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23.11.1984 - 

So läßt sich die Hardware besser nutzen:

"Geräte-intelligente" Software reduziert Rechenzeit und Kosten

Mit immer mehr Funktionen statten die Hardwarehersteller ihre Geräte aus, so daß die Peripherie heute deutlich mehr "Intelligenz" besitzt als früher. Viele Arbeiten lassen sich letzt lokal ausführen und belasten nicht den Zentralrechner. Vorteil: Kürzere Antwortzeiten.

Wodurch unterscheiden sich grafische von anderen Peripheriegeräten? Der elementarste Unterschied liegt in den Funktionen Move und Draw, die ein Grafikgerät ausführen kann. Mit diesen Anweisungen zieht es von einem beliebigen Punkt auf der Zeichenfläche zu einem anderen beliebigen Punkt eine Linie.

Unsichtbare Linie

Jede Linie oder jeder Vektor beginnt am Endpunkt der vorhergehenden Linie. Dadurch lassen sich Linien leicht durchziehen und verbinden. Wenn eine sichtbare Linie nicht am Endpunkt der vorigen Linie beginnen soll, muß das Gerät an den neuen Anfangspunkt gehen. Dies wird durch das Ziehen einer unsichtbaren Linie erreicht. Das Grafikgerät kann mit zwei Anweisungen Linien zeichnen: Zunächst wird der Endpunkt festgelegt (ein x-y-Wert im Koordinatensystem des Gerätes), dann erhält das Gerät den Befehl Move oder Draw zum Ziehen einer Linie, dabei wird mit Draw eine sichtbare Linie, mit Move eine unsichtbare Linie gezogen.

Bei Vektorgeräten - zum Beispiel Speicherröhrenterminals oder Stiftplottern - ist dieses Prinzip der Linienerstellung leicht zu verstehen. Die meisten Rastergeräte arbeiten ebenfalls mit den Befehlen Move und Draw. Allerdings werden bei den Rastergeräten die Vektoren zuerst in Punkte um angezeigt.

Einen Punkt der Rasteranzeige bezeichnet man als Bildelement, Bildpunkt oder Pixel. Die Leuchtstärke der einzelnen Elemente auf dem Bildschirm wird so eingestellt, daß in angenäherter Form eine Linie (oder Linien) erscheint. Das sich ergebende Bild wird auf dem Bildschirm in einer Rasterfolge abgetastet, zum Beispiel in einer Reihe von Abtastzeilen die untereinander gleichen Abstand haben und aus einzelnen Pixeln aufgebaut sind.

Einige Geräte können die Linienbreite selbst einstellen. Die Strichstärke wird in Inches oder in einer gerätespezifischen Maßeinheit angegeben. Die Strichstärke ist einer der Parameter, in denen sich Ausgabegeräte unterscheiden. Verfügt das Gerät nicht über unterschiedliche Strichstärken, ersetzt die Software diese Funktion, indem sie mehrere Linien nebeneinander zeichnet.

Viele Hersteller von Grafiksoftware nehmen für sich in Anspruch, geräteunabhängig zu sein. Geräteunabhängigkeit der Software stellt heute nicht mehr eine zusätzliche, luxuriöse Wahlmöglichkeit dar, die der Hersteller dem Anwender bietet, sondern es ist eine Notwendigkeit um in diesem Geschäft zu bestehen.

Aufgaben abgeben

Nutzt die Grafiksoftware die Leistungsmerkmale der lokalen Ausgabegeräte aus, dann handelt es sich um sogenannte "geräteintelligente" Software. Sie gibt soviele Aufgaben an die Ausgabegeräte ab, wie es die Funktionen dieser Geräte zulassen. Andererseits muß die Software diese Funktionen aber auch selbständig abdecken können, wenn die Peripherie dazu nicht in der Lage ist. Geräteintelligente Software reduziert die Nachfrage nach Computer- und Übertragungsleistung und verringert so Rechenzeit und Kosten.

Die folgenden Abschnitte enthalten eine kurze Übersicht über verschiedene Hardwaremerkmale, die bei der Grafikerstellung benutzt werden. Sie sollen ein allgemeines Verständnis dafür geben, wie die Kommunikation zwischen der Software und den Ausgabegeräten abläuft.

