Книга: Графика для Windows средствами DirectDraw

Поверхности

Поверхности

Поверхностью называется интерфейс, представляющий область памяти. Интерфейс DirectDrawSurface выполняет различные операции с этой памятью — размещение, копирование, переключение и освобождение. Интерфейс поверхностей позволяет написать практически любое графическое приложение.

Тем не менее следует заметить, что доступ к памяти поверхности должен предоставляться интерфейсом DirectDrawSurface; вы не сможете обратиться к поверхности никаким другим способом. Если учесть это обстоятельство, становится ясно, что интерфейс DirectDrawSurface должен быть быстрым и универсальным. К счастью, дело обстоит именно так.

Интерфейс DirectDrawSurface обеспечивает прямой доступ к памяти поверхности. Он предоставляет самые быстрые и гибкие средства для работы с поверхностями, потому что вы можете делать с памятью все, что захотите, и работа не замедляется никакими интерфейсами-посредниками. Более того, данные поверхности всегда организованы линейно, независимо от способа их хранения в видеоустройстве.

Несмотря на все преимущества прямого линейного доступа, при манипуляциях с поверхностями программист должен соблюдать осторожность. Например, чтобы получить указатель на память поверхности, ее необходимо предварительно заблокировать. Чаще всего такая блокировка заставляет DirectDraw временно отключать основные механизмы Windows. Если вы забудете разблокировать поверхность или ваша программа «зависнет» при заблокированной поверхности, скорее всего, придется перезагружать компьютер. Кроме того, для проверки правильности работы кода между вызовами Lock() и Unlock() нельзя пользоваться отладчиками.

Для прямого доступа к поверхности нужно знать формат ее пикселей. Этот формат определяет способ хранения цветовых данных каждого пикселя. Он может изменяться в зависимости от видеоустройства и даже от видеорежима. Форматы пикселей особенно сильно различаются для поверхностей High Color (16-битных).

При прямом доступе к памяти поверхности необходимо также знать значение шага поверхности (surface stride). Шагом называется объем памяти, необходимый для представления горизонтальной строки пикселей. С первого взгляда кажется, что шаг поверхности совпадает с ее шириной, но на самом деле это разные параметры. Шаг поверхности, как и формат пикселей, зависит от конкретного видеоустройства.

В этой главе мы рассмотрим и решим все эти проблемы. Мы начнем с изучения форматов пикселей, а затем посмотрим, как написать код для работы с любыми типами поверхностей, независимо от глубины и формата пикселей. Затем мы изучим формат BMP-файлов, при этом основное внимание будет уделяться загрузке BMP-файла на поверхность. Главу завершает программа BmpView, предназначенная для просмотра графических файлов формата BMP (если вас интересует только процесс загрузки растровых изображений на поверхности, обращайтесь к заключительному разделу этой главы). 

Глубина пикселей показывает, сколько разных цветов может быть представлено одним пикселем поверхности. Глубина пикселей также влияет на объем памяти, необходимой для представления поверхности. В DirectDraw предусмотрена поддержка четырех глубин пикселей: 8-битных (палитровых), 16-битных (High Color), 24-битных и 32-битных (объединяемых термином True Color).

Для организации наиболее эффективного доступа к памяти поверхности необходимо знать глубину ее пикселей. Если вы собираетесь заблокировать поверхность и обратиться к ее памяти, нужно знать, как добраться до каждого отдельного пикселя, как назначить ему нужный цвет и как интерпретировать существующие цветовые данные. Начнем с 8-битных поверхностей.

Наверное, с 8-битными, или палитровыми, поверхностями работать проще всего, потому что каждый пиксель в них представляется одним байтом. Как вы вскоре убедитесь, это особенно упрощает интерпретацию BMP-файлов. Кроме того, каждый пиксель 8-битной поверхности просто соответствует целочисленному индексу палитры, а не закодированному цветовому значению. Впрочем, это достоинство отчасти компенсируется хлопотами по работе с палитрой.

Пиксели High Color (16-битные) выглядят несколько сложнее, однако результат часто оправдывает усилия. Простота использования, характерная для беспалитровых поверхностей, сочетается в них с умеренным расходом памяти (по сравнению с пикселями глубины True Color). Каждый пиксель High Color содержит не индекс, а цвет. Цвета выражаются в виде комбинации трех цветовых составляющих: красной, зеленой и синей (RGB).

Пиксели True Color делятся на две категории (24- и 32-битные), но в обоих случаях используются только 24 бита данных RGB. Лишние 8 бит 32-битных пикселей иногда используются для хранения альфа-канала (то есть данных о прозрачности пикселя). К сожалению, в DirectDraw все еще отсутствует возможность эмуляции альфа-наложения, так что лишние биты 32-битного пикселя часто пропадают впустую.

