GMSAPR

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП)

А. Ю. Поляков, С. Ю. Дорофеев

Геометрическое моделирование в системах автоматизированного проектирования

Учебно-методическое пособие

Томск – 2007

Рецензенты:

Поляков А.Ю., Дорофеев С.Ю.

Геометрическое моделирование в системах автоматизированного проектирования: учеб. пособие / Под общей редакцией С.Ю. Дорофеева. – Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. – 215 с.

© Поляков А. Ю., Дорофеев С. Ю., 2007 © Том. гос. ун-т систем упр. и

радиоэлектроники, 2007

	3
Введение.......................................................................................................................	6

1 Что такое геометрическое моделирование и системы автоматизированного

проектирования?..........................................................................................................			9
1.1	Истоки геометрического моделирования и САПР...................................		9
1.2	2D моделирование .....................................................................................		10
1.3	3D моделирование .....................................................................................		11
1.4	Заключение.................................................................................................		12
2 Обзор инструментальных средств.....................................................................			13
2.1	Особенности программирования под ОС Windows ...............................		14
	2.1.1 Память, многозадачность и файлы, проецируемые в память........		14
	2.1.2	64-разрядная архитектура .................................................................	18
	2.1.3	Структура Windows-приложения.....................................................	21
2.2	Библиотека классов Microsoft Foundation Class Library.........................		26
2.3	Microsoft Visual C++ 2005 .NET ...............................................................		27
2.4	.NET Framework .........................................................................................		31
2.5	C# - новый уровень языка C++.................................................................		39
2.6	GDI и GDI+.................................................................................................		42
2.7	DirectX и OpenGL.......................................................................................		47
2.8	Заключение.................................................................................................		54
3 Основные понятия компьютерной графики.....................................................			55
3.1	Цели и задачи компьютерной графики....................................................		55
3.2	Основные понятия и определения ...........................................................		57
	3.2.1	Графический формат .........................................................................	57
	3.2.2	Пикселы и цвет...................................................................................	60
	3.2.3	Цветовые модели................................................................................	62
	3.2.4	Палитры цветов..................................................................................	64
	3.2.5	Элементы графического файла.........................................................	64
	3.2.6	Преобразование форматов ................................................................	65
	3.2.7	Сжатие данных...................................................................................	66
3.3	Заключение.................................................................................................		69

4
4 Работа с растровыми файлами формата BMP ..................................................		70
4.1	Общее описание формата BMP ................................................................	70
4.2	Структура BMP-файла...............................................................................	71
4.3	Создание многодокументного приложения............................................	77
4.4	Класс CRaster для работы с растровыми изображениями.....................	79

4.5Модификация класса документа для обеспечения работы с

	изображениями...........................................................................................	92
4.6	Заключение.................................................................................................	94
5 Двойная буферизация и вывод изображения...................................................		96
5.1	Реализация виртуального экрана в программе BMViewer....................	96
5.2	Модификация класса облика....................................................................	98
5.3	Заключение...............................................................................................	107
6 Редактирование изображений..........................................................................		108
6.1	Преобразования........................................................................................	108
6.2	Таблица преобразования.........................................................................	110
6.3	Гистограмма яркости изображения .......................................................	111
6.4	Графические фильтры.............................................................................	119
	6.4.1 Программная схема выполнения преобразований. ......................	119
	6.4.2 Класс «Фильтр»................................................................................	127

6.5Использование гистограммы яркости для повышения контрастности

	изображения. Фильтр «Гистограмма» ...................................................	133
6.6	Фильтр «Яркость/Контраст»...................................................................	140
6.7	Фильтр «Инверсия цветов».....................................................................	147
6.8	Фильтр «Рельеф» .....................................................................................	148
6.9	Фильтр «Размытие» .................................................................................	151
6.10	Фильтр «Контур» .....................................................................................	152
6.11	Фильтр «Четкость» ..................................................................................	154
Результат применения фильтра показан на рис. 23. ............................................		156
6.12	Фильтр «Удаление шума».......................................................................	157
6.13	Применение фильтров.............................................................................	168

