Введение к работе
Актуальность. Значительное повышение технологического уровня машиностроения, улучшение эксплуатационных экономических характеристик при резком сокращении сроков создания изделий невозможно без оптимизации большого количества их параметров на ранних этапах проектирования и широкой автоматизации инженерного труда на основе использования новейших вычислительных систем.
В последнее двадцатилетие у нас в стране и за рубежом ведётся интенсивный поиск путей и средств решения проблемы существенного повышения производительности инженерного труда при выполнении чертёжно-графических работ конструкторской и технологической подготовки производства. Вызвано это острой необходимостью ликвидировать разрыв между относительно высокой производительностью автоматизированного процесса основного производства и низкой производительностью ручного или механизированного процесса конструкторской и технологической подготовки производства.
Поэтому проблема внедрения в производство машинной графики, направленной на увеличение точности и производительности инженерного труда при выполнении расчётно-графических работ конструкторской и технологической подготовки производства, является весьма актуальной.
Одним из основных компонентов каждой графической системы является процесс генерации изображения, однако не менее важно для пользователя найти наилучший с точки зрения естественности и быстродействия реализации и, кроме того, достаточно универсальный способ организации вывода трёхмерной графической информации. Поиск таких схем визуализации, а также
оптимальных с точки зрения быстродействия и естественности наборов параметров, описывающих эти схемы, - весьма сложная и актуальная задача трёхмерной машинной графики, имеющая особое значение в свете усилий по графической стандартизации. Наличие развитых алгоритмических и программных средств графического вывода в значительной степени предопределяет успешное решение многих важных научных и прикладных задач: автоматизация научных исследований, автоматизации проектирования и производства и др.
Для увеличения быстродействия алгоритмов машинной графики возможны два подхода: реализация отдельных задач на аппаратном уровне и разработка новых алгоритмов. Первый из представленных способов получил своё распространение в специальных графических платах - графических ускорителях, которые используются в дорогих высокопроизводительных системах. Однако развитие по этому пути имеет на сегодняшний день физическое ограничение в скорости. С другой стороны, появление алгоритмов обработки изображения, основанных на новых принципах, позволяет резко сократить необходимые ресурсы, а также получить качественный скачок в производительности. Впоследствии, эти новые принципы могут быть реализованы на аппаратной основе. Таким образом, разработка новых алгоритмических решений задачи, позволит снизить количество проблем в данной области.
В существующих на сегодняшний день системах геометрического моделирования выделяются два основных способа представления информации о модели - двумерные и трёхмерные. Появление новых способов проектирования, в частности,
параметрического проектирования, накладывает дополнительные требования на взаимосвязь этих подсистем, в частности, требуется наладить более полное взаимодействие между двумя подсистемами. Однако сеитіас все еще существует разрыв между зтиыи двумя системами, обусловленный потерей информации на их стыке. При работе в комплексной системе автоматизированного проектирования также требуется наиболее полно передавать результаты обработки модели изображения в ряд других прикладных программ.
Отсюда вытекает необходимость разработки новых алгоритмов получения изображений трёхмерных объектов, наиболее полно сохраняющих в модели изображения информацию об оригинале, и разработки программного и информационного обеспечения подсистемы получения изображений.
Целью диссертационной работы является разработка специализированных средств (методов, алгоритмов, структур данных) и программного обеспечения для эффективной работы подсистемы генерации изображения в подсистемах машиностроительных САПР. Эффективность, в данном случае, заключается в получении математически точного изображения объекта при достаточно высокой