Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3722

.pdf
Скачиваний:
5
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
12.21 Mб
Скачать

Выпуск № 4 (52), 2018

ISSN 2541-7592

DOI 10.25987/VSTU.2018.52.4.004

УДК 630*663.26 : 330.15

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ НАГЛЯДНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЛЕСОВОЗНЫМ АВТОМОБИЛЬНЫМ ДОРОГАМ

О. В. Рябова1, В. В. Никитин2, Е. В. Чернышова3, Е. Ю. Микова4

Воронежский государственный технический университет 1 Россия, г. Воронеж

Воронежский государственный университет инженерных технологий 2, 3, 4 Россия, г. Воронеж

1Д-р техн. наук, проф. кафедры строительства и эксплуатации автомобильных дорог, тел.: (473) 236-18-89, e-mail: ecodor@bk.ru

2Канд. техн. наук, доц., докторант кафедры информационной безопасности

3Канд. техн. наук, доц. кафедры информационной безопасности, тел.: +7-905-050-15-05,

e-mail: elenabok@mail.ru

4 Экстерн кафедры информационной безопасности

Постановка задачи. Современная лесовозная автомобильная дорога — капитальное строительное сооружение, являющееся местом работы и отдыха многих людей, — должна удовлетворять требованиям безопасности и удобства движения, а также высоким эстетическим требованиям. Удовлетворить эти требования можно при соблюдении следующих принципов: проектирования трассы как единой плавной кривой в пространстве с взаимосвязанными элементами; оптического трассирования; увязки трассы с ландшафтом. Сочетание элементов лесовозной автомобильной дороги и увязку их с ландшафтом трудно оценить по обычным проектным документам (плану и продольному профилю), необходима более наглядная форма представления.

Результаты. Метод объемно-графического моделирования предусматривает изготовление цифровых моделей участков дорог, построение перспективных изображений, параллельных фронтальных проекций дорожного полотна. С помощью объемных моделей целесообразно моделировать только полотно дороги, без откосов и прилегающей местности, в целях контроля внутренней плавности трассы.

Выводы. Для анализа пространственного трассирования и вписывания сооружений в ландшафт используется макеты дорог и сооружений, рельефно показывающие ситуацию и высоту местности в широкой полосе. Такие модели дают возможность оценить вид дороги с разных сторон. Устанавливая на модели местности макеты разных вариантов сооружений, можно выбрать их тип, наилучшим образом соответствующий местным условиям.

Ключевые слова: лесовозная автомобильная дорога, трассирование, проектирование.

Введение. Первыми отечественными теоретико-экспериментальными работами по преобразованию комплексного чертежа в наглядное изображение с помощью электроннолучевой трубки явились работы А. Н. Беляева [33] и А. С. Менжуловой [31], которые дали толчок к появлению более современных математических моделей наглядных изображений. В работах В. А. Допперта [2] разработаны вопросы автоматизации ввода графической информации и решения геометрических задач с помощью ЭВМ, автором предложено специальное устройство для ввода исходных данных на базе фототелеграфного аппарата. Большая исследовательская и экспериментальная работа проделана А. Ю. Арутюнян [23], О. В. Бурмистро-

© Рябова О. В., Никитин В. В., Чернышова Е. В., Микова Е. Ю., 2018

41

Научный журнал строительства и архитектуры

вой [25], В. А. Гулевским [1], разработан метод построения киноаксонометрии автомобильных дорог с последующим выводом отдельных кинокадров на экран электронно-лучевой трубки чертежного автомата [12, 18]. Вопросам автоматизации решения геометрических задач, в числе которых задачи по определению проекций линий пересечения многогранных поверхностей и поверхностей второго порядка, а также вопросам определения видимости линий на ортогональных чертежах посвящены работы М. М. Умарова, А. В. Скрыпникова, Е. В., Чернышовой, Е. В. Кондрашовой [19—21, 26]. С. В. Дорохин [10] исследовал вопрос автоматизации построения аксонометрических чертежей трехмерного и четырехмерного пространства под различными ракурсами, им же создана программа динамического конструирования поверхностей с выводом аксонометрического изображения каркаса поверхности на экран чертежного автомата. Формированию математических моделей с выводом их наглядного изображения на динамические экраны посвящены работы А. С. Ярошутина [29], Д. Е. Токарева [14], которые разработали методику и машинные алгоритмы построения многовидовых перспектив отдельно стоящего объекта и в интерьере объекта с учетом и без учета зрительного восприятия. Последнему также принадлежит программа автоматического построения многовидовых планировочных перспектив как из оптимальной «статической», так

