Лекція № 2
ТЕХНІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САПР. РАБОТА ЗІ СКАНОВАНИМИ КРЕСЛЕННЯМИ В СИСТЕМАХ ІНЖЕНЕРНОГО ДОКУМЕНТООБІГУ
Поняття інтерактивної графіки
Система інтерактивної графіки включає ЕОМ з групою периферійних пристроїв, що забезпечують отримання графічних зображень в режимі діалогу з оператором.
Між інтерактивною графікою і традиційним інженерним кресленням існує принципова різниця. Обумовлено це тим, що при використанні графічних систем креслярські інструменти не потрібні. Крім того, в цих системах можна використовувати числові розрахунки. Отже, інтерактивна графіка – це засіб підвищення виконання креслярських робіт, зниження їх вартості.
Всі системи інтерактивної графіки складаються із двох частин: апаратних засобів (технічне забезпечення) і програмного забезпечення, причому вартість програмного забезпечення, як правило, вища.
Структура ЕОМ
Електронна обчислювальна машина (ЕОМ) - це електронний пристрій, призначений для автоматичної обробки інформації, що поступає на його входи через спеціальні пристрої введення інформації та для автоматичного виведення результатів обробки, що дістаються на виходах, через спеціальні пристрої виведення інформації.
Сьогодні з допомогою комп'ютерів не тільки проводяться числові розрахунки, але й готуються до друку книги, створюються малюнки, кінофільми, музика, здійснюються управління заводами і космічними кораблями і т.д. Комп'ютери перетворились в універсальні засоби обробки всіх видів інформації, які використовує людина.
Персональну ЕОМ можна розглядати як систему, яка складається з 5 функціональних підсистем: введення даних, виведення результатів, арифметичної та логічної обробки даних та підсистеми пам'яті.
Пристрої введення дозволяють приймати дані з зовнішнього середовища: клавіатури, магнітних дисків, тощо.
Пристрої виведення забезпечують передачу даних в зовнішнє середовище: на екран дисплею, на папір, диски, тощо. Всі дані зберігаються або в пристроях внутрішньої пам'яті, або в зовнішній пам'яті.
Внутрішня пам'ять має у своєму складі дві частини: постійний (ПЗП) та оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП). Обробка всіх даних виконується в арифметико-логічному пристрої (АЛП).
Об'єднує роботу всіх підсистем пристрій управління (ПУ). Для організації зв'язку між пристроями використовується інтерфейс. Це деяка шина (сукупність каналів передачі сигналів). Кожна лінія шини має своє призначення: передача даних, передача адреси, передача сигналів управління. Підсистема управління та підсистема арифметико-логічної обробки утворюють процесор, який визначає всю роботу ЕОМ.
Рис.2.1. Структурна схема персонального комп'ютера |
Мікропроцесор - невелика (в декілька сантиметрів) електронна схема, яка виконує всі обчислення і обробку інформації. Ведучі позиції в світі в цій галузі займає фірма Intel (США), яка розробила ціле сімейство мікропроцесорів. Головними представниками такого сімейства є процесори Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III. Вони відрізняються один від одного швидкодією та розрядністю.
Швидкодія - це кількість операцій (команд) які виконуються в одиницю часу. Вона вимірюється в мільйонах операцій за секунду. Так, для процесора 80386 цей показник дорівнює 3-4 млн. опер/сек.
Якість процесора можна оцінювати також по тактовій частоті роботи. Чим більша тактова частота, тим більша продуктивність мікропроцесора. Тактова частота вимірюється в мегагерцах (МГц). Наприклад, сучасні мікропроцесори випускаються з тактовою частотою від 200 до 1100 МГц. Часто тактова частота вказується вслід за моделлю мікропроцесора, наприклад: Celeron 1100 МГц.
Зауваження. Тактова частота вказує швидкість виконання елементарних операцій всередині мікропроцесора. Різні моделі мікропроцесорів виконують одні і ті ж команди за різне число тактів. Чим більш сучасна модель мікропроцесора, тим, як правило, менше тактів потрібно мікропроцесору для виконання одних і тих же команд.