			5
6.14	Вывод изображений на печать ...............................................................		169
6.15	Заключение...............................................................................................		172
7 Создание приложения с использованием библиотек OpenGL .....................			174
7.1	Общая схема использования библиотеки OpenGL...............................		174
7.2	Модификация класса облика..................................................................		176
7.2.1		Модификация класса документа....................................................	185
7.2.2		Модификация класса приложения.................................................	185
7.3	Заключение...............................................................................................		186
Приложение 1. Основные понятия и принципы объектно-ориентированного
программирования ..................................................................................................			187

Приложение 2. Основные рекомендации по проектированию пользовательских

интерфейсов.............................................................................................................	193
8 Методические указания к выполнениию лабораторных работ....................	196

8.1Задание на лабораторную работу №1 — Изучение программы

BMViewer..................................................................................................

196

8.2Задание на лабораторную работу №2 — простейшие растровые

преобразования ........................................................................................	197
8.3 Задание на лабораторную работу №3 —преобразования №2.............	198

8.4Задание на лабораторную работу №4 — работа с OpenGL в программе

	FirstGL.......................................................................................................		199
9 Курсовое проектирование................................................................................			201
9.1	Темы курсовых работ..............................................................................		201
9.2	Условия выполнения курсового проекта ..............................................		203
	9.2.1 Требования к техническому заданию............................................		204
	9.2.2	Проект системы................................................................................	204
	9.2.3	Диаграммы классов..........................................................................	205
	9.2.4	Пояснительная записка....................................................................	208
Литература ...............................................................................................................			212

6

Введение

Задачи дисциплины: изучение методов геометрического моделирования в системах автоматизированного проектирования (САПР): отображение графической информации в двумерном и трехмерном пространстве, программирование алгоритмов компьютерной графики, создание простейших САПР-систем.

В данном пособии изложены алгоритмы и методы решения многих задач, возникающих при работе с векторными и растровыми изображениями. Основное внимание уделено вопросам прикладного программирования с использованием языка Microsoft Visual C++ 2005, библиотеки классов MFC и объектно-ориентированного проектирования. Материал книги накоплен за несколько лет чтения курса лекций "Геометрическое моделирование в САПР" в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), а также в результате практической работы над научными и коммерческими проектами.

Материал строится на программе предыдущих курсов, поэтому перед началом изучения данной дисциплины необходимо уверенно владеть следующими навыками:

•Знать базовые алгоритмы компьютерной графики, способы хранения и представления графической информации;

•Знать основы написания программного обеспечения (ПО) под операционную систему (ОС) Windows;

•Уметь работать в средах Microsoft Visual Environment или Borland.

•Иметь хорошее понимание C++;

•Знать объектно-ориентированное проектирование (ООП) программных систем (полиморфизм, множественное наследование, агрегация и др.), их описание в диаграммах UML;

•Знать технологии разработки программного обеспечения (составление технического задания, проектов систем, различные стандарты организации процесса разработки — IBM COOTS, MSF,

7

критерии оценки качества ПО — ISO/IEC 9126, ГОСТ 28195 и ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126 и др.).

Если в этих областях будут возникать вопросы, совершенно необходимо своевременно устранить пробелы.

Структура книги разделена на две части: обзорная и прикладная.

В обзорной части книги вкратце рассматриваются особенности программирования под ОС Windows: win32, win64, .NET, GDI и GDI+, DirectX

и OpenGL, и другое.

Перед изучением дальнейшего материала необходимо ознакомиться с приложениями — в них описаны базовые принципы, которыми необходимо будет владеть, чтобы эффективно усвоить материал.

Перед авторами не стояла задача полностью рассмотреть предметные области, описанные в приложениях, они скорее необходимы для того, чтобы студент смог освежить в памяти темы, пройденные на младших курсах. Дополнительные сведения могут быть легко получены из электронных источников или специальной литературы.

Вприкладной части книги описывается представление растровых данных

иструктура BMP-файла. Рассматривается пример создания программы BMViewer, обрабатывающей растровые данные различными алгоритмами компьютерной графики. Описывается процесс создания программы, в том

числе: многодокументная архитектура на основе классов MFC, двойная буферизация с помощью виртуальных экранов, гистограмма яркости, графические фильтры, работа с потоками, полиморфизм, точечные и матричные (пространственные) фильтры, яркость, контраст и многое другое.