ииз любой «динамической» точки зрения. А. И. Урюпиным [28] предложена методика построения центральной киноаксонометрии автомобильной дороги с динамической точки зрения. А. А. Ляпиным [5] и В. А. Морковиным [6] предложены машинные методы построения аксонометрических и перспективных изображений трехмерных объектов. Преобразование координат, связанное с выбором типа проекции, т. е. изменение расстояния и ориентации объекта относительно центра проецирования и перспективное масштабирование выполняются в матричной форме с использованием однородных координат. В [30] разработана программа построения перспективного изображения участков автомобильных дорог. В [15] представлены результаты разработки программной системы для построения аксонометрических и перспективных изображений архитектурных объектов и автомобильных дорог.

Принципы сочетания элементов лесовозной автомобильной дороги и увязку их с ландшафтом трудно оценить по обычным проектным документам (плану и продольному профилю), необходима более наглядная форма представления. Такой формой является метод объ- емно-графического моделирования (3D), который предусматривает изготовление цифровых моделей участков дорог, построение перспективных изображений, параллельных фронтальных проекций дорожного полотна.

Спомощью объемных моделей чаще всего моделируют только полотно дороги, без откосов и прилегающей местности, в целях контроля внутренней плавности трассы.

Для анализа пространственного трассирования и вписывания сооружений в ландшафт используются макеты дорог и сооружений, рельефно показывающие ситуацию и высоту местности в широкой полосе [12, 28, 33]. Такие модели дают возможность оценить вид дороги с разных сторон [23, 30]. Устанавливая на модели местности макеты разных вариантов сооружений, можно выбрать их тип, наилучшим образом соответствующий местным условиям.

Целью этой работы является исследование методов преобразования чертежа в наглядное изображение при проектировании лесовозных автомобильных дорог.

1. Вопросы автоматизации построения наглядных изображений. Несоответствие точек зрения при рассмотрении графических моделей и натуры, существенно влияющее на правильное восприятие и оценку формы, масштабности, пропорций и т. д., значительно снижает их роль как важного проверочного средства. Перспективное развитие анализируемой трассы с высоты глаз водителя можно наблюдать визуально на модели лишь с помощью специальных перископических устройств. Наиболее распространенным способом объемно-графического моделирования, служащим для оценки пространственной плавности

ибезопасности движения проектируемой дороги, а также для проверки соблюдения прин-

42

Выпуск № 4 (52), 2018

ISSN 2541-7592

ципа архитектурно-ландшафтного проектирования, являются наглядные изображения, то есть 3D-модели.

Возросшая роль наглядных изображений остро ставит вопрос о повышении их «качества», или уровня наглядности. В этой связи при построении наглядных изображений лесовозных автомобильных дорог и рельефа местности в первую очередь должны учитываться особенности зрительного восприятия [14, 25]. Наглядные изображения используются как аппарат для решения метрических и позиционных задач инженерного содержания, которые связаны с определением характера взаимного расположения геометрических элементов полотна лесовозной автомобильной дороги, пересечения откосов, ландшафтного проектирования и т. д. Метрические задачи относятся, главным образом, к формообразованию трассы и геометрическим элементам полотна дороги. Среди многих задач, возникающих при проектировании лесовозных автомобильных дорог, с помощью наглядных изображений лучше всего решаются следующие:

1.Оценка оптической плавности дороги с разных точек зрения;

2.Проверка видимости на дороге с точки зрения транспортно-эксплуатационных качеств дороги и безопасности движения;

3.Оценка визуального восприятия трассы водителем;

4.Выявление и устранение зрительных иллюзий, возникающих при перспективном искажении;

5.Проверка сложных участков, к числу которых относятся [4, 23]:

а) видимые на большом расстоянии с возвышенных точек продольного профиля вогнутые участки со сложными сочетаниями элементов плана,

б) участки с неудовлетворительными сочетаниями элементов плана, в) участки с волнообразным продольным профилем на кривых в плане,

г) кривые малых радиусов в плане, для повышения оптической плавности которых предусматривается введение переходных кривых;

6.Изучение особенностей рельефа;

7.Согласование элементов дороги с ландшафтом (крутизна откосов насыпей и выемок

иих отделка должны быть подчинены общей идее правильного вписания дороги в окружающий ландшафт);

8.Внесение необходимых корректив в исследуемые варианты;

9.Анализ различных вариантов проложения трассы;

10.Оценка визуального восприятия встречного и попутного движения;

11.Вычисление параметров переходных кривых;

12.Проверка расположения мостов и путепроводов с целью определения их влияния на ограничение видимости и правильности трассы.

