Материалы по инженерной графике / Inzhenernaya_i_kompyuternaya_grafika_ucheb_posobie

математического моделирования процессов и явлений, которая просто немыслима без графического вывода. Например, в медицине в настоящее время широко используются методы диагностики, использующие компьютерную визуализацию внутренних органов человека. Томография (в частности, ультразвуковое исследование) позволяет получить трехмерную информацию, которая затем подвергается математической обработке и выводится на экран. Помимо этого применяется и двумерная графика: энцефалограммы, миограммы, выводимые на экран компьютера или графопостроитель.

2. Моделирование

Под моделированием в данном случае понимается имитация различного рода ситуаций, возникающих, например, при полете самолета или космического аппарата, движении автомобиля и т.п. В английском языке это лучше всего передается термином simulation. Но моделирование используется не только при создании различного рода тренажеров. В телевизионной рекламе, в научно-популярных и других фильмах синтезируются движущиеся объекты, визуально мало уступающие тем, которые могут быть получены с помощью кинокамеры. Кроме того, компьютерная графика предоставила киноиндустрии возможности создания спецэффектов, которые в прежние годы были невозможны. В последние годы широко распространилась еще одна сфера применения компьютерной графики − создание виртуальной реальности.

3. Графический пользовательский интерфейс

На раннем этапе использования дисплеев как одного из устройств компьютерного вывода информации диалог «человек-компьютер» в основном осуществлялся в алфавитно-цифровом виде. Теперь же практически все системы программирования применяют графический интерфейс. Особенно впечатляюще выглядят разработки в области сети Internet. Существует множество различных программ-браузеров, реализующих в том или ином виде средства общения в сети, без которых доступ к ней трудно себе представить. Эти программы работают в различных операционных средах, но реализуют, по существу, одни и те же функции, включающие окна, баннеры, анимацию и т.д.

В современной компьютерной графике можно выделить следующие основные направления: изобразительная компьютерная графика, обработка и анализ изображений, анализ сцен (перцептивная компьютерная графика), компьютерная графика для научных абстракций (когнитивная компьютерная графика, т.е. графика, способствующая познанию).

4. Проектирование

В строительстве и технике чертежи давно представляют собой основу проектирования новых сооружений или изделий. Процесс проектирования с необходимостью является итеративным, т.е. конструктор перебирает множество вариантов с целью выбора оптимального по каким-либо

161

параметрам. Не последнюю роль в этом играют требования заказчика, который не всегда четко представляет себе конечную цель и технические возможности. Построение предварительных макетов − достаточно долгое и дорогостоящее мероприятие. Сегодня существуют развитые программные средства автоматизации проектно-конструкторских работ (САПР), позволяющие быстро создавать чертежи объектов, выполнять прочностные расчеты и т.п. Они дают возможность не только изобразить проекции изделия, но и рассмотреть его в объемном виде с различных сторон. Такие средства также чрезвычайно полезны для дизайнеров интерьера, ландшафта.

Компьютерное выполнение конструкторских документов предполагает, что разработка и оформление документов производятся с использованием персонального компьютера и других устройств, подключаемых к персональному компьютеру и необходимых для выполнения документации: принтеров (печатающих устройств), плоттеров (графопостроителей), сканеров (читающих устройств) и др.

Персональный компьютер и соответствующее программное обеспечение составляют компьютерную систему проектирования, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным ручным проектированием:

−автоматизация труда конструктора в части выполнения расчетных, чертежных и оформительских работ;

−возможность электронного хранения документов и их фрагментов, что позволяет их редактировать и быстро разрабатывать докумен- ты-аналоги по существующим прототипам;

−создание трехмерной модели разрабатываемого объекта, которую можно отобразить на разных видовых экранах с различных точек зрения и различным способом проецирования, т.е. создание проекций и видов модели, как в параллельном, так и в центральном проецировании;

−получение реалистичных изображений проектируемых объектов с учетом освещения и предметов окружающей обстановки;

−выпуск необходимого количества электронных и бумажных копий

документов.

Для представления графической информации на двумерной плоскости (например, экране монитора, странице книги и т.п.) в вычислительной технике применяются два основных подхода: растровый и векторный.