Завершающая глава посвящена разработке приложения с использованием библиотеки OpenGL.

Данная книга не претендует на полноту изложения и для успешного изучения дисциплины обязательно потребуются привлечение дополнительных

8

источников. Рекомендуемые источники: MSDN (Microsoft Developer Network) –

поистине гигантская энциклопедия по технологиям .NET, MFC, API, GDI и GDI+, а так же многому другому; информационный портал RSDN (Russian Software Developer Network) www.rsdn.ru на котором можно обнаружить практически любую информацию (да ещё и на русском языке). Кроме того,

достаточно полезными бывают www.codeguru.com и www.codeproject.com (оба англоязычные).

Вообще, в наш информационный век найти любой материал в Интернете не является большой проблемой. Поэтому не стоит ограничиваться только перечисленными источниками — каждый день появляются новые достойные Интернет-ресурсы и бумажные публикации.

9

1Что такое геометрическое моделирование и системы автоматизированного проектирования?

Вданной главе мы рассмотрим — как зарождались САПР-системы и для чего они предназначены. Узнаем классификацию и математический аппарат геометрического моделирования.

1.1 Истоки геометрического моделирования и САПР

Теоретические основы САПР сформировались в 60-х — начале 70-х годов прошлого столетия. В основу идеологии положены разнообразные математические модели абстрактного изделия. Объекты рассматриваются с точки зрения различных специальностей, применяются различные методы получения параметров: геометрические, технологические, тепловые, аэродинамические, эргономические и т.п. Именно разнообразие моделей привело впоследствии к классификации CAD/CAM/CAE/PDM/TDM... и к более глубокой специализации внутри каждого раздела.

Нас, при изучении данной дисциплины, интересует именно CAD — Computer-Aided Design (русскоязычный термин — САПР — системы автоматизированного проектирования), который определяет область геометрического моделирования. Важность геометрической модели трудно переоценить, поскольку любые предметы описываются в первую очередь геометрическими параметрами.

Первой основой для описания предметов можно считать Евклидову геометрию, допускающую однозначное представление материальных объектов на плоскости. Евклидово построение предполагает определенный набор инструментов (линейка, циркуль) и множество допустимых операций, которые можно выполнить с их помощью. Дальнейшее развитие идей Евклидовых построений сформировало методы начертательной геометрии и проекционного черчения. Введение систем координат Декартом позволило соединить

10

геометрию с аналитической математикой. Так, открылась возможность получать новые геометрические объекты путем решения алгебраических уравнений.

1.2 2D моделирование

Традиционный способ плоского геометрического моделирования состоял в применении линейки, циркуля и транспортира на чертежной доске. Именно этот способ обеспечил техническую революцию на рубеже XIX-XX веков.

Появление ЭВМ стало благоприятной предпосылкой для развития машинной графики, которая включила в себя дисциплины геометрического моделирования и вычислительной геометрии. Основная их задача состоит в решении геометрических задач в аналитической и вычислительной (алгоритмической) форме.

Параллельно с векторным описанием геометрической информации развивались и дискретные представления объектов, так же называемых растрами. Отсюда пришло понятие «растровая графика».

К началу 80-х математический аппарат плоского геометрического моделирования был уже достаточно хорошо сформирован для того, чтобы обеспечить бурное развитие плоских CAD-систем. Инженеры сразу же оценили такие преимущества, как автоматизация построения геометрических элементов, копирование фрагментов, простота редактирования геометрической и текстовой информации, автоматическая штриховка и нанесение размеров, точность и качество документации, в том числе её автоматическое формирование, компактность хранения и др.

Существует два подхода к плоскому моделированию, которые получили развитие в CAD-системах. Первый условно можно назвать чертежным, второй

—твердотельным.

Вчертежном способе основными инструментами являются отрезки, дуги, полилинии и кривые. В твердотельном способе основными инструментами являются замкнутые контуры; остальные элементы играют вспомогательную