Тема 8. Інженерна і комп’ютерна графіки (КГ). Види та системи КГ

1. Основні визначення

Графічна інформація - є найбільш ємним, наочним і економним засобом представлення зорової інформації (краще раз побачити, чим сто разів почути).

В загальному об’ємі проектних робіт графічна інформація складає 60-80%.

Графічна інформація вимагає великих людських зусиль для її створення і опрацювання, а тому потребує ефективне використання ПК.

Одним із головних компонентів автоматизованого виробництва є системи автоматизованого проектування САПР (Система Автоматизованого ПРоектування) - людино-технічна система, яка дозволяє на базі ЕОМ автоматизувати ряд функцій з метою покращання якості проектування, зменшення часу на його виконання.

Проектування - процес перетворення вихідного опису виробу в кінцевий результат на основі виконання дослідницьких, розрахункових, конструкторських та інших робіт.

Конструювання - розробка конструкції по наперед заданим розрахункам, яка реалізується в конструкторській документації.

В САПР входять ряд підсистем: інженерних розрахунків -> конструювання -> технологічної підготовки виробництва -> виготовлення виробу.

Процес конструювання здійснюється за допомогою графічної підсистеми автоматизації розробки і виконання конструкторської документації (АКД) або ж СAD (Computer Aided Design).

Ефективність використання СAD забезпечується за рахунок:

• використання існуючих креслень - конструктивних і геометричних елементів, уніфікованих конструкцій, стандартних виробів (баз даних);
• наявності способів редагування - копіювання, перенос, поворот тощо;
• одержання твердих копій креслень високої якості тощо.

Розрізняють також системи:

• CAE (Computer Aided Engineering) - комп’ютерна підготовка в інженерних розрахунках;
• CAM (Computer Aided Manufacturing) - комп’ютерна підготовка у виробництві.

Комп’ютерна графіка (КГ) або ж машинна графіка (МГ) – галузь знань, яка займається створенням, зберіганням і обробкою моделей геометричних об’єктів (ГО) і їх зображень за допомогою ПК.

Апаратне забезпечення КГ становлять засоби введення та виведення графічної інформації, її збереження та передачі.

Виникла КГ в 60-х роках з широким розповсюдженням ПК.

КГ тісно поєднує такі суміжні задачі:

• розпізнавання образів - перехід від зображення до його математичної моделі;
• обробка зображень - перехід від зображення до його іншого зображення;
• комп’ютерна геометрія - задачі переходу від мат. моделі до зображення.

Геометричне моделювання - створення моделей реальних об’єктів, процесів і явищ, які включають інформацію про геометрію об’єкта.

Модель геометричних об’єктів (ГО) - сукупність даних, які визначають його форму і геометричні властивості об’єкта. ГО можуть бути: 1) постійними (форма, розміри, положення) і 2) параметричні (залежати від параметрів).

Самоконтроль

v  Що таке CAD?

v  Поясніть зміст поняття САПР.

v  Які задачі вирішує КГ?

v  Яке призначення CAM та CAE.

2. Растрова, векторна та фрактальна КГ

Існує три основих принципи (моделі) створення та представлення зображень:

• растровий - масив (матриця) чисел, що описують координати і колірні параметри кожної точки зображення;
• векторний - математичні формули, що описують геометричні фігури (об’єкти) зображення;
• фрактальний - оперує математичними формулами, які описують процес автоматичної генерації зображення за допомогою рівнянь.

Растрова графіка

Системи растрової графіки: Paint Brush, Adobe PhotoShop, MS PhotoEditor.

У растровій графіці зображення складається із різнокольорових крапок (пікселів), які в сукупності формують рисунок. Растрове зображення нагадує аркуш паперу з дуже маленькими клітинками, кожна із яких має певний колі та яскравість.

Піксель (PICture ELement) – найменший елемент зображення, який характеризується кольором, інтенсивністю, формою, розміром.