Разумеется, достоинства поверхностей True Color отчасти снижаются увеличенным расходом памяти. Сказанное поясняет рис. 5.1, на котором наглядно изображены глубины всех четырех вариантов пикселей.

Хотя рис. 5.1 не содержит никаких особых откровений, он позволяет понять, как представление пикселя в памяти зависит от его глубины. Кроме того, его общая структура будет использоваться в других рисунках данного раздела.

Рис. 5.1. Зависимость требований к памяти от глубины пикселей

Шаг поверхности Шагом поверхности называется объем памяти (в байтах), необходимой для представления горизонтальной строки пикселей. Шаг поверхности может совпадать с объемом памяти, необходимой для хранения горизонтальной строки пикселей, но часто оказывается больше.

Для примера возьмем 8-битную поверхность (поскольку один пиксель в таких поверхностях представляется одним байтом, что упрощает вычисления). Предположим, ваше видеоустройство требует, чтобы во внутреннем (для DirectDraw) представлении ширина поверхности была выровнена по границам параграфов (то есть была кратна 4 байтам). В этом случае поверхность с шириной в 10 пикселей будет иметь внутреннюю ширину в 12 байт. Если мы заблокируем эту поверхность и назначим значения пикселей, предполагая, что развертка одной горизонтальной строки занимает 10 байт, изображение получится перекошенным. Проблему можно легко решить, если вместо ширины при развертке поверхностей будет использоваться шаг. При этом независимо от внутренней ширины поверхностей, используемой DirectDraw, вычисление адресов пикселей будет давать правильный результат. Ситуация поясняется на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Небольшая 8-битная поверхность с разными значениями шага и ширины

Для беспалитровых поверхностей шаг и ширина поверхности уже не связаны между собой, поскольку каждый пиксель занимает несколько байт. К примеру, возьмем поверхность High Color (16-битную). При ширине поверхности в 5 пикселей каждая строка будет занимать 10 байт. Если видеоустройство требует, чтобы фактическая ширина поверхности выравнивалась по границе параграфа, DirectDraw создает поверхность с внутренней шириной в 12 байт (см. рис. 5.3).

Обратите внимание: если бы ширина 16-битной поверхности на рис. 5.3 была равна 6 пикселям вместо 5, шаг поверхности остался бы прежним, потому что в каждой строке остается свободное место для одного дополнительного пикселя.

Рис. 5.3. Небольшая 16-битная поверхность с разными значениями шага и ширины

Давайте рассмотрим еще два примера, на этот раз с 24-битными поверхностями. При 12-байтовой модели, использованной выше, и 24-битной глубине пикселя в одной строке можно будет хранить 4 пикселя и избежать потерь памяти. Но что произойдет, если поверхность имеет ширину в 5 пикселей? Шаг увеличится до 16 байт, а в каждой строке будет напрасно пропадать один байт. Обе ситуации изображены на рис. 5.4.

Перед тем как двигаться дальше, я хотел бы пояснить, что пример с выравниваем по границе параграфов не следует понимать слишком буквально. В соответствии с идеологией DirectDraw вам необходимо знать лишь то, что для перемещения между горизонтальными строками пикселей необходимо использовать шаг поверхности, а не ее ширину. Примеры лишь показывают, почему шаг поверхности настолько важен для работы.

Рис. 5.4. Две небольшие 24-битные поверхности

Шаг поверхности важен еще и потому, что при прямом доступе к памяти поверхности вам приходится работать с отдельными строками пикселей. Полное сохранение всей поверхности на диске и повторная загрузка ее в виде единого блока — неудачная мысль. Такой вариант сработает лишь в том случае, если при загрузке вы пользуетесь тем же видеорежимом и видеоустройством, что и при сохранении поверхности. 

Теперь давайте посмотрим, как хранятся в памяти отдельные пиксели. Мы уже знаем, что для 8-битных поверхностей значение пикселя является индексом в палитре. В этом случае поверхность заполняется не цветовыми данными, а ссылками на них. Палитра представляет собой список цветов, в каждом элементе которого хранятся RGB-составляющие, описывающие данный цвет.

В 16-битных пикселях хранится непосредственно цветовая информация. 16-битные форматы пикселей делятся на две основные разновидности: в первой каждая RGB-составляющая представлена 5 битами (оставшийся бит не используется), а во второй 5 битами представлены только красная и синяя составляющие, а для зеленой используется 6 бит. Для этих форматов часто применяются условные обозначения 5-5-5 и 5-6-5 соответственно.

В формате 5-5-5 каждая цветовая составляющая может принимать значения из интервала от 0 до 31. Чем больше значение составляющей, тем интенсивнее она проявляется в результирующем цвете. Формат 5-6-5 работает аналогично, за исключением того, что зеленая составляющая может принимать значения из интервала 0–63. Эти два вида 16-битных пикселей изображены на рис. 5.5.

