Contribution à l’étude des systèmes graphiques Architectures logicielle et matérielle
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N° d'ordre 5486 Annnée 1986
THÈSE
présentée devant
L'UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I
pour l'obtention du
DIPLOME DE DOCTORAT
par
Patrick-Gilles MAILLOT
Contribution à l’étude des systèmes graphiques
Architectures logicielle et matérielle
Soutenue le 2 Juillet 1986
JURY: Mr P. BESSOLO
Mr Y. GARDAN
Mr M. LUCAS
Mr D. VANDORPE
Mr E. VICARIO à Audrey, Ce travail a été réalisé au sein du laboratoire d'informatique de l'université Claude Bernard, LYON I et
de la société SECAPA, sous contrat CIFRE nº 215/83.
Remerciements
Monsieur D. VANDORPE, professeur à l'université LYON I, en m'accueillant dans son équipe et en diri-
geant cette recherche, m'a permis de mener à bien cette tâche grâce à ses conseils précieux et ses
réflexions pertinentes. Je lui exprime ici ma profonde reconnaissance.
Monsieur M. LUCAS, professeur à l'université de NANTES et Monsieur Y. GARDAN, professeur à
l'université de METZ ont accepté de juger ce manuscrit. Leurs remarques et suggestions ont large-
ment contribué à l'amélioration du texte initial. Je les remercie vivement.
Monsieur BESSOLO, P.D.G. de la société SECAPA, m'a fait confiance en m'accueillant dans sa
société et a permis à ce travail de trouver l'expression industrielle que je souhaitais. Je lui exprime
toute ma reconaissance.
Monsieur VICARIO, professeur à l'université LYON I, en acceptant de faire partie de ce jury, me fait
part d'une attention dont je le remercie.
Je n'oublierai pas tous les membres du laboratoire, et plus ...

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N° d'ordre 5486 Annnée 1986 THÈSE présentée devant L'UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I pour l'obtention du DIPLOME DE DOCTORAT par Patrick-Gilles MAILLOT Contribution à l’étude des systèmes graphiques Architectures logicielle et matérielle Soutenue le 2 Juillet 1986 JURY: Mr P. BESSOLO Mr Y. GARDAN Mr M. LUCAS Mr D. VANDORPE Mr E. VICARIO à Audrey, Ce travail a été réalisé au sein du laboratoire d'informatique de l'université Claude Bernard, LYON I et de la société SECAPA, sous contrat CIFRE nº 215/83. Remerciements Monsieur D. VANDORPE, professeur à l'université LYON I, en m'accueillant dans son équipe et en diri- geant cette recherche, m'a permis de mener à bien cette tâche grâce à ses conseils précieux et ses réflexions pertinentes. Je lui exprime ici ma profonde reconnaissance. Monsieur M. LUCAS, professeur à l'université de NANTES et Monsieur Y. GARDAN, professeur à l'université de METZ ont accepté de juger ce manuscrit. Leurs remarques et suggestions ont large- ment contribué à l'amélioration du texte initial. Je les remercie vivement. Monsieur BESSOLO, P.D.G. de la société SECAPA, m'a fait confiance en m'accueillant dans sa société et a permis à ce travail de trouver l'expression industrielle que je souhaitais. Je lui exprime toute ma reconaissance. Monsieur VICARIO, professeur à l'université LYON I, en acceptant de faire partie de ce jury, me fait part d'une attention dont je le remercie. Je n'oublierai pas tous les membres du laboratoire, et plus particulièrement messieurs G. MARX, E. TOSAN et J. AZENCOT pour l'esprit de collaboration et la patience dont ils ont fait preuve en m'aidant tout au long de ces quelques années. Contribution à l’étude des systèmes graphiques: Architectures logicielle et matérielle Introduction Les systèmes graphiques font aujourd'hui partie de notre environnement quotidien. L'image a toujours été le moyen et le support de communication le plus naturel et le plus efficace entre les hommes. • Quelle entreprise peut se passer de “schémas”? • Quel homme d'affaires de courbes? • Nos écrits ne sont-ils pas une forme particulière d'images? Nous allons tenter d'étudier au cours de cette thèse certains aspects des systèmes graphiques infor- matiques, tant au niveau logiciel que sur des notions matérielles, bien que cette thèse ne soit pas un ouvrage d'électronique. L'évolution des techniques a montré ces dernières années les possibilités fantastiques permises par les composants de plus en plus sophistiqués et de plus en plus rapides. L'histoire des systèmes graphiques et leur évolution