книги из ГПНТБ / Оперативные графические системы в автоматизации проектирования

лопатки турбин, насосов и т. д., распространение получил метод задания поверхности из отдельных четырехуголь­ ных участков [18].

Следует отметить, что программная реализация каж­ дого из методов задания трехмерных объектов связана с определенным расходом памяти ЭВМ и машинного вре­ мени. При разработке этих методов требование миними­ зации указанных расходов часто удовлетворяется за счет специализации на определенный класс объектов. Способы

.отображения объектов в оперативной графической систе­ ме также оказывают большое влияние на разработку этих методов. Современные графические устройства обычно отображают объект с помощью отдельных линий, т. е. не дают реальных полутоновых изображений. Такие поверхности, как плоскость, цилиндр, конус и другие по­ верхности вращения, достаточно наглядно и точно изо­ бражаются небольшим числом линий. Однако более сложные поверхности приходится изображать с помощью сетки линий, образованных, например, сечением поверх­ ности параллельными регулярно расположенными пло­ скостями. При наличии слишком большого числа линий на чертеже он становится неудобным для проектиров­ щика и приводит к мерцанию изображения на экране. В этом случае лишние линии необходимо удалить с чер­ тежа. Например, поверхность объекта можно рассма­ тривать непрозрачной, тогда удаляются невидимые линии, скрытые поверхностью от наблюдателя. Для выде­ ления лишних линий чертежа целесообразно также ис­ пользовать правила и условности технического черчения.

Большой интерес при разработке оперативных графи­ ческих систем представляют новые способы изображе­ ния трехмерных объектов, ранее невыполнимые или труд­ но выполнимые.

1. Можно показывать объект проектирования в дви­ жении. Для того чтобы лучше представить поверхность объекта, он изображается равномерно вращающимся вокруг заданной оси. В действительности его изображе­ ние изменяется скачками, но разница в угловом положе­ нии объекта между последовательными изображениями достаточно мала. Для вычисления координат точек изо­ бражения объекта используется известное из аналитиче­ ской геометрии проективное преобразование простран­ ства [19—21]

20

где x', y', z' — координаты точки объекта в его системе координат; х, у, z — координаты точки объекта в системе координат наблюдателя; Р — матрица преобразования порядка 4X4.

Кроме пересчета координат точек при перемещении объекта, преобразование (1.6) выполняет и другие зада­ чи: масштабирование, получение перспективного изобра­ жения. Характер этого преобразования зависит от значе­ ний 16 членов матрицы Р:

Ри\ Р\2\ Pi3— косинусы углов между осью X системы координат наблюдателя и соответственно осями X'Y'Z' объекта;

piь Р22, P2Z — косинусы углов между осью У системы координат наблюдателя и соответственно осями X'Y'Z' объекта;

РзР, Рз2, Рзз — косинусы углов между осью Z системы координат наблюдателя и соответственно осями X'Y'Z' объекта;

Pi\\ Pay, Раз — координаты начала системы координат объекта в системе координат наблюдателя;

Р\а, Р2А, Рза — величины, обратные координатам цент­ ра проекции (наблюдателя) в системе координат наблю­ дателя с обратным знаком;

Рн — коэффициент общего масштабирования. Следует отметить, что выполнение вращения объекта,

особенно совместно е удалением невидимых линий, свя­ зано с большим объемом вычислений и требует большого быстродействия оперативной графической системы.

2.Для представления проектировщику непосредст­

воспринимал изображение объекта, полученное из раз­ личных точек наблюдения. Как правило, оба изображе­ ния объекта имеют небольшую разницу, причем эта раз­ ница уменьшается с удалением объекта от наблюдателя. Для вычисления точек обоих изображений используется операция проективного преобразования (1.6).

При использовании стереоизображения по-прежнему требуется операция поворота и сдвига объекта, однако

21

Г л а в а 2

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОЕКТИРОВЩИКА С ЭВМ

2.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Основным компонентом графических устройств, при­ меняемых в оперативных графических системах (ОГС), является электроннолучевая трубка (ЭЛТ). Как извест­ но, в этих трубках изображение создается сфокусиро­ ванным электронным лучом, падающим на люмине­ сцентный экран. Перемещение по экрану светящегося пятна осуществляется отклоняющей системой. Устройст­ во, принцип действия, характеристики и многая другая информация о различных типах ЭЛТ широко освещены в литературе [1—4].

Работа человека в системе выдвигает определенные требования к параметрам ЭЛТ и блоков, связанных с ней. Эти требования сводятся в основном к таким харак­ теристикам, как разрешающая способность, яркость и контрастность, свойства люминофоров, точность, иска­ жения, мелькание изображения.

Разрешающая способность. Разрешающая способ­ ность индикаторного устройства определяется размерами светового пятна и в обычных ЭЛТ ограничивается диа­ метром электронного луча, а в запоминающих ЭЛТ (ЗЭЛТ) — параметрами накопительной сетки или друго­ го внутреннего элемента. Размеры пятна зависят также от свойств используемого люминофора и электрических характеристик ЭЛТ.