В зависимости от положения точки зрения и вида картинной плоскости наглядные изображения, применяемые в изыскании и проектировании автомобильных дорог, можно разделить на три типа:

1.Наглядные изображения, предающие картину зрительного восприятия дорожной обстановки водителем. Изображения строятся на плоскую картину по законам линейной перспективы. В этом случае поле зрения обычно ограничивается углом детального видения 28— 300 в горизонтальной плоскости и таким же углом в вертикальной [1, 3];

2.Наглядные изображения, передающие картину зрительного восприятия обстановки пассажиром, находящимся в машине. Они строятся на цилиндрическую картинную поверхность по законам панорамной перспективы;

3.Наглядные изображения, воссоздающие картину зрительного восприятия при обзоре местности с видовых площадок. В качестве картинной поверхности используются конус, цилиндр. В этом случае точка зрения выбирается исключительно по соображениям наилуч-

43

Научный журнал строительства и архитектуры

шей видимости выбранного участка дороги. Панорамное изображение наиболее близко к натурному восприятию пространства.

По способам выполнения наглядные изображения можно разделить на три вида:

1)построенные вручную по точкам, определенным графическим путем;

2)построенные вручную по координатам, вычисленным с помощью информационных технологий;

3)построенные с помощью геоинформационных технологий и выведенные на монитор. У нас и за рубежом разработано несколько методов автоматизированного построения

перспективных изображений [2, 26]. Однако чертежи, выполненные с помощью ЭВМ, не позволяют судить о гармоничности дороги и окружающей местности. Для комплексного решения этого вопроса предлагается метод фотовидеомонтажа, который позволяет объединить изображение окружающей местности с перспективным изображением дорожного полотна и проанализировать удачность сочетания форм рельефа и элементов дороги. Известно несколько способов выполнения фотомонтажа с применением фототеодолитной съемки (работы Токийского университета) [8], с использованием принципов фотограмметрии (разработки университета штата Колорадо) [15, 29]. Кроме того, имеется еще ряд приборов и приспособлений, с помощью которых можно зарисовать видимые очертания рельефа местности, отдельные предметы, растительность и т. д. [16, 18].

Наглядность перспективы может быть усилена при использовании анаглифических изображений, так как они дают иллюзию объемности изображения любого участка проектируемой дороги. Однако этот способ требует некоторого навыка вычерчивания и опыта в рассмотрении. Стереоскопические изображения, насколько известно, для применения в дорожном проектировании не исследовались.

Применение наглядных изображений в процессе изыскания и проектирования лесовозных автомобильных дорог целесообразно только тогда, когда методы их построения точны, не трудоемки и доступны любому инженеру.

Перечисленные выше задачи, решаемые с помощью наглядных изображений, говорят об их неоспоримом преимуществе перед другими методами оценки расположения трассы на местности. Они значительно дешевле, гораздо быстрее изготавливаются, более точны, занимают мало места, их удобно хранить и легко размножать, кроме того, их можно использовать для решения метрических и позиционных задач с целью внесения изменений в рассматриваемой проект.

2. Анализ существующих методов построения линейных и панорамных перспек-

тив с точки зрения пригодности их для получения наглядных изображений дороги и рельефа местности позволяет выяснить предпосылки для автоматизации их построения. Прежде всего сформируем требования, которым должны удовлетворять наглядные изображения объектов и методы их построения.

Наиболее важным качеством наглядных изображений является их достоверность, т. е. зрительное сходство двух образов — объекта в натуре и его изображения [21, 22]. Информация, получаемая мозгом при рассмотрении достоверного изображения и его объекта, должна быть идентичной [9, 24]. Перспективные искажения не должны влиять на правильность восприятия зрительных форм объектов. Наглядные изображения лесовозной автомобильной дороги и прилегающей местности должны строиться сравнительно просто, без больших затрат времени и обладать достаточной точностью, которая обусловливается достоверным восприятием изображаемой дороги водителем и точностью реконструкции перспективы.