Растр - матриця комірок (пікселів) представляється масивом чисел, який описує кольорові параметри кожного пікселя.

Характеристики растра:

• розмір пікселя ≈0.25 мм;
• роздільна здатність визначається відстанню між сусідніми пікселями. Одиницею виміру роздільної здатності - dpi (dots per inch) - кількість пікселів на один дюйм (2.54 см);
• розмір растра визначається кількістю пікселів по горизонталі і вертикалі. Наприклад, типові розміри екрана в пікселях 1600*1024. Чим більше пікселів, тим вища якість зображення
• форма пікселя визначається графічним пристроєм - дисплея, принтера тощо.

Основні функції растрової графіки є перетворення кольорів і яскравості.

У КГ розрізняють кольори: бінарні (чоронобілі) - 1 біт на піксель; напівтонові - 8 біт на піксель; High Color (65536 кольорів) - 16 біт на піксель; True Color (16.7 млн. кольорів) - 24 біт на піксель.

Око людини може відрізняти близько 350 кольорів.

Переваги растрової графіки у високій якості таких зображень як фотографії, а тому область її застосування – поліграфія.

Недолік растрової графіки:

• великий об’єм файлу, який зберігає растровий рисунок. Наприклад, для збереження копії графічного екрана дисплея з розмірами 1024*768 за умови, що колір пікселя кодується трьома байтами, потрібно 1024*768*3=2,3 МБ;
• труднощі зі зміною масштабу та редагуванням елементів рисунка.

Векторна графіка

Системи векторної графіки: Adobe Illustrator, AutoCAD, SolidWorks, SolidEdge, Autodesk Inventor, ArchiCAD, 3D Studio, Компас та інші.

У векторній графіці зображення будується за допомогою математичного опису об’єктів – плоских та просторових примітивів.

Примітив – базовий геометричний елемент, який представляється у вигляді аналітичної формули. При формуванні графічного зображення із примітивів в кожну мить підраховуються всі його точки.

Графічні примітиви мають певні атрибути під якими розуміють візуальні властивості (видимість, колір, яскравість, тип лінії тощо) та статус стосовно операцій (можливість його редагування, виборки курсором).

Переваги векторної графіки у можливості редагуванні окремого об’єкту зображення, не впливаючи на інші. У векторній графіці вирішене питання масштабування. Якщо задана товщина лінії рівна 0,15 мм, то скільки б ми не збільшували чи не зменшували зображення, ця лінія все рівно буде мати тільки таку товщину. Друк креслення на малому чи на великому аркуші паперу не впливає на лінії однієї і тієї ж товщини. Розмір файла значно менший ніж файли растрової графіки. Недоліком векторної графіки є “неприродність” рисунка, а тому її використовують в конструкторській сфері.

Фрактальна графіка

Програмні засоби для роботи з фрактальною графікою призначені для автоматичної генерації зображень шляхом математичних розрахунків. Створення фрактальної художньої композиції складається з програмування.

Фрактальну графіку застосовують для моделювати образи живої природи обчислювальним шляхом часто використовують для автоматичної генерації незвичних ілюстрацій. У машинній графіці фрактали використовують при зображені дерев, кущів, моделюванні рельєфу місцевості чи поверхні моря і т.п.

Формати графічних файлів

Існує багато форматів графічних зображень, які підтримують растрову чи векторну графіку, або ж обидва види одночасно.

Пастеризація (pasteurize) - перетворення векторних зображень у точкове.

Трасування (tracing) чи векторизація (vectorization) - перетворення точкових зображень у векторну форму (Post Script- файл).

Наприклад, програма Streamline фірми Adobe дозволяє точкове зображення (*.tiff, *.pcx) перевести у векторне зображення (*.eps, *.dxf, *.wmf).

