КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА Ротков Сергей Игоревич Доктор технических наук

Скачать презентацию КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА Ротков Сергей Игоревич Доктор технических наук

КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА версия 31-07-14.ppt

Количество слайдов: 140

КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА Ротков Сергей Игоревич, Доктор технических наук, профессор, Заведующий кафедрой Инженерной геометрии, Компьютерной графики и Автоматизированного проектирования ННГАСУ

Компьютерная графика • Раздел науки • Позволяющей увидеть то, чего нет еще в природе; • Получить облик конструкции до того, как её спроектирует инженер и создаст рабочий; • Осуществить физически невозможный или опасный эксперимент над объектом; • Графически отобразить результаты различных расчетов

Структура автоматизированного рабочего места

Компьютерная графика Технические средства: • ЭВМ • Устройства вывода информации: Графопостроитель (Плоттер, Plotter) Принтер • Устройства ввода информации: Дигитайзер (Digitizer, Таблет, Сколка) Сканнер • Графический дисплей; • Линия связи с другими ЭВМ (INTERNET и др. ) • Мышь.

Технические средства компьютерной графики • Графопостроитель – электромеханическое устройство для ВЫВОДА информации ИЗ ЭВМ в графическом виде на твердый носитель (бумага, фольга, фотопленка и т. п. ) • Графопостроитель – аналоговый или цифровой. • Аналоговый ГП: X~A, где А – амплитуда непрерывного сигнала. • Цифровой ГП: X~К, где К – количество дискретных импульсов.

Технические средства компьютерной графики • • Параметры графопостроителей: Размер рабочего поля: А 4 –А 0 Скорость вывода: 0. 01 см/сек – 2 м/сек Количество пишущих элементов: 1 -8

Графопостроитель ДИГИГРАФ 1008, Чехословакия, 1982 г.

Растровый графопостроительплоттер

Технические средства компьютерной графики • Планшет (сколка, таблет, дигитайзер (digitizer)) – электромеханическое устройство, предназначенное для ВВОДА информации в ЭВМ в векторном формате с твердого носителя (бумага, пленка и пр. )

Планшет ПКГИО

Технические средства компьютерной графики • Сканер – электромеханическое устройство, предназначенное для ВВОДА графической информации в ЭВМ в растровом (цифровом) формате. • Размер рабочего поля: А 4 -А 0 • Разрешение: от 300 dpi (dot per inches, точек на дюйм), т. е. 0. 01 мм и выше. • Формат А 0 занимает объем 10 -15 Мб памяти без применения средств сжатия изображения.

Сканер

Графический дисплей • Электронное устройство, предназначенное для ВЫВОДА и ВВОДА графической информации из/в памяти ЭВМ в растровом виде. • Пиксель (pixel) – элемент растра. Размер пикселя – ΔX*ΔY, ≈0. 2 мм • Каждому пикселю соответствует один элемент памяти ЭВМ (1… 4 байта)

Первый в мире растровый графический дисплей ЭВМ ГИФТИ (1956 -1957 г. )

Плата памяти ЭВМ М-222

Плата памяти ЭВМ БЭСМ-6

Общий вид ЭВМ-БЭСМ-6

Векторный графический дисплей УПГИ для АРМ на базе ЭВМ СМ-1420

Растровый графический дисплей завода «Терминал» , г. Винница, Украина, 1988 г.

Лекция 2 CALS-технологии и компьютерная графика

Информационная поддержка CALS жизненного цикла изделия Маркетинг Утилизация Дизайн ЭМИ Проектирование Геометрия Расчеты Эксплуатация Технология Жизненный цикл изделия

CALS –Computer Aided Life Cycle Support ИПИ – информационная поддержка изделия CALS — концепция, объединяющая принципы и технологии информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех, его стадиях, основанная на использовании интегрированной информационной среды (единого информационного пространства), обеспечивающая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции (включая государственные учреждения, и ведомства), поставщиков (производителей) продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала, реализованная в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными.

