Automatic commit of irc logs
[ipdf/documents.git] / LitReviewDavid.tex
index b6e75cc..a8947e8 100644 (file)
@@ -2,6 +2,8 @@
 \usepackage[utf8]{inputenc}
 \usepackage{hyperref}
 \usepackage{graphicx}
 \usepackage[utf8]{inputenc}
 \usepackage{hyperref}
 \usepackage{graphicx}
+\usepackage{amsmath}
+\usepackage{amssymb}
 
 %opening
 \title{Literature Review}
 
 %opening
 \title{Literature Review}
@@ -36,6 +38,15 @@ Ultimately, there are two fundamental stages by which all documents --- digital
 \emph{layout} and \emph{display}. The \emph{layout} stage is where the positions and sizes of text and other graphics are
 determined, while the \emph{display} stage actually produces the final output, whether as ink on paper or pixels on a computer monitor.
 
 \emph{layout} and \emph{display}. The \emph{layout} stage is where the positions and sizes of text and other graphics are
 determined, while the \emph{display} stage actually produces the final output, whether as ink on paper or pixels on a computer monitor.
 
+Different document formats approach these stages in different ways. Some treat the document as a program, written in
+a turing complete document language with instructions which emit shapes to be displayed. These shapes are either displayed
+immediately, as in PostScript, or stored in another file, such as with \TeX or \LaTeX, which emit a \texttt{DVI} file. Most other
+forms of document use a \emph{Document Object Model}, being a list or tree of objects to be rendered. \texttt{DVI}, \texttt{PDF},
+\texttt{HTML}\footnote{Some of these formats --- most notably \texttt{HTML} --- implement a scripting lanugage such as JavaScript,
+which permit the DOM to be modified while the document is being viewed.} and SVG\cite{svg2011-1.1}. Of these, only \texttt{HTML} and \TeX typically
+store documents in pre-layout stages, whereas even turing complete document formats such as PostScript typically encode documents
+which already have their elements placed.
+
 Existing document formats, due to being designed to model paper,
 have limited precision (8 decimal digits for PostScript\cite{plrm}, 5 decimal digits for PDF\cite{pdfref17}).
 This matches the limited resolution of printers and ink, but is limited when compared to what aught to be possible
 Existing document formats, due to being designed to model paper,
 have limited precision (8 decimal digits for PostScript\cite{plrm}, 5 decimal digits for PDF\cite{pdfref17}).
 This matches the limited resolution of printers and ink, but is limited when compared to what aught to be possible
@@ -44,12 +55,18 @@ to issues with numeric precision.
 
 \section{Rendering}
 
 
 \section{Rendering}
 
-Computer graphics comes in two forms: bit-mapped (or raster) graphics, which is defined by an array of pixel colours, 
+Computer graphics comes in two forms: bit-mapped (or raster) graphics, which is defined by an array of pixel colours; 
 and \emph{vector} graphics, defined by mathematical descriptions of objects. Bit-mapped graphics are well suited to photographs
 and are match how cameras, printers and monitors work. However, bitmap devices do not handle zooming beyond their
 ``native'' resolution --- the resolution where one document pixel maps to one display pixel ---, exhibiting an artefact
 called pixelation where the pixel structure becomes evident. Attempts to use interpolation to hide this effect are
 and \emph{vector} graphics, defined by mathematical descriptions of objects. Bit-mapped graphics are well suited to photographs
 and are match how cameras, printers and monitors work. However, bitmap devices do not handle zooming beyond their
 ``native'' resolution --- the resolution where one document pixel maps to one display pixel ---, exhibiting an artefact
 called pixelation where the pixel structure becomes evident. Attempts to use interpolation to hide this effect are
-never entirely successful, and sharp edges, such as those found in text and diagrams, are particularly effected.
+never entirely successful, and sharp edges, such as those found in text and diagrams, are particularly affected.
+
+\begin{figure}[h]
+       \centering \includegraphics[width=0.8\linewidth]{figures/vectorraster_example}
+       \caption{A circle as a vector image and a $32 \times 32$ pixel raster image}
+\end{figure}
+
 
 Vector graphics lack many of these problems: the representation is independent of the output resolution, and rather
 an abstract description of what it is being rendered, typically as a combination of simple geometric shapes like lines,
 
 Vector graphics lack many of these problems: the representation is independent of the output resolution, and rather
 an abstract description of what it is being rendered, typically as a combination of simple geometric shapes like lines,
@@ -80,7 +97,7 @@ the Cairo\cite{worth2003xr} library, based around the PostScript/PDF rendering m
 renderer by nVidia\cite{kilgard2012gpu} as an OpenGL extension\cite{kilgard300programming}.
 
 
 renderer by nVidia\cite{kilgard2012gpu} as an OpenGL extension\cite{kilgard300programming}.
 