При векторном подходе графическая информация описывается как совокупность неких абстрактных геометрических объектов, таких как прямые, отрезки, кривые, прямоугольники и т.п.

Растровая графика оперирует изображениями в виде растров. Растр − это описание изображения на плоскости путем разбиения всей плоскости или ее части на одинаковые квадраты и присвоение каждому квадрату своего цветового (или иного, например, прозрачности, для последующего на-

162

ложения изображений друг на друга) атрибута. Если таких квадратов имеется конечное число, то получается, что непрерывная цветовая функция изображения приближенно представлена конечной совокупностью значений атрибутов.

Растровое представление является естественным в тех случаях, когда не известна дополнительная информация об изображаемых объектах (например, цифровым фотоаппаратом можно снимать изображения произвольного содержания). В случае же векторного описания примитивами являются более сложные объекты (линии и области, ограниченные линиями), что предполагает априорные знания о структуре изображения. В последнее время проявляется ярко выраженная тенденция к преобладанию устройств ввода-вывода двумерной графической информации, основанных на растровом принципе как более универсальном.

При физической реализации растров возникают дополнительные характеристики. Основной из них является разрешающая способность (англ. resolution) − количество точек физического растра в единице длины. Чаще всего это ppi − пикселей на дюйм (англ. pixels per inch).

6.2. Технические средства поддержки компьютерной графики

Устройства ввода информации позволяют решать различные задачи компьютерной графики и организовать диалог «человек-компьютер». Особенности конструкции каждого устройства позволяют специализироваться на выполнении определенного круга задач.

Первую группу устройств, с помощью которых пользователь может указать позицию на экране, составляют устройства указания (pointing device): мышь, трекбол (trackball), световое перо (lightpen), джойстик (joystick), спейсбол (spaceball). Практически все устройства этой группы оснащены парой или несколькими кнопками, которые позволяют сформировать и передать в компьютер какие-либо сигналы или прерывания.

Так, световое перо содержит фоточувствительный элемент, который при приближении к экрану воспринимает излучение, порождаемое при столкновении электронов с люминофорным покрытием экрана. Таким образом, в распоряжении пользователя оказывается устройство непосредственного указания, работающее напрямую с изображением на экране. В настоящее время это устройство уже практически вышло из употребления: оно вытеснено более простым и надежным − мышью.

Еще одно устройство, которое достаточно активно используется в мультимедийных приложениях и различного рода компьютерных тренажерах, − джойстик. Перемещение джойстика в двух взаимно перпендикулярных направлениях воспринимается преобразователями, интерпретируется как вектор скорости, а полученные значения используются для управления положением маркера на экране.

163

При использовании мыши или трекбола анализируется относительное положение устройства. Абсолютные координаты устройства не считываются обрабатывающей программой. Но при вводе в компьютер графиков прикладной программе зачастую требуются абсолютные координаты устройства ввода. Такую возможность обеспечивают разного рода планшеты. В планшете применяется, как правило, ортогональная сетка проводов, расположенная под его поверхностью. Положение пера определяется через электромагнитное взаимодействие сигналов, проходящих от проводов к щупу. Чувствительные панели можно использовать в режимах как абсолютных, так и относительных координат.

Для растрового ввода изображений используются сканеры, позволяющие не только ввести образ в компьютер, но и произвести их обработку и документирование. Одна из важных областей применения сканеров − ввод текстов. При этом обработка введенного изображения выполняется программным обеспечением распознавания текстов, которое в настоящее время стало уже достаточно развитым. В САПР сканеры используются для автоматизации ввода ранее подготовленной конструкторской документации. В этом случае проблема заключается в том, что данные от сканера представлены в растровой, а не векторной форме, и требуется выполнение обратного преобразования «растр-вектор». Для решения этой задачи средств одной лишь компьютерной графики недостаточно: необходимо привлечение и других дисциплин.

Все вышеперечисленные устройства ввода с точки зрения передачи информации прикладным программам следует рассматривать как логические. Функционирование систем ввода характеризуется тем, какую информацию устройство передает в программу, когда и как оно передает эту информацию. Эти вопросы становятся особенно существенными при разработке пользовательского интерфейса.

Устройства вывода. Дисплеи являются самым распространенным типом устройств вывода графической информации. Они применяются везде − от мобильных телефонов до рекламных щитов.