Составные части CALS-технологий Drafting Автоматизированное Черчение Design Manufacturing Rapid Prototyping Автомат - ое Конструирование CAM CARP Computer Aided CA CAA CAE CAVE CA CA CA Автомат - ая Автомат - е CAS CAPP CA CA Assembly Engineering Visualization Enviroment Simulation Process Planning CAT Testing Technologies Industrial Design Автомат - ые Автомат - ая Технология CAID CA CA CA Планирование Процесса Испытания Автомат - ый CAQ CA Quality Автомат - ое Промышленный Дизайн Обеспечение Качества CAI CA… EDM CA CA Engineering Inspection Приёмка Data Management Автомат - ая Автомат - ое Управление PDM Product Data Management Управление Данными о Продукте CAD Изготовление Быстрое Прототипирование Сборка Инж. расчёты Автомат - ые Средства Визуализации Автомат - ое Моделирование … Инженерными Данными

Анализ объекта Синтез изображений Обработка изображений Пространство изображения Геометрическое моделирование объекта Анализ изображений Синтез объекта Вычислительная геометрия

Электронная модель изделия и геометро-графические дисциплины ГД ЭВМ ГД ЭМИ Геометрия Изображение, 2 D Синтез n. D n≥ 2 2 D, Изображение Анализ Геометрическое моделирование Компьютерная графика Обратная задача Начертательной геометрии Прямая задача Начертательной геометрии

Информация Из других систем Прямая Задача Начертательной геометрии Аналитическая модель Что дает аналитика? ЭМИ Геометрия Анализ Цифровая модель Синтез Графическая модель Чертеж Изображения Обратная Задача Начертательной геометрии Пространственное воображение Откуда берутся данные?

Структура чертежа как графической модели объекта

Тест BP

Лаборатория графических систем, кафедра НГ, МГ и теоретических основ САПР, ННГАСУ Лекция 3 D-моделирование Виды моделей Проектирование с использованием современных систем CAD/CAM/CAE

• геометрическое моделирование – это весь многоступенчатый процесс создания модели объекта – от вербального описания объекта в техническом задании на его проектирование и изготовление до получения данных в электронном виде.

• Под геометрическими моделями в САПР и АСНИ понимают данные о геометрии проектируемого объекта, включающие в себя размеры, координаты, масштабы, связи геометрических элементов и т. д. Кроме геометрической информации, в модели могут быть включены технологические данные (обозначения, текстовые пояснения и т. п. )

Виды моделей • Точечная • Каркасная • Граничная • Конструктивная • Воксельная

точечная модель • Точечной моделью (ТМ) геометрического объекта называется совокупность ТM = { V, A }, где • V - вектор координат Xi, Yi, Zi вершин объекта, где i = 1, …, n; • A - информационный массив атрибутов вершин Vi. Совокупность точек Тi называется облаком точек. Применяется в технологиях бесконтактных измерений

каркасная модель • Каркасной моделью (КМ) геометрического объекта называется совокупность KM = { V, R, A }, где • V - вектор координат Xi, Yi, Zi вершин объекта, где i = 1, …, n; • R - информационный массив, содержащий данные о ребрах Rij, соединяющих вершины Vi и Vj объекта. • A - информационный массив атрибутов вершин Vi и ребер Rij. Каждому ребру может быть поставлен в соответствие квалификационный признак (атрибут), характеризующий данное ребро: линейное или нелинейное, коэффициенты уравнений линий – носителей ребер, каким типом линии, согласно ГОСТ 2. 305 -68 [17], изображаются проекции ребра (основная, штриховая, штрихпунктирная, волнистая и т. д. ), толщина изображающих проекции линий (основная, тонкая, утолщеная), цвет линий.

Формирование каркасной модели на основе точечной Тк Rij Тj Установление связи между Ti и Tj: Rij (Тi, Tj, A)

• Достоинством каркасной модели являются малый объем хранимых данных и быстрота получения проекционного изображения. • Недостатком является неоднозначность генерируемого проекционного изображения, и, как следствие, возможность ошибочных интерпретаций результатов проектирования, а также невозможность решения каких - либо прикладных инженерных задач, в том числе при формировании изображений для чертежноконструкторской документации.