montrent qu'en une décennie il n'y a pas eu de véritable modification des fonctionnalités demandées aux systèmes. On peut sans crainte s'appuyer sur le modèle des fonctions de base d'un système graphique tel qu'il fut présenté par M. LUCAS en 1977 (LUC77). L'évolution la plus sensible des systèmes graphiques reste directement liée à la technologie. Les enti- tés manipulées restent toujours des points et des segments. Quelques processeurs permettent la prise en compte de taches triangulaires (XTA85) et pour certains cas, non convexes (AMD86), avec d’excel- lentes performances (150 millions de points/seconde). Le chapitre premier nous permettra d'étudier les principaux “acteurs” qui sont à l'origine des concepts de base reconnus aujourd'hui en informatique graphique. Nous aborderons l'évolution des systèmes graphiques, depuis les premières réalisations jusqu'aux propositions de normes les plus récentes. Nous tenterons de cerner l'influence de la composante technologique sur l'évolution des systèmes gra- phiques et plus particulièrement, sur les terminaux graphiques intelligents. Nous aborderons enfin, avec “le point de vue du concepteur”, les différents sous-ensembles présents dans ce type de système, les problèmes qu'ils sont susceptibles de poser ainsi que les solutions con- nues à ce jour. La seconde partie de cette thèse se veut résolument pratique. Elle s'appuie essentiellement sur trois systèmes: • la réalisation des logiciels internes aux terminaux graphiques SECAPA TGI11xx, qui représen- tent la concrétisation industrielle de certaines solutions proposées ici. • les logiciels PATK2D et PATK3D, développés au laboratoire d'informatique graphique LYON I, qui ont servi de systèmes cible pour la mise au point des techniques et algorithmes présentés. Nous concluons enfin en précisant l'approche générale et les idées force qui sont à la fois à l'origine de cette étude et qui s'imposent comme axes de recherches d'actualité. Chapitre 1 I Les systèmes graphiques I.1 Evolutions logicielle et matérielle I.1.1 Les liens entre logiciel et matériel Dans l'histoire des systèmes informatiques, l'infographie interactive a longtemps été considérée comme une spécialité un tant soit peu ésotérique, et ceci pour plusieurs raisons: • Utilisation de logiciels spécialisés et complexes. • Nécessité d'une technologie d'affichage non classique et coûteuse. • Besoin de ressources machines importantes. Actuellement, l'image des systèmes graphiques est bien différente, citons pour preuve: • La multiplicité des logiciels graphiques, souvent de haut niveau. • L'élargissement considérable des domaines d'application. • La plupart des systèmes proposent au moins une “récréation graphique” (jeux,...) ou plus encore, le contrôle de la machine à travers une expression ou un langage graphique. On se propose ici de cerner cette évolution en relevant les étapes déterminantes. La tentation est grande d'analyser de façon distincte l'évolution de la composante logicielle d'une part, et l'évolution de la composante matérielle d'autre part. Il s'avère pourtant difficile de dissocier les deux: • Comme dans toute réalisation informatique, la tendance va à l'intégration (micro programmation, solutions câblées). Les couches logicielles se décalent vers des solutions matérielles, provo- quant ainsi une modification de la structuration des logiciels. • L'évolution inhérente à la technologie des micro-processeurs et de la périphérie spécialisée influe fortement sur les réalisations logicielles, comme peut le montrer l'évolution du dessin au trait vers les systèmes d'imagerie réaliste. On dénote donc une imbrication étroite entre logiciel et matériel qui s'enrichissent ou doivent se reca- drer mutuellement. I.1.2 La position du système graphique dans les traitements informatiques Un système graphique est avant tout un support de moyens de dialogue vers l'homme. A ce titre, il occupe une place précise dans le schéma d'une chaîne de traitements informatiques nécessitant l'utili- sation de graphismes. On peut donc considérer ce système comme une interface entre les moyens physiques qu'il pilote et l'ensemble des traitements utilisant la périphérie graphique. Le schéma présenté en figure I12-a montre cette position d'interface dont le rôle est d'assurer le