Дисплеи на ЭЛТ − самый распространенный тип дисплеев среднего размера, основанный на использовании электронно-лучевой трубки (англ. CRT). ЭЛТ устроена следующим образом. Электроны сначала ускоряются электромагнитным полем, а затем отклоняются в нужном направлении перпендикулярным полем (эта часть ЭЛТ называется пушкой). При попадании на поверхность экрана они вызывают свечение установленных там частиц люминофора, которое и воспринимается наблюдателем. Чем большее ускорение (а следовательно, большую энергию) получил электрон, тем ярче светится люминофор. У цветных дисплеев имеется 3 пушки для каждого из базисных RGB-цветов, а по поверхности экрана равномерно распределены частицы люминофора, соответствующие базисным цветам. Чтобы электроны, выпущенные из соответствующей пушки, попали только

164

на люминофор своего цвета перед экраном ставится щелевая маска или апертурная решетка. Время послесвечения люминофора незначительно, и изображение постоянно обновляется; для вывода одного кадра пушка выпускает электроны последовательно слева направо в каждой строке и по строкам снизу вверх. Количество обновлений всего изображения в секунду носит название частота обновления или частота развертки (англ. refresh rate). Она должна быть достаточно высокой (> 75 Гц), чтобы не возникало утомляющего глаза мерцания.

Основными недостатками дисплеев на ЭЛТ являются сравнительно большие размер и вес, а также геометрические искажения на периферии экрана. Впрочем, последний недостаток в современных устройствах устранен. Основные достоинства − хорошая цветопередача и способность приемлемо работать в широком диапазоне разрешений экрана, в отличие от ЖК-дисплеев.

Разрешение зависит от плотности частиц люминофора на поверхности дисплея. Типичные значения − 85-130 ppi. Практически все ЭЛТдисплеи имеют аспектовое отношение 4:3.

Жидкокристаллические дисплеи в настоящее время занимают доминирующую позицию (по сравнению с ЭЛТ) в качестве дисплеев персональных компьютеров. Единственный вид дисплеев, используемый в ноутбуках на настоящий момент. Устроены они следующим образом. Сзади дисплея встроена лампа, свет от которой проходит или не проходит через экран. Экран жидкокристаллического дисплея состоит из 5 слоев: с двух сторон слои поляризационных фильтров и электродов, а посередине − слой жидких кристаллов. Для каждого пикселя слой жидких кристаллов состоит из нескольких молекул в ряд. При отсутствии напряжения этот ряд имеет форму спирали и свет полностью проходит через внешний фильтр (т.е. пиксель светится). При подаче напряжения на электроды молекулы распрямляются в ровный ряд и свет идет перепендикулярно внешнему фильтру и не проходит через него (т.е. пиксель − темный). Величина напряжения позволяет регулировать яркость. Цветное изображение формируется, как и в фотоаппаратах, с помощью микросветофильтров.

Основными достоинствами жидкокристаллических дисплеев являются меньшие, чем у ЭЛТ-дисплеев, размер в глубину, вес и энергопотребление, большая четкость. Помимо этого отсутствует мерцание изображения, наблюдающееся у ЭЛТ-дисплеев, что приводит к меньшему утомлению глаз. Недостатками являются: худшая, чем у ЭЛТ-дисплеев, цветопередача; цветовые искажения при косых углах зрения; большое среднее время реакции (время переключения с одного цвета на другой, типичное значение − 25 мс, т.е. максимум 40 кадр/с), что приводит к «смазыванию» динамично меняющихся изображений (прежде всего в видео и компьютерных играх), а также недостаточно темный черный цвет (т.к. на самом деле не весь свет удается блокировать кристаллом).

165

Типичное разрешение такое же, как и у ЭЛТ-дисплеев, − 85-130 ppi. Аспектовое отношение − 4:3 или 16:10 (т.н. широкоэкранные дисплеи).

Также существуют менее распространенные типы дисплеев, в том числе и те, которые только появляются на рынке:

−плазменные панели;

−дисплеи на светодиодах;

−дисплеи на органических светодиодах;

−«электронная бумага» и т.д.

Проекторы используются для демонстрации изображений больших размеров. Для этого применяются системы линз, проецирующие маленькое изображение на большой экран. Следует отметить, что для проекторов требуются внутренние дисплеи повышенной яркости, так как площадь изображения при проецировании значительно увеличивается.

