Машинная графика. Интерактивная графика. Применение. Классификация. Перспективы применения.

САПР - это человеко-машинная система, позволяющая на базе ЭВМ автоматизировать определенные функции, выполняемые человеком, с целью повышения темпов и качества проектирования, представляющая собой вид информационного процесса, лежащего в основе технической подготовки производства.

Машинная графика - это создание, хранение и обработка моделей объектов и их изображений с помощью ЭВМ. Машинная графика в автоматизированном проектировании позволяет: освободить человека от выполнения однообразных, трудоемких графических операций, которые можно формализовать и тем самым повысить производительность труда в проектировании, так как трудозатраты на выполнение, например, рабочих чертежей объектов машиностроения составляют значительную часть общего объема проектных работ; благодаря возможности быстрого перебора многих вариантов, решать одну из основных задач проектирования - поиск оптимального варианта; обеспечивать естественную связь человека с ЭВМ на уровне основной продукции инженера любой специальности - графической. Машинная графика, как подсистема САПР, включает в себя методическое, лингвистическое, математическое, программное, техническое, информационное и организационное обеспечение . Методическое обеспечение - документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования. Лингвистическое обеспечение - языки проектирования, терминология, правила формализации естественного языка. Математическое обеспечение - основано на методе математического моделирования, согласно которому математическая структура, отношения элементов в математической модели соответствуют структуре и отношениям в реальном объекте. В МГ используется геометрическая версия математического моделирования, при котором двумерные и трехмерные изображения состоят из точек, линий и поверхностей. Программное обеспечение - включает программы на машинных носителях, тексты программ и эксплутационную документацию. Основу программного обеспечения МГ составляют пакеты прикладных программ (ППП), представляющие собой набор программ, реализующих на ЭВМ инвариантные и объектно-ориентированные графические процедуры. Техническое обеспечение - устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства или их сочетания. Информационное обеспечение - документы, содержащие описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов. Организационное обеспечение - положения, инструкции, приказы, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и взаимодействие их с комплексом средств автоматизации проектирования.

Применение машинной графики

В применении машинной графики различают два уровня: пассивная графика, когда с помощью пакета прикладных программ производятся формирование и вывод графических изображений; интерактивная графика - процесс оперативного графического взаимодействия (диалога) человека с ЭВМ. Интерактивная машинная графика представляет собой важный раздел МГ, когда пользователь имеет возможность динамически управлять содержанием изображения, его формой, размерами и цветом на поверхности дисплея с помощью интерактивных устройств взаимодействия, например клавиатуры, мыши, трекбола и т.п. Интерактивная машинная графика существенно повышает эффективность диалога пользователя с ЭВМ за счет использования сочетания графического информации с текстовой. В итоге повышается качество и точность результатов, снижаются объемы рутинной работы. Типичными примерами использования интерактивной графики являются следующие области:

создание графиков, гистограмм, диаграмм; геоинформационные системы, картография; автоматизация чертежных и конструкторских работ; САПР; проектирование компонент и систем механических, электрических, электромеханических и электронных устройств; проектирование и моделирование в авиа-, судо-, автомобилестроении; архитектура, дизайн, геология; моделирование спецэффектов, мультипликация, заставки; управление процессами; автоматизация канцелярских работ, электронный документооборот, электронная публикация; искусство и реклама; графические интерфейсы операционных и прикладных систем, броузеров для Интернета и WEB-серверов; компьютерные игры, библиотеки и энциклопедии на СD-ROM, интерактивное кино.

1. Тип объекта:

а) линейные рисунки двумерных объектов; б) каркасное представление трехмерных (3D) объектов; в) каркасное представление 3D объектов с удалением невидимых линий. г) поверхностное представление 2D объектов. Двумерные тоновые изображения - черно-белые и цветные; д) трехмерное поверхностное представление 3D объектов с удалением невидимых линий и поверхностей; е) трехмерное поверхностное представление 3D объектов с удалением невидимых линий и поверхностей и отображением фактур поверхностей; ж) твердотельное представление объектов.