1. Zeichenvorrat der Ausgabegeräte

Die unterschiedlichen Schriftarten der Grafiksoftware wurden speziell für diese Aufgabe entwickelt und gestaltet. Sie werden durch individuelle Liniensegmente dargestellt. Die Software erstellt auf den Ausgabegeräten ein Zeichen, indem sie die jeweiligen Befehle zum Linienziehen gibt und die Start- und Endpunkte festlegt.

Die Möglichkeiten der Ausgabegeräte selbst zu nutzen, ist eine weitere Möglichkeit zur Zeichenerstellung. "Zeichenvorrat der Ausgabegeräte (Hardware Characters)" heißen die Zeichen, die auf dem Ausgabegerät selbst und nicht durch die Software erstellt werden. Die Software gibt in diesem Fall an das Ausgabegerät nur noch den Befehl, welches Zeichen zu erstellen ist und wohin es geschrieben werden soll. Die Zeichen selbst sind fest im Ausgabegerät codiert, entweder als eine Sammlung von Liniensegmenten (Vektorgeräte) oder als eine Reihe von Punkten (Rastergeräte). Der verfügbare Zeichenvorrat an Alphabeten, Schriftarten, Schriftgrößen und Ausrichtungen hängt vom jeweiligen Gerät ab.

Als Beispiel dient die Arbeitsweise eines Rastergerätes. Jedes Zeichen wird aus Punkten zusammengesetzt die in einer Matrix definiert sind. Matrizen werden in einem speziellen Zeichenspeicher "abgelegt". Dabei wird jedem Zeichen ein eigener Zahlencode zugeordnet. Soll ein Zeichen auf dem Bildschirm erscheinen, muß es erst in seinen Zahlencode umgewandelt werden. Durch die Codenummer findet das Gerät im Speicher das gewünschte Zeichen und ruft die Zeichenbeschreibung auf. Jeder Punkt des Zeichens entspricht dann einem Pixel auf dem Bildschirm.

Damit eine Anzahl von Zeichen in einer Zeile und mehrere Zeilen auf dem Bildschirm erscheinen können umfaßt die gesamte Pixelmenge auf dem Bildschirm ein Mehrfaches der Pixel, die zur Darstellung eines Zeichens benötigt werden. Werden die Zeichen mit einer 9x 15 Punktmatrix dargestellt (das heißt 9 Punkte in der Breite und 15 Punkte in der Höhe), und handelt es sich um ein gängiges Terminal mit 24 Zeilen á 80 Zeichen, so enthält die Bildschirmanzeige in der Breite 720 Pixel (= 9 x 80) und in der Höhe 360 Pixel (= 15x24).

Zur einfachen Zeichenpositionierung auf dem Bildschirm vergeben viele Gerate ausschließlich feste Zeichenpositionen. Wenn wir beim obigen Beispiel bleiben, wird klar, daß ein Zeichen 15 Abtastzeilen unter einem anderen Zeichen stehen muß, wenn sie untereinander positioniert werden sollen; denn die Zeichenhöhe beträgt 15 Bildpunkte. Ebenso stehen Zeichen in einem festen Abstand nebeneinander. Sie beginnen jeweils in festen 9-Punkt-Intervallen. Man kann sich das verdeutlichen, wenn man sich vorstellt, daß über den Bildschirm ein Netz mit 80 Spalten und 24 Zeilen gelegt ist. Jedes Feld dieses Netzes bestimmt eine feste Bildschirmposition. Das Rastergerät kann nur in diese Felder ein Zeichen positionieren. Über die Möglichkeit, Zeichen an jede beliebige Stelle zu setzen, verfügen nur wenige Rastergeräte.

Abstand variiert stark

Als leicht verständliches Beispiel kann die Schreibmaschine dienen. Auch dort ist es nicht möglich, die Buchstaben an jeder beliebigen Stelle zu plazieren, wenn man das Papier nicht verschiebt oder die Schreibposition mit der Hand verändert. Denn der Wagen wird immer um eine feste Wegstrecke verschoben. Und zwar vertikal mit der Rücklauftaste und horizontal mit der Leertaste.