Розрядність - це найбільша ширина інформаційного коду, який може використовуватись в ЕОМ як одне ціле. Вона виміряється в бітах або в байтах, рівним 8 бітам. Перші мікропроцесори мали розрядність 4 та 8 біт, для процесорів 8086 та 80286 цей показник дорівнює 16, а для процесорів 80386 та 80486 - 32.
Іншим важливим елементом обчислювальної машини є пам'ять, в якій зберігаються дані та програми для їх обробки. Головними характеристиками пам'яті є обсяг та час, який витрачається на операцію запису даного в пам'ять та читання такого даного.
Обсяг виміряється в байтах, кілобайтах, мегабайтах, гігабайтах. Одиницею інформації в комп'ютері є один біт, тобто двійковий розряд, який може приймати значення 0 або 1. Вісім послідовних бітів складають байт. Один кілобайт (1 Кб) дорівнює 1024 байтам, один мегабайт (1 Мб) дорівнює 1024 Кб, один гігабайт (1 Гб) дорівнює 1024 Мб.
В персональних ЕОМ використовується пам'ять трьох видів.
Постійна пам'ять (в літературі вона називається ROM - Read Only Memory (пам'ять тільки для читання) або ПЗП (постійно запам'ятовуючий пристрій)). Вона призначена для зберігання різноманітних програм, таблиць, тощо. В цій пам'яті зберігається програма тестування всіх головних пристроїв машини, яка починає свою роботу при вмиканні блока живлення. Тут також записана програма BIOS (Basic Input/Output System), яка входить до складу операційної системи. Зміст такої пам'яті можна тільки читати, його неможливо змінити за допомогою будь-якої програми. При вимкненні живлення інформація не зникає.
В комп'ютері є також невелика ділянка пам'яті для зберігання параметрів конфігурації комп'ютера. Її часто називають СМOS (напівпостійна память). Вміст СМOS - пам'яті не змінюється при вимкненні електроживлення комп'ютера, оскільки для її електроживлення використовується спеціальний акумулятор. Для зміни параметрів конфігурації комп'ютера в BIOS міститься програма настройки конфігурації комп'ютера - SETUP.
Оперативна пам'ять (в літературі вона називається RAM –random access memory - пам'ять прямого доступу). Вона забезпечує запис, зберігання та читання інформації. Характерною є велика швидкість виконання цих операцій. Від кількості встановленої в комп'ютері оперативної пам'яті напряму залежить, з якими програмами ви зможете на ньому працювати. При недостатній кількості оперативної пам'яті багато програм або взагалі не будуть працювати, або будуть працювати дуже повільно.
Зовнішня пам'ять - це пам'ять на магнітних дисках. В персональних ЕОМ є два типи дисків — твердий та гнучкий.
Накопичувач на твердому магнітному диску (частіше використовується інша назва такого пристрою - вінчестер) призначений для постійного зберігання інформації, яка використовується при роботі з комп'ютером: програм операційної системи, часто використовуваних пакетів програм, редакторів документів, трансляторів з мов програмування і т.д.
Основними характеристиками твердого диска є його ємкість, тобто кількість інформації, яка може поміститися на диску, та швидкодія - тобто час доступу до інформації, швидкість читання і запису інформації. Максимальна ємкість дисків сьогодні 40 Гб.
Гнучкі диски (дискети) дозволяють переносити документи і програми з одного комп'ютера на інший, а також зберігати інформацію, яка постійно на комп'ютері не використовується. В залежності від діаметру є два різновиди гнучких дисків - 5,25 дюйма та 3,5 дюйма. Обсяг дискет суттєво залежить від фізичних властивостей його магнітного шару. Так, обсяг дискет діаметром 3,5 дюйма може бути 1,44 - 2,88 Мб., а обсяг дискет діаметром 5,25 дюйма може бути від 180 Кб до 1,2 Мб.
Перед першим використанням, дискети необхідно спеціальним чином форматувати. Це робиться з допомогою спеціальних програм, наприклад, програми Format. При формотуванні здійснюється перевірка поверхні дискети. Пошкоджені ділянки помічаються як дефектні і в подальшому запис даних у ці ділянки не проводиться.
