Тема 2. Комп’ютерна графіка (КГ). Види та системи КГ

1. САПР. CAD. CAE. CAM

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 значних людських зусиль для її створення і опрацювання, а тому потребує ефективного використання комп’ютерних технологій.

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.

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 і т.п.

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.

2. Растрова КГ

Існує три основних 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 (чорнобилі) - 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:

• труднощі зі зміною масштабу та редагуванням елементів рисунка.
• 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.

3. 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:

• візуальні властивості - видимість, колір, яскравість, тип лінії тощо;
• статус стосовно операцій - можливість його редагування, вибору курсором.

Переваги векторної графіки:

• у можливості редагуванні окремого об’єкту зображення, не впливаючи на інші;
• вирішене питання масштабування, якщо задана товщина лінії дорівнює 0,15 мм, то скільки б ми не збільшували чи не зменшували зображення, ця лінія все рівно буде мати тільки таку товщину;
• друк кресленика 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 діяльності.

4. Фрактальна графіка. Формати графічних файлів

Програмні засоби для роботи з фрактальною графікою призначені для автоматичної генерації зображень шляхом математичних розрахунків.

Фрактальну графіку застосовують для моделювання образів живої природи обчислювальним шляхом, автоматичної генерації незвичних ілюстрацій - 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).

5. Короткий огляд систем комп’ютерної графіки

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

Розрізняють класи КГ:

• легкі (AutoCAD, Компас) - 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. Базується на геометричному ядрі Parasolid.

Розробник Unigraphics Solutions, США.

Autodesk Inventor

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

Особливості Inventor’а:

• 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 тощо.

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) опис всіх механічних зв’язків між компонентами об’єкта і приведення їх в стан просторового взаємного положення; 3) автоматичний аналіз геометричних і логічних конфліктів; 4) аналіз властивостей складних виробів; 5) спеціалізовані додатки для технологічної підготовки виробництва.

Розробник - Dassault systemes (Франція) і IBM (США).

Power Solutions

Сімейство продуктів Power Solutions охоплює всі етапи виробничого циклу:

• PowerShape - система тривимірного моделювання.
• PowerMILL - система автоматичної підготовки програми для 3D координатної фрезерної обробки на верстаті з ЧПУ.
• ArtCAM Pro - пакет для створення об’ємного рельєфу на базі плоского малюнка і створення програм для механічної обробки.

6. 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, 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 інженерних розрахунків у світі. 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, гідро- і газодинаміки, акустики, електродинаміки і електростатики, п’єзоелектрика.

Розробник - ANSYS Inc., США.