Так как наглядные изображения используются для решения инженерных задач (определения истинных размеров сооружения и его частей, корректировки проектных решений с помощью перспективного анализа дороги), они должны быть обратимыми.

44

Выпуск № 4 (52), 2018

ISSN 2541-7592

Выбор центра проецирования должен соответствовать реальным точкам рассмотрения, а вид изображения должен определяться положением точки зрения.

При построении наглядных изображений с помощью информационных технологий добавляется еще ряд требований. Исходная информация в памяти компьютера должна быть представлена в наиболее компактной форме.

Алгоритмы отображения трехмерного объекта на поле графического устройства должны быть универсальными.

Максимальная наглядность должна быть достигнута за счет автоматического устранения невидимых линий.

По способам исполнения наглядные изображения можно разделить на три типа:

1.Графические — все построения выполняются вручную по точкам, определяемым геометрическим путем;

2.Графоаналитические — все построения выполняются вручную или с помощью различных приспособлений (в том числе и компьютера) по точкам, координаты которых определяются аналитически или по номограммам и графикам;

3.Механические — все построения выполняются с помощью специальных приборов. Графические методы построения линейной и панорамной перспектив в основном уже

являются классическими, они подробно изложены в отечественной и зарубежной литературе [14, 21, 27]. Эти методы не отвечают изложенным выше современным требованиям — они трудоемки, громоздки, точность построения невысокая. Графические методы не создают предпосылок для автоматического построения наглядных изображений. Основное их применение — декоративная живопись, архитектура.

Подробнее остановимся на графоаналитических методах. Классификация существующих методов построения линейных и панорамных перспектив приведена в таблице. Для каждого метода процесс построения наглядных изображений можно разбить на три этапа:

1)получение исходных данных;

2)определение перспективных координат;

3)построение перспективного изображения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вид картинной

Получение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

Основное

поверхности

исходных данных

 

 

 

 

 

 

 

 

перспективных координат

применение

 

 

Координатный метод

 

 

 

 

 

Автор — V. Ranke

 

 

Плоскость

Снимаются

 

b В

 

l

, h H

 

l

,

 

Автомобильная до-

 

 

 

 

 

 

рога, топографиче-

цилиндра

с чертежа вручную

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

E

 

 

 

 

c помощью программы

 

ская поверхность

 

 

Автор — Б. С. Томаревская

 

 

Цилиндр,

 

 

Zц

 

 

 

 

 

 

rz'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конус

 

 

 

удаленце

 

 

 

 

 

 

 

Автор — В. П. Панов

 

 

 

 

 

Z

ц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rzц

,

 

Цилиндр,

 

 

 

Cos (rCos rCos )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c помощью сеток

 

 

конус

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

zd

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

ц

 

 

ц

y

 

 

 

 

 

 

1800

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор — Г. И. Авдеенко

 

 

Цилиндр,

 

 

X x

 

dYSin Sin

,

 

 

 

Sin YCos zSin

 

конус, сфера

 

 

с помощью ЭВМ

 

 

 

 

 

 

 

45

Научный журнал строительства и архитектуры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окончание табл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вид картинной

Получение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

 

 

 

 

Основное

поверхности

исходных данных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перспективных координат

применение

 

Метод угловых определений

 

 

 

 

 

 

 

Автор — Д. Г. Барышев

 

 

 

 

 

 

 

 

Плоскость,

Снимаются с чертежа

 

Х Ztg nY Ztg n

 

 

 

 

 

 

 

 

Автомобильная до-

вручную с помощью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цилиндр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рога

перспектограмм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор — E. Schreiser

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

r

 

Y Ztg

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ц

1800

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с помощью синусоидальной перспекто-

 

 

 

 

граммы и прямоугольной сетки

 

 

 

Аналитический метод

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор — Л. В. Широкова

 

 

 

 

 

 

 

 

Снимаются с чертежа

 

Y ' l2(Xp a) m2Yр n2Zp;

 

 

 

Различные техниче-

Плоскость

 

Z ' l3(Xp a) m3Yр n3Zp,

 

 

 

ские и архитектур-

вручную, кодируются

 

 

 

 

 

 

 

с помощью ЭВМ

 

 

 

 

 

 

 

 

ные сооружения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор — М. А. Григорьев

 

 

 

 

 

 

 

Цилиндр

Снимаются с чертежа

 

Алгоритм

 

не

 

указан,

расчет ведется с

Автомобильные до-

вручную

 

помощью ЭВМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

роги

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор — И. В. Соломин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RX(