Der Abstand zwischen den Zeichen kann bei den unterschiedlichen Peripheriegeräten recht stark variieren. Den Zeichenabstand kann man sich am leichtesten vorstellen, wenn man jedes einzelne Zeichen zum Beispiel mit einem imaginären Rechteck umgibt. Bei den oben beschriebenen Bildschirmen und anderen Ausgabegeräten mit festen Abständen, wären diese Rechtecke immer gleich groß, unabhängig wie breit das jeweilige Zeichen ist.

Mikrofilm-Aufzeichnungsgeräte und Fotosatzgeräte sind in der Lage, mit gleichmäßigem Abstand in druckreifer Qualität Zeichen zu positionieren. In diesem Fall würden die Rechtecke, je nach Breite des Zeichens, variieren. Als dritte Möglichkeit gibt es die variable Abstandsgestaltung. Hier hängt der Abstand zwischen zwei Zeichen von den Zeichen selbst ab, die nebeneinander stehen. Die meisten Fotomaschinen haben für jedes Zeichenpaar einen festen Abstand bestimmt.

Überschneidung ist ein Sonderfall des variablen Abstandes. Dabei überlappen sich die imaginären Rechtecke und die Zeichen rücken so dicht wie möglich aneinander. Die Überschneidung wird bei künstlerisch gestalteten Grafiken oft verwendet.

Durch die Verwendung des Zeichenvorrates der Hardware wird das Erstellen von Zeichnungen beschleunigt. Denn wenn der Zentralrechner weniger Zeit zum Rechnen und zum Übertragen benötigt, nimmt es weniger Zeit in Anspruch, einen Ausdruck zu erstellen. Die mit dem Hardwarezeichenvorrat erstellten Zeichen sind qualitativ meist schlecht. Daher empfiehlt sich ihre Verwendung nur zur Überprüfung der Ausgaben oder zur Gestaltung der Entwürfe.

Die Erstellung der Zeichen mit der Software bietet flexiblere Gestaltungsmöglichkeiten, wenn Zeichenhöhe, Winkel oder Lage verändert werden müssen. Man kann die Zeichen schräg stellen oder auseinanderziehen, eng zusammen oder weit auseinander setzen. Man kann mit verschiedenen Mustern schraffieren, mit verschiedenen Farben begrenzen und fett oder normal schreiben.

Neuere Geräte erlauben einen Kompromiß: Sie ermöglichen es, die mit der Software im Zentralrechner erzeugten Zeichensätze in das Ausgabegerät zu laden. Obwohl der Benutzer nur eine begrenzte Anzahl an Zeichen auswählen kann, besteht so die Möglichkeit, die Qualität mit Software erstellter Zeichen mit der Zeichengeschwindigkeit des Hardware-Zeichenvorrates zu verbinden.

2. Ausfüllen von Polygonen

Fortschrittliche Rastergeräte sind in der Lage, beliebige Polygonflächen selbständig zu schraffieren oder auszufüllen, wenn die Fläche vorher innerhalb des Bildes festgelegt worden ist. Ein Polygon ist eine geometrische Figur mit mehreren Seiten. Mehrere gerade Linien bilden die Umgrenzung. Für den Computer setzen sich die Grenzlinien aus einer sequentiellen Liste von Endpunkten zusammen, wobei die Endpunkte durch die Angabe der Bildschirmkoordinaten festgelegt werden. Die Liste der Endpunkte wird zusammen mit dem Befehl, die definierte Fläche zu schraffieren, an das Ausgabegerät übertragen.

Wieviele Koordinatenwerte an ein Peripheriegerät übertragen werden können, ist geräteabhängig. Bei einigen Geräten kann man sogar unter verschiedenen Mustern wählen, wenn man eine Fläche schraffieren will. Das Terminal Hewlett-Packard 2700 kann nicht nur eine Fläche auf dem Bildschirm schraffieren, es kann mit denselben Befehlen auch einen angeschlossenen Plotter steuern und eine Fläche in Farbe sauber schraffieren.

