Проблема качества графической подготовки студентов в техническом вуз

Список литературы

1.Рабочие станции для САПР: первая пятилетка нового века [Электронный ресурс] // Открытые системы. – 2005. – № 3. – URL: http://www.osp.ru/os/2005/03/185388 (дата обращения: 10.02.2016).

2.OCUS Benchmark Version 6. – URL: http://www.proesite.com/ OCUSB6 (дата обращения: 10.02.2016).

3.3D news – новости Hardware (26.06.2015) [Электронный ресурс]. – URL: http://www.3dnews.ru/916221 (дата обращения: 23.01.2016).

4.Что такое 3D-мышь? [Электронный ресурс]. – URL: http://www. 3dconnexion.ru/products/spacemouse (дата обращения: 23.01.2016).

5.Рабочие станции HP [Электронный ресурс]. – URL: http://www. hparts.ru/catalog-hp/rabochie-stantsii-hp (дата обращения: 23.01.2016).

6.Рабочие станции Dell [Электронный ресурс]. – URL: http://www. dellparts.ru/catalog-dell/rabochie-stantsii-dell-precision (дата обращения: 23.01.2016).

7.Рабочие станции Lenovo [Электронный ресурс]. – URL: http: //www.lenovo-parts.com/catalog-lenovo/rabochie-stantsii-lenovo-thinkstation (дата обращения: 23.01.2016).

8.Рабочие станции Arbyte [Электронный ресурс]. – URL: http: //www.arbyte.ru/%D0%90%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0 %D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B5%D1%80%D0%B5%D1%88%D0% B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F/workplace.html (дата обращения: 23.01.2016).

9.Рабочие станции Depo [Электронный ресурс]. – URL: http://www. depo.ru/category_c1923576-2158017.aspx (датаобращения: 23.01.2016).

10.Рабочие станции Aquarius [Электронный ресурс]. – URL: http: //www.aq.ru/products/products/workstations (дата обращения: 23.01.2016).

11.Рабочие станции Kraftway [Электронный ресурс]. – URL: http: //www.kraftway.ru/products/6/rabochie-stantsii/kraftway-credo-pro-kw11 (дата обращения: 23.01.2016).

61

КРАТКО О СУТИ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ГРАФИКИ

Е.В. Попов, С.И. Ротков

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Нижний Новгород

Представлен взгляд авторов на суть компьютерной геометрии и графики как науки и учебной дисциплины.

Ключевые слова: компьютерная геометрия и графика, учебные дисциплины.

SUMMARY ON COMPUTER

GEOMETRY AND GRAPHICS

E.V. Popov, S.I. Rotkov

Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering,

Nizhny Novgorod

We describe in the paper our point of view on the computer graphics and geometry nature as a science and academic discipline.

Keywords: computer geometry and graphics, academic discipline.

Развернувшаяся на КГП – 2016 полемика о том, что «стоит за кнопками» и базовыми алгоритмами, заставила нас включиться в это обсуждение.

Действительно, все системы геометрии и графики мира, где, кем и как бы ни созданные, решают с точки зрения пользователя одни и те же функциональные задачи, оформленные в виде соответствующих кнопок на экране, с которыми работает пользователь, совершенно не отдавая себе отчет в том, что за кнопками стоят понятия формируемой геометрической модели проектируемого объекта, как одной из составляющих частей электронной модели изделия. Отметим также, что число функциональных кнопок и их структурный состав практически на зависят от того, какая это система. (И вообще кнопки возникли как проявление идеологии графического интерфейса пользователя (GUI) Дага Энгельбарта из научно-исследовательского института Стэнфорда, разработанной в 1960-е гг. Это могли бы быть вовсе не кнопки, а нечто другое, например интерактивный текст или просто пиктограммы.) Кроме того, составной частью любой системы мира являются внутренняя структура данных и соответствующие алгоритмы, базирующиеся на этих структу-

62

рах. Причем эти конкретно реализуемые алгоритмы могут существенно

ипринципиально отличаться от их теоретического изложения.