Типичное разрешение − 1024×768, а максимальное достигает 2048×1080. Типичное аспектовое отношение − 4:3, однако имеются и широкоэкранные варианты.

Использование принтеров является самым распространенным способом вывода двумерной информации на бумагу.

Многие принтеры сами по себе могут иметь довольно сложные встроенные процессоры растровых изображений (англ. RIP − Raster Image Processor), служащие для формирования растровых изображений. Чаще всего такой процессор может растеризовать изображение, описанное программой на языке PostScript или PCL, которые были специально созданы для этих целей. Тем не менее, в последнее время возможность аппаратной растеризации мало используется, и большинство изображений приходит в принтер в виде готовых растров.

Самой низкокачественной технологией печати обладают матричные принтеры. Печатающая головка, перемещающаяся в одном измерении по ширине страницы, состоит из нескольких игл (обычно 9 или 24). Краска нанесена на ленту, находящуюся между бумагой и головкой. При ударе иглы по бумаге на ней остается след от краски с ленты, таким образом и получается изображение. Предпринимались попытки создания цветных матричных принтеров, но качество было неприемлемым. Вывод нетекстовой информации приемлемого качества затруднен.

Разрешающая способность − от 60×72 до 360×360 dpi.

Основное достоинство матричных принтеров − дешевизна печати, основные недостатки − низкое качество и высокий уровень шума. Сейчас они практически вытеснены струйными и лазерными принтерами, за исключением применения в кассовых аппаратах.

Струйные принтеры располагаются в среднем ценовом диапазоне и являются самым распространенным решением для цветной печати (так как цветные лазерные принтеры пока еще довольно дороги). Принцип дейст-

166

вия следующий. Печатающая головка, перемещающаяся по ширине бумаги, состоит из множества микрокамер с микросоплами, при пропускании электрического импульса через микрокамеру в ней образуется пузырь, который выталкивает из сопла каплю краски на бумагу. При этом каждому из этих базисных цветов соответствует свой резервуар с краской. Черный цвет вводится для экономии цветных красок. В дорогостоящих моделях применяется и большее количество красок для улучшения цветопередачи.

Разрешающая способность − от 600×300 до 5760×1440 dpi. Основное достоинство − сравнительная дешевизна устройства, ос-

новной недостаток − дороговизна расходных материалов.

Лазерные принтеры являются самыми эффективными с точки зрения стоимости печати страницы. В настоящее время преобладают в чернобелой печати. Принцип действия следующий. Сначала на всю поверхность барабана с фотопроводящим покрытием наносится положительный заряд, обычно с помощью коронирующего электрода. Потом некоторые участки барабана освещаются лазерным лучом, что приводит к снятию заряда в этих местах. Затем поверхность барабана проходит через порошкообразный тонер, положительно заряженные частички которого отталкиваются от заряженных участков барабана и прилипают к незаряженным. После этого тонер с барабана переносится на бумагу, которая для этого предварительно заряжается отрицательно с помощью другого коронирующего электрода. Бумага потом подвергается нагреву, при котором частички тонера прочно приплавляются к ней.

Разрешающая способность − от 300 до 1200 dpi.

Основные достоинства − высокая четкость и быстрота печати, основной недостаток − сравнительная дороговизна самих устройств (особенно цветных).

Помимо дисплеев и принтеров, в качестве устройств вывода изображений используются плоттеры (графопостроители), предназначенные для вывода графической информации на бумагу.

Ранние графические пакеты были ориентированы именно на модель перьевого плоттера, формирующего изображение с помощью пера. Перо может перемещаться вдоль двух направляющих, соответствующих двум координатным осям, причем оно может находиться в двух состояниях − поднятом и опущенном. В поднятом состоянии оно просто перемещается над поверхностью бумаги, а в опущенном оставляет на бумаге линии, формирующие изображение. Выведенное на плоттер изображение стереть невозможно. Поэтому изображение сначала полностью формируется в памяти компьютера, а затем выводится на печать.

167

6.3. Автоматизированное построение чертежей и схем

Существует достаточное количество пакетов программ для компьютерного проектирования.