Результати виконання команди або програми відображаються на екрані дисплея або на папері принтера. Дисплей може працювати в текстовому або графічному режимах. Текстовий режим дозволяє ввести до 40 або 80 символів в рядку та 25 або 43 рядка. Якісні характеристики графічного режиму дисплея залежать від самого дисплея та адаптера, який керує відображенням інформації на екрані. Звичайно адаптер розміщується на окремій платі в системному блоці ЕОМ.
Найбільше розповсюдження отримали адаптери EGA та VGA. Роздільна здатність адаптеру ЕОА 640Х200 або 640Х350 крапок, а адаптера УОА -640Х350 або 640Х480 крапок і ін. Кращі кольорові дисплеї дозволяють використовувати до 256 різних кольорів.
Мови програмування мають засоби управління дисплеєм і в текстовому і в графічному режимах.
В персональних ЕОМ застосовуються багато типів принтерів. Принтер призначений для виводу інформації на папір. Принтери можуть виводити не тільки текстову інформацію, а й малюнки і графіки. Одні принтери дозволяють друкувати тільки в одному кольорі (чорному), інші можуть виводити також і кольорові зображення.
Найвищу якість друкування забезпечують лазерні принтери. Кращі з них друкують до 20 сторінок за хвилину при відмінній якості зображення.
Іноді персональна ЕОМ комплектується графобудівником. Цей пристрій (його також називають - плоттер) забезпечує виведення креслень і малюнків лініями різних кольорів.
Розглянемо деякі інші пристрої, що під'єднуються до комп'ютера.
Миша - маніпулятор для вводу інформації в комп'ютер. Щоб змінити положення курсора на екрані монітора, користувач переміщує мишу по столу чи іншій рівній поверхні.
Джойстик - маніпулятор у вигляді закріпленої на шарнірі ручки з кнопкою. Використовується в основному для комп'ютерних ігор.
Сканер - пристрій для зчитування графічної і текстової інформації в комп'ютер.
Модем - пристрій, який дає змогу модулювати і демодупювати сигнали ліній зв'язку. Модем перетворює сигнали з ЕОМ у зручну для передавання форму, наприклад у частотно-модульовані сигнали і передає їх у канал. На приймальному боці модем перетворює прийняті сигнали у форму, яка зручна для обробки на ЕОМ, наприклад, у цифрові двійкові коди.
Пристрої графічного вводу. Клавішні панелі
Клавішна панель являє собою пристрій вводу, який під’єднується за допомогою кабелю до контролера чи інтерфейсної плати САПР. Кожній клавіші відповідає буква, цифра чи спеціальний символ. При натисненні на клавішу генерується код ASCII (стандартний американський код для обміну інформацією).
Типова клавішна панель являє собою матрицю перемикачів розміром 8х16 і пов’язану з нею електронну схему.
Коли електронна схема клавішної панелі ідентифікує натиснену клавішу, присвоєний код поступає у вихідний регістр і далі на вихідну шину.
Графічні планшети
Графічні планшети призначені для введення в ЕОМ координат точок на площині. Позиція точок визначається відносно фіксованого початку координат планшета. Координати X, Y визначаються з великою швидкістю і точністю (до 0,001 дюйма = 0,00254 мм). Для локалізації точки на планшеті використовують спеціальний електронний вказівник, котрий переміщують рукою. На даний час в конструкції планшетів реалізовані різні технічні принципи.
Планшети з цифровими перетворювачами механічного типу
Зовні схожі на креслярський кульман. Координати вказівника по осям X,Y визначаються оптичними кодуючи ми пристроями. Основним елементом такого пристрою є диск із спеціальними щілинами. Диск, обертаючись, сприймає світлові промені, котрі проникають через щілини. Коли вказівник переміщується, світлові промені не проходять до оптичних датчиків. Роздільна здатність цифрових перетворювачів такого типу залежить від точності і довговічності механічної конструкції, котра при інтенсивній експлуатації спрацьовується.
Графічні планшети з акустичним цифровими перетворювачем
Такі пристрої побудовані на принципі реєстрації мікрофонами звуку, що виникає при виникненні іскри між кінчиком пера і поверхнею планшета. Вимірюючи час між моментом появи іскри і звуку, можна визначити відстань до місця розряду. Відстань до місця розряду дорівнює часу між моментами появи іскри і звуку помноженому на швидкість звуку у повітрі.