 

 

9,84x2 11,97 6Y2

1,46Y)

 

 

 

 

Xn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

Снимаются с чертежа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(х2 у2)

 

 

 

 

Архитектурные со-

Цилиндр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вручную

 

 

 

 

 

 

RX(

 

9,84x2 11,97 6Y2

1,46Y)

оружения

 

 

 

Z

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(х2

у2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c помощью ЭВМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор — Г. С. Венедиктов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

Снимаются с чертежа

 

X '

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

R;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

2

 

Y2

 

 

 

z2

Y2

 

 

 

 

 

 

Сфера

вручную, кодируются с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n

 

 

 

n

n

 

 

 

 

 

Архитектурные со-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ZnR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

учетом геометрических

 

Z '

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оружения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

особенностей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zn Yn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

спомощью ЭВМ

Врезультате анализа таблицы можно сделать следующие выводы: во всех перечисленных методах исходные данные снимаются с чертежей, планов или топографических карт путем непосредственного измерения или с помощью специальных сеток, нанесенных на прозрачный материал; весь процесс определения исходных данных производится вручную и до настоящего времени не автоматизирован.

На втором этапе в тех случаях, когда координаты точек определяются графически как точки пересечения графиков и номограмм различного вида [6, 31, 33], возможности для автоматизации определения перспективных координат крайне ограничены. Методы (координатных [4, 17], угловых определений [8, 29], сетки плана и масштаба высот [3, 7]) имеют некоторые предпосылки для автоматизации определения перспективных координат. Аналитический метод имеет реальную возможность для автоматизации определения перспективных координат.

Третий этап — построение изображений по известным координатам выполняется методами, которые можно разделить на три группы.

К первой группе относятся все методы, не предусматривающие никаких средств механизации или автоматизации. Сюда можно отнести: координатный метод [4, 5, 33], метод угловых определений [16], метод сетки плана и масштаба высот [4, 8].

46

Выпуск № 4 (52), 2018

ISSN 2541-7592

Ко второй группе можно отнести методы, в которых применяются средства малой механизации: трилинейки, визуальные перспектографы [7, 9] шарнирно-рычажные эффинографы [18] и др. механические приспособления для вычерчивания перспективных изображений. Все перечисленные средства лишь частично облегчают процесс построения наглядных изображений и поэтому не имеют предпосылок и полной автоматизации.

К третьей группе относятся методы, геометрические построения в которых выполняются в основном автоматически, — это аналитический метод [7, 10, 19, 27]. Формирование наглядного изображения осуществляется с помощью специальных внешних устройств, работающих в комплексе с информационными системами. К ним относятся чертежные устройства с электромеханическим механизмом для получения изображения, чертежные устройства с получением изображения на экране монитора [1, 18].

3. Автоматизация построения наглядных изображений. Среди зарубежных работ,

посвященных вопросу автоматизации построения наглядных изображений, одной из первых является работа [22], автором которой создана программа построения ортогональных и перспективных проекций каркасов пространственных объектов, кроме того, им предусмотрен ряд пространственных преобразований объектов: перенос, вращение, изменение масштаба.

Автоматизация построения наглядных изображений позволяет более широко использовать их в дорожном проектирования, в частности в архитектурно-ландшафтном проектировании. В этом направлении исследования были проведены в [3, 13, 16—18, 33].

Общие вопросы автоматизации построения наглядных изображений, а также системы графического взаимодействия «человек и машина» обсуждаются и во многих других работах зарубежных авторов. Однако статьи чаще всего носят рекламный или дискуссионный характер.

Инженеру-проектировщику часто при выполнении некоторых видов чертежей и эскизов приходится решать задачу устранения невидимых линий. Как правило, он успешно справляется с этой задачей чисто эвристически. Гораздо сложнее научить это делать с использованием современных информационных технологий: здесь требуется алгоритм по устранению невидимых линий.

Необходимость в подобных алгоритмах и программных продуктах возникла вследствие расширяющегося применения информационных технологий, оборудованных графическими устройствами, для автоматизации экспериментальных, конструкторских работ

имоделирования.

Взависимости от вида объектов все методы устранения невидимых линий можно разделить на две группы: к первой группе относятся методы, определяющие видимость объектов, состоящих из плоскости элементов — граней [5, 23]; ко второй группе относятся методы, определяющие видимость объектов с произвольными криволинейными поверхностями [1, 24].