Вкомпьютерной геометрии и графике пространственных объектов выделено всего пять типов моделей геометрии объекта:

1)точечная модель (point cloud);

2)каркасная модель (wire frame);

3)граничная модель (boundary representation);

4)конструктивная(модельтвердоготела) (constructive solid geometry);

5)растровая или воксельная (pixel/voxel).

Определения моделей, область их применения, приводились в литературе неоднократно, например в [1–3]. Эти определения работают в любом пространстве измерений. Типы моделей расположены в порядке их усложнения. Каждая предыдущая модель может быть получена из последующей путем вычеркивания или неиспользования той или иной информации, что определяется внутренней структурой данных используемой системы или библиотеки функций. Кроме того, первые четыре модели объединяет один и тот же математический аппарат, основанный на классической аналитической математике. Необходимо также отметить, что эти четыре модели совершенно по-разному алгоритмически используются и реализуются при решении геометрических и графических задач в различных пространствах измерений. То, что хорошо в одномерном или двухмерном пространстве, совершенно не проходит в трехмерном, не говоря уже о четырехмерном и более. Увеличение числа измерений кардинально меняет природу, физику и алгоритмы вычислительного процесса.

Растровая или воксельная модель получается путем деления пополам пространства моделирования секущей плоскостью частного положения при Xi→0, где Xi – размер вокселя. Каждому вокселю ставится в соответствие либо 0, если воксель не принадлежит исследуемому или моделируемому материальному телу, либо 1 – в противном случае. Простейшим примером создания воксельной (растровой) модели является упомянутый в полемике алгоритм Брезенхема отображения прямой или кривой на растровом дисплее в двухмерном пространстве.

Методы решения геометрических и графических задач при использовании растровой или воксельной модели принципиально отличаются от методов и средств решения при использовании предыдущих типов моделей. Тот же алгоритм Брезенхема (или, вернее, не сам алгоритм, а растровое представление) при решении задач геометрических

63

построений дает существенный выигрыш по отношению к методам решения функциональных уравнений при вычислении точек пересечения сложных кривых, однако не позволяет решить эту задачу точно или по крайней мере с точностью до единицы разрядной сетки ЭВМ. (Следует заметить, что тот же Брезенхем не сопоставил свой алгоритм с методами решения вычислительных задач.) Растровые модели существенно облегчают выполнение булевых операций. Недостатком является большой объем памяти, что в нынешних условиях и скорости развития ЭВМ не является таким уж большим недостатком.

Главное преимущество воксельной модели состоит в однообразии вычислительного процесса для пространств любой размерности. В самом деле, 2 = 21, 4 = 22, 8 = 23 и т.д., где 2 – основание двоичной системы счисления, используемой в любой вычислительной машине, а показатель степени – размерность пространства измерения и моделирования. Структура данных описывается соответственно бинарным деревом, квадродеревом, октодеревом и т.д., а методы поиска и отображения данных, выделения и анализа подмножества вокселей по тем или иным критериям являются не изменными по отношению к размерности пространства, что является принципиальным моментом при создании систем геометрии и графики, особенно когда идет речь о моделировании и отображении геометрии особо сложных по структуре и размерам объектов и конструкций, с которыми многие известные системы не справляются в силу своих алгоритмических и структурных особенностей, скрытых от пользователя.

Первые четыре типа моделей, будучи созданными на основе классической математики и ориентированными на вычислительные машины классического неймановского типа, не допускают распараллеливания вычислительного процесса на кластерах или суперкомпьютерах, что приводит к неэффективному решению очень многих задач, в частности прочности и пластичности конструкций, газовой динамики, ядерных, аэрокосмических и прочих (время решения, подготовки, контроля и отображения данных становится недопустимо большим).

Воксельная модель дает возможность при уменьшении размера вокселя до сколь угодно малых значений решать физически непрерывные процессы дискретными способами и алгоритмами, например, свести размер конечного элемента при прочностном расчете конструкции до размеров вокселя (задача геометрическая и графическая). Используемые при этом древовидные структуры алгоритмически допускают их

64

использование на суперЭВМ (типа Ломоносов в МГУ или Лобачевский

вННГУ). В воксельноймоделиреализуются философские принципыединстваиборьбыпротивоположностей, непрерывного идискретного ит.д.