Наиболее полными возможностями обладает пакет AutoCAD. Этот пакет универсален − его можно использовать для выполнения как графических документов, так и текстовых. Но наибольший эффект достигается при выполнении чертежно-конструкторских работ.

Текстовые конструкторские документы могут быть подготовлены в AutoCAD с использованием редактора многострочного текста (команда «МТЕХТ»), в котором предусмотрены выбор параметров шрифта, выравнивание и редактирование текста, что приближает его к текстовым редакторам Мicrоsоft Word.

Для выполнения конструкторских расчетов в процессе черчения в AutoCAD заложен пакет программ AutoLISP, являющийся модификацией известного языка LISP. Основой LISP является работа со списками произвольной длины и элементами разной природы. С помощью AutoLISP можно писать программы или вводить математические формулы, которые затем вычисляет AutoCAD. Для написания и отладки программ и приложений на языке AutoLISP в состав AutoCAD введена интегрированная среда (редактор) VisualLISP.

В процессе создания конструкторских документов графические, текстовые и расчетные возможности AutoCAD могут быть значительно расширены за счет использования других пакетов программ, связь с которыми осуществляется посредством технологии OLE (Object Linking and Embedding). Эта технология позволяет, работая в одном пакете программ, выходить в другой пакет и, создав там требуемый фрагмент, переместить его в документ первого пакета. Так, при разработке чертежа в AutoCAD можно дополнить его таблицами, созданными в MS Ехсеl, или растровыми рисунками из других графических редакторов.

Технологию OLE удобно использовать при разработке документов, содержащих информацию, представленную в различных формах. Это относится к расчетно-пояснительным запискам и другим текстовым документам, содержащим кроме текста чертежи, рисунки, фотографии, схемы, диаграммы и другую информацию, созданную в других пакетах. Существующие пакеты программ ориентированы на обработку определенного вида информации. Текстовую информацию удобнее обрабатывать в текстовом редакторе, например, MS Word, а графическую в специализированных графических редакторах. Каждый вид информации обрабатывается в своем редакторе, а затем они объединяются в одном документе технологией OLE.

AutoCAD 2008 связан ОLЕ-технологией с текстовым редактором MS Word, электронными таблицами MS Ехсеl, а через редактор VisualLISP возможна загрузка файлов языка программирования С++.

168

Развитие сети Internet привело к появлению большого количества информации, хранящейся на сайтах различных фирм и организаций. Если оборудовать компьютер модемом и подключить его к Internet, то имеется возможность, не выходя из AutoCAD, получать информацию из всемирной компьютерной сети в процессе разработки конструкторского документа. Это расширяет возможности конструирования и создает дополнительные удобства для конструктора.

Перед инсталляцией AutoCAD 2008 необходимо убедиться, что компьютер, на который производится установка продукта, отвечает всем системным требованиям. Так, для установки данной версии необходимо, чтобы компьютер удовлетворял следующим требованиям:

−операционная система: Microsoft Windows 2000 (SP4), 32/64битная версия Windows XP Home/Professional (SP2) или Windows Vista;

−достаточно высокие требования предъявляются также к аппаратному обеспечению: процессор должен быть не меньше Pentium IV (или другой совместимый), объем оперативной памяти – не менее 512 Мбайт;

−на жестком диске обязательно должно быть свободно 750 Мбайт для установки файлов программы и столько же – для временных файлов, создаваемых системой в процессе работы. Безусловно, на диске должно оставаться место и для сохранения файлов, которые будут создаваться;

−на компьютере также должен быть установлен браузер Microsoft

Internet Explorer 6.0 с пакетом обновлений SP1 или выше.

Выше даны минимальные требования. Для комфортной работы с большими проектами нужен компьютер с частотой не менее 3 ГГц и объемом оперативной памяти 2 Гбайт. Видеокарта должна поддерживать режим OpenGL и обладать объемом памяти не менее 128 Мбайт. Рекомендуемая операционная система – Windows XP SP2.

Для ее запуска программы AutoCAD 2008 необходимо либо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на ярлыке AutoCAD, размещенном на Рабочем столе, либо выполнить команду Пуск Программы Autodesk AutoCAD 2008 AutoCAD 2008.

Рабочее окно AutoCAD 2008 имеет вид, представленный на рис. 177.

169