Кратко остановимся на каждом из перечисленных методов. Наиболее исследованы методы первой группы, так как сюда в основном относятся выпуклые и вогнутые многогранники. Выбор многогранников объясняется их широким распространением (особенно в архитектурном проектировании).

Всвою очередь, методы устранения невидимых линий на наглядных изображениях многогранников можно разбить на три подгруппы.

Алгоритм первой подгруппы позволяют определять невидимые линии как отдельных объектов, так и их совокупности [10, 15]. Видимость многогранников определяется комбинированием операций по определению видимости ребер и граней [16, 23], все ребра проверяются на выпуклость и вогнутость, удаляются проекции невидимых ребер, а также ребра вогнутые, принадлежащие одной условно видимой и одной условно невидимой грани, для отдельно стоящего объекта операция определения видимости на этом заканчивается. Если же имеется несколько объектов, то исследуется все оставшиеся ребра с помощью количествен-

47

Научный журнал строительства и архитектуры

ной характеристики — видимости θ, определяющей число граней, заслоняющих каждую из вершин ребра. Этот метод требует большого объема работы по кодировке объектов.

Вработе [18] производится определение видимости выпуклых многогранников и построение падающих теней от бесконечно удаленного источника света. Этот метод используется при построении перспективных изображений зданий промышленных районов. Алгоритм решения задачи состоит в определении границ интервала невидимости для каждого ребра, грани и многогранника в трехмерном пространстве с последующим преобразованием

вперспективное изображение. Этот метод может быть применен только к выпуклым многогранникам, но по сравнению с предыдущим он менее трудоемкий и сложный при подготовке исходной информации.

Ко второй подгруппе относится метод определения видимости путем сканирования объектов плоскостью, проходящей через центр проецирования. Определяется пересечение луча с частями объекта и формируется построчно видимое изображение [26]. Графическая информация выводится на экран. По быстродействию алгоритм вполне пригоден для практического использования.

Втретьей подгруппе видимость многогранников определяется последовательным поиском их видимых участков [9]. Этот метод основан на том, что все пространство рассматривается не как пустота, где содержатся исследуемые объекты, а как специальный выбор ячеек пространства, образованных частично гранями многогранников, а частично — искусственно введенными прозрачными гранями. С точки зрения машинного времени этот метод значительно экономичнее предыдущих, но отличается сложностью и трудоемкостью подготовки исходных данных.

Методы второй группы определяют видимость объектов, поверхность которых в основном задана аналитически. Поверхность, заданная однозначной непрерывной функцией z = f (x, y), рассекается плоскостями параллельными осями ОХ или ОY, видимость изображенной поверхности определяется в каждом параллельном сечении путем сравнения с экраном видимости [8, 27], который будет меняться для каждого сечения. В том случае, когда поверхность представляется системой точек в углах прямоугольной сетки, алгоритм определения видимости будет заключаться в следующем: элементы поверхности так упорядочиваются, что при проецировании не могут даже частично закрывать ранее спроецированные элементы поверхности. Отрезок ребра поверхности невидим в том случае, если его проекция лежит внутри области, образованной проекциями предыдущих элементов. Определение видимости ребер элемента поверхности сводится к нахождению части его проекции в невидимой области, заключенной между двумя кусочно-линейными функциями [6, 11]. Эти два метода рационально использовать в том случае, когда поверхность точно описывается функцией z= f (x, y).

При каркасном задании поверхности ее изображение определяется линиями уровня [4], видимость которых находится методом конкурирующих точек. Очерк поверхности получается в виде ломаной линии, соединяющей вершины ломаных, аппроксимирующих кривые линии уровня. Этот метод определяет только очерк, вопросы видимости полностью не решены.

При определении видимости топографической поверхности, заданной функциейz = f (x, y), используется метод секущих плоскостей [5, 7]. Вся поверхность рассекается пучком поверхностей, определяются уравнения линий пересечений, к ним проводятся касательные лучи, находятся точки касания (очерк поверхности) и методом конкурирующих точек определяется видимость последних. Топографическая поверхность описывается рядами Фурье, а для повышения точности аппроксимации предлагается увеличить число членов ряда за счет увеличения заданного количества точек поверхности. Это резко повышает объем необходимых вычислений, кроме того, пока еще не известно ни одной математической функции, которая могла бы во всех случаях описать топографическую поверхность.

