, диапазон изменения и шаг.

II способ. Иллюзия движения создается при помощи специальных процедур и функций.

Функция ImageSize (x1, y1, x2, y2: integer):word возвращает размер памяти в байтах, необходимый для размещения прямоугольного фрагмента изображения, где x1, y1 — координаты левого верхнего и x2, y2 — правого нижнего углов фрагмента изображения.

Процедура GetImage (x1, y1, x2, y2: integer, var Buf) помещает в память копию прямоугольного фрагмента изображения, где x1, ., y2 — координаты углов фрагмента изображения, Buf — специальная переменная, куда будет помещена копия видеопамяти с фрагментом изображения. Buf должна быть не меньше значения, возвращаемого функцией ImageSize с теми же координатами.

Процедура PutImage (x1, y1, x2, y2: integer, var Buf, Mode: word) выводит в заданное место экрана копию фрагмента изображения, ранее помещенную в память процедурой GetImage. X, Y — координаты левого верхнего угла того места на экране, куда будет скопирован фрагмент изображения; Bufспециальная переменная, откуда берется изображение, Mode — способ копирования. Координаты правого нижнего угла не указываются, так как они полностью определяются размерами выводимой на экран копии изображения. Координаты левого верхнего угла могут быть любыми, лишь бы только копия уместилась в пределах экрана (если копия не размещается на экране, то она не выводится, и экран остается без изменений). Параметр Mode определяет способ взаимодействия размещаемой с уже имеющимся на экране изображением.