УДК 004.4’2

Анализ функциональных возможностей и перспективы развития программных интерфейсов и анализ рынка графических движков

Баев Д.Э., Григорьев А.В.
Донецкий национальный технический университет
azo.cw@yandex.ru, grigorievalvl@gmail.com

Введение

Трёхмерная графика позволяет создавать трёхмерные макеты различных объектов, например, повторяя их геометрическую форму и имитируя материал, из которого они созданы[1].
Совокупность функционала работы с графикой по форме представляет собой так называемые «графические движки». Использование таких движков позволяет пользователям-программистам создавать различные программные системы, основой которых является работа с графикой: графические редакторы универсальных или специализированных систем автоматизации проектирования, редакторы игр, мультфильмов, рекламных роликов и т.д.
Рынок современных графических движков довольно широк и динамичен. Любой графический движок составляет набор программных интерфейсов (API), позволяющих решать конкретные задачи[1]. Например, чтобы получить полное представление об определённом объекте, необходимо осмотреть его со всех сторон, с разных точек, при различном освещении. Роль API графических движков трудно переоценить.
Т.о., актуальной является задача выявления проблем процессов разработки API для графических движков и методов их решения.
Целью предлагаемой статьи является:

• анализ назначения и структуры современных API графических движков;
• анализ рынка программ трёхмерного моделирования;
• анализ проблем разработки API графических движков и возможных путей их решения.

1. Описание основных бизнес-процессов программных интерфейсов

Программный интерфейс по своей структуре является описанием способов взаимодействия одного компонента с другим, а именно является набором классов, процедур, функций, структур или констант. API среди разработчиков выступает в роле контракта, «договора», негласного соглашения об обязанностях программы, отвечающие на вопрос «Как обращаться к системе и чего ожидать в результате?». Интерфейс, в данном случае, включает в себя:

• операцию, которую можно выполнить;
• данные, поступающие на вход;
• результирующие данные (контент данных или сообщение об ошибке).

Вызывать API можно как напрямую, так и косвенно. Напрямую:

• система вызывает функции внутри себя - разные части программы как-то общаются между собой. Они делают это на программном уровне, то есть на уровне API;
• система вызывает метод другой системы;
• человек вызывает методы;
• методы вызываются автоматическими тестами в соответствии с пирамидой автоматизации (см. рис. 1).

Косвенно: пользователь работает с GUI. Когда пользователь работает с GUI, на самом деле он также работает с API. То есть когда пользователь открывает систему и загружает отчёт, ему необходимо выбрать пункт в меню программы «загрузить отчёт». В данном случае пользователь работает через GUI (графический пользовательский интерфейс). Но на самом деле под этим графическим пользовательским интерфейсом находится API. И когда пользователь нажимает на кнопку, она вызывает функцию построения отчёта. Косвенный вызов API показан на рис. 2.

2. Анализ рынка программ для трёхмерного моделирования

AutoCAD - программа САПР специализирующаяся на двух- и трёхмерном проектировании и черчении[2, 3]. API данного программного продукта разработала компания Autodesk с использованием AutoLISP, VisualBasic и C++. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности. В области двумерного проектирования AutoCAD позволяет использовать элементарные графические примитивы для получения более сложных объектов. Кроме того, программа предоставляет весьма обширные возможности работы со слоями и аннотативными объектами (размерами, текстом, обозначениями). Использование механизма внешних ссылок (XRef) позволяет разбивать чертёж на составные файлы, за которые ответственны различные разработчики, а динамические блоки расширяют возможности автоматизации 2D-проектирования обычным пользователем без использования программирования. Пример работы API AutoCAD приведён на рис. 3.

3ds Max - API графического движка данного программного продукта направлен на 3D-моделирование, анимацию и визуализацию при создании игр и проектировании; также имеет поддержку имитации физических процессов, таких как ветер, дождь, снег и т.д.
3ds Max располагает обширными средствами для создания разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей, реальных или фантастических объектов окружающего мира, с использованием разнообразных техник и механизмов[3], включающих следующие:

• полигональное моделирование, в которое входят редактируемая поверхность и редактируемый полигон, которые являются самыми распространёнными методами моделирования, используется для создания сложных моделей и низкополигональных моделей для игр;
• моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS);
• моделирование на основе «сеток кусков» или поверхностей Безье, что подходит для моделирования тел вращения;
• моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов.

Пример работы с API 3ds Max приведён на рис. 4.

Cinema 4D - универсальный комплексный программный комплекс для создания и редактирования трёхмерных эффектов и объектов[3, 4]. Позволяет рендерить объекты по методу Гуро. Поддержка анимации и высококачественного рендеринга. В Cinema 4D можно найти средства для создания персонажной анимации, удобную среду для работы с частицами, мощную систему фотореалистичной визуализации и, конечно же, удобные инструменты моделирования. В последних версиях API графического движка был существенно переработан алгоритм визуализации и расширены возможности обработки трёхмерных сцен[4]. А также движку программного комплекса добавили возможность просчитывать эффекты глобальной освещённости, каустику и учёт подповерхностного рассеивания света, которое можно наблюдать, например, при просвечивании воска свечи. Пример работы с API Cinema 4D показан на рис. 5.

3. Анализ проблем разработки API графического движка и путей их решения

На сегодняшний момент существует 15 графических программных интерфейсов и более 5 профессиональных программных комплексов по трёхмерному моделированию. Популярные API графических движков включают моделирование, текстурирование, анимацию, скульптинг, постобработку, фильтрацию текстур и объектов, трассировку частиц, и многое другое[2, 3]. Проведённый выше анализ состояния и тенденций развития API современных графических движков, позволяет сделать некоторые выводы. Чтобы эффективность и полезность разработки нового API не стремилась к нулю ещё на этапе разработки необходимо выделить все недостатки конкурентов или сделать акцент на новой функции программного интерфейса. Для примера, такой функцией может выступать коллективное моделирование. В работе над крупными проектами приходится распределять обязанности и графики выполнения определённых работ над проектом. Один сотрудник занимается скульптингом, по завершению экспортирует готовую модель и передаёт её сотрудникам по части анимации. И так далее по всем отделам до завершения. Для оптимизации работы всех отделов и уменьшения промежуточных копий проекта в разных форматах можно реализовать поддержку многопользовательского коллективного проектирования. Для этого необходимо внести некоторые надстройки в API графического движка, обеспечивающие синхронизацию действий сотрудников в проекте с общей и разделённой историями действий. Это обеспечит максимальную продуктивность и минимальные задержки проекта на стадии проектировки и разработки.

Выводы

В статье описаны и проанализированы основные бизнес-процессы программных интерфейсов графических движков. Выполнен обзор и анализ функциональных программ для трёхмерного моделирования, а также проведён анализ проблем разработки новых API и исследованы методы их решения.

Литература

1. Большаков В. П. Инженерная и компьютерная графика. Теоретический курс и тестовые задания: учеб. пособие / В. П. Большаков, А. В. Чагина. - СПб.: БХВ-Петербург, 2016. - 384 с.: ил. - (Учебная литература для вузов).
2. Вольф Д. OpenGL 4. Язык шейдеров. Книга рецептов / пер. с англ. А. Н. Киселева. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 368 с.: ил.
3. Гинсбург Д., Пурномо Б. OpenGL ES 3.0. Руководство разработчика / пер. с англ. А. Борескова. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 448 с.: ил.
4. Селлерс Г., Кессенич Дж. Vulkan. Руководство разработчика. Официальное руководство / пер. с англ. А. В. Боресков. - М.: ДМК Пресс, 2017. - 396 с.: ил.