Графічний планшет з магнітострикційним цифровим перетворювачем
В таких цифрових перетворювачах координати точки визначаються шляхом вимірювання струму у провіднику, обумовленого магнітним полем, що виникає при механічній дії на провідник (перо щільно притискається до поверхні планшета)
В планшет вмонтована орієнтована по осям X, Y координатна сітка із дроту з особливими магнітними властивостями. Число відрізків, що утворюють сітку сягає 11000, що й забезпечує точність 0.001 дюйма для планшета 11х11 дюймів (27,94х27,94 см).
Графічний планшети з цифровими перетворювачем електростатичного типу
Робота електростатичних перетворювачів ґрунтується на методі фазового детектування. Коли перо опускається на планшет, генерується сигнал, котрий приймається спеціальним електронним детектором. У ньому аналізується амплітуда і фаза сигналу, що поступив. На основі отриманої таким чином інформації ЕОМ розраховує координати точки, що вказує перо.
Світлові пера
Світлове перо являє собою з фотодетектором котрий використовується для визначення певного місця на поверхні екрана дисплея. Відповідне програмне забезпечення дає можливість користувачу застосувати перо для введення в ЕОМ координати точки на екрані електронно-променевої трубки, підносячи до цієї точки кінчик пера.
Електронний промінь сканує поверхню екрана по горизонталі. Послідовність горизонталей зверху до низу називається кадром. Кожна горизонталь складається із послідовності точок (пікселей). У типовій електронній горизонталі міститься 480 пікселей, в кадрі 240 горизонталей і за секунду на екран виводиться 30-60 кадрів. Кожен пік сель світиться чи не світиться в залежності від того, увімкнуто чи ні в даний момент електронний промінь. Якщо піднести фотодетектор світлового пера до світлової точки екрана, то напруга, створювана пером, зростає. Електронна схема пера визначає момент, коли напруга, створювана пером, перевищує базову напругу і посилає на ЕОМ відповідний сигнал. ЕОМ, в свою чергу, визначає адресу пікселя, напроти котрого розташоване перо. Так визначаються координати точки на екрані дисплея.
2.6 Робота зі сканованими кресленнями в системах інженерного документообігу
Системи автоматизованого проектування (САПР) і інженерного документообігу вже довели свою спроможність, як ефективний інструмент розробки виробів і підтримки проектної документації, що створюється в електронній формі і зберігається в комп'ютерних файлах.
У той же час, величезна кількість інженерно-технічних матеріалів дотепер зберігається в паперових архівах і обробляється застарілими методами. Великий обсяг корисної і потрібної інформації не використовується в сучасних технологіях і не працює в повну силу. Крім того, традиційний архів, на відміну від електронного, вимагає великих витрат на збереження, розмноження і розподіл паперових матеріалів.
В усьому світі є більш 8 мільярдів технічних зображень, з яких менш 15% зберігається в електронному форматі. Незважаючи на те, що системи автоматизованого проектування існують уже не один десяток років, більш 65% технічних зображень – це паперові креслення.
В економічно розвитих країнах проблему раціонального й ефективного використання паперових архівів почали вирішувати ще на початку 90-х. Накопичений за минулі роки досвід показує, що застосування сканерних технологій для перекладу інформації з паперових носіїв в електронну форму і включення отриманої інформації в інженерний документообіг дає великий економічний ефект. У нас цей процес поки тільки починається, але необхідність розвитку виробництва, створення конкурентноздатної продукції і виходу на світовий ринок змушує підприємства впроваджувати нові технології роботи з інженерною документацією.
У наш час, завдяки стрімкому розвитку апаратних засобів комп'ютерної обробки інформації і зниженню їхньої вартості, створені всі передумови для впровадження нових технологій роботи з технічними архівами. Поява широкоформатних сканерів і струменевих плотерів, підвищення продуктивності комп'ютерів, зниження вартості збереження інформації на твердих, лазерних і оптичних дисках дають можливість легко одержувати, зберігати і тиражувати копії креслень, схем, планів, карт. Тепер навіть рядовий персональний комп'ютер задовольняє вимогам більшості спеціалізованих програмних засобів обробки сканованих зображень.