Verschiedene Algorithmen können zum Ausfüllen eines Polygons verwendet werden. Am häufigsten wird der Algorithmus "Fill until" eingesetzt, der sehr zuverlässig arbeitet. Neben den Angaben für die Begrenzungslinien des Polygons (der sequentiellen Liste der Endpunkte) wird auch der Koordinatenwert für einen beliebigen Punkt im Innern an das Ausgabegerät übertragen. Das Gerät zeichnet nun zunächst den Umriß. Dann setzt es an dem festgelegten Innenpunkt an und füllt die Fläche des Polygons nach außen so lange aus, bis die Begrenzung erreicht ist. Dabei wird die Grenzlinie farblich abgesetzt.

Ein weiterer Algorithmus "Fill while" arbeitet nicht ganz so zuverlässig. Er schraffiert nur solange bis irgendeine Grenze erreicht wird, egal ob das Polygon vollständig ausgefüllt ist oder nicht. Geht daher eine Kurve durch das Polygon oder ist eine andere vorher definierte Fläche im Polygon eingeschlossen, bricht er die Schraffur ab, bevor er die gewünschte Begrenzung erreicht hat.

Technisch höher entwickelte Geräte können den Hintergrund des Bildschirms automatisch mit einer Farbe ausfüllen, die der Benutzer frei bestimmt. Sie benötigen dafür keinen der genannten Algorithmen für Polygon-Ausfüllung. Der Benutzer kann nicht nur einen unbeschriebenen Bildschirm mit einer Hintergrundfarbe überziehen, sondern er kann auch die Hintergrundfarbe eines Bildes dynamisch verändern, ohne, daß sich Auswirkungen auf das eigentliche Bild ergeben.

Die Algorithmen zum Ausfüllen der Polygone können genausogut zum Löschen von Flächen eingesetzt werden. Denn die Leucht-Intensität jedes Pixels ist steuerbar. So kann ein bestimmter Bereich durch Ein- oder Ausschalten der Leuchtstärke schraffiert oder gelöscht werden.

Diese Hardwaremöglichkeiten schraffieren eine Fläche wesentlich schneller als es mit Softwareanweisungen möglich ist. Denn die Software muß eine Menge dicht aneinander liegender Linien ziehen um eine Fläche zu schraffieren. Für jede Linie innerhalb des Polygons muß sie die Endpunkte berechnen und ans Ausgabegerät übertragen. Wird die Fläche mit Softwareanweisungen ausgefüllt, erhöht sich in jedem Fall die Rechnerzeit beträchtlich und die Zeichengeschwindigkeit wird dadurch herabgesetzt.

Segmentierung gehört zu den wichtigen Standards, die für Grafiksoftware und grafische Peripheriegeräte festgelegt sind. Voll dynamische Computergrafik bietet dem Benutzer die Möglichkeit, einen ausgewählten Teil des angezeigten Bildes zu verändern, wobei trotz der Veränderung des Bildausschnittes der Rest des Bildes unverändert bestehen bleibt. Diese Möglichkeit wird häufiger bei CAD (Computerunterstütztes Erstellen von Konstruktionszeichnungen) als beim Umsetzen von Daten in Präsentationsgrafik benötigt. Der Begriff "Segment" bezeichnet den oder die Teile (Bildausschnitte) des Gesamtbildes, die zu ändern sind.

Ein Bild kann sich aus einzelnen Segmenten zusammensetzen. Ein Segment setzt sich wieder aus elementaren Grafikfiguren zusammen, wie Linien, Polygone, Zeichen und anderes. In jedem Segment ist ein Teil des Gesamtbildes gespeichert. Abhängig von den Fähigkeiten der Hardware können die Segmente dynamisch gelöscht, versetzt, gedreht, skaliert oder besonders (durch Änderungen der Farbe oder der Leuchtstärke) hervorgehoben werden.