Дело осложняется тем, что форматы 5-5-5 и 5-6-5 тоже делятся на два типа. На рис. 5.5 изображен RGB -формат, в котором цветовые составляющие хранятся в порядке «красный, зеленый, синий». Также существует BGR-формат, в котором красная и синяя составляющая меняются местами. Вряд ли в ближайшем будущем появятся еще какие-нибудь варианты.

Рис. 5.5. Два распространенных 16-битных формата пикселей

Следовательно, чтобы ваш код был по-настоящему переносимым, вы не должны полагаться на конкретный формат пикселей или класс форматов. Ведь библиотека DirectDraw была создана именно для того, чтобы предоставить обобщенный интерфейс для работы с аппаратными устройствами. Любое ненужное допущение в вашей программе снижает потенциал приложения. Позднее в этой главе мы рассмотрим универсальный код, работающий с любым 16-битным форматом пикселей.

С пикселями формата True Color работать проще, потому что каждая из RGB-составляющих представлена одним байтом. В этом случае значение каждой составляющей принадлежит интервалу 0–255; ноль означает, что составляющая вообще не влияет на результирующий цвет, а 255 - что ее влияние максимально. Форматы пикселей для 24- и 32-битных вариантов изображены на рис. 5.6.

24- и 32-битные пиксели, как и 16-битные, делятся на две разновидности: RGB и BGR. Следовательно, код для работы с пикселями True Color должен использовать сведения о формате, полученные от DirectDraw, и не делать никаких безусловных предположений.

Напоминаю, что альфа-байт в 32-битных пикселях часто остается неиспользованным. Если ваша программа не работает с альфа-данными, вы можете выбирать между 24- и 32-битным видеорежимами. Работа в 24-битном режиме экономит память.

Рис. 5.6. Типичные форматы пикселей True Color

Сведения о формате пикселей поверхности можно получить функцией GetPixelFormat() интерфейса DirectDrawSurface, в которой для передачи данных используется структура DDPIXELFORMAT. Функция GetPixelFormat() применяется так:

DDPIXELFORMAT format;
ZeroMemory(&format, sizeof(format));
format.dwSize=sizeof(format);
surf->GetPixelFormat(&format);

Структура DDPIXELFORMAT содержит четыре поля, представляющих для нас интерес:

• dwRGBBitCount

• dwRBitMask

• dwGBitMask

• dwBBitMask

Поле dwRGBBitCount показывает глубину пикселей поверхности. Три оставшихся поля являются масками, определяющими, в каких битах пикселя хранятся данные красной, зеленой и синей составляющих. Например, типичные значения полей для поверхности High Color формата 5-6-5 приведены в табл. 5.1.

Три маски показывают, в каких позициях пикселя хранятся данные отдельных цветовых составляющих. С помощью этих масок можно корректно читать и записывать данные пикселя независимо от его формата.

 Таблица 5.1. Типичные данные формата для 16-битных пикселей

В приведенном ниже коде маски используются для вычисления двух величин: начальной позиции каждой цветовой составляющей внутри пикселя (бит, с которого начинается составляющая, или стартовый бит), и количества бит для представления каждой цветовой составляющей. Значения этих величин приведены в табл. 5.2. Обратите внимание на то, что стартовый бит отсчитывается справа налево (старшие биты в двоичных величинах находятся слева).

Рассчитанные значения облегчают операции с пикселями. Стартовый бит показывает, на сколько позиций сдвигаются данные цветовой составляющей, а количество — сколько бит занимает составляющая в двоичной величине.

Таблица 5.2. Типичные данные формата для 16-битных пикселей

Однако до сих пор мы рассматривали лишь 16-битные пиксели. 8-битные пиксели нас не интересуют, но перед тем, как идти дальше, необходимо уделить внимание пикселям формата True Color. В табл. 5.3 приведены данные формата пикселей (в том числе две вычисленные величины для каждой цветовой составляющей) для типичного 24-битного формата.

Таблица 5.3. Типичные данные формата для 24-битных пикселей

Помните — данные в этих таблицах относятся к конкретной аппаратуре. Они представлены лишь для примера того, как могут выглядеть такие данные, а не как исчерпывающее руководство по форматам пикселей.

При описании класса DirectDrawWin в главе 3 мы видели, что функция DirectDrawWin::ActivateDisplayMode() после активизации нового видеорежима, но до создания вспомогательных поверхностей приложения, вызывает функцию StorePixelFormatData(). Описание этой функции было отложено до настоящего момента.