 
-\section{Floating-Point Precision}
+\section{Numeric formats}
 
 On modern computer architectures, there are two basic number formats supported:
 fixed-width integers and \emph{floating-point} numbers. Typically, computers
 
 On modern computer architectures, there are two basic number formats supported:
 fixed-width integers and \emph{floating-point} numbers. Typically, computers
@@ -89,7 +106,16 @@ between $0$ and $2^{64} - 1$\footnote{Most machines also support \emph{signed} i
 which have the same cardinality as their \emph{unsigned} counterparts, but which
 represent integers between $-(2^{63})$ and $2^{63} - 1$}.
 
 which have the same cardinality as their \emph{unsigned} counterparts, but which
 represent integers between $-(2^{63})$ and $2^{63} - 1$}.
 
-Floating-point numbers\cite{goldberg1991whatevery} are the binary equivalent of scientific notation:
+By introducing a fractional component (analogous to a decimal point), we can convert
+integers to \emph{fixed-point} numbers, which have a more limited range, but a fixed, greater
+precision. For example, a number in 4.4 fixed-point format would have four bits representing the integer
+component, and four bits representing the fractional component:
+\begin{equation}
+       \underbrace{0101}_\text{integer component}.\underbrace{1100}_\text{fractional component} = 5.75
+\end{equation}
+
+
+Floating-point numbers\cite{goldberg1992thedesign} are the binary equivalent of scientific notation:
 each number consisting of an exponent ($e$) and a mantissa ($m$) such that a number is given by
 \begin{equation}
        n = 2^{e} \times m
 each number consisting of an exponent ($e$) and a mantissa ($m$) such that a number is given by
 \begin{equation}
        n = 2^{e} \times m
@@ -98,17 +124,39 @@ each number consisting of an exponent ($e$) and a mantissa ($m$) such that a num
 The IEEE 754 standard\cite{ieee754std1985} defines several floating-point data types
 which are used\footnote{Many systems' implement the IEEE 754 standard's storage formats,
 but do not implement arithmetic operations in accordance with this standard.} by most
 The IEEE 754 standard\cite{ieee754std1985} defines several floating-point data types
 which are used\footnote{Many systems' implement the IEEE 754 standard's storage formats,
 but do not implement arithmetic operations in accordance with this standard.} by most
-computer systems. The standard defines 32-bit (8-bit exponent, 23-bit mantissa) and 
-64-bit (11-bit exponent, 53-bit mantissa) formats\footnote{The 2008
+computer systems. The standard defines 32-bit (8-bit exponent, 23-bit mantissa, 1 sign bit) and 
+64-bit (11-bit exponent, 53-bit mantissa, 1 sign bit) formats\footnote{The 2008
 revision to this standard\cite{ieee754std2008} adds some additional formats, but is
 revision to this standard\cite{ieee754std2008} adds some additional formats, but is
-less widely supported in hardware.} 
-
-How floating-point works and what its behaviour is w/r/t range and precision
-\cite{goldberg1991whatevery}
-\cite{goldberg1992thedesign}
+less widely supported in hardware.}, which can store approximately 7 and 15 decimal digits
+of precision respectively.
+
+Floating-point numbers behave quite differently to integers or fixed-point numbers, as
+the representable numbers are not evenly distributed. Large numbers are stored to a lesser
+precision than numbers close to zero. This can present problems in documents when zooming in
+on objects far from the origin.
+
+IEEE floating-point has some interesting features as well, including values for negative zero,
+positive and negative infinity, the ``Not a Number'' (NaN) value and \emph{denormal} values, which
+trade precision for range when dealing with very small numbers. Indeed, with these values,
+IEEE 754 floating-point equality does not form an equivalence relation, which can cause issues
+when not considered carefully.\cite{goldberg1991whatevery}
+
+There also exist formats for storing numbers with arbitrary precising and/or range.
+Some programming languages support ``big integer''\cite{java_bigint} types which can
+represent any integer that can fit in the system's memory. Similarly, there are
+arbitrary-precision floating-point data types\cite{java_bigdecimal}\cite{boost_multiprecision}
+which can represent any number of the form
+\begin{equation}
+       \frac{n}{2^d} \; \; \; \; n,d \in \mathbb{Z} % This spacing is horrible, and I should be ashamed.
+\end{equation}
+These types are typically built from several native data types such as integers and floats,
+paired with custom routines implementing arithmetic primitives.\cite{priest1991algorithms}
+These, therefore, are likely slower than the native types they are built on.
 
 
-Arb. precision exists
 
 
+While traditionally, GPUs have supported some approximation of IEEE 754's 32-bit floats,
+modern graphics processors also support 16-bit\cite{nv_half_float} and 64-bit\cite{arb_gpu_shader_fp64}
+IEEE floats. 
 Higher precision numeric types can be implemented or used on the GPU, but are
 slow.
 \cite{emmart2010high}
 Higher precision numeric types can be implemented or used on the GPU, but are
 slow.
 \cite{emmart2010high}

UCC git Repository :: git.ucc.asn.au