Диаметр электронного луча в значительной степени определяется током луча. Определено, что с увеличением тока луча пятно становится больше. В обычных ЭЛТ изменение тока луча от 50 до 300 мка приводит к увели­ чению размеров пятнав 1,8 раза [5]. Размеры пятна также зависят от местоположения его на экране ЭЛТ. В обычных ЭЛТ размер пятна у края экрана может в 2—

23

3 раза превышать размер в центре. В ЭЛТ с высокой раз­ решающей способностью наблюдаемое ухудшение у кра­ ев экрана может составить всего 15%. В некоторых типах индикаторных устройств используется динамическая фо­ кусировка для поддержания размеров пятна относитель­ но постоянными по .всей площади экрана. Изменение раз­ меров ЭЛТ приводит к изменению размеров пятна, при­ чем это соотношение близко к линейному.

Так, при увеличении диаметра трубки вдвое размер пятна должен возрасти приблизительно в два раза. Раз­ решающая способность зависит от зернистости люмино­ фора и его толщины. Экраны, состоящие из более мелких зерен, обладают более высокой разрешающей способ­ ностью.

Наилучшая разрешающая способность может быть получена в индикаторных устройствах, использующих ко­ ординатную развертку для отображения информации. В этом случае размер светового пятна в центре экрана для различных ЭЛТ колеблется от 0,2 до 0,7 мм. При использовании в качестве индикаторного устройства ТВ приемника со стандартным числом строк разложения разрешение обычно определяется 600 линиями независи­ мо от размеров экрана. Наименьшим разрешением обла­ дают ЗЭЛТ — 400 линий.

Яркость и контрастность. Эти два параметра тесно связаны друг с другом. Чем выше освещенность помеще­ ния, тем ярче должно быть изображение на экране для обеспечения необходимой контрастности. Большинство индикаторных устройств имеет яркость от 70 до 250 нит.

Яркость зависит от таких факторов, как тип приме­ няемого люминофора, ток луча, время возбуждения, ча­ стота повторения и др. Люминофоры с коротким и весьма коротким временем послесвечения дают яркое изображе­ ние, в то время как люминофоры с весьма длительным временем послесвечения обладают низкой светоотдачей, а поэтому могут применяться только в затемненных по­ мещениях. Для повышения светоотдачи люминесцентный экран покрывают со стороны, обращенной внутрь трубки, тонкой металлической пленкой алюминия. Этот слой зна­ чительно увеличивает световой выход за счет отражения света, который был бы потерян внутри ЭЛТ.

На контрастность изображения в значительной степе­ ни влияют отражения от поверхности экрана. Такие от-

24

раження связаны в основном с внешними источниками освещения (окнами, лампами). Для повышения контра­ стности используются специальные светофильтры, умень­ шающие отражение за счет того, что свет от внешних источников проходит через светофильтр дважды, а от изображения — только один раз. Увеличение констрастности в данном случае достигается за счет снижения яр­ кости изображения.

Характеристики люминофоров. При разработке инди­ каторных устройств на ЭЛТ основное значение имеют следующие характеристики: светоотдача экрана, цвет свечения и время послесвечения.

При выборе люминофора необходимо учитывать его спектральное распределение энергии. Световая отдача любого люминофора зависит от степени согласования спектральной характеристики люминофора и спектраль­ ной чувствительности глаза. Так как глаз не все цвета видит одинаково хорошо, достаточно близкое согласова­ ние спектральных характеристик приводит к увеличению воспринимаемой интенсивности свечения. Например, люминофор с максимумом энергии в области длины вол­ ны ^ = 5500 А обладает наилучшей эффективностью. По­ этому желательно использовать люминофор с белым свечением или достаточно широкой спектральной харак­ теристикой. В случае использования ЭЛТ для микро­ фильмирования предпочтительно выбирать люминофор со свечением в голубой области спектра, так как боль­ шинство пленок более чувствительно к голубому свече­ нию. В системах, где требуется получение длительного

•послесвечения, необходимо применять оранжевый или желтый люминофор.

Область использования индикаторного устройства определяет требования к выбору люминофора исходя из его времени послесвечения. Так, при наблюдении изоб­ ражений с низкой частотой повторения экраны с дли­ тельным послесвечением дают возможность изучать отображаемую информацию достаточно долго. В то же время выбор такого же типа люминофора для просмотра движущихся изображений, следующих с большой часто­ той повторения, ведет к их расплыванию и нечеткости.

Время затухания до 10% от максимальной яркости

уразных люминофоров изменяется в широких пределах

[6].Выбор люминофора с нужным временем послесвече­

25

ния можно использовать для уменьшения эффектов мелькания в индикаторных устройствах с низкой часто­

Точность. Точность индикаторного устройства можно характеризовать разницей между положением луча, вы­ веденного в нужную точку экрана, и координатами, отсчитанными но сетке, наложенной на экран. Точность, получаемая в ЭЛТ, зависит от таких параметров, как радиус кривизны фронтального стекла трубки, типа ис­ пользуемого отклонения, максимального угла отклонения

идр.