dialo- gue entre opérateur et application à l'aide d'images et de messages. L'opérateur “communique” avec son application grâce aux moyens physiques. L'utilisation du graphique comme moyen de dialogue entre opérateur et application a vite montré un certain nombre d'avantages: • Concision de la représentation: Un graphique même simple remplace facilement un texte expli- catif souvent long. On peut communiquer instantanément un grand nombre d'informations. • Rapidité de compréhension: Notre cerveau est doué d'une compréhension spatiale très rapide, contrairement à ce qui se passe lors de la lecture d'un texte où l'on réduit l'espace à quelques lettres. Application Système Graphique Graphique Moyens Opérateur Données Figure I12-a: Situation du système graphique. • Simplicité de dialogue: L'image fait partie de notre environnement et sa perception est non-ambi- güe, quelle que soit la “culture” de l'opérateur. Cette richesse de la communication graphique ainsi que son aspect naturel sont à l'origine de dévelop- pements remarquables dans le domaine de l'interaction. Ainsi, le graphique permet la conduite non plus uniquement d'une application, mais d'un ensemble d'applications et finalement, du calculateur lui- même. Des travaux menés depuis 1973 sur le développement de postes de travail à haut degré d'inte- ractivité issus du projet ALTO de XEROX ont conduit en 1981 à la présentation du système STAR R010 (LAM78). De tels systèmes ont largement inspiré les architectures des systèmes LISA ou MACINTOSH. Ici, l'ensemble des relations et des dialogues entre opérateur et système d'exploitation sont réalisés à l'aide d'outils graphiques. Le schéma présenté en figure I12-b montre cette évolution. Le système gra- phique devient alors un des “utilitaires” privilégiés du système d'exploitation. Application Graphique Système Graphique Moyens Opérateur Système d’exploitation Données Figure I12-b: Le système graphique sert d'interface de dialogue. Cette évolution ne constitue cependant pas un glissement de l'application vers le système d'exploita- tion, mais plutôt une utilisation plus puissante et plus large des concepts et des outils graphiques, utili- sation qui englobe maintenant l'accès aux ressources même de l'ordinateur. Ceci repose sur une meilleure compréhension et une meilleure maîtrise des mécanismes à mettre en oeuvre pour commu- niquer à l'aide de dessins et de messages. I.1.3 Formalisation et composantes d’un système graphique. Une des premières réalisations de système graphique remonte à 1963 avec le logiciel SKETCHPAD (SUT63). Les années 60 verront principalement le développement d'un grand nombre de logiciels et d'algorithmes permettant la réalisation de dessins au trait. Les années 70 ont connu la naissance de deux courants d'évolution des systèmes graphiques: • le premier vise à améliorer, à affiner et à diffuser les techniques de base, ce qui conduit à la création de systèmes spécialisés. • L'autre tend à faire ressortir de ces diverses techniques un ensemble de concepts de base. On se pose ainsi le problème d'harmoniser les connaissances acquises et on cherche à les analyser pour aboutir à des propositions de normes. Chercheurs, utilisateurs, constructeurs et développeurs de logiciels ont tous des intérêts (qui ne sont pas forcément les mêmes) à l'acceptation et à la diffusion de normes. Une des premières tentatives de formalisation d'un système graphique apparut en 1977 (LUC77). La chaîne des traitements à mettre en place pour permettre la visualisation graphique de données et pour associer l'ensemble du dialogue à des outils graphiques (échange d'informations textuelles, choix d'un ensemble de fonctions pour la poursuite des traitements...) est représentée par le schéma de la figure I13-a. Algorithme Algorithme Algorithme Algorithme de de de préparation de traitement traitement description à la visualisation des dessins moyens de visualisation Programme Logiciel de pré- Logiciel Logiciel de d’application paration à la élémentairedescription visualisation moyens de saisie structure de scène fichier liste de données visualisationcodée graphique application Figure I13-a: les composantes d'un système graphique interactif (d'après (LUC77). Ce découpage met en évidence l'enchaînement des traitements de