2.Тип выводимого изображения:

а) ортогональные проекции; б) аксонометрия (косоугольная, прямоугольная); в) перспектива, наглядные изображения.

3. Тип интерактивности и уровень возможностей для управления диалогом и изображением:

а) автономное вычерчивание по готовой базе данных с помощью прикладной программы на графопостроителе; б) интерактивный диалог по созданию чертежей по готовой базе данных; в) интерактивный графический диалог по созданию чертежей и интерактивное графическое пространственное проектирование. 4. Роль изображения: а) цель. Инструментальное средство. Архитектура, дизайн, картография, реклама, искусство; б) компонента. Подсистема САПР.

В свою очередь, использование и распространение машинной графики становится оправданным для широкого круга приложений вследствие быстрых темпов удешевления аппаратно-технических средств.

1. Преобразование на плоскости называется аффинным, если оно взаимно однозначным образом преобразует точку в точку, прямую в прямую и кривую линию в кривую. Аффинное преобразование на плоскости (от англ. affinity – родство) имеет следующие свойства:

• отображает двумерный объект в двумерный (точку в точку, прямую в прямую и кривую линию в кривую линию);

• Сохраняет параллельность линий;

• Сохраняет пропорции параллельных объектов, длин параллельных отрезков и площадей плоских фигур.

Множество аффинных преобразований на плоскости (АП) может быть представлено на основе элементарных АП таких как, Перенос, Поворот, Масштабирование, Симметрия относительно точки, Симметрия относительно оси (Зеркальное отображение). Эти преобразования будем называть базовыми преобразованиями (БП), в силу того, что на их основе можно описывать сложные композиции АП. Т.е. сложное АП можно представить как комбинацию последовательных БП через их произведение с получением матричной записи данного сложного результирующего преобразования.

1. Перенос (англ. Transfer). Точки на плоскости, в неподвижной системе координат XOY, можно перенести в новые позиции на величину вектора переноса Т с компонентами переноса (Dx, Dy) , путем добавления к координатам этих точек значений компонент вектора переноса. Для каждой точки плоскости P(x,y), которая переносится на вектор Т с компонентами переноса Dx (параллельно оси OX) и Dy (параллельно оси OY), можно записать следующие координатные уравнения для определения значений координат новой точки P’(x’y’):

x'= x + Dx ,

y'= y’ + Dy

или, в матричном виде [x’ y’]=[ x y] + [Dx Dy]. Перенос обозначается как T (Dx Dy).

2. Поворот (англ. Rotation). Поворот точки на плоскости, в неподвижной системе координат XOY, относительно центра системы координат на заданный угол  описывается следующими координатными уравнениями:

x'= x * Cos  - y * Sin 

y'= x * Sin  + y * Cos 

или, в матричном виде [x’ y’]=[ x y] * [ Cos  Sin  ]

[ - Sin  Cos  ].

Необходимо различать Поворот в положительном направлении на угол  (против часовой стрелки) и в отрицательном направлении на угол - (по часовой стрелке). Поворот обозначается как R ().. Тогда R (-)=R^Т ().

3. Масштабирование (англ. Scaling). Масштабирование на плоскости по своей сути является растяжением-сжатием вдоль осей координат. Объекты на плоскости, в неподвижной системой координат XOY, можно растянуть в K_x раз вдоль оси OX и в K_y раз вдоль оси OY, получив в результате новые точки объекта, где K_x и K_y - коэффициенты масштабирования вдоль соответствующих осей. Если K_x = K_y , то масштабирование называется однородным. Если K_x ≠ K_y , то масштабирование называется неоднородным. Масштабирование описывается следующими координатными уравнениями:

x'= x * K_x

y'= y * K_y

или, в матричном виде [x’ y’]=[ x y] * [K_x 0 ]

[ 0 K_y ].

Масштабирование обозначается как S (K_x K_y).

4. Симметрия относительно точки. Преобразование симметрии на плоскости в неподвижной системе координат XOY относительно центра системы координат есть, по своей сути, известное БП Поворот на угол . В матричном виде базовое преобразование симметрии можно записать:

[x’ y’]=[ x y] * [-1 0 ]

[ 0 -1 ].