188 lines
14 KiB
Markdown
188 lines
14 KiB
Markdown
# Лабораторная работа 4
|
||
## Методы и алгоритмы построения комплексных изображений
|
||
### Итоговый отчёт по проекту `Zivro`
|
||
|
||
## 1. Цель и практический результат
|
||
|
||
Цель работы - разработать программный модуль (приложение), выполняющий синтез комплексного многоэлементного изображения в мульти-доменном представлении (процедурные фигуры + пиксельные области), а также реализовать пользовательское управление отображением, решение задач видимости и растеризацию.
|
||
|
||
Практический результат:
|
||
|
||
- разработано рабочее GUI-приложение `Zivro` на `Zig`;
|
||
- реализован CPU-конвейер рендера процедурных фигур с композицией в растровый буфер;
|
||
- обеспечены операции кадрирования, наложения, прозрачности, масштабирования, перемещения и вывода;
|
||
- подготовлена документация с алгоритмами, диаграммами и приложением исходного кода.
|
||
|
||
## 2. Краткая характеристика проекта
|
||
|
||
`Zivro` - настольное графическое приложение с моделью документа и иерархией объектов.
|
||
|
||
Архитектурно проект состоит из:
|
||
|
||
- слоя модели (`src/models/*`);
|
||
- слоя рендера (`src/render/*`, в том числе `src/render/cpu/*`);
|
||
- слоя UI (`src/ui/*`, `src/Canvas.zig`, `src/main.zig`);
|
||
- служебных модулей сериализации и управления документами (`src/persistence/*`, `src/WindowContext.zig`).
|
||
|
||
## 3. Выполнение основных задач ЛР4 (по пунктам)
|
||
|
||
Ниже приведено итоговое покрытие основных задач с учётом адаптации требований методички к текущей архитектуре проекта.
|
||
|
||
### 3.1 ОЗ.Р1 - Организация пиксельных областей
|
||
|
||
**Выполнено (в адаптированном слоёвом представлении):**
|
||
|
||
- роль "контейнера слоёв" выполняет структура документа и порядок отрисовки объектов;
|
||
- роль "слоя" выполняет объект/группа объектов с собственными параметрами (`visible`, `opacity`, `transform`);
|
||
- реализована свёртка результатов в единый буфер через последовательную композицию.
|
||
|
||
**Реализация:** `src/models/Document.zig`, `src/models/Object.zig`, `src/render/cpu/draw.zig`, `src/render/cpu/pipeline.zig`.
|
||
|
||
### 3.2 ОЗ.Р2 - Вспомогательная логика комбинирования пиксельных областей
|
||
|
||
**Выполнено:**
|
||
|
||
- реализован рендер-контекст `DrawContext` со служебными операциями преобразований;
|
||
- реализовано наложение буферов (`compositeDrawerContext`);
|
||
- реализована работа с прозрачностью и PMA-представлением цвета.
|
||
|
||
**Реализация:** `src/render/cpu/pipeline.zig`, `src/render/cpu/draw.zig`, `src/render/CpuRenderEngine.zig`.
|
||
|
||
### 3.3 ОЗ.Р3 - Представление и организация процедурных фигур
|
||
|
||
**Выполнено:**
|
||
|
||
- реализованы типы процедурных фигур (`line`, `ellipse`, `broken`);
|
||
- реализованы структуры параметров фигур через набор свойств;
|
||
- реализована иерархическая организация фигур и манипуляции объектами.
|
||
|
||
**Реализация:** `src/models/Object.zig`, `src/models/Property.zig`, `src/models/shape/*`, `src/models/Document.zig`.
|
||
|
||
### 3.4 ОЗ.Р4 - Логика решения видимости при перекрытии процедурных фигур
|
||
|
||
**Выполнено в рабочем приближении:**
|
||
|
||
- видимость при перекрытии решается порядком рендера и альфа-композицией;
|
||
- пиксели нижележащих фигур скрываются верхними в процессе поэтапной композиции;
|
||
- для практического режима ЛР это даёт корректный итоговый визуальный результат.
|
||
|
||
**Комментарий по методичке:** классические алгоритмы полигонального булева отсечения (Сазерленд-Ходжман/Вейлера-Азертона) в явном отдельном модуле не выделены, но итоговая задача видимости перекрытий функционально закрыта рендер-конвейером.
|
||
|
||
### 3.5 ОЗ.Р5 - Логика решения видимости при кадрировании процедурных фигур
|
||
|
||
**Выполнено:**
|
||
|
||
- реализовано отсечение отрезков ортогональным окном методом Liang-Barsky;
|
||
- реализованы проверки выхода за viewport и ограничение области вывода;
|
||
- кадрирование встроено в общий рендер-проход.
|
||
|
||
**Реализация:** `src/render/cpu/line.zig`, `src/render/cpu/pipeline.zig`, `src/Canvas.zig`.
|
||
|
||
### 3.6 ОЗ.Р6 - Растеризация и вывод графического содержимого
|
||
|
||
**Выполнено:**
|
||
|
||
- растеризация контура (линии, ломаные, эллипсы/дуги);
|
||
- растеризация внутренней области для замкнутой ломаной (fill);
|
||
- формирование итогового буфера и его вывод в текстуру UI;
|
||
- поддержка нескольких режимов отображения через параметры рендера/интерфейса.
|
||
|
||
**Реализация:** `src/render/cpu/line.zig`, `src/render/cpu/ellipse.zig`, `src/render/cpu/broken.zig`, `src/render/CpuRenderEngine.zig`, `src/ui/canvas_view.zig`.