Усе це дає можливість перейти від роботи з архівом паперових матеріалів до використання електронних архівів сканованих файлів креслень. Впровадження технології редагування дозволяє використовувати скановані зображення в САПР і системах інженерного документообігу.
Сканування креслень і корекція отриманих растрових зображень – це перший етап впровадження нової технології, але уже він дає реальну економію засобів.
Застосування засобів редагування для обробки архівованої графіки дозволяє реалізувати всі переваги технології САПР для сканованих зображень. Електронні креслення можуть бути переглянуті, змінені і виведені на друк за час значно менший ніж це потрібно на внесення навіть простих змін у паперовий проект. Процес проектування стає раціональним, забезпечуючи значне зниження вартості і високу якість розробки, скорочуючи час виходу виробу на ринок.
Найпростіші системи можуть бути реалізовані на базі звичайної файлової структури з обмеженими засобами відстеження змін, більш складні надійно керують переглядом, зміною і розподілом усієї зв'язаної з проектуванням інформації.
Скановані креслення можна ефективно використовувати в сучасних автоматизованих системах – це, безсумнівно, є самою головною перевагою нової технології. От деякі з найбільш очевидних проблем підтримки паперового архіву, які можна вирішити, використовуючи сучасні технології:
Паперові креслення “старіють” і псуються при збереженні – електронні зображення “вічні”, термін їхнього життя практично не обмежений;
Тиражування паперових креслень трудомістка і не дешева операція – за час, витрачений на копіювання одного паперового креслення, можна розіслати по мережі багато безкоштовних копій електронних креслень;
Паперові креслення займають багато місця, їхнє збереження погане систематизується, часто дуже важко знайти потрібну інформацію в паперовому сховищі. Електронні креслення не вимагають приміщень для збереження, їхній пошук ефективніше і швидше;
Папір обмежує можливості представлення даних: графіка і текст – от і все, у той час як електронні документи можуть містити гіперпосилання на зв'язані з ними матеріали, звук, відео і т.п.;
Паперові креслення губляться. По експертній оцінці, від п'яти до семи відсотків технічних матеріалів не можуть використовуватися, – вони загублені чи розукомплектовані. Резервне копіювання вмісту електронного архіву і введення автоматизованої дисципліни доступу до інформації рятує від подібних проблем;
Не секрет, що багато організацій не хочуть поділятись своєю інтелектуальною власністю і передавати суміжникам оригінали документації, що зберігаються в електронних файлах САПР, а паперові копії багато хто, особливо іноземні компанії, уже не приймають.
Для перекладу паперових креслень в електронні файли використовуються сканери, при подальшій обробці сканованих зображень застосовуються спеціалізовані програмні засоби.
Якість сканування – це найбільш важливий фактор у процесі перетворення паперового креслення у файл. Навіть найкращий сканер не може компенсувати всі недоліки паперових оригіналів. Отриманий при скануванні файл доводиться коректувати, використовуючи спеціалізовані програмні засоби.
У паперових архівах зберігаються документи різних розмірів і на різних носіях. Для їхнього введення в комп'ютер найкраще використовувати широкоформатні сканери, що дозволяють обробляти документи практично будь-якого розміру (формату А0 і більше) на кальці, папері, ватмані, міліметрівці. Текстові документи, креслення, і ксерокопії можуть бути оброблені на тому самому пристрої.
У світі існує кілька компаній, що роблять професійне устаткування для сканування. У нас найбільше поширення отримали сканери фірм Vidar, Oce, HP і Contex. Ці пристрої задовольняють усім перерахованим вище критеріям вибору апаратного забезпечення для перекладу технічної документації в електронну форму.
2.7 Пристрої графічного виводу для САПР
В растових дисплеях електронний промінь сканує поверхню екрана загзагоподібно по горизонталям, висвічуючи дискретні точки.
Графічне зображення формується графічним процесором САПР, причому зображення розбивається на окремі елементи, котрі описуються електронними сигналами.