Самоконтроль

v  Охарактеризуйте типи комп’ютерної графіки.

v  Що таке векторна, растрова (піксельна) та фрактальна графіки?

v  Яка відмінність між піксельною та векторною графіками?

v  Які переваги та недоліки векторної та растрової графіки?

v  У чому суть векторного способу кодування графічних зображень?

v  Які математичні основи закладені при формуванні векторних зображень?

v  Які програмні продукти для роботи з векторними зображеннями загального призначення використовуються в комп’ютерній графіці?

v  Для чого призначені векторизатори і в яких випадках їх використовують?

3. Короткий огляд систем комп’ютерної графіки

1.1. Короткий огляд систем комп’ютерної графіки

Графічні системи - комп’ютерні середовища, які реалізують функції CAD.

Розрізняють КГ:

• легкі (AutoCAD, Компас-Графік) - застосовують замість кульмана;
• середні (SolidWorks, SolidEdge, Компас-3D) - 3D моделювання та побудови креслень по 3D моделям.
• важкі (CATIA, NX) - комплекси програм для великого підприємства, які включають CAD, CAE, CAM.

SolidWorks

CAD пакет для твердотільного параметричного моделювання складних деталей і складальних креслень. Розробник SolidWorks Corporation, США – незалежний підрозділ компанії DassaultSystems, Франція.

SolidWorks є ядром інтегрованого комплексу автоматизації підприємства, за допомогою якого здійснюється підтримка життєвого циклу виробу.

Система базується на геометричному ядрі Parasolid.

SolidEdge

Система SolidEdge призначена для розробки складальних вузлів і геометричного моделювання деталей, забезпечує ефективне об’єктно-орієнтоване параметричне моделювання. Розробник Unigraphics Solutions, США. Базується на геометричному ядрі Parasolid.

Autodesk Inventor

Inventor - система машинобудівного проектування, що використовує тривимірну графічну технологію Farenheit, розроблену спільно Microsoft і SGI.

Особливості Inventor’а:

• простота використання;
• можливість проектування зверху (починаючи від проектування складального вузла і закінчуючи проектуванням деталей, які в нього входять) вниз, або проектування від низу до верху, проектуючи по одній деталі.
• сегментація бази даних, яка організує дані так, щоб завантажувалися тільки елементи і функціональність кожного об’єкта, який необхідний зараз.

MicroStation

Система MicroStation - професійна, високо продуктивна система для 2D/3D - автоматизованого проектування при виконанні робіт, пов’язаних з кресленням, конструюванням, візуалізацією, аналізом, управлінням базами даних і моделюванням. Розробник - Bentley, США.

Pro/ENGINEER

Програмний комплекс Pro/ENGINEER охоплює весь цикл "конструювання - виробництво" в машинобудуванні. Ядро Pro/ENGINEER використовує унікальну технологію граничних уявлень - Proven Technology. Розробник - Parametric Technology Corporation, США.

CATIA

Інтегрована універсальна CAD/CAM/CAE система високого рівня, що дозволяє забезпечити паралельне проведення конструкторсько-виробничого циклу Функції CATIA/CADAM Solutions: 1) адміністрування - планування, управління ресурсами, інспекція і документування проекту; 2) найдосконаліший моделінг; 3) опис всіх механічних зв’язків між компонентами об’єкта і приведення їх в стан просторового взаємо положення; 4) автоматичний аналіз геометричних і логічних конфліктів; 5) аналіз властивостей складних виробів; 6) спеціалізовані додатки для технологічної підготовки виробництва. Розробник - компанії Dassault systemes (Франція) і IBM (США) є сумісними розробниками.

Power Solutions

Сімейство продуктів Power Solutions охоплює всі етапи виробничого циклу:

• PowerShape - система тривимірного моделювання.
• PowerMILL - система автоматичної підготовки програми для 3/4 координатною фрезерній обpобки на будь-якому верстаті з ЧПУ виробів.
• ArtCAM Pro - пакет для створення об’ємного рельєфу на базі плоского малюнка і створення програм для мехобробки.