Анализ очень многих работ показывает, что тенденция развития систем компьютерной геометрии и графики, алгоритмов и программ, реализующих различные вычислительные задачи, стоящие за «кнопками», будут развиваться именно в направлении дискретной математики (об этом один из авторов вкратце докладывал на совещании в Дивноморском), а это, в свою очередь, потребует пересмотра и переосмысления очень многих ранее решенных геометрических и графических проблем и задач.

Такого переосмысления требуют и дисциплины, составляющие триаду ГГП: начертательная геометрия, инженерная графика, компьютерная графика. Основанием для переосмысления являются изменившиеся технологические условия в связи с развитием ЭВМ и информационных технологий. Аналитическим материалом для осмысления являются публикации коллег и выступления на конференциях, в том числе на КГП различных лет.

Если в случае с инженерной графикой «в ручном ее понимании» всем ясно, что, не отбрасывая ручные технологии построения изображений, надо уменьшать долю усилий на ее изучение, то с начертательной геометрий и компьютерной графикой дело обстоит иначе.

Пятидесятилетний опыт работы с информационными технологиями и с компьютерной геометрией и графикой с момента их становления как науки дает нам основание считать, что эти две дисциплины (начертательная геометрия и компьютерная графика) следует рассматривать в информационной и алгоритмической связке, не разделяя их ни в учебном, ни

внаучном смысле. Совместное использование методов и средств дает

впрактической деятельности очень хорошие результаты. Было создано значительное количество программных продуктов различного предназначения. Ярким примером этого является применение «Калибров» из Каспийского моря. Подобную геометро-графическую задачу, основанную на НГ и КГ, мы решали несколько десятков лет тому назад.

Компьютерная графика может быть определена как информационная технология отображения пространства большей размерности на двухмерное пространство, вне зависимости от того, на какой физический носитель (экран, бумага и т.п.) идет отображение и какие при этом решаются геометрические и графические задачи.

65

Геометрическое моделирование есть информационная техноло-

гия создания геометрической составляющей электронной модели изделия путем преобразования данных из пространства меньшей размерности в пространство большей размерности, т.е. решения обратной задачи.

Эти две информационные технологии невозможно отделить друг от друга: где кончается одна технология, начинается другая. Это две стороны одной медали под названием «электронная модель изделия».

Сопоставьте это с начертательной геометрией, а точнее с методами и средствами решения геометрических и графических задач.

Становится ясно, что начертательная геометрия является теоретическим базисом информационной технологии генерации и обработки геометрической и графической информации, а не только грамматикой языка чертежей.

Заметим также, что чертеж на бумажном носителе никто никогда не отменит, потому что он является юридически значимым документом с подписями и печатями, даже если он сделан в электронном виде и допускает в соответствии с ГОСТ использование проекционных изображений с простановкой размеров, допусков и посадок в виде аксонометрии. При любой аварийной или техногенной ситуации разбор полетов начинается с бумажного чертежа.

Учет смены парадигмы проектирования изделий и технологических средств, какими являются ЭВМ, нашли отражение в названии нашей научной специальности 05.01.01. Вспомните, как она называлась в предыдущих редакциях номенклатуры научных специальностей: «Начертательная геометрия и инженерная графика», «Прикладная геометрия и инженерная графика» и, наконец, «Инженерная геометрия и компьютерная графика». Остается неизменным только одно – технические науки. Таким образом, ВАК очень чутко отслеживает тенденции развития научных специальностей, и не только нашей. Не зря специальность 05.01.01 открывает всю группу 05 «Технические науки». Все остальные специальности базируются на методах и средствах геометрии и графики, дополненные своими методами и способами решения научных задач.