Функция StorePixelFormatData() присваивает значения шести переменным класса DirectDrawWin в соответствии с форматом пикселей текущего активного видеорежима; эти переменные определяют стартовый бит и количество бит для каждой цветовой составляющей пикселя. В следующем разделе мы увидим, как эти переменные используются при манипуляциях с памятью поверхности. Функция StorePixelFormatData() выглядит так:

BOOL DirectDrawWin::StorePixelFormatData() {
 DDPIXELFORMAT format;
 ZeroMemory(&format, sizeof(format));
 format.dwSize=sizeof(format);
 if (primsurf->GetPixelFormat(&format)!=DD_OK) {
  TRACE("StorePixelFormatData() failedn");
  return FALSE;
 }
 loREDbit = LowBitPos(format.dwRBitMask);
 WORD hiREDbit = HighBitPos(format.dwRBitMask);
 numREDbits=(WORD)(hiREDbit-loREDbit+1);
 loGREENbit = LowBitPos(format.dwGBitMask);
 WORD hiGREENbit = HighBitPos(format.dwGBitMask);
 numGREENbits=(WORD)(hiGREENbit-loGREENbit+1);
 loBLUEbit = LowBitPos(format.dwBBitMask);
 WORD hiBLUEbit = HighBitPos(format.dwBBitMask);
 numBLUEbits=(WORD)(hiBLUEbit-loBLUEbit+1);
 return TRUE;
}

Функция StorePixelFormatData() присваивает значения шести переменным формата с помощью масок, полученных функцией GetPixelFormat() интерфейса DirectDrawSurface. Это следующие переменные:

• loREDbit

• numREDbits

• loGREENbit

• numGREENbits

• loBLUEbit

• numBLUEbits

Как вы убедитесь при изучении кода для работы с беспалитровыми поверхностями, эти переменные оказываются очень удобными.

Для прямого доступа к поверхности необходимо предварительно вызвать функцию Lock() интерфейса DirectDrawSurface. Lock() получает экземпляр структуры DDSURFACEDESC и возвращает указатель на левый верхний пиксель поверхности, шаг поверхности, ее размеры и даже формат пикселей (структура DDSURFACEDESC содержит экземпляр DDPIXELFORMAT, поэтому вызов GetPixelFormat() интерфейса DirectDrawSurface оказывается необязательным). Прототип функции Lock() выглядит так:

HRESULT Lock(LPRECT rect, LPDDSURFACEDESC desc, DWORD flags, HANDLE event);

Первый аргумент является указателем на структуру RECT, которая описывает рабочую область поверхности. Если этот аргумент равен нулю, доступ осуществляется ко всей поверхности. Применение этого аргумента для описания рабочих прямоугольников упрощает код, следующий за вызовом Lock(), поскольку вам не нужно вычислять лишние смещения. Тем не менее при задании такого прямоугольника оказывается еще важнее использовать шаг поверхности при доступе к памяти.

Второй аргумент функции Lock() — структура DDSURFACEDESC, которая используется для возвращения указателя на память поверхности (поле lpSurface) и шага поверхности (поле lPitch). Функция Lock() (как и другие функции DirectDraw) требует правильно присвоить значение полю dwSize структуры DDSURFACEDESC.

Третий аргумент используется для настройки параметров Lock(). В него могут входить следующие флаги:

• DDLOCK_EVENT

• DDLOCK_READONLY

• DDLOCK_WRITEONLY

• DDLOCK_SURFACEMEMORYPTR

• DDLOCK_WAIT

На момент выхода DirectX 5 флаг DDLOCK_EVENT не поддерживался. Возможно, в будущих версиях DirectDraw он будет использоваться совместно с последним аргументом Lock() для реализации альтернативного метода блокировки поверхностей.

Флаги DDLOCK_READONLY и DDLOCK_WRITEONLY следует использовать в том случае, когда доступ к памяти поверхности осуществляется исключительно для чтения или записи. В большинстве ситуаций эти флаги ни на что не действуют, однако в видеорежимах «Mode X» DirectDraw использует их для оптимизации доступа к поверхности.

Флаг DDLOCK_SURFACEMEMORYPTR необязателен, потому что он задает поведение Lock(), которое и так является стандартным. Lock() возвращает указатель на память поверхности как с этим флагом, так и без него, поэтому мы не станем использовать его в своих программах (флаг DDLOCK_SURFACEMEMORYPTR на самом деле определен равным 0, так что я нисколько не преувеличиваю, говоря, что он ни на что не влияет).

Флаг DDLOCK_WAIT показывает, что функция Lock() должна дождаться завершения блокировки в том случае, если в данный момент поверхность используется для другой цели — например, участвует в операции блиттинга или переключения поверхностей. Если этот флаг задан, Lock() работает в цикле до тех пор, пока поверхность не освободится для блокировки или пока не произойдет ошибка. При отсутствии флага DDLOCK_WAIT функция Lock() для занятой поверхности возвратит код DDERR_SURFACEBUSY, и блокировка не состоится. Для упрощения кода мы будем использовать этот флаг.

Оглавление книги