Самоконтроль

v  Які є рівні CAD систем?

v  Які основні відмінності в існуючих системах комп’ютерної графіки?

4. Графічні ядра

1.1. Графічні ядра

Ядро - бібліотека основних математичних функцій CAD-системи, яка визначає і зберігає 3D-форми. Ядро є серцем системи 3D-моделювання - обробляє команди, зберігає результати і здійснює відтворення на дисплей.

ACIS 3D Geometric Modeler

ACIS це об’єктно-орієнтована на С++ геометрична бібліотека яка включає понад 35 DLL-файлів каркасних структур, поверхонь і твердотільного моделювання. Надає розробникам програм великий вибір геометричних операцій для конструювання і маніпулювання складними моделями, а так же повний набір булевих операцій. Математичний інтерфейс Laws Symbolic, який заснований на NURBS деформаціях, дозволяє інтегрувати поверхневе і твердотільне моделювання. Ядро ACIS записує результат у формат SAT файлів.

Parasolid

Parasolid - ліцензоване ядро фірми UGS, яке забезпечує технологію твердотільного моделювання. На цьому ядрі розроблено такі CAD/CAM/CAE систем високого і середнього рівня, як SolidWorks, Delmia, Bentley Systems, CADKEY, ANSYS, Pro/DESKTOP та інші. Parasolid підтримує SMP (багатопроцесорне апаратне забезпечення) та включає більш ніж 600 об’єктно-орієнтованих функцій під Windows, UNIX, і LINUX.

Функціональні можливості Parasolid:

• Створення базових елементів (куби, конуси і т.д.), булеві операції.
• Створення твердих тіл з використанням витягання профілів, листове моделювання включаючи потовщення поверхонь.
• Масово-інерційні характеристики, аналіз зіткнень тощо.

Графічна бібліотека Direct3D

Direct3D – прошарок між програмним додатком та 3D акселератором, який постачається разом з операційною системою Windows. Direct3D є стандартним API (Application Programming Interface) для розробки мультимедіа додатків під Windows.

Графічна бібліотека OpenGL

OpenGL (Open Graphics Library - відкрита графічна бібліотека компанії SGL) - специфікація, що визначає незалежний від мови програмування крос-платформовий програмний інтерфейс (API) для написання додатків, що використовують 2D та 3D комп’ютерну графіку. Інтерфейс містить понад 250 функцій, які можуть використовуватися для побудови складних тривимірних сцен з простих примітивів. Широко застосовується індустрією комп’ютерних ігор і віртуальної реальності, при візуалізації наукових даних, в системах автоматизованого проектування тощо.

ANSYS

Кінцевоелементний пакет - широко використовуваний засіб забезпечення інженерних розрахунків в світі. Універсальний розрахунковий комплекс, вживаний в різних видах аналізу. Використовується для розрахунку конструкцій різного типу (авіабудування, суднобудування, машинобудування, будівництво, енергетика, електронна промисловість і т.п.) на дії різної природи. З його допомогою проводиться як лінійний, так і нелінійний статичний і динамічний аналіз конструкцій, аналіз втомних руйнувань, розв’язання лінійних і нелінійних задач стійкості і теплофізики. Задачі гідро- і газодинаміки, акустики, електродинаміки і електростатики, п’єзоелектрика.

ANSYS дозволяє конструктору ще в процесі проектування передбачити поведінку виробу і провести тепловий аналіз; відомості про напруги, деформації, розподіли температур і теплових потоків, що виникають у виробі. Ґрунтуючись на колірних контурах, що виводяться, програмою, представляють градації "необхідності" матеріалу (залишити, прибрати), конструктор прибирає непотрібний матеріал, підводячи конструкцію до оптимального вагового співвідношення. Розробник - ANSYS Inc., США.

Самоконтроль

v  Що таке графічне ядро?

v  Які графічні бібліотеки поставляються разом із Windows?