граничная модель • Граничной моделью (ГМ) пространственного объекта называется совокупность ГМ = { G, V, R, A }, где • V, R - информационные массивы, используемые в КМ, • G - информационный массив граней (отсеков поверхностей), где грань Gi = {( V 1 i, V 2 i, V 3 i, . . . Vni) , задается своими вершинами, перечисленными в порядке обхода грани против часовой стрелки. При этом грань Gi может охватывать как односвязную, так и неодносвязную область без самопересечений. • A - информационный массив атрибутов вершин Vi, ребер Rij и граней Gi, куда, в свою очередь входят следующие массивы:

• F - информационный массив, содержащий коэффициенты уравнений Fi (x, y, z) = 0 поверхностей, которые являются носителями граней Gi; • L – информационный массив, содержащий коэффициенты уравнений Lij (x, y, z) = 0 кривых 1 или 2 порядка, которые являются носителями ребер Rij. • Остальными атрибутами могут быть те же признаки, что и в КМ, а также текстура (материал покрытия и раски) граней поверхности и т. п.

Формирование граничной модели ni Тi Rij Тj

Трёхгранник Френе n n – нормаль, - бинормаль, - касательная

• Граничная модель даёт возможность решения практически любой прикладной задачи в геометрическом моделировании (например, решить задачу видимости линий на изображении объекта, подсчитать массинерционные характеристики и т. д. )

конструктивная модель Конструктивной моделью называется совокупность СМ = {G(R), B(M), A}, где • G(R) - граф сборки конструкции, либо бинарная древовидная структура , определяющие порядок и характер взаимодействия составляющих объектов, R - ребра графа, атрибутами которого могут быть параметры формы и положения iой модели относительно j-ой модели и знаки теоретико-множественных операций: объединения, вычитания и пересечения. Параметрами формы могут быть числовые значения масштабных коэффициентов по каждой из осей в отдельности либо по всем трем осям сразу. Параметрами положения могут быть вектор переноса Т, вектор поворота Е, задающий углы поворота i-го объекта на заданные углы относительно координатных осей. • В(М) - банк моделей объектов, каждый из которых может быть как непроизводной , так и составной фигурой. Каждой модели поставлено в соответствие символическое имя, по которому идет поиск информации, и имя файла, в котором хранится вся информация, относящаяся к модели. • А - атрибуты моделей (материал, плотность, цвет и т. д. )

• Модель материального тела или конструктивная (constructive solid geometry, CSG) модель дает возможность определить качественные характеристики объекта, из каких элементарных частей состоит тело и т. д. • Имея набор граничных моделей и информацию о связях между ними, можно получать конструктивные модели сложных объектов.

Рис. 1 Пример входной информации, созданной в редакторе ГНОМ для получения трёхмерной модели геометрического объекта в модуле ОБРАЗ пакета КИТЕЖ.

Рис. 2 Результат визуализации 3 D модели, синтезированной по исходной информации, данной на рис. 1

Рис. 7 Пример информации, не позволяющей однозначно восстановить 3 D образ пространственного объекта

Рис. 4 Объекты, удовлетворяющие чертежу, показанному на рис. 3

алгоритм синтеза модели по проекциям • • • анализ проекций; создание массивов 3 -х мерных координат; поиск и удаление ложных геометрических элементов (ЛГЭ); создание возможных каркасов; создание граничных моделей; создание конструктивных моделей.

«целый» объект Каркасная модель 8 объектов с вырезанной «четвертью» Рис. 5 Пример мультипликативного решения задачи синтеза

Непроизводной фигурой (НФ) – называется пространственное тело, которое в данном классе задач рассматривается как единое и неделимое. призма цилиндр пирамида конус шар Рис. 6 Примеры НФ

Составной фигурой (СФ) – называется 3 D-объект, созданный с применением аппарата теоретикомножественных операций: объединения ( ), пересечения ( ), вычитания ( / ) Рис. 7 Пример СФ

Теоретико-множественная операция «Объединение» Множество А Множество В А В Множество С С=А В Любой элемент множества С принадлежит либо множеству А, либо множеству В.