Кадр змінюється за секунду не менше 30 разів. В кольорових моніторах використовуються три електронних променя, кожний із них генерується окремою „електронною гарматою” у відповідності до кольорів: червоного, зеленого, синього. Ці кольори створюють люмінофорні зерна покриття екрану після взаємодії з електронними променями (тріадами). Тріади створюються шляхом пропускання променів через отвори тіньової маски, котрі фіксують розмір і розташування тріад на екрані. Тіньова маска визначає роздільну здатність кольорових моніторів, так як зменшивши відстані між отворами маски можна збільшити кількість тріад (пікселів) на одиницю площі екрану. У растових дисплеях можна генерувати 256 кольорів і відтінків.
В системах векторного типу електронний промінь, керований дисплейним процесором, створює зображення, рухаючись від точки до точки по відрізках прямих, котрі називаються векторами.
Процесор дисплея керує рухом електронного променя за допомогою списку команд, котрий називається дисплейним файлом. При регенерації зображення процесор кожний раз спочатку читає всі команди дисплейного файлу. Якщо файл збільшується, то час на його читання зростає, це може призвести до виникнення миготливого зображення. Однак цей недолік можна використати як корисний ефект при створенні зображень об’єкта у динаміці.
У векторних дисплеях використовується тільки одна електронна гармата, а зміна кольору досягається зміною у трубці високої напруги, що дозволяє змінювати глибину проникнення електронного променя до шарів люмінофора різних кольорів. Кількість кольорів таких систем обмежена, зокрема червоним, зеленим, синім і оранжевим кольорами.
2.7.1 Матричні принтери
Матричні принтери використовують ударну техніку групу, тобто зображення на папері формулюється внаслідок притиснення до нього фарбуючої стрічки. Матричний принтер має друкуючу головку, котра являє собою матрицю із окремих голочок, які приводяться у дію за допомогою соленоїдів.
Чим більше точок утворює символ, тим вища якість друку. Швидкість друку від 100 до 500 символів в секунду. Матричні принтери можуть виводити також і графічні зображення.
2.7.2 Струменеві принтери
Струменеві принтери для отримання символів „вистрілюють” на папір чорнильним струменем. При цьому друкуюча головка не знаходиться у безпосередньому контакті з папером. Якість друку залежить тільки від того наскільки точно чорнило наноситься на папір. Струменеві принтери мають приблизно ту ж якість і швидкість друку, що і низько швидкісні матричні.
2.7.3 Лазерні принтери
Лазерні принтери являють собою комбінацію друкуючого і копіюю чого пристроїв. Лазери записують зображення на копіювальному барабані. Після чого зображення покривається спеціальним порошком-барвником, котрий прилипає до паперу так, як це відбувається при ксерокопіюванні. Висока роздільність здатність цього процесу дозволяє розмістити на одній сторінці як текст, так і рисунки.
Швидкість друку лазерних принтерів 5-10 сторінок за хвилину.
2.74 Графопобудовники
Існує три типи графопобудовників: планшетні, барабанні, стрічкові.
Папір на планшетному графопобудовнику нерухомий, закріплюється на плоскій основі планшету. Каретка переміщується по двом осям координат X, Y. Більшість планшетних графопобудовників мають вмонтовані контролери на мікропроцесорах. Контролери, по-перше, керують кареткою, а, по-друге, служать для перетворення команд і даних, що йдуть на вхід пристрою, у внутрішню форму призначену для викреслювання ліній, дуг, овалів і ін. У каретку вставляються пера (фломастери, кулькові ручки і ін.).
Барабанні графопобудовники дають можливість виконувати креслення необмеженої довжини. Тут каретка з перами переміщується по осі Y, а папір – по осі Х. Барабанні графопобудовники займають менше місця ніж планшетні, однак на них важко виконувати окреслювання окремих елементів на раніше розпочатих кресленнях.
Стрічковий графопобудовник займає проміжне положення між планшетним і барабанним. Він має вертикально розташований планшет на котрому закріплюється лист. Перо переміщується тільки в горизонтальному напрямі. По обидві сторони рухомого планшету розміщуються стрічки, котрі приводять у рух папір. Під час роботи пристрою одночасно рухаються папір і каретка з пером. Довжина креслення обмежена величиною 1,7 м.