Нынешнее название специальности 05.01.01 при правильном понимании текущих событий в вузах дает юридическое и административное обоснование для отстаивания интересов кафедр и профессорскопреподавательского состава. Когда кафедра имеет в названии словосочетание «начертательная геометрия и черчение», то у любого ректора

66

к кафедре будет отрицательное отношение. Название «Инженерная геометрия и компьютерная графика» вводит кафедры под действие президентских документов о критических направлениях развития науки и промышленности и о важнейших технологиях двойного действия с соответствующими последствиями по финансированию учебного и научно-исследовательского процесса. Кроме того, это название позволяет защитить наши базовые дисциплины – НГ, ИГ и КГ – и уйти от непомерных аппетитов кафедр информационного профиля, которые не очень сведущи в наших геометро-графических делах.

Обсуждаемая нами проблема ГГП студентов и специалистов на данном этапе развития как профессорско-преподавательского состава, так и кафедр в целом должна быть приведена к единому для всего нашего геометро-графического сообщества консенсусу. Все три составляющие ГГП (НГ, ИГ и КГ) должны рассматриваться в своем триединстве с ориентацией не на сегодняшний день, а на много лет вперед (об этом уже писалось на КГП – 2014 и КГП – 2015 со ссылкой на книгу Е.П. Велихова, В.Б. Бетелина и А.Н. Кушниренко).

Список литературы

1.Ротков С.И. Разработка методов и средств геометрического моделирования и компьютерной графики пространственных объектов для CALS-технологий: дис. … д-ра техн. наук: 05.01.01. – Н. Новгород, 1999. – 280 с.

2.Попов Е.В. Метод натянутых сеток в задачах геометрического моделирования: дис. … д-ратехн. наук: 05.01.01. – Н. Новгород, 2002. – 300 с.

3.Тюрина В.А. Разработка методов преобразования каркасной модели в задаче синтеза образа 3D-объекта по его проекциям: дис. … канд.

техн. наук: 05.01.01. – Н. Новгород, 2003. – 170 с.

67

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ВЫЖИВАНИЯ КАФЕДР ГЕОМЕТРО-ГРАФИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ

С.И. Ротков

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Нижний Новгород

Рассматриваются проблемы текущей деятельности кафедр геометро-графической подготовки технических вузов.

Ключевые слова: инженерная геометрия, компьютерная графика, публикации, подготовка кадров.

CONCEPTUAL MODEL OF SAVING

FOR GEOMETRY&GRAPHICS CHIARS

S.I. Rotkov

Nizhny Novgorod University of Architecture and Civil Engineering,

Nizhny Novgorod

The working problems of geometry and graphics chairs in technical universities is discussed. Keywords: engineering geometry, computer graphics, papers, education of lecturers.

В материалах предыдущих конференций КГП – 2014 и КГП – 2015 мы неоднократно писали о низкой публикационной активности сотрудников кафедр геометро-графического профиля. Это привело к целому ряду отрицательных последствий в деятельности кафедр.

Начнем с диссертационных советов. Обстоятельства сложились так, что диссертационный совет МАИ (ТУ) прекратил свое существование, по крайней мере на три года. О причинах этого писать не будем, пусть москвичи разбираются между собой сами. Последствием ликвидации совета является фактический развал одной из ведущих научно-педагогических школ в области геометрии и графики. Анализ публикаций московских геометров и графиков в различных базах данных (РИНЦ и пр.) показывает, что в данный момент в Москве нет оснований для формирования диссертационного совета по специальности 05.01.01, так как все статьи ни прямо, ни косвенно не относятся не только к техническим наукам, но и далеки от геометро-графической тематики.

Объединенный диссертационный совет ОмГТУ и СибАДА находится в подвешенном состоянии по причинам технического характера. Его учредительные документы «зависли» где-то в недрах ВАК, и никто

68

не знает, как скоро они продвинутся в сторону подписания приказа об открытии совета.

Наш совет (ННГАСУ) просто чудом проскочил через сито ВАК: настолько жестким стал процесс создания диссертационного совета. Это относится ко всем без исключения советам, а не только по нашей специальности.