Теоретико-множественная операция «Пересечение» С=А В Любой элемент множества С принадлежит и множеству А, и множеству В одновременно.

Теоретико-множественная операция «Вычитание»

Основные приемы моделирования Порядок создания модели в КОМПАС-3 D

Эскиз - плоская фигура, на основе которой образуется объемный элемент Операция – формообразующее перемещени эскиза, в результате которого образуется объемный элемент

Типы формообразующих операций Кинематическая операция Операция «по сечениям» (4) Общий случай (3) Выдавливание (1) Вращение (2)

Выдавливание эскиза в направлении, перпендикулярном плоскости эскиза Рис. 9 Эскиз и элемент, образованный операцией выдавли

Вращение эскиза вокруг оси, лежащей в плоскости эскиза Рис. 8 Эскиз и элемент, образованный операцией вращения

Кинематическая операция - перемещение эскиза вдоль указанной направляющей, Рис. 10 Эскизы (два) и элемент, образованный кинематической операцией

Построение тела по нескольким сечениям - эскизам 1 2 3 … n Рис. 11 Эскизы (n штук) и элемент, образованный операцией по сечениям

Основные этапы создания модели • Создание основания - первого объемного элемента модели. В качестве основания можно использовать любой из четырех типов формообразующих элементов – элемент выдавливания элемент вращения кинематический элемент по сечениям

Создание основания модели • Выбор плоскости (три стандартные или вспомогательные плоскости) • Создание эскиза • Применение формообразующей операции

«Приклеивание» или «вырезание» части модели • Выбор плоскости (три стандартные, любая грань объекта, вспомогательные плоскости) • Создание эскиза • Применение формообразующей операции

Роль и место САПР в CALS -технологиях

CALS – Continuous Acquisition and Life cycle Support НЕПРЕРЫВНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКТА концепция PLM (Product Lifecycle Management),

Электронная модель изделия (ЭМИ)

Составные части CALS-технологий Drafting Автоматизированное Черчение Design Manufacturing Rapid Prototyping Автомат - ое Констр-ние CAM CARP Computer Aided CA CAA CAE CAVE CA CA CA Assembly Engineering Visualization Env Автомат - ая Автомат - е CAS CAPP CA CA Simulation Process Planning Автомат - ое CAT Testing Technologies Industrial Desing Автомат - ые Автомат - ая Технология CAID CA CA CA Планирование Процесса Испытания Автомат - ый CAQ CA Quality Автомат - ое Промышлен-ный Дизайн Обеспечение Качества CAI CA… PDM CA CA Engineering Inspection Автомат - ая Автомат - ое Управление CAD Data Management Автомат - ые Изготовление Быстрое Прототипиро -вание Сборка Инж. расчёты Средства Визуализации Моделирование Приёмка … Инженерными Данными

Обработка изображений Анализ объекта Синтез изображений Пространство изображения Геометрическое моделирование объекта Анализ изображений Синтез объекта Вычислительная геометрия

Классификация САПР (систем СAD/CAM/CAE) II класс: несвязанные R 3 R 2 I класс: связанные R 2 I рода II рода R 3 R 2 Прямая задача НГ Прямая и обратная задачи НГ

Системы CAD/CAM/CAE для ПЭВМ Урезанный вариант системы для рабочей станции, в которой вводятся либо аппаратные ограничения, либо ограничения на объем обрабатываемой информации Системы, изначально ориентированные на ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ и получение проекционных изображений пространственных объектов Системы, предназначенные для формирования ЧКД и дополненные программами для моделирования 3 D -объектов

Роль и место САПР в CALS -технологиях

Электронная модель изделия (ЭМИ)