ВЭЛТ с электромагнитным отклонением наблюдает­

ся подушкообразное искажение, которое может вызвать значительную ошибку положения. Эта ошибка становит­ ся максимальной в случае прямоугольного экрана. По­ душкообразные искажения можно скорректировать с помощью таких методов, как использование прсдыскаженных сигналов, специальных корректирующих магнитов.

Используемые в индикаторных устройствах круглые ЭЛТ обеспечивают точность 1—5% от диаметра экрана. При использовании телевизионных кинескопов точность ухудшается и достигает 10—15%• Однако изображение, построенное с такой точностью, является вполне прием­ лемым для наблюдения.

Искажения. В некоторых типах индикаторных уст­ ройств может наблюдаться дрожание изображения, т. е. малая стабильность его во времени. Даже незначитель­ ные перемещения элементов изображения могут оказать­ ся заметными при низкой частоте дрожания (менее 10 гц). Этот тип искажений присущ только индикаторным устройствам на обычных ЭЛТ, требующих периодической регенерации изображения, и обычно вызывается пульса­ циями питающих напряжений. При этом заметное дро­ жание возникает при малой разности частоты повторения изображения и частоты питающей сети.

В полностью экранированных индикаторных устрой­ ствах амплитуду дрожания можно уменьшить до 0,5—1 точки, однако и эта величина оказывает воздействие на оператора.

26

Существуют два метода уменьшения или ликвидации

элементы изображения перемещаются с такой частотой, что оператор видит лишь утолщение линий и точек. Та­ ким образом, за счет ухудшения разрешающей способно­ сти можно достичь стабильности изображения. Этот метод наиболее успешен в случае использования люми­ нофоров с длительным послесвечением.

Во втором случае исключение дрожания может быть достигнуто за счет синхронизации частоты регенерации и частоты сети. Такой метод находит применение в ТВ приемщиках. Однако его применение в случае использо­ вания принципа координатной развертки ведет к умень­ шению объема одновременно отображаемой инфор­ мации.

Мелькания. Люминофоры, наиболее часто применяе­ мые в ЭЛТ, обеспечивают сохранение отображаемой информации всего несколько миллисекунд. Для представ­ ления оператору устойчивого изображения необходимо периодически повторять его. Регенерация изображения должна производиться с достаточно высокой частотой, в противном случае оператора раздражают мелькания изображения. Та 'Наименьшая частота, при которой опе­ ратор перестает ощущать мелькания, является критиче­ ской частотой мелькания (fKр). Эта частота зависит от таких факторов, как возраст оператора, длина волны све­ та, излучаемого люминофором, значение яркости и зако­ на ее изменения во времени, местоположение изображе­ ния на сетчатке глаза, отношение периодов света и темноты, размер мелькающего объекта. Мелькание ста­ новится более заметным в случае больших объектов, ко­ ротких длин воли, при периферическом зрении, при равных периодах света и темноты. В этих случаях необ­ ходимо повысить частоту повторения. Мелькания более заметны при повышении уровня яркости [5]. Критиче­ ская частота мелькания может быть уменьшена в случае применения люминофоров с длительным временем по­ слесвечения.

Критическая частота мелькания, 'определенная для данной совокупности условий, является основным факто­ ром при проектировании отдельных блоков графическо­

27

го устройства. Если известна величина /1ф, можно опреде­ лить время, затрачиваемое .на начертан,ие одного кадра изображения TK—\/fUp. При данном объеме одновремен­ но отображаемой информации величина Тк накладывает определенные требования :на быстродействие блоков гра­ фического устройства (генератор точек, векторов, сим­ волов).

В системах, использующих в индикаторных устройст­ вах ЗЭЛТ, не существует проблемы мелькания, так как эти трубки могут хранить однократно построенное изоб­ ражение долгое время. Интервал времени, отводимый на построение изображения, может быть сколь угодно боль­ шой, поэтому такие индикаторные устройства отличают­ ся большим объемом одновременно отображаемой информации.

Экспериментальные исследования показали, что при средней яркости изображения мелькания становятся не­ заметными при частоте регенерации 40—50 гц. При ис­ пользовании в качестве индикаторного устройства ТВ приемника эффект мелькания устраняется с помощью чересстрочной развертки, причем частота повторения выбрана 50 гц.

2.2. УСТРОЙСТВА ДИАЛОГОВОГО ВВОДА ИНФОРМАЦИИ

Одной из отличительных особенностей ОГС является наличие двусторонней связи инженера-проектировщика с вычислительной системой. Оперативный режим взаимо­ действия предполагает не только возможность наблюде­ ния изображения на индикаторном устройстве, но и ввод в систему различных параметров, оказывающих немед­ ленное воздействие на ход вычислительного процесса.

Устройства ввода, применяемые в ОГС, могут выпол­ нять следующие функции:

1.Ввод символьной информации (цифры, буквы, спе­ циальные символы).

2.Ввод двумерной и трехмерной графической инфор­

мации путем ручного .отслеживания вдоль контура изо­ бражения. При этом может осуществляться ввод как с плоского носителя (картографическая информация, эскизу), так и координат точек объемного объекта (по­

28