48

Выпуск № 4 (52), 2018

ISSN 2541-7592

Проведенный анализ показал, что алгоритм по устранению невидимых линий на наглядных изображениях в значительной степени зависит от структуры изображаемых объектов и типа устройства, выводящего графическую информацию.

Выводы. Анализ выполненных исследований позволяет сделать следующие основные выводы:

1.Наглядные изображения являются важным средством отображения качества и анализа совершенства проектируемых пространственных объектов (лесовозных автомобильных дорог), они представляют собой гибкий, высокоэффективный аппарат объемно-графического моделирования;

2.Известные методы автоматизированного построения перспектив лесовозных автомобильных дорог не предусматривают получения совместных наглядных изображений дороги и рельефа местности;

3.Существующие методы устранения невидимых линий в основном разработаны для поверхностей, состоящих из плоских элементов-граней (типа зданий), и поверхностей, заданных аналитически z = f (x, y), а дорога и местность состоят из закономерных и незакономерных поверхностей, которые не всегда описываются аналитически, поэтому ни один из известных методов не может быть целиком использован для определения видимости наглядных изображениях дороги и местности;

4.Развитие и совершенствование методов построения совместных наглядных изображений лесовозных автомобильных дорог и рельефа местности на базе использовании информационных технологий в связи с созданием системы автоматизированного проектирования лесовозных автомобильных дорог является актуальной задачей.

Проектирование трассы как единой плавной пространственной кривой достигается гармоничным сочетанием прямых и кривых, радиусов и длин закруглений, уклонов и т. п. Должны быть исключены сочетания элементов, которые вызывают неверные действия водителей и приводят к зрительным иллюзиям. Чтобы трасса в пространстве была плавной, она должна удовлетворять трем основным требованиям: иметь ритмичное чередование элементов (внутренняя гармония трассы), быть согласованной с ландшафтом (внешняя гармония), обладать плавностью, включая зрительную плавность и оптическое ориентирование. Дорога должна ориентировать водителя своими элементами о дальнейшем своем направлении на расстояние, значительно превышающее фактическую величину видимости.

Для достижения этой цели используется принцип оптического трассирования, который позволяет заблаговременно оповестить водителей в местах поворотов и ограничения видимости о дальнейшем направлении и обеспечить таким образом уверенность действий и психологический комфорт водителя. Средства оптического трассирования располагаются в местах, где их воздействие на водителя особенно эффективно. К числу таких средств можно отнести: земляное полотно дороги, указательные столбики, растительность, ориентирование дороги на отдельно возвышающиеся предметы, окраску дорожных сооружений.

Библиографический список

1.Гулевский, В. А. Экспериментальная оценка сцепных качеств и ровности покрытий при различных состояниях автомобильных дорог и погодных условиях / В. А. Гулевский, А. В. Скрыпников, В. Г. Козлов [и др.] // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. — 2018. — № 1 (56). — С. 112—118.

2.Допперт, В. А. Модель многоуровневого процесса последовательной переработки многоуровневых интегрированных структур в лесопромышленном комплексе / В. А. Допперт [и др.]; ВГЛТА. — Воронеж, 2006. — 144 с. — Деп. в Рос. акад. наук 17.07.2006, № 938-В2006.

3.Кондрашова, Е. В. Исследование влияния параметров ходовой части и шин на интенсивность колебаний колес автомобилей / Е. В. Кондрашова, И. М. Петрищев, А. В. Скрыпников [и др.] // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. — 2015. — № 2 (45). — С. 46—55.

4.Кондрашова, Е. В. Прогнозирование интенсивности изнашивания протектора шин автомобилей / Е. В. Кондрашова, И. М. Петрищев, А. В. Скрыпников, С. В. Дорохин // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. — 2014. — № 1—2 (40—41). — С. 99—105.

49

Научный журнал строительства и архитектуры

5.Курьянов, В. К. Воздействие отработанных газов двигателей внутреннего сгорания лесовозного автотранспорта на окружающую среду / В. К. Курьянов, А. В. Скрыпников, С. А. Лебединский, А. А. Ляпин // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса, ВГЛТА. — Воронеж, 2005. — С. 126—129.

6.Курьянов, В. К. Модель режимов движения транспортных потоков на лесовозных автомобильных дорогах / В. К. Курьянов, А. В. Скрыпников, Е. В. Кондрашова, В. А. Морковин // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. — 2014. — № 2 (338). — С. 61—67.