Хронологическая иерархия геометро-графических стандартов

Описание детали в формате IGES file generated from an Kompas a. 0 for Windows drawing by the IGES S 1 translator from Ascon Ltd. , translator version IGESOUT-5. 1. S 2 1 H, , 1 H; , 10 HVERSIONa. 0, 56 HC: Documents and SettingsРатковРабочий столДG 1 еталь. igs, 28 HKompas( 32 bit ) for Windows, 3 H 1. 0, 32, 38, 6, 308, 15, 56 HC: Doc. G 2 uments and SettingsРатковРабочий столДеталь. igs, 1. , 2, 2 HMM, 1000, 1. , 16 HG 3 -17900102: 093351, 1. e-006, 0. , 7 Hunknown, 5 HASCON, 0, 0, 13 H 100202: 093351; G 4 110 1 0 0 001010000 D 1 110 1 0 2 0 0 D 2 124 3 0 0 001020201 D 3 124 0 0 2 0 0 D 4 100 5 0 0 3 001010001 D 5 100 1 0 2 0 0 D 6 120 7 0 0 001010001 D 7 120 0 0 1 0 0 D 8 126 8 0 0 001010501 D 9 126 0 0 2 0 0 D 10 124 10 0 0 001020201 D 11 124 0 0 2 0 0 D 12 100 12 0 0 11 001010001 D 13 100 1 0 2 0 0 D 14 126 14 0 0 001010501 D 15 126 0 0 2 0 0 D 16 124 16 0 0 001020201 D 17 124 0 0 3 0 0 D 18 100 19 0 0 17 001010001 D 19 100 1 0 2 0 0 D 20 126 21 0 0 001010501 D 21 126 0 0 2 0 0 D 22 124 23 0 0 001020201 D 23 124 0 0 D 24

Описание детали в формате STEP

Описание детали в формате DXF • • • • • • • • • • • • • 0 SECTION 2 HEADER 9 $ACADVER 1 AC 1015 9 $ACADMAINTVER 70 20 9 $DWGCODEPAGE 3 ANSI_1251 9 $INSBASE 10 0. 0 20 0. 0 30 0. 0 9 $EXTMIN 10 -0. 4346137872564525 20 -2. 579883045869267 30 -2. 7 9 $EXTMAX 10 23. 61088637926152 20 16. 61352655785743 30 9. 0 9 $LIMMIN 10 -0. 4346137940883637 20 23. 61088562011719 9 $LIMMAX 10 16. 61352729797363 20

Варианты схем обмена данными

Примеры чертежей

Соотношение длины файла в различных системах

Соотношение длин файлов Таблица 1. 3. 3 Система КОМПАС Auto. CAD CATIA 2 D CATIA 3 D КОМПАС 0. 45 0. 31 0. 125 Auto. CAD 2. 22 0. 684 0. 278 CATIA 2 D 3. 226 1. 46 0. 407 CATIA 3 D 8 3. 6 2. 457

Информационные модели изображений

Редактирование Файл модели Файл клипарта Сканер Вывод на экран Контрольное изображение «Твердые» копии

• Способ записи информации с помощью последовательности байт называют форматом файла. • Графический формат - это способ записи графической информации

Способ представления изображения оказывает влияние на: • возможности его редактирования; • возможности печати; • на объем занимаемой памяти.

Информационные модели изображений Пиксельная (растровая) модель Векторная модель Обобщённая сетчатая модель

Растровый формат, характеризуется тем, что все изображение по вертикали и горизонтали разбивается на достаточно мелкие элементы изображения, или пикселы (от английского pixel picture element).

• Растровая модель – последовательность описаний всех пикселов изображения – дескрипторов • Содержание дескриптора и его размеры зависят от способа представления информации о цвете.

Эффект смыкания Границы проявления: 0, 7 – 1, 5 сек. углового расстояния между предметами

Эффект смыкания в действии

Чем меньше элементы, на которые разбивается изображение, тем больше разрешение (resolution) изображения • Размер (size) изображения, хранящегося в файле, задается в виде числа пикселов по горизонтали (width) и вертикали (height). Для примера, оптимальное разрешение 15 -дюймового монитора, как правило, составляет 1024 x 768.