Ein Segment setzt sich aus grafischen Elementen zusammen, die der Benutzer als eine Einheit zu verändern wünscht. Das Segment ist nicht auf einen bestimmten Teil des Bildes oder des gesamten Bildschirms beschränkt. Die Hardware speichert die verschiedenen Segmente, die in den Anwendungsprogrammen definiert sind. Die Hardware vergibt für jedes Segment einen logischen Namen oder eine Identifikationsnummer und teilt diese den Programmen mit. In der Hardware selbst sind verschiedene Funktionen festgelegt, mit denen die Segmente vom Programm aus manipuliert werden können.

4. Steuerung der Ausgabegeräte

Die Peripheriegeräte enthalten Steuerungsfunktionen, die nicht das Zeichen selbst betreffen, sondern dem Zeichenablauf dienen. Peripheriegeräte und Zentralrechner stehen während der Datenübertragung miteinander in Verbindung, entweder durch "Handshaking" oder durch Datenübertragungsbefehle. Zum Beispiel teilt der Computer dem Ausgabegerät mit, daß er Daten an diese Station übertragen will. Wenn die Ausgabeeinheit angestoßen ist, antwortet sie, daß sie zum Empfang bereit ist. Oder sie antwortet: Der Zentralrechner solle momentan keine Daten übertragen, weil im Pufferspeicher kein Platz ist. Die Übertragungsprotokolle müssen der Software im Hauptrechner bekannt sein, um korrekt antworten zu können.

Die Ausgabegeräte arbeiten in der Regel online, das heißt sie sind direkt an den Zentralrechner angeschlossen. Es gibt aber auch Geräte, die übertragene Daten speichern können und später offline (ohne Verbindung zum Zentralrechner) die Zeichnung anfertigen. Geräte mit lokalen Massenspeichern wie Disketten können eine Zeichnung abspeichern und später wieder aufrufen. Sie laden sie dann wieder ins Gerät zurück und verarbeiten sie weiter oder erstellen eine Zeichnung.

Ohne Umstellung

Einige Peripheriegeräte können andere emulieren. Wenn neue Geräte die Möglichkeit haben, ältere zu emulieren, kann das die Arbeit erleichtern. Es läßt sich dann ohne Umstellung die Anwendung übernehmen, die für ältere Geräte erstellt wurden. Um jedoch die Fähigkeiten eines Gerätes voll auszunutzen, muß man mit dem gerätespezifischen Befehlsvorrat arbeiten. Das führt auch zu den besten Ergebnissen. (Bei der Emulation erhält das Bild oft eine schlechte Qualität, wenn die Adreßräume der beiden Geräte verschieden sind.) Der Wechsel des Gerätes von einer Betriebsart in die andere erfolgt mit einer einfachen Steuersequenz.

Die Geschwindigkeit der Zeichenstifte ist bei den Plottern unterschiedlich. Sie kann automatisch gesteuert werden. Bewegen sich die Stifte langsam, treten weniger Tintensprünge und Verschmierungen auf. Mit Spezialstiften oder Spezialpapier werden höhere Geschwindigkeiten möglich. Einige neue Stiftplotter schreiben mit kontinuierlichem Tintenfluß.

Intelligenz nutzen

Gute Steuerung des Plotters ermöglicht es, wesentlich produktiver zu arbeiten. Wenn ein Plotter mit Endlospapierzuführung von mehreren Benutzern angesprochen werden kann (shared device), wird den Erstanwendern von Grafik der Start in die Grafikerstellung wesentlich erleichtert. Sie brauchen sich dann im ersten Stadium noch kein eigenes Hardcopyausgabegerät anzuschaffen, sondern können damit solange warten, bis Ihre Anforderungen den Kauf unumgänglich machen.

Terminals, die Hardcopygeräte unterstützen, lassen sich auch in der Produktionsabteilung einsetzen. Mit den entsprechenden Softwarebefehlen kann der Bildschirminhalt auf die unterstützten Drucker oder Plotter ausgegeben werden.

Die Ausgabegeräte werden ständig weiterentwickelt. Daher ist Software wichtig, die in der Lage ist, die Intelligenz der Geräte zu nutzen. Sie stellt sicher, daß der Benutzer mit den Funktionen arbeiten kann, mit denen er arbeiten will.