Достаточно жесткие условия Положения ВАК РФ о диссертационных советах и диссертациях привели к резкому сокращению круга потенциальных оппонентов по докторским и кандидатским диссертациям, а также к привлечению родственных кафедр вузов к работе в качестве ведущих организаций при рассмотрении работ в диссертационных советах. С учетом требования Положения о том, что информация о публикациях оппонентов по диссертации должна быть выложена в сети Интернет в определенные сроки, это только осложняет подготовку специалистов высшей квалификации, в том числе по нашей специальности. Обращение к москвичам, которых мы считали ведущими специалистами в области геометрии и графики, о привлечении их к работе в качестве официальных оппонентов, привел к ответу, что их не устраивает списочный состав диссертационного совета ННГАСУ и в силу этого они взаимодействовать с нами не будут. В связи с этим хочется напомнить классический ответ И.В. Сталина писателю А.А. Фадееву: «Работайте с теми, какие есть. Других писателей у меня нет». К сожалению, у нас в России других советов нет, равно как и нет других докторов наук, профессоров, членов совета, которые могут быть членами совета, учитывая не только публикации членов совета, но и естественный уход из жизни уважаемых специалистов (как это только что произошло с д.т.н., проф. В.Я. Волковым из Омска).

Д.Е. Тихонов-Бугров и В.Т. Тозик в докладе на КГП – 2016 предложили свое идеалистическое видение решения проблем со ссылками на публикации в «Известиях» от 2014 г., статьи в которой были отголосками совместного заседания Комитета по образованию, Комитета по науке и Минобрнауки от 14.02.2014 г. Всем руководителям, которые участвовали в этом мероприятии (В.А. Никонов, В.М. Филиппов, Л.М. Огородова и пр.), был задан вопрос руководителями институтов РАН и ректорами вузов: для кого мы готовим кадры? От ответа все они ушли, но чувствовалось, что им не очень комфортно от этого вопроса и его обсуждения. Если мы готовим кадры для иностранных государств, основываясь на принципе свободного перемещения кадров и знаний, то требования к учебному и научному процессу могут быть основаны на положениях

69

Болонского соглашения, которое, кстати, является документом рекомендательным (см. оригинал соглашения как на русском, так и на английском языках), а не обязательным к исполнению, как это установлено действующими нормативными документами. Если мы готовим кадры для себя, то Болонское соглашение в своих действиях можно пропустить мимо, пусть министерство и другие органы заботятся об этом, а мы будем и должны, каждый на своем месте, решать свои проблемы так, как считаем нужным и необходимым.

Действительно, проблема, как выживать нашим кафедрам, дисциплинам, специальности в тех условиях, в которые мы поставлены? Когда читаешь различные статьи, в том числе и в материалах КГП – 2016, у большинства заведующих кафедр и профессорско-преподавательского состава возникают одни и те же вопросы и примерно один алгоритм решений и действий, ограниченный решениями и действиям вышестоящего руководства (ректорат, деканат и пр.): уменьшение часов, отсутствие подготовленных кадров ППС и пр.

Один из способов поиска решений, в том числе прорывных, – уход в другую плоскость поиска (см. ТРИЗ), т.е. взгляд на проблему со стороны. Не хочу никого обидеть, но практически у всех коллег привычный, как говорится, замыленный взгляд. Да, мы все читаем курсы ГГП (НГ, ИГ, КГ), да, у всех нас те или иные ограничения, ФГОС, куча бумажной документации и трата на это сил и времени. Все это, к сожалению, надо делать.

Практически все кафедры нашего профиля, за редким исключением, относятся к обучающим кафедрам, с соответствующим к ним отношением со стороны руководства вуза. Примеров тому не счесть. Тут и объединение наших кафедр с выпускающими, где преподавателей ГГП «подминают» под себя представители других специальностей, и расформирование, и прочие административные препоны.

Одна из причин, на наш взгляд, состоит в том, что мы все стоим на позиции незыблемости наших дисциплин, а это далеко не так.

Кафедра, ее коллектив должны развиваться и расти качественно. Пока мы двигаемся, мы живем.

Следующий момент – перевод наших кафедр в разряд выпускающих. Мы не зря не раз написали о том, что название специальности 05.01.01 «Инженерная геометрия и компьютерная графика» должно быть в названии кафедры. Есть и юридический аргумент для этого – Номенклатура научных специальностей ВАК РФ и написание различ-

70