Разрешение

Важной является информация о количестве цветов, закодированных в файле • если для кодировки отвести лишь один бит, то каждый пиксел может быть либо белым (значение 1), либо черным (значение 0). Такое изображение называют монохромным monochrome) • если для кодировки отвести четыре бита, то можно закодировать16 различных цветов. • если отвести 8 бит - то такой рисунок может содержать 256 различных цветов • если 16 бит - 216=65 536 различных цветов (так называемый High Color) • если отвести 24 бита, то рисунок может содержать 16 777 216 различных цветов и оттенков. В последнем случае кодировка называется 24 -bit True Color

Достоинства пиксельной модели: • Пикс. модель существующих изображений или сцен легко построить автоматически путем сканирования или цифровой фотосъемки; • ПМИ можно редактировать на любом уровне глобальности – от одновременного изменения характеристик всех его пикселов до воздействия на любой отдельно взятый пиксел; • Процедура преобразования ПМИ в изображение при выводе на экран или печать очень проста.

Недостатки растровой модели: • Жестко фиксированное количество пикселов в растре (при увеличении размеров изображения исчезает эффект смыкания) • При уменьшении размеров пикс. изображения часть информации теряется из-за невозможности воспроизведения слишком мелких пикселов; • Появление муара (явление интерференции) при сканировании ранее созданного растрового изображения; • Отсутствие внутренней структуры изображения; • Основным недостатком растровой графики является большой объем памяти, требуемый для хранения изображения.

Пример изображения, созданного с использованием растровой графики:

Векторная модель изображения • В отличие от растровой графики в векторной графике изображение строится с помощью математических описаний объектов, более крупных и семантически нагруженных, чем пикселы.

• Дескрипторы объектов, составляющих векторную модель, неодинаковы – их структура и размеры зависят от типа объекта, которому дескриптор соответствует, и значений его атрибутов.

Достоинства векторной модели: • Для размещения ВМИ в памяти компьютера и в файле не требуется много места, поскольку хранятся сведения только о типах и значениях аргументов объектов. • ВМИ может быть структурирована с произвольной степенью детализации. Это позволяет очень быстро ориентироваться в изображении. • Векторные изображения легко масштабируются, без потери качества изображения. • В ВМИ текст представляется отдельной категорией объектов.

Недостатки векторной модели: • Включение в состав ВМИ множества типов объектов затрудняет изучение её устройства – на освоение приемов работы с программой векторной комп. графики требуется больше времени. • Построение ВМИ представляет собой задачу, плохо поддающуюся автоматизации. • ВМИ не дает пользователю инструментов, соответствующих традиционной технике живописи. Векторные изображения выглядят резко, «мультяшно» . Для создания реалистичных изображений требуются большие навыки работы и огромное количество объектов, составляющих модель.

Обобщенная сетчатая модель • СМ предназначена для представления в памяти компьютера не изображения, а трехмерных геометрических объектов, при проецировании которых на ту или иную картинную плоскость это изображение можно получить автоматически.

Достоинства сетчатой модели: • СМ соответствует не изображению, а форме объектов и несет в себе больше информации о них, чем любая модель двумерной графики. • СМ дает возможность автоматически решать задачи построения иллюзии перспективы, теней и бликов при различном освещении. • СМ дает возможность с минимальными затратами труда строить изображение смоделированной сцены в любом ракурсе. • СМ удобна для анимации. • СМ, будучи по своей природе векторной, сохраняет многие достоинства ВМИ.

Недостатки сетчатой модели: • Художественные возможности менее широки, чем у ПМИ и ВМИ. • При построении сложных моделей число граней стремительно растет. • Работа с СМ предъявляет повышенные требования к пользователю программ.

Ортографическая проекция

Аксонометрическая проекция

Перспективная проекция

Цветные линии

Определение видимых линий

Определение видимых поверхностей (рассеянный “ambient” свет)

Закраска индивидуальных полигонов (плоская “flat” закраска)

Закраска Гуро (Gouraud) (диффузное отражение)

Закраска Гуро (Gouraud) (зеркальное “specular” отражение)

Закраска Фонга (Phong) (зеркальное отражение)

Криволинейные поверхности (зеркальное отражение)

Текстуры и тени (отражение в зеркале)