- •Введение
- •1. Модели. Элементы моделей
- •2. Построение кривых
- •3. Построение поверхностей
- •4. Типы моделей
- •5. Полигональные сетки
- •6. Описание геометрических форм
- •6.1. Описание поверхностей. Параметрическое описание поверхностей
- •Эллипсоид
- •Xacoscos,
- •Общие случаи нормали к поверхности
- •Описание поверхностей неявными функциями
- •6.2. Поточечное описание поверхностей.
- •6.3. Синтез изображений методом обратной трассировки лучей
- •Система координат, применяемая в методе обратной трассировки лучей
- •6.4. Способы представления моделей геометрических объектов
- •6.5. Кривые и поверхности nurbs
- •7. Структура твердотельной модели
- •8. Синтез твердого тела по процедурному описанию
- •8.1 Векторная полигональная модель
- •8.2. Воксельная модель
- •8.3. Равномерная сетка
- •8.4. Неравномерная сетка. Изолинии
- •9. Преобразование моделей описания поверхности
- •10. Понятие кубических сплайнов
- •11. Интерполяция b-сплайнами
- •12. Выпуклые оболочки
- •Основные понятия и идеи
- •12.1. Метод обхода грэхема
- •12.2. Обход методом джарвиса
- •13. Геометрмческое моделирование криволинейных объек тов с использованием барицентрических координат
- •13.1. Линейная интерполяция и барицентрические координаты
- •13.1.1. Барицентрические координаты на прямой
- •13.1.2. Барицентрические координаты на плоскости
- •13.1.3. Барицентрические координаты в пространстве
- •13.2. Метод определения точек, инцидентных треугольной порции поверхности, по заданным локальным координатам
- •13.2.1. Алгоритм задания квадратичной параболы
- •13.2.2. Анализ алгоритма кастельжо для произвольной кривой
- •13.2.3. Обобщённый алгоритм для треугольной порции поверхности
- •13.3. Аппроксимация поверхностей обобщенными полиномами бернштейна
- •13.3.1. Свойства треугольной порции поверхности безье
- •13.3.2. Свойства обобщенных полиномов бернштейна
- •14. Особенности аппроксимации обводов параметрическими полиномами в форме бернштейна
- •14.1. Методы полиномиальной аппроксимации одномерных обводов
- •14.1.1. Общая постановка задачи аппроксимации дискретного набора данных
- •14.1.2. Аппроксимация обводов параметрическими полиномами
- •14.1.3. Аппроксимация обводов параметрическими полиномами бернштейна
- •14.2. Геометрические свойства производных полиномов бернштейна
- •14.2.1. Вычисление первой производной
- •14.2.2. Вычисление производных высшего порядка
- •14.3. Методы полиномиальной аппроксимации двумерных обводов
- •Метод тензорного произведения
- •Каркасный метод
- •14.3.3. Метод булевой суммы (поверхности Кунса)
- •15. Стандарты в графических системах сапр и современные растровые графические файлы
- •15.1. Графические системы класса 2d
- •15.2. Графические системы класса 3d
- •15.3. Стандарты обмена данными
- •16. Системы подготовки и выпуска конструкторско-технологической документации. Организация конструкторской подготовки производства
- •17. Графические диалоговые системы
- •17.1. Краткий обзор зарубежных cad-систем
- •Технологические модули в pt/Products. Интеграция процессов проектирования и изготовления
- •Работа со стандартными библиотеками посредством pt/LibraryAccess и pt/Library
- •17.2. Отечественные разработки
- •Компас 5
- •T-flex cad
- •Заключение
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
А.С. Кольцов Е.Д. Федорков
Геометрическое моделирование в САПР
Учебное пособие
Воронеж 2005
А.С. Кольцов Е.Д. Федорков
Геометрическое моделирование в САПР
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2005
УДК 659.305.8: 681.3.07
Кольцов А.С., Федорков Е.Д. Геометрическое моделирование: Учеб. Пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т., 2005, 183 с.
В учебном пособии рассматриваются основные алгоритмы и методы геометрического моделирования в САПР. Рассмотрены вопросы построения кривых и поверхностей, способы представления моделей геометрических объектов, стандарты в графических системах САПР, а также системы подготовки и выпуска конструкторско-технологической документации и прочие разделы курса «Геометрическое моделирование в САПР». Издание предназначено для студентов специальности 230104 «Системы автоматизированного проектирования» очной формы обучения.
Табл. 25. Ил. 28. Библиогр.: 11 назв.
Рецензенты: зам. директора ВНИИС по науке
д-р техн. наук, И.И. Малышев;
канд. техн. наук, доц. А.И. Житенев
-
© Кольцов А.С., Федорков Е.Д., 2005
© Оформление. ГОУВПО «Воронежский
государственный технический
университет», 2005
Введение
Во многих приложениях машинной графики возникает потребность в представлении трехмерных тел (вычислительный эксперимент, автоматизация проектирования, роботизация, вычислительная томография, тренажеры, видеографика и т.д.).