transformation à réaliser sur les données pour une application graphique. Une des pièces maîtresses de ce schéma est le “logiciel gra- phique interactif de base”. L'existence de cette couche de logiciel a permis de faire ressortir la notion d'indépendance, notam- ment entre application et matériel (LUC77),(LED77),(VCV77). D'autres propositions ne couvrant qu'une faible partie du schéma présenté en figure I13-a étaient à l'étude. Les principaux buts visés étaient alors d'identifier et de normaliser les concepts de base, tant au niveau du logiciel élémentaire, que du choix d'une structure de données pour la représentation du fichier graphique. Ces différents travaux ont abouti à des propositions de normes telles que CORE (COR79), GKS (EEK80), et plus récemment PHIGS (PHI85). Nous n'aborderons pas ici toutes les propositions ou normes connues. Notre étude ne portera que sur quelques systèmes: La norme GKS Le logiciel de base GRIGRI (LED77) Les propositions CORE et PHIGS Le tableau de la figure I13-b propose une classification de ces quatre systèmes en fonction des primiti- ves graphiques, des structures de données utilisées et de la dimension de l'espace de travail. GRIGRI CORE GKS PHIGS Primitives point vecteur vecteur texte symbole symbole mode texte texte polygone polygone figure simple table de points - rectangle tracé généralisé - cercle listes ensembles de primitives sous organisation Structures de regroupées en forme de structures appelées hiérarchique deDonnées segments:sections, puis segments graphiques en figures structures 2D & 3DDimension 2D 2D & 3D 2D Figure I13-b: Classification de quatre propositions de normes. Le schéma suivant, tiré de (EUR85), met l'accent sur la compatibilité que l'on peut espérer entre ces différents logiciels: • Au niveau communication/échange entre ces systèmes, sous forme de fichiers graphiques (métafiles). • Choix pour une application donnée de tel ou tel logiciel graphique. Structure de données GKS-OL3 PHIGS Hiéarachie Segment GKS CORE GKS 3D Liste GRIGRI Dimensions de l’espace 2D 3D Figure I13-c: Relations possibles entre ces systèmes. I.1.4 Influences mutuelles de la technologie et des systèmes graphiques Cette étude serait incomplète si l'on ne tenait pas compte de l'influence de l'évolution technologique sur celle des systèmes graphiques. Jusqu'à la fin des années 70, les systèmes graphiques étaient conçus en vue d'une implémentation logiciel le sur un calculateur général. La position occupée par le logiciel graphique de base (LGB) était alors la suivante: LGB Algorithme Algorithme Algorithme Algorithme de de de préparation de traitement traitement description à la visualisation des dessins moyens de visualisation Programme Logiciel de pré- Logiciel Logiciel de d’application paration à la élémentairedescription visualisation moyens de saisie structure de liste de scène fichier données visualisationcodée graphique application Figure I14-a Avec l'apparition des premières consoles graphiques assurant la gestion locale d'une liste graphique constituée de primitives élémentaires, la couche de logiciel élémentaire est en grande partie déportée vers des moyens matériels. La part restant au LGB est alors considérablement réduite, comme le mon- tre la figure I14-b. LGB Algorithme Algorithme Algorithme de de de préparation traitement description à la visualisation moyens de visualisation Programme Logiciel de pré-Logiciel de d’application paration à ladescription moyens de visualisation saisie structure de scène fichier données codée graphique application Figure I14-b Les années 80 voient la mise au point de micro-processeurs 16 ou 32 bits. Leur disponibilité et leur large diffusion sur le marché des composants a permis la réalisation de systèmes intégrant suffisam- ment de mémoire à des coûts raisonnables pour supporter la structure de la scène codée en 2D. Simultanément, les normes évoluent. On peut alors considérer que le LGB intègre la totalité de cette structure (GKS82),(GKS84), comme le montre la figure I14-c. On trouve aujourd'hui des intégrations partielles ou complètes de GKS à l'intérieur de systèmes fermés et dédiés au graphique. Le nouveau visage de la chaîne des traitements graphiques devient alors le suivant:
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