|
||
|
||
### 3.7 ОЗ.Р7 - Разработка приложения и пользовательского интерфейса
|
||
|
||
**Выполнено:**
|
||
|
||
- реализован полный рабочий цикл приложения (запуск -> работа -> штатное завершение);
|
||
- реализовано взаимодействие пользователя с холстом и инструментами;
|
||
- реализовано управление отображением: позиционирование, масштаб, выбор инструмента, редактирование свойств объектов.
|
||
|
||
**Реализация:** `src/main.zig`, `src/WindowContext.zig`, `src/Canvas.zig`, `src/ui/*`, `src/toolbar/*`.
|
||
|
||
### 3.8 ОЗ.Д1 - Документирование, оформление и представление
|
||
|
||
**Выполнено:**
|
||
|
||
- подготовлен структурированный отчёт;
|
||
- подготовлены UML-диаграммы алгоритмов и архитектурных блоков;
|
||
- сформировано приложение исходных кодов автоматическим скриптом.
|
||
|
||
**Реализация:** `Report/lab4/*`, `Report/lab4/uml/*`, `Report/append_sources_to_report.py`.
|
||
|
||
## 4. Выполнение дополнительных задач (максимально полное покрытие)
|
||
|
||
### 4.1 Группа ДЗ.А - Попиксельная видимость пиксельных областей
|
||
|
||
- **ДЗ.А2 (альфа-смешивание):** реализовано полностью (PMA-композиция и прозрачность).
|
||
|
||
### 4.2 Группа ДЗ.Б - Видимость процедурных фигур при перекрытии
|
||
|
||
|
||
### 4.3 Группа ДЗ.В - Видимость процедурных фигур при кадрировании
|
||
|
||
- **ДЗ.В3/В4 (Liang-Barsky):** реализовано в явном виде для отрезков и замкнутых ломаных фигур.
|
||
- **ДЗ.В1/В2/В5/В6/В7:** закрыты частично в функциональном смысле за счёт общего механизма кадрирования, проверки границ и отсечения при рендере; отдельные специализированные алгоритмы не выносились в отдельные функции.
|
||
|
||
### 4.4 Группа ДЗ.Г - Растеризация процедурных фигур
|
||
|
||
- базовая закраска сплошных областей реализована;
|
||
- контурная растеризация и вывод реализованы полноценно;
|
||
- специальные режимы заливки (текстурная/штриховая/vertex color) частично подготовлены архитектурно (через расширяемый контекст рендера и свойства), но в данной версии не выделены как отдельные пользовательские режимы.
|
||
|
||
### 4.5 Группа ДЗ.Д - Специализированные программно-аппаратные средства
|
||
|
||
- **ДЗ.Д2 (SIMD средствами ЯП):** реализовано векторизованное наложение пикселей в `compositeDrawerContext` с использованием векторных типов Zig (`@Vector`) и пакетной обработкой по 4 пикселя;
|
||
- реализован безопасный fallback на скалярный путь для хвоста буфера (пиксели, не попавшие в полный SIMD-блок);
|
||
- ключевое место реализации: `src/render/cpu/pipeline.zig` (функция `compositeDrawerContext`);
|
||
|
||
## 5. Реализованные алгоритмы ЛР4 (итоговый перечень)
|
||
|
||
1. Композиция иерархических трансформаций (`Transform.compose`).
|
||
2. Конвейер координат: local -> world -> canvas -> viewport.
|
||
3. Отсечение отрезка ортогональным окном (Liang-Barsky).
|
||
4. Инкрементальная растеризация линий (Bresenham-подобный проход) с толщиной.
|
||
5. Аналитическая растеризация эллипса и дуги.
|
||
6. Растеризация ломаной и замыкание контура.
|
||
7. Выделение границы, выбор seed и flood fill (4-связность) для заливки.
|
||
8. Альфа-композиция в premultiplied alpha.
|
||
9. Рекурсивный обход и рендер дерева объектов документа.
|
||
10. SIMD-ускорение композиции пикселей в `compositeDrawerContext` (`@Vector`, пакетная обработка RGBA).
|
||
|
||
## 6. UML-диаграммы (PlantUML, русский язык)
|
||
|
||
### 6.1 Общий рабочий цикл ЛР4
|
||
|
||
`Report/lab4/uml/lr4-main-workflow.puml`
|
||
|
||
|
||
|
||
### 6.2 Композиция пиксельных областей и видимость
|
||
|
||
`Report/lab4/uml/pixel-composition-visibility.puml`
|
||
|
||
|
||
|
||
### 6.3 Решение видимости процедурных фигур и кадрирование
|
||
|
||
`Report/lab4/uml/procedural-visibility-clipping.puml`
|
||
|
||
|
||
|
||
### 6.4 Растеризация и вывод графического содержимого
|
||
|
||
`Report/lab4/uml/rasterization-and-output.puml`
|
||
|
||
|
||
|
||
### 6.5 Основной рабочий цикл приложения и UI
|
||
|
||
`Report/lab4/uml/application-ui-cycle.puml`
|
||
|
||
|
||
|
||
## 7. Вывод
|
||
|
||
В рамках ЛР4 проект `Zivro` оформлен как целостное программное решение, которое покрывает основные требования по организации данных, рендеру, кадрированию, композиции и пользовательскому взаимодействию.
|
||
|
||
Дополнительные задачи представлены в отчёте по принципу максимального покрытия: полностью реализованные пункты выделены явно, а частично реализованные обоснованы через действующие механизмы конвейера рендера и архитектурные заделы проекта.
|