Можно выделить две основные задачи, связанные с представлением трехмерных тел, - построение модели уже существующего объекта и синтез модели заранее не существовавшего объекта.
При решении первой задачи в общем случае может потребоваться задание бесконечного количества координат точек. Чаще же всего объект с той или иной точностью аппроксимируют некоторым конечным набором элементов, например поверхностей, тел и т.п.
При решении второй задачи, выполняемой чаще всего в интерактивном режиме, основное требование к средствам формирования и представления модели - удобство манипулирования.
Используются три основных типа 3D моделей:
каркасное представление, когда тело описывается набором ребер;
поверхностное, когда тело описывается набором ограничивающих его поверхностей;
модель сплошных тел, когда тело формируется из отдельных базовых геометрических и, возможно, конструктивно - технологических объемных элементов с помощью операций объединения, пересечения, вычитания и преобразований.
Важно отметить, что 3D системы существенно ориентируются на область приложений, так как многие характерные для них задачи, выполняемые программным путем, стоят очень дорого и сильно зависят от выбора возможных моделей. Типичными такими задачами, в частности, являются получение сечений и удаление невидимых частей изображения. Обычно имеется много вариантов реализации различных моделей, в большей или меньшей степени эффективных в зависимости от различных областей приложений и решаемых задач. Поэтому в 3D системах стремятся использовать многообразие моделей и поддерживать средства перехода от одной модели к другой.
Другим важным обстоятельством является то, что для современных систем характерно стремление моделировать логику работы, принятую пользователем. Это требует наличия средств перехода от модели, удобной для пользователя, к модели, удобной для визуализации (модели тел в виде граней).
1. Модели. Элементы моделей
При формировании 3D модели используются:
двумерные элементы (точки, прямые, отрезки прямых, окружности и их дуги, различные плоские кривые и контуры);
поверхности (плоскости, поверхности, представленные семейством образующих, поверхности вращения, криволинейные поверхности);
объемные элементы (параллелепипеды, призмы, пирамиды, конусы, произвольные многогранники и т.п.).
Из этих элементов с помощью различных операций формируется внутреннее представление модели.
Методы построения моделей
Используются два основных способа формирования геометрических элементов моделей - это построение по заданным отношениям (ограничениям) и построение с использованием преобразований.
Построение с использованием отношений
Построение с использованием отношений заключается в том, что задаются:
элемент, подлежащий построению;
список отношений и элементы, к которым относятся отношения.
Например, построение прямой, проходящей через точку пересечения двух других прямых и касательную к окружности.
Используется два способа реализации построения по отношениям - общий и частный.
При общем способе реализации построение по заданным отношениям можно представить в виде двухшаговой процедуры:
на основе заданных типов отношений, элементов и параметров строится система алгебраических уравнений;
решается построенная система уравнений.
Очевидное достоинство такого способа - простота расширения системы - для введения нового отношения достаточно просто написать соответствующие уравнения.
Основные проблемы такого способа заключаются в следующем:
построенная система уравнений может иметь несколько решений, поэтому требуется выбрать одно из них, например в диалоговом режиме;
система уравнений может оказаться нелинейной, решаемой приближенными методами, что может потребовать диалога для выбора метода(ов) приближенного решения.
В связи с отмеченными проблемами общий подход реализован только в наиболее современных системах и при достаточно высоком уровне разработчиков в области вычислительной математики.
Большинство же систем реализует частный подход, первым приходящий в голову и заключающийся в том, что для каждой триады, включающей строящийся элемент, тип отношения и иные элементы, затрагиваемые отношением, пишется отдельная подпрограмма (например построение прямой, касательной к окружности в заданной точке). Требуемое построение осуществляется выбором из меню и тем или иным вводом требуемых данных.
Преимущества такого подхода ясны - проще писать систему. Не менее очевидны и недостатки, когда пользователю требуется использовать сильно разветвленные меню и/или запоминать мало вразумительные сокращения или пиктограммы, так как обычно число требуемых вариантов построения исчисляется сотнями. Расширение системы, реализуемое добавлением новой подпрограммы, требует ее перепроектирования, по крайней мере, в части обеспечения доступа пользователя к новым возможностям. В некотором смысле предельный пример этого подхода - система AutoCAD фирмы Autodesk. Авторы даже гордятся сложностью системы: "AutoCAD предоставляет эту крайне сложную технологию".
Понятно, что перспективы за общим подходом с разумным использованием частных решений. Вместе с тем устаревшие системы типа AutoCad скорее всего также будут продолжать использоваться в силу распространенности, сложившегося круга обученных пользователей и т.п.
Построение с использованием преобразований
Построение нового объекта с использованием преобразований заключается в следующем:
задается преобразуемый объект;
задается преобразование (это может быть обычное аффинное преобразование, определяемое матрицей, или некоторое деформирующее преобразование, например замена одного отрезка контура ломаной);
выполнение преобразования; в случае аффинного преобразования для векторов всех характерных точек преобразуемого объекта выполняется умножение на матрицу; для углов вначале переходят к точкам и затем выполняют преобразование.