В книге рассмотрены самые популярные алгоритмы сжатия и форматы хранения растровых изображений. Исходные тексты программ сопровождаются описанием особенностей цветовых моделей, популярным объяснением математических основ сжатия и демонстрацией эффективных способов программной реализации алгоритмов.
Учебник 2007 года посвящён описанию основных структур данных и алгоритмов, применяемых в символьных вычислениях на ЭВМ. В книге затрагивается широкий круг вопросов, связанных с вычислениями в кольцах целых чисел, многочленов и дифференциальных многочленов. Для студентов, аспирантов и преподавателей математических и компьютерных специальностей.
Лазерные диски – не слишком-то надежные носители информации. Даже при бережном обращении с ними вы не застрахованы от появления царапин и загрязнения поверхности (порой диск фрезерует непосредственно сам привод и вы бессильны этому противостоять). Но даже вполне нормальный на вид диск может содержать внутренние дефекты, приводящие к его полной или частичной нечитаемости на штатных приводах.
Особенно это актуально для CD-R/CD-RW дисков, качество изготовления которых все еще оставляет желать лучшего, а процесс записи сопряжен с появлением различного рода ошибок. Однако даже при наличии физических разрушений поверхности лазерный диск может вполне нормально читаться за счет огромной избыточности хранящихся на нем данных, но затем, по мере разрастания дефектов, корректирующей способности кодов Рида-Соломона неожиданно перестает хватать, и диск безо всяких видимых причин отказывается читаться, а то и вовсе не опознается приводом.
К счастью, в подавляющем большинстве случаев хранимую на диске информацию все еще можно спасти, и эта статья рассказывает как.
Общие рекомендации по восстановлению
Не всякий не читающийся (нестабильно читающийся) диск – дефектный. Зачастую в этом виновен отнюдь не сам диск, а операционная система или привод. Прежде чем делать какие-либо заключения, попробуйте прочесть диск на всех доступных вам приводах, установленных на компьютерах девственно-чистой операционной системой. Многие приводы, даже вполне фирменные и дорогие (например, мой PHILIPS CD-RW 2400), после непродолжительной эксплуатации становятся крайне капризными и раздражительными, отказывая в чтении тем дискам, которые все остальные приводы читают безо всяких проблем. А операционная система по мере обрастания свежим софтом склонна подхватывать различные глюки подчас проявляющиеся самым загадочным образом (в частности, привод TEAC, установленный в систему с драйвером CDR4_2K.SYS, доставшемся ему в наследство от PHILIPS'a, конфликтует с CD Player'ом, не соглашаясь отображать содержимое дисков с данными, если тот активен, после удаления же CDR4_2K.SYS все идет как по маслу).
Также не стоит забывать и о том, что корректирующая способность различных моделей приводов очень и очень неодинакова. Как пишет инженер-исследователь фирмы ЕПОС Павел Хлызов в своей статье "Проблема: неисправный CD-ROM": "…в зависимости от выбранной для конкретной модели CD-ROM стратегии коррекции ошибок и, соответственно, сложности процессора и устройства в целом, на практике тот или иной CD-ROM может либо исправлять одну-две мелкие ошибки в кадре информации (что соответствует дешевым моделям), либо в несколько этапов восстанавливать, с вероятностью 99,99%, серьезные и длинные разрушения информации. Как правило, такими корректорами ошибок оснащены дорогостоящие модели CD-ROM. Это и есть ответ на часто задаваемый вопрос: "Почему вот этот диск читается на машине товарища, а мой ПК его даже не видит?".
Вообще-то, не совсем понятно, что конкретно господином инженером-исследователем имелось ввиду: корректирующие коды C1, C2, Q- и P- уровней корректно восстанавливают все известные мне приводы, и их корректирующая способность равна: до двух 2 ошибок на каждый из C1 и C2 уровней и до 86- и 52-ошибок на Q- и P- уровни соответственно. Правда, количество обнаруживаемых, но уже математически неисправимых ошибок составляет до 4 ошибок на C1 и C2 уровней и до 172/104 ошибок на Q/P, но… гарантированно определяется лишь позиция сбойных байт во фрейме/секторе, а не их значение. Впрочем, зная позицию сбойных байт и имея в своем распоряжении исходный HF-сигнал (т. е. аналоговый сигнал, снятый непосредственно со считывающей головки), кое-какие крохи информации можно и вытянуть, по крайней мере теоретически… так что приведенная выше цитата в принципе может быть и верна, однако, по наблюдениям автора данной статьи, цена привода очень слабо коррелирует с его "читабельной" способностью. Так, относительно дешевые ASUS читают практически все, а дорогие PHILIPS'ы даже свои родные диски с драйверами опознают через раз.
Другая немаловажная характеристика – доступный диапазон скоростей чтения. В общем случае – чем ниже скорость вращения диска, тем мягче требования, предъявляемые к его качеству. Правда, зависимость эта не всегда линейна. Большинство приводов имеют одну или несколько наиболее предпочтительных скоростей вращения, на которых их читабельная способность максимальна. Например, на скорости 8x дефектный диск читается на ура, а на всех остальных скоростях (скажем, 2x, 4x, 16x, 32x) – не читается вообще. Предпочтительная скорость легко определяется экспериментально, необходимо лишь перебрать полный диапазон доступных скоростей.
При покупке CD-ROM'a выбирайте тот привод, у которого скоростной диапазон максимален. Например, уже упомянутый выше PHILIPS CDRW 2400 умеет работать лишь на: 16x, 24x, 38x и 42x. Отсутствие скоростей порядка 4x – 8x ограничивает "рацион" привода только высококачественными дисками.
По непонятным причинам, штатные средства операционной системы Windows не позволяют управлять скоростью диска и потому приходится прибегать к помощи сторонних утилит, на недостаток которых, впрочем, жаловаться не приходится. Вы можете использовать Slow CD, Ahead Nero Drive Speed и т. д. Вообще-то, большинство приводов самостоятельно снижают скорость, натолкнувшись на не читающиеся сектора, однако качество заложенных в них алгоритмов все еще оставляет желать лучшего, поэтому "ручное" управление скоростью дает значительно лучший результат.