7.Курьянов, В. К. Система повышения транспортно-эксплуатационного уровня автомобильных дорог республики Коми / В. К. Курьянов, О. В. Рябова, А. В. Скрыпников, О. Н. Бурмистрова. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 2005. — 53 с.

8.Курьянов, В. К. Стадийное повышение транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог в системе автоматизированного проектирования / В. К. Курьянов, О. В. Рябова, А. В. Скрыпников. — Воронеж: Изд-во ВГУ, 2004. — 192 с.

9.Курьянов, В. К. Экологические требования к лесовозным автомобильным дорогам в лесных предприятиях Центрально-Черноземного района / В. К. Курьянов, А. В. Скрыпников // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем лесного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. проф. В. С. Петровского. — Воронеж: ВГЛТА, 2000. — С. 255—258.

10.Петрищев, И. М. Исследование влияния дисбаланса колес на возникновение колебаний в системах подвески и рулевого управления различных моделей машин / И. М. Петрищев, Е. В. Кондрашова, А. В. Скрып-

ников, С. В. Дорохин // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. — 2014. —

1—2 (40—41). — С. 68—76.

11.Скрыпников, А. В. Модели формирования эксплуатационно-прочностных свойств покрытий автомобильных лесовозных дорог / А. В. Скрыпников. — М.: МГУЛ, 2005. — 6 с.

12.Скрыпников, А. В. Уравнения регрессии показателей эффективности и устойчивости торможения транспортных средств с учетом геометрии дороги / А. В. Скрыпников, Е. В. Кондрашова, Т. В. Скворцова // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Сер.: Технические науки. — 2006. — № 5. — С. 81—85.

13.Скрыпников, А. В. Алгоритм комплексного моделирования процесса функционирования автомобильной лесовозной дороги / А. В. Скрыпников. — М.: МГУЛ, 2005. — 6 с.

14.Скрыпников, А. В. Влияние значений параметров экономической среды на оптимальные расчет-

ные сроки службы мобильных сельскохозяйственных машин / А. В. Скрыпников, Е. В. Кондрашова, Ю. И. Трофимов, Д. Е. Токарев // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. — 2013. —

1 (36). — С. 60—69.

15.Скрыпников, А. В. Исследование чувствительности затрат на создание, реновацию и техническую эксплуатацию парка сельскохозяйственных машин к изменениям значений их срока службы / А. В. Скрыпни-

ков, Е. В. Кондрашова // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. — 2012. —

2 (33). — С. 160—162.

16.Скрыпников, А. В. Модель «землеройно-мелиоративная машина — технологический процесс» / А. В. Скрыпников, Е. В. Кондрашова // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. — 2012. — № 2 (33). — С. 169—171.

17.Скрыпников, А. В. Модель движения автомобилей на участках дорог с ограниченной видимостью / А. В. Скрыпников, С. В. Дорохин, А. Г. Чистяков, Е. В. Чернышова // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. — 2014. — № 4. — С. 81—85.

18.Скрыпников, А. В. Модель оптимизации стратегии пополнения, обновления, модернизации и ремонта парка сельскохозяйственных машин / А. В. Скрыпников, Е. В. Кондрашова // Вестник Воронежского государственного аграрного университета — 2012. — № 2 (33). — С. 163—168.

19.Скрыпников, А. В. Оптимизация параметров управления состоянием элементов сельскохозяйственной машины / А. В. Скрыпников, Е. В. Кондрашова // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. — 2012. — № 2 (33). — С. 157—159.

20.Скрыпников, А. В. Оценка транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог с учетом типовых режимов движения лесовозных автопоездов / А. В. Скрыпников. — М.: МГУЛ, 2005. — 4 с.

21.Скрыпников, А. В. Оценка транспортно-эксплуатационных свойств автомобильных лесовозных дорог с учетом движения нескольких скоростных групп автомобилей по однополосной дороге без обгона / А. В. Скрыпников. — М.: МГУЛ, 2005. — 5 с.

22.Скрыпников, А. В. Совершенствование теории, методов и моделей повышения транспортноэксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог: дис. … д-ра техн. наук: 05.21.01 / А. В. Скрыпников. — Воронеж, 2006. — 420 с.

23.Скрыпников, А. В. Способы оценки требуемого уровня надежности функционирования комплексного технического обеспечения / А. В. Скрыпников, М. М. Умаров, А. Ю., Арутюнян, Е. В. Чернышова // Сис-

50

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]