Если же ни на одном из доступных вам приводов диск все равно не читается, можно попробовать отшлифовать его какой-нибудь полировальной пастой. Технике полирования оптических поверхностей (и лазерных дисков в частности) посвящено огромное количество статей, опубликованных как в печатных изданиях, так и в Интернете (особенно полезны в этом смысле астрономические книги по телескопостроению), поэтому здесь этот вопрос будет рассмотрен лишь кратко. Да, действительно, поцарапанный диск в большинстве случав можно отполировать, и если все сделать правильно, диск с высокой степенью вероятности возвратится из небытия, но… Во-первых, полировка восстанавливает лишь царапины нижней поверхности диска и бессильна противостоять разрушениям отражающего слоя. Во-вторых, устраняя одни царапины, вы неизбежно вносите другие - после иной полировки лазерному диску может очень сильно поплохеть. В-третьих, полировке дисков невозможно научиться за раз, – вам понадобиться уйма времени и куча "подопытных" дисков. Нет уж, благодарю покорно! Лучше мы пойдем другим путем!
А вот что вашему диску действительно не помешает – так это протирка обычными салфетками, пропитанными антистатиком (ищите их в компьютерных магазинах). Прежде чем вытирать диск, сдуйте все частицы пыли, осевшие на него (иначе вы его только больше поцарапаете) и ни в коем случае не двигайтесь концентрическими мазками! Вытирать поверхность диска следует радиальными движениями от центра к краям, заменяя салфетку на каждом проходе.
В данной статье рассмотрены принципы, помогающие компилятору Delphi генерировать более оптимальный с точки зрения скорости код. Если Вы не хотите вникать в подробности, в конце статьи есть «свод правил», которые рекомендуется соблюдать при написании программ.
Компилятор Delphi относится к разряду оптимизирующих. Но насколько качественно проводится оптимизация? Как «помочь» компилятору создать более быстрый код? Давайте разберемся с этим на экспериментах.
Оптимизация константных выражений
Пример 1:
С точки зрения оптимизации код можно упростить еще на этапе компиляции до
Но написанный выше листинг преобразуется в
С одной стороны компилятор не «сообразил», что значение переменной «a» можно преобразовать в константу и сложить с другой константой (которая, заметим, подставлена именно как константа) на этапе компиляции, с другой стороны был применен весьма хитрый трюк с LEA (об этом ниже). Тем не менее, код
в любом случае быстрее и короче.
Пример 2:
Скомпилированный код будет выглядеть
А ведь значение, присвоенной переменной «а» являлось константой и наш пример можно было бы переписать как:
Пример 3:
После компиляции получаем:
Т.е. компилятор преобразовал код так, как он был написан, а ведь можно было бы просто записать:
Оптимизация алгебраических выражений
Пример 4:
После компиляции эти переменные будут удалены, причем с предупреждением
Пример 5:
Код скомпилируется как есть! Таким образом мы обманули компилятор псевдо использованием переменных. Delphi не исправляет нашей «кривости», поэтому эта задача ложится исключительно на плечи программиста.
Пример 6:
Данный код можно оптимизировать до
И этого Delphi за нас не сделает.
Пример 7:
В данном примере первую строчку можно безболезненно удалить, что Delphi делать умеет.
Пример 8:
В данном случае можно избавится от одной операции умножения, присвоив значение выражения a*b временной переменной. Анализ ассемблерного листинга показывает, что компилятор именно так и поступает. Тем не менее, поменяв второе подвыражение на ((b*a)>0), компилятор принимает выражения за разные и генерирует умножение для обоих случаев, не смотря на то, что результат одинаков.
Оптимизация арифметических операций
Сложение и вычитание
Применение инструкции LEA вместо ADD позволяет производить сумму 3х операндов (двух переменных и одной константы) за один такт. Трюк заключается в том представление ближних указателей эквивалентно их фактическому значению, поэтому результат, возвращенный LEA равен сумме ее операндов. При возможности Delphi производит такую замену.
Деление
Операция деления требует гораздо больше тактов процессора, нежели умножение, поэтому замена деления на умножение может значительно ускорить работу. Существуют формулы, позволяющие выполнять такое преобразование. Тем не менее, Delphi не использует такую оптимизацию. Деление на степень двойки можно заменять сдвигом вправо на n бит, но даже в этом случае получаем следующий код:
Здесь учитывается особенность самой операции div – округление в большую сторону. Поэтому, если можно пренебрегать округлением, используйте c:=a shr 1 вместо с:=a div 2.
Умножение
Умножение на степень двойки можно заменять сдвигами битов. Delphi заменяет умножение сдвигами при умножении на 4,8,16 итд. При умножении на 2 производится суммированием переменной с собой.
Умножать на 3,5,6,7,8,10 и т. д. можно и без операции умножения – расписав выражение по формуле (a shl n)+a, где n – показатель степени двойки. Например, при умножении на 3 n=1. Delphi при возможности прибегает к этому трюку. Заметим, операнд LEA умеет умножать регистр на 2,4,8, что также при возможности используется компилятором. Например, умножение на 3 преобразуется в инструкцию
Оптимизация case of
Анализ скомпилированного кода показывает, что Delphi проводит утрамбовку дерева. Т.е. значения case сортируются и выбор нужного элемента производится при помощи двоичного поиска.
В случае, если элементы case of выстраиваются в арифметической прогрессии, компилятор формирует таблицу переходов. Т.е. создается массив указателей с индексами элементов, поэтому выбор нужно элемента выполняется за одну итерацию независимо от количества элементов.
Оптимизация циклов
Разворачивание циклов – не производится. Разворачивание циклов весьма спорный момент в оптимизации, поэтому принять грамотное решение может только человек. Delphi не производит разворачивания ни больших, ни маленьких циклов.
Слияние циклов – не производится. Если два цикла, следующие друг за другом имеют одинаковые границы итерационной переменной, разумно оба цикла объединить в один.
Вынесение инвариантного кода за пределы цикла – не выносится. Наиболее распространенный недочет – условие цикла записывается как:
Delphi будет при каждой итерации вызывать метод count, вычитать из результата 1 и потом уже сверять. Настоятельно рекомендуется переписывать подобный код как
Весь код VCL написан с нарушением этого правила. Очевидно, что проще подобного рода оптимизацию встроить в компилятор, нежели переписывать VCL :)
Замена циклов с предусловием на циклы с постусловием – производится. Циклы с постусловием имеют главное преимущество над другими видами циклов (с предусловием и с условием в середине) – они содержат всего одно ветвление. Delphi производит такую замену.
Замена инкремента на декремент – не производится. Более того, даже декрементный цикл компилируется в неоптимальный код, т.к. не используется флаг ZF. Вместо этого происходит сравнивание значения регистра с 0.
Удаление ветвлений – не производится.
Вывод:
1. Не используйте переменные для временного хранения констант или обязательно объявляйте «магические» числа как const, либо подставляйте в код непосредственные значения
2. Неиспользуемыми объявлениями и присвоениями можно безболезненно пренебрегать – Delphi умеет их вычищать.
3. Внимательно следите за использованием переменных, в частности лишним присвоениям их значений друг другу. Такого рода оптимизации Delphi делать не умеет.
4. Используйте свернутые математические выражения. (например, (3*a - a) /2 упрощается до a). Delphi не умеет упрощать математические выражения. (Да и что говорить, даже MathCAD не всегда грамотно умеет делать такие преобразования).
5. Не используйте конструкции типа a:=10*sin(45*pi/180); Delphi не вычислит эту константу на этапе компиляции, напротив, будет послушно вызывать sin и pi по ходу выполнения программы! В случае, если угол является переменной, по крайней мере pi можно заменить константой 3,1415...
6. Delphi прекрасно справляется с выражениями, полностью составленных из констант – они вычисляются на этапе компиляции.
7. Внимательно следите за условиями и их границами. Компилятор Delphi не умеет обнаруживать заведомо ложных условий. Также он не умеет удалять заведомо лишние условия. Например, (a>0) and (a<15616) and (a<>0)
8. Если в условии несколько раз проверяется одно и тоже выражение, следите, чтобы оно было выражено во всех конструкциях одинаково. В противном случае скомпилированный код будет не оптимален. Например, if ((a*b)>0) and ((a*b)<1024) then... При перестановке во втором случае b*a смысл выражения не изменится, но код будет иметь уже на одну операцию умножения, а две. Можно временно присвоить проверяемое выражение временной переменной, а затем уже проверять полученное значение.
9. Сообщение «Combining signed and unsigned types – widened both operands» сообщает не только о потенциальной ошибке – также вследствие преобразования мы теряем производительность. Например, z – объявлена как ineteger. условие if z>$abcd6123 then z:= $abcd6123; несмотря на его правильность вызовет данное предупреждение. Сгенерированный код будет, выполнять преобразования величин до 64-х бит, и дальнейшее уже сравнение 64-х битных операндов. Если изменить тип z на cardinal, мы избавимся от предупреждения и получим 3 строки кода, вместо 8 !
10. Delphi умеет оптимизировать сложение, умножение и частично деление. При делении на степень двойки, если не важно округление до большего, рекомендуется пользоваться shr 1 вместо div 2.
11. В case of при возможности используйте элементы, расположенные в арифметической прогрессии. Тем не менее, даже при невыполнении данного условия мы получим качественный код после утрамбовки дерева.
12. Выносите инвариантный код за тело цикла. Наиболее частая ошибка – for i:=1 to length(str) do... Дело в том, что при каждой итерации будет вызываться функция length, что пагубно скажется на производительности. Рекомендуется длину строки заранее присвоить переменной. Также не включайте в тело цикла код, заведомо не зависящий от изменения итерационной переменной.
Сравнивая Delphi с компиляторами Visual C++, WATCOM, Borland C++ (тестирование данных компиляторов приведено в [1]) приходим к выводу, что Delphi по своим оптимизирующим свойствам аналогичен Borland C++ (а кто сомневался? ;) ). Учитывая, что Borland C++ по итогам сравнения оказался последним, делаем несложный вывод. Весьма печален и тот факт, что большинство кода VCL написано с точки зрения «красоты» кода, а не его оптимальности с точки зрения скорости. Например, не соблюдается правило 12.
Анимированное кино существует и развивается уже сто лет. Оно стало считаться одним из видов искусства. Год от года неуклонно возрастет число анимационных проектов. Такие картины, как Final Fantasy, Shrek, Little Stuart, The Incredibles, Finding Nemo претендуют на престижную премию Оскара. Возможно наступит момент, когда актеров заменят их трехмерные двойники.
Трехмерные сцены становятся все реалистичными, а их себестоимость снижается. Без трехмерных декораций не обходится ни один современный экшн.
Как создается трехмерная анимация.
Анимированное кино существует и развивается уже сто лет. Оно стало считаться одним из видов искусства. Год от года неуклонно возрастет число анимационных проектов. Такие картины, как Final Fantasy, Shrek, Little Stuart, The Incredibles, Finding Nemo претендуют на престижную премию Оскара. Возможно наступит момент, когда актеров заменят их трехмерные двойники.
Трехмерные сцены становятся все реалистичными, а их себестоимость снижается. Без трехмерных декораций не обходится ни один современный экшн.
Трехмерная анимация постепенно вытесняет классическую двухмерную мультипликацию. Многие мультяшные герои или "уходят на пенсию" (с ними просто больше не делают новых мультфильмов), или обретают новую жизнь в 3D. Например, мультфильм с моряком Папаем, сделанный при помощи 3D-редактора Softimage|XSI.
В 2004-ом году известная анимационная студия Blur Studio представила первый анимационный трехмерный проект про Микки Мауса и других диснеевских героев.
Три мультфильма общей продолжительностью 40 минут стали самым крупным проектом за девятилетнюю историю Blur Studio.
Работа над проектом велась совместно 3D-аниматорами Blur и художниками Disney Studios, которые в свое время рисовали Дональда, Плуто и прочих персонажей. Для того чтобы максимально сохранить особенности движения и внешнего вида персонажей при переносе их в трехмерный мир, ведущий аниматор студии Disney Андреас Дежа (Andreas Deja) все время давал советы коллегам-3D-художникам. Результатом остались довольны все, и в Blur и в Studio надеются, что проект не будет последним.
Метод ключевых кадров.
Современная техника анимации кардинально отличается от анимационных фильмов выпускавшихся двадцать, пятьдесят лет назад.
А до появления трехмерной графики существовала так называемая кукольная анимация. Делалась она так: снимался один кадр с мультипликационным героем, затем, например, руку персонажа передвигали на очень небольшое расстояние и опять снимали один кадр. Вся работа состояла в том, чтобы снять на пленку все положения руки мультяшного героя. Что же касается рисованной анимации, каждый кадр рисовался вручную.
В компьютерной анимации все гораздо проще. Аниматор задает в программе только два положения руки - верхнее и нижнее, а все промежуточные положения просчитываются компьютером. Кадры, которые фиксируют начальное и конечное положение тела, называютсяключевыми.
Используя метод ключевых кадров, можно "оживить" практически любые параметры анимационной сцены. Продолжительность анимации зависит от количества промежуточных кадров между ключевыми.
Если математически отобразить зависимость анимированного параметра (или ключа анимации, как его еще называют) от времени, каждый ключевой кадр будет характеризоваться двумя кривыми, которые определяют функциональные зависимости анимированного параметра на промежутке между текущим ключевым кадром и предыдущим, а также настоящим ключевым кадром и следующим. Во многих редакторах для работы с трехмерной графиков подобной графической зависимостью можно управлять, определяя характер анимации.
Преимущество метода ключевых кадров перед классической техникой создания анимации очевидно: аниматор тратит на создание проекта гораздо меньше времени. Большая часть рутинной работы, которая ранее выполнялась вручную, сегодня переложена на компьютер.
Проблемы при создании анимации методом ключевых кадров.
Несмотря на универсальность и простоту техники ключевых кадров, существуют случаи, когда использование этого метода не позволяет добиться желаемого результата. Это касается тех сцен, в которых необходимо отобразить эффекты, подчиняющиеся законам физики.
В реальной жизни все, что нас окружает, постоянно изменяется - шторы слабо двигаются, по озеру бежит мелкая рябь и так далее. Аниматору очень трудно воссоздать такую картину методом ключевых кадров.
Если сцена содержит большое количество анимированных объектов, установить для каждого из них свой набор ключевых кадров очень сложно. Поскольку подбор параметров значений анимированных параметров в каждом из ключевых кадров производится методом проб и ошибок, на подгонку такой сцены уйдет очень много времени.
Кроме этого, при помощи ключевых кадров 3D-аниматору бывает очень сложно воссоздать реалистичную анимацию некоторых объектов: жидкости, материи, огня, волос, разбивающихся предметов. Алгоритм решения этих проблем настолько сложен, что его разработкой занимаются целые институты.
Каждая программа для создания динамики в трехмерных сценах по-своему уникальна, имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому при выборе программного обеспечения руководитель анимационного проекта обычно учитывает задачи, которые планируется выполнить на данном этапе.
Помимо проблем, связанных с моделированием физических процессов, существует еще одна трудность, связанная с анимированием большого количества объектов в сцене. Создать простую, на первый взгляд, сцену с горящим бенгальским огнем при помощи ключевых кадров невозможно. Вручную задать траекторию движения для каждой из огромного количества разлетающихся искр - задача практически невыполнимая. В этом случае в трехмерной анимации используются так называемые источники частиц. Их особенность в том, что они позволяют одновременно управлять большим количеством объектов. Значимость частиц в трехмерной графике столь велика, что некоторые 3D-редакторы имеют сложные системы управления источниками частиц, которые позволяют тонко настроить анимационные эффекты с учетом изменения скорости движения частиц, размера, цвета, формы, изменения положения в пространстве и т.д.
Персонажная анимация.
Создание персонажной анимации - это один из важнейших этапов создания трехмерного проекта.
Любую анимацию можно условно разделить на два типа: реалистичная и нереалистичная. Персонажная анимация может быть как реалистичной, так и нереалистичной, однако, зрителем она лучше воспринимается, если напоминает движения, совершаемые реальными существами. Даже если персонаж анимации - это вымышленное существо, плод воображения художника, лучше, чтобы его движения были правдоподобны. В противном случае персонаж будет выглядеть безжизненным манекеном.
Характер движения любого существа определяется анатомическим строением его скелета. Поэтому при создании трехмерной анимации сначала создается модель скелета существа, на который позже "одевается" оболочка.
"Одевание" оболочки - это тоже достаточно трудоемкий процесс, ведь нужно "привязать" кости к соответствующим частям тела таким образом, чтобы при изменении положения скелета оболочка деформировалась реалистично.
Создавать анимацию скелета будущего персонажа можно двумя способами: вручную, с помощью ключевых кадров, и используя систему захвата движения Motion Capture. Последний способ получил широкое распространение и используется практически по всех коммерческих анимационных проектах, так как имеет ряд преимуществ перед методом ключевых кадров.
Технология Motion Capture использовалась, например, в анимационном фильме - <Полярный экспресс> (The Polar Express). В этом фильме известный актер Том Хенкс, играл сразу несколько ролей: маленького мальчика, проводника поезда, бродягу и Санта Клауса. При этом, во многих анимационных сценах актер играл сам с собой. Конечно же, все герои мультфильма были трехмерными, но Том Хенкс управлял их действиями, жестами и даже мимикой. Актер одевал специальное одеяние с датчиками, напоминающее гидрокостюм, совершал действия перед специальным устройством, а компьютер получал информацию об изменении положения отметок на костюме и моделировал, таким образом, движения трехмерного персонажа. Подобные датчики были установлены и на лице актера, что позволило переносить на анимационных героев его мимику.
Понятно, что анимация персонажей, созданная с использованием технологии Motion Capture, более реалистична, чем полученная методом ключевых кадров.
Мимика персонажа.
Для создания мимики трехмерного персонажа, кроме метода Motion Capture, используется также метод морфинга. Все современные 3D-редакторы обычно имеют средства для создания морфинга.
Добиться высокой реалистичности при имитации мимики методом Motion Capture не всегда удается. Чтобы она была правдоподобной, необходимо имитировать движения огромного количества мускулов, а ведь на каждый мускул датчик повесить невозможно.
Поэтому для имитации мимики используется метод морфинга. Он заключается в том, что на основе модели, которая будет анимирована, создается определенное количество клонированных объектов. Затем каждый из этих объектов редактируется вручную - форма лица изменяется таким образом, чтобы на нем присутствовала та или иная гримаса. При создании мимики очень важно, чтобы лицо персонажа при анимации не выглядело однообразным. Для этого необходимо использовать модели-заготовки с самыми разными гримасами. Пусть на одной заготовке персонаж будет моргать, на другой - щуриться, на третьей - надувать щеки и т.д.
На основе этих моделей при помощи метода морфинга создается анимация. При этом, просчитывается, как изменяется лицо персонажа при переходе от выражения лица одной модели до гримасы, созданной на второй модели и т.д. Таким образом, каждая из моделей служит ключом анимации, в результате использования морфинга форма объекта изменяется, и создается мимика персонажа.
3D-аниматор, который профессионально занимается "оживлением" персонажей, должен быть не только художником, но и знатоком анатомии. Знания о строении тела и работе мускулов помогают создать реалистичные движения и выражения лица.
Если же персонаж не только ходит и кривляется, но еще и говорит, 3D-аниматор обязан превратиться еще и в лингвиста. Каждый звук, который произносит человек, сопровождается определенными движениями его губ, языка, челюсти. Для того чтобы перенести эти движения на трехмерную анимацию, нужно уметь разбивать речь на фонемы и создавать соответствующие их произношению движения на лице персонажа.
Виртуальные камеры.
Многие трехмерные анимационные эффекты создаются с помощью виртуальных камер. Эти вспомогательные объекты предназначены для того, чтобы изменять положение точки съемки в виртуальном пространстве.
Виртуальные камеры обладают всеми основными параметрами, которые присущи настоящим камерам. Так, например, для виртуальной камеры можно указать фокусное расстояние, установить свой тип линз и т.д.
Виртуальная камера, в отличие от настоящей, - это лишь вспомогательный объект, которого вы никогда не увидите на трехмерной анимации.
Трехмерная анимация заметно упрощает реализацию многих спецэффектов. Так, например, хорошо всем известный "эффект Матрицы", когда, камера медленно объезжает вокруг человека, замершего в прыжке, гораздо проще создать при помощи виртуальной камеры. Для реализации этого эффекта в фильме "Матрица" использовалось большое количество камер, расположенных вокруг объекта съемки. Все они зафиксировали положение человека в один и тот же момент времени. Из этих кадров была создана анимация, имитирующая "облет" вокруг объекта.
В трехмерной анимации законы физики не действуют, поэтому для создания такого эффекта достаточно зафиксировать в прыжке трехмерную модель человека и задать плавное движение виртуальной камеры вокруг него.
В реальном мире при съемке фото или видеокамерой быстро движущиеся объекты остаются на полученном изображении смазанными. Причем, размытие изображения в конкретном кадре указывает на направление движения заснятого объекта. Присутствие этого эффекта в трехмерной анимации делает ее более реалистичной.
Эффект смазанного движения (Motion Blur) позволяет создать в трехмерных анимированных сценах смазанный шлейф от быстродвижущихся объектов, и отобразить их такими, какими они выглядят при реальных съемках. Возможность использования эффекта смазанного движения имеется практически во всех модулях просчета изображения, которые используются в 3D-графике.
Сегодня 3D-анимация находится на ранней стадии своего развития но за ней большое будущее. Потребуется еще немало времени, пока в 3D будут созданы анимационные шедевры, которые можно будет сравнить с лучшими образцами классической анимации.
А пока все с удовольствием смотрят мультфильмы, выпущенные много лет назад. Такой например как мультфильм "Бемби", созданный студией Диснея шестьдесят три года назад и отреставрированный при помощи современных средств видеообработки.
Хочется надеяться, что такую же популярность, нерушимую временем, смогут снискать и трехмерные анимационные проекты будущего.
Жесткие диски (винчестеры), как электромеханические устройства, являются одним из самых ненадежных компонентов современного компьютера. Несмотря на то, что в большинстве случаев срок службы последних соизмерим, и даже превосходит время их эксплуатации до момента морального устаревания и замены более новыми моделями, все же отдельные экземпляры выходят из строя в течение первых месяцев эксплуатации. Выход жесткого диска из строя - самое худшее, что может случиться с вашим компьютером, так как при этом часто необратимо теряются накопленные на нем данные. Если резервная копия по какой-то причине отсутствует, то суммарный ущерб от поломки заметно превышает номинальную стоимость современных винчестеров.
Многие фирмы, пользуясь ситуацией, предлагают свои услуги по восстановлению информации с вышедшего из строя накопителя. Очевидно, это обходится недешево и целесообразно только тогда, когда на диске находилось что-то действительно ценное. В противном случае легче просто смириться с потерей.
Ремонт жестких дисков требует специального оборудования и практически невозможен в домашних условиях. Так, например, для вскрытия контейнера необходима особо чистая от пыли комната. Казалось бы, положение безнадежно и нечего даже помышлять о восстановлении поломанного диска в домашних условиях. Но, к счастью, не все поломки настолько серьезны, и во многих случаях можно обойтись для ремонта подручными (а иногда чисто программными) средствами.
Один из самых частых отказов винчестеров фирмы western digital (а также и некоторых других) выглядит следующим образом: жесткий диск не опознается bios, а головки при этом отчетливо стучат. Скорее всего, по какой-то причине не работает блок термокалибровки, и устройство не может обеспечить нужный зазор между головкой и рабочей поверхностью "блина". Обычно это происходит при отклонении от нормального температурного режима эксплуатации, например, в зимнее время, когда жесткие диски в плохо отапливаемых помещениях "выстывают" за ночь (при температуре 18...210С жесткий диск часто может исправно функционировать и с испорченным механизмом термокалибровки). Попробуйте дать поработать винчестеру в течение нескольких часов, чтобы он прогрелся, при этом рано или поздно винчестер попадает в необходимый диапазон температур и работоспособность (возможно, временно) восстанавливается. Разумеется, первым делом нужно скопировать всю информацию, поскольку работоспособность такого диска уже не гарантируется. То же можно рекомендовать и в отношении устаревших моделей без термокалибровки; часто они оказываются зависимыми от температурного режима, и с ростом износа винчестера эта зависимость проявляется все сильнее.
Вторым по распространенности отказом является выход из строя модуля диагностики при полной исправности остальных компонентов. Как это ни покажется парадоксальным, но полностью рабочий винчестер не проходит диагностику. При этом в регистре ошибок (порт ox1f1 для первого жесткого диска) могут содержаться значения, приведенные ниже:
Диагностические ошибки
Бит Содержимое Источник ошибки
7 0 Ошибка master диска
1 Ошибка slave диска
2-0 011 Ошибка секторного буфера
100 Ошибка контрогльной суммы, не устранимая избыточным кодированием
101 Ошибка микроконтроллера
Разные biosы могут различно реагировать на такую ситуацию, но все варианты сводятся к одному - жесткий диск не определяется и не "чувствуется". Однако на уровне портов ввода/вывода устройство функционирует отлично. Заметим, что существуют такие материнские платы (особенно среди новых моделей), которые, обнаружив ошибку микроконтроллера винчестера, просто отключают питание жесткого диска. Несложно написать для испорченного таким образом винчестера драйвер, который обеспечит работу с диском через высокоуровневый интерфейс int 0x13. Например, следующая процедура обеспечивает посекторное чтение и запись через порты ввода/вывода для первого жесткого диска в chs режиме.
lba mode для упрощения понимания не поддерживается. Необходимую техническую информацию обычно можно найти на сайте производителя вашего жесткого диска.
Этот фрагмент может служить вполне работоспособным ядром для драйвера 16-ти разрядного режима. Для упрощения понимания не включена задержка после каждого обращения к порту. В зависимости от соотношений скорости вашего процессора и контроллера диска эта задержка может и не потребоваться (в противном случае рекомендуется читать регистр статуса ox1f7, дожидаясь готовности контроллера). При этом не следует спешить с заменой такого жесткого диска на новый, с подобной неисправностью можно успешно работать не год и не два. Последнее, правда, лишь при условии, что все используемое программное обеспечение не будет конфликтовать с нестандартным драйвером. Писать драйвер, скорее всего, придется вам самому, поскольку не известно ни одной коммерческой разработки в этом направлении, а все любительские разработки выполнены в основном "под себя". Так, например, драйвер от kpnc hddfix3a поддерживает только винчестеры primary master до пятисот мегабайт и не работает в среде windows 95 (разработан на год раньше ее появления).
Более легкий, но не всегда осуществимый путь - запретить тестирование жестких дисков biosом или, по крайней мере, игнорировать результаты такового. Как это осуществить, можно прочесть в руководстве на материнскую плату (или обратиться за помощью к службе технической поддержки фирмы-производителя, поскольку в руководствах пользователя такие тонкости нередко опускают). Например, попробуйте установить "halt on" в "never" или перезаписать flach bios, модифицировав его так, чтобы тот не выполнял подобную проверку. Если Вам повезет, жесткий диск заработает! Однако иногда все же происходят и аппаратные отказы. Например, у винчестеров фирм samsung и conner отмечены случаи отказа модуля трансляции мультисекторного чтения/записи. Если это не будет обнаружено внутренним тестом устройства, то такой жесткий диск вызовет зависание операционной системы на стадии ее загрузки. Для предотвращения этого достаточно добавить в config.sys ключ multi-track=off и отключить аналогичные опции в blose. При этом, проиграв в скорости, все же можно заставить жесткий диск сносно работать. Понятно, что эксплуатировать восстановленный таким образом диск длительное время нерационально по причине потери быстродействия. Лучше приобрести новый, на который и скопировать всю информацию. С другой стороны, такой жесткий диск все же остается полностью рабочим и успешно может служить, например, в качестве резервного.
На том же connere эпизодически выходит из строя блок управления позиционированием головок, так что последние уже не могут удержаться на дорожке и при обращении к следующему сектору немного "уползают". При этом считывание на выходе дает ошибочную информацию, а запись необратимо затирает соседние сектора. Бороться с этим можно позиционированием головки перед каждой операцией записи/чтения, обрабатывая за один проход не более сектора. Понятно, что для этого необходимо вновь садиться за написание собственного драйвера. К счастью, он достаточно простой (можно использовать аппаратное прерывание от жесткого диска int 0x76 irq14, вставив в тело обработчика команду сброса контроллера. В данном случае подразумевается, что контроллер используемого жесткого диска проводит рекалибровку головки во время операции сброса. Некоторые модели этого не делают. В этом случае придется прибегнуть к операции позиционирования головки (функция ОхС дискового сервиса 0x13). Первые модели от вторых можно отличить временем, требуемым на сброс контроллера. Понятно, что электроника "сбрасывается" мгновенно, а позиционирование головки требует хоть и не большого, но все же заметного времени. Современные модели с поддержкой кэширования этого часто не делают или "откладывают" операции с головкой до первого к ней обращения. Разумеется, в этом случае кэширование придется выключить. Большинство bios позволяет это делать без труда, и нет нужды программировать контроллер самостоятельно. В другом случае вышедший из строя блок позиционирования (трансляции) подводит головки вовсе не к тому сектору, который запрашивался. Например, головки могли физически сместиться с оси, "уползая" в сторону. Разумеется, этот дефект можно скорректировать программно, достаточно проанализировать ситуацию и логику искажения трансляции. Многие модели позиционируют головку, используя разметку диска, что страхует от подобных поломок (к сожалению, сейчас от такого подхода большинство фирм отказались, выигрывая в скорости).
Конечно, все описанные программные подходы в действительности не устраняют неисправность, а только позволяют скопировать с казалось бы уже нерабочего винчестера ценные и еще не сохраненные данные. При этом ни к чему писать универсальный драйвер для win32 и защищенного режима. Вполне можно ограничиться dos-режимом. Для копирования файлов последнего должно оказаться вполне достаточно, конечно за исключением тех случаев, когда диск был отформатирован под ntsf или другую, не поддерживаемую ms-dos, систему. К счастью, для многих из них есть драйверы, которые позволяют "видеть" подобные разделы даже из "голой" ms-dos. В крайнем случае, можно ограничиться посекторным копированием на винчестер точно такой же топологии. При этом совершенно не имеет значения используемая файловая система и установленная операционная система.
Посекторно скопировать диск на винчестер с иной топологией трудно, но возможно. Дело в том, что многие современные контроллеры жестких дисков позволяют пользователю менять трансляцию произвольным образом. Для этого необходимо приобрести винчестер, поддерживающий lba-режим (а какой из современных жестких дисков его не поддерживает?). При этом он может быть даже большего объема, нежели исходный, но это никак не помешает копированию. Другой вопрос, что без переразбиения скопированный таким образом диск не "почувствует" дополнительных дорожек и следует запустить norton disk doctor, который устранит эту проблему.
Достаточно часто нарушается вычисление зон предком-пенсации. Дело в том, что плотность записи на разных цилиндрах не одинакова, так как линейная скорость растет от центра диска к периферии. Разумеется, гораздо легче постепенно уплотнять записи, нежели искать некий усредненный компромисс. На всех существующих моделях плотность записи изменяется скачкообразно и на последних моделях программно доступна через соответствующие регистры контроллера. При этом значения, выставленные в bios, практически любой жесткий диск (с интерфейсом ide) просто игнорирует. Предыдущие модели не имели с этим проблем, и только винчестеры, выпущенные в течение последних двух лет, склонны к подобным поломкам. Скорее, даже не к поломкам, а к сбоям, в результате которых искажается хранимая где-то в недрах жесткого диска информация. Если контроллер позволяет ее программно корректировать, то считайте, что ваш жесткий диск спасен. Конечно, придется пройти сквозь мучительные попытки угадать оригинальные значения, однако это можно делать и автоматическим перебором до тех пор, пока винчестер не начнет без ошибок читать очередную зону. Помните, что любая запись на диск способна нарушить низкоуровневую разметку винчестера, после чего последний восстановлению не подлежит и его останется только выкинуть. Производите только чтение секторов!
Если же контроллер не позволяет программно управлять предкомпенсацией, то еще не все потеряно. Попробуйте перед каждым обращением делать сброс контроллера, а точнее, его рекалибровку (команда ixh). В некоторых случаях это срабатывает, поскольку с целью оптимизации скорости обмена предкомпенсацией обычно управляет не один блок. И, кроме того, иногда контроллер кэша не учитывает предкомпенсацию, а его сброс реализует последнюю аппаратно. К сожалению, это по большей части догадки и результаты экспериментов автора, так как техническая документация фирм-производителей по этому поводу не отличается полнотой, а местами содержит противоречия. Можно испытать и другой способ - попробовать перезаписать микрокод контроллера (команда 92h). Конечно, это доступно только для специалистов очень высокого класса, но ведь доступно! Заметим, что не все контроллеры поддерживают такую операцию. С другой стороны, это и хорошо, так как уменьшает вероятность сбоя и не дает некорректно работающим программам (вирусам в том числе) испортить дорогое устройство. Жесткие диски от samsung обладают еще одной неприятной особенностью - часто при подключении шлейфа "на лету", при включенном питании, они перестают работать. Внешне это выглядит так: индикатор обращения к диску постоянно горит, но диск даже не определяется biosom, или определяется, но все равно не работает. Близкое рассмотрение показывает, что на шине пропадает сигнал готовности устройства. В остальном контроллер остается неповрежденным. Разумеется, если не обращать внимание на отсутствие сигнала готовности, то с устройством можно общаться, делая вручную необходимые задержки (поскольку физическую готовность устройства уже узнать не представляется возможным, приходится делать задержки с изрядным запасом времени). При этом, к сожалению, придется отказаться от dma-mode (а уж тем более ultra-dma) и ограничиться pio 1 (с небольшим риском - pio 2) режимом. Конечно, писать соответствующий драйвер вам придется опять самостоятельно. Разумеется, скорость обмена в режиме pio 1 по сегодняшним меркам совершенно неудовлетворительна и не годится ни для чего другого, кроме как копирования информации со старого на новый винчестер, но некоторые "нечистоплотные" продавцы компьютерной техники как-то ухитряются устанавливать подобные экземпляры на продаваемые машины. Будьте осторожны! Учитывая, что написание подобных драйверов для win32 - трудоемкое занятие, большинство ограничивается поддержкой одной лишь ms-dos, и вовсе не факт, что компьютер, демонстрирующий загрузку win95, содержит исправный, а не реанимированный подобным образом жесткий диск.
У жестких дисков фирмы samsung при подключении "налету" может появляться другой неприятный дефект - при запросах на чтение контроллер периодически "повисает" и не завершает операцию. В результате "замирает" вся операционная система (впрочем, windows nt с этим справляется, но, вероятно, не всегда). На первый взгляд может показаться, что с этого винчестера несложно скопировать ценные файлы, но при попытке выполнить это выясняется, что диск "зависает" все чаще и чаще и копирование растягивается до бесконечности. Однако если выполнить сброс контроллера, то можно будет повторить операцию. Это можно сделать аппарат -но, подпаяв одну кнопку на линию сброса и статуса. Последнее нужно для указания на ошибочную ситуацию, чтобы операционная система повторила незавершенную операцию. Если этого не сделать, то часть секторов не будет реально прочитана (записана). Или можно выполнять сброс автоматически, например, по таймеру. Чтобы не сталкиваться с подобной ситуацией, никогда не следует подсоединять/отсоединять винчестер при включенном питании. Очень часто это приводит к подобным ошибкам, хотя производители других фирм, по-видимому, как-то от этого все же защищаются, ибо аналогичной ситуации у них практически не встречается. Все же не стоит искушать судьбу... От аппаратных ошибок теперь перейдем к дефектам поверхности. Заметим сразу, что последнее встречается гораздо чаще и проявляется намного коварнее. Обычно это ситуация, в которой мало что можно предпринять. Но достичь главной цели - спасти как можно больше уцелевших данных - довольно часто удается. Возьмем такую типичную ситуацию как ошибка чтения сектора. Маловероятно, чтобы сектор был разрушен целиком. Чаще всего "сыплется" только какая-то его часть, а все остальные данные остаются неискаженными. Существуют контроллеры двух типов. Первые, обнаружив расхождение контрольной суммы считанного сектора, все же оставляют прочитанные данные в буфере и позволяют их извлечь оттуда, проигнорировав ошибку чтения. Вторые либо очищают буфер, либо просто не сбрасывают внутренний кэш, в результате чего все равно прочитать буфер невозможно. На практике обычно встречаются последние. При этом сброс кэша можно инициировать серией запросов без считывания полученных данных. Кэш при этом переполняется, и наиболее старые данные будут вытолкнуты в буфер. Остается их только прочесть. Конечно,-это крайне медленно, но, к сожалению, универсальной команды сброса кэша не существует. Разные разработчики реализуют это по-своему (впрочем, иногда это можно найти в документации на чипы, используемые в контроллере). western digital сообщает в техническом руководстве что при длинном чтении сектора без повтора контроль сектора не выполняется и он будет-таки целиком помещен в буфер. Кстати, так и должно быть по стандарту. Увы, остальные фирмы от него часто отклоняются по разным соображениям. Остается определить, какие же из прочитанных данных достоверные, а какие нет (если этого не видно "визуально" - например, в случае текстового или графического файлов)? Разумеется, в подобных рамках задача кажется неразрешимой, но это не совсем так. Дело в том, что можно произвести не только короткое, но и длинное чтение (ox22h req ploin long with retry), для чего можно использовать следующую процедуру. При этом кроме собственно данных читаются также и корректирующие коды. Автоматическая коррекция не выполняется (хотя некоторые контроллеры это реализуют аппаратно и не могут отключить автокоррекцию; в документации этот момент, кстати, не уточняется). Как правило, используются корректирующие коды Рида-Соломона, хотя последнее не обязательно. Математические законы позволяют не только определить место возникновения сбоя, но и даже восстановить несколько бит. При больших разрушениях можно определить только место сбоя, но достоверно восстановить информацию не удается.
Модуляция при записи такова, что все биты, стоящие справа от сбойного, уже не достоверны. Точнее, не все, а только в пределах одного пакета. Обычно за один раз записывается от 3 до 9 бит (необходимо уточнить у конкретного производителя) и содержимое остальных пакетов, как правило, остается достоверным. Самое интересное, что зачастую сбойный пакет можно восстановить методом перебора! При этом можно даже рассчитать, сколько вариантов должно получиться. Учитывая хорошую степень "рассеяния" корректирующих кодов можно сказать, что не очень много. И таким образом можно восстановить казалось бы безнадежно испорченные сектора, а вместе с ними и файлы, расположенные "поверх" последних.
Выше были перечислены наиболее типичные случаи отказов жестких дисков, которые поддавались чисто программному восстановлению если уж не винчестера, то хотя бы хранимых на нем данных. Разумеется, что иногда жесткий диск выходит из строя полностью (например, при неправильно подключенном питании, скачках напряжения) от вибрации или ударов, а то и просто из-за откровенного заводского брака. Есть один старый проверенный способ - найти жесткий диск такой же точно модели и заменить электронную плату. К сожалению, последнее из-за ряда конструктивных особенностей все реже и реже бывает возможно, а уж дефекты поверхности этот способ и вовсе бессилен вылечить. Поэтому, берегите свой жесткий диск и почаще проводите резервное копирование. Помните, что самое дорогое это не компьютер, а хранимая на нем информация!
В этом разделе речь пойдет о растеризации двумерных графических примитивов, таких как отрезки, окружности, эллипсы. Мы попробуем разобраться, в чем отличие идеальных математических объектов от реальных отрезков и окружностей, рисуемых на экране.
При этом рассматриваются реальные задачи отрисовки графики, поэтому предложенные алгоритмы должны работать с приемлемой скоростью и использовать различные оптимизации.
Далее, на базе рассмотренных методов, будут построенны алгоритмы заливки фигур.
Связность
Идеальная математическая линия представляет собой бесконечное количество точек, удовлетворяющих определенному уравнению, или задана другим образом. Реальный экран это всегда конечное количество точек. Изображение представляет из себя прямоугольную сетку, узлы которой имеет целочисленные координаты. Появляется законный вопрос: как определить связность линии на экране?
Традиционно вводятся два понятия связности.
4-связность: пикселы p1(x1, y1) и p2(x2, y2) называются соседними, если либо разность их координат по оси x, либо разность их координат по оси y равна 1 (либо исключающее):
|x2 – x1| + |y2 – y1| <= 1
8-связность: пикселы p1(x1, y1) и p2(x2, y2) называются соседними, если разность их координат по оси x и разность их координат по оси y не больше 1:
|x2 – x1| <= 1, |y2 – y1| <= 1
8-связность(рис 1.) и 4-связность (рис 2.)
Линией на растровой сетке будем считать последовательность пикселов {P1, …, Pn}, таких, что любые два пиксела Pi, Pi+1 являются соседними в смысле заданной связности.
Прим. Отметим, что любая четырехсвязная линия одновременно является восьмисвязной, но не наоборот. Таким образом 4-связность является более сильным понятием.
Отсечение
Понятие связности, введенное выше, позволяет обойти требование на целочисленность координат всех точек. С помощью этого понятия можно судить о связности дискретной линии. Другая проблема состоит в том, что область вывода всегда имеет ограниченные размеры. Область формы, на которую делался вывод в предыдущих разделах, имеет форму прямоугольника. Таким образом появляется задача отсечения выводимых геометрических примитивов по границе некоторой области. Алгоритмы отчесения будут рассмотрены ниже.
Переход к оконным координатам
В предыдущем разделе не акцентировалось внимание, где именно стоит перейти из логических координат в оконные. Дискретность сетки, на которую выводится изображение, имеет определенные преимущества. А именно, за счет целочисленности коорднат пикселей можно создать алгоритмы, которые будут также работать только с целыми числами. Более того, во многих случаях основной цикл из числа арифметических операций содержит только сложения!
Становится ясно, что переход к оконным коодинатам нужно осуществить до начала работы основного алгоритма. В общем случае схема работы будет выглядеть следующим образом:
Это то, что касается базовых понятий. В последующих статьях будут рассмотрены математические основы задания графических примитивов и алгоритмы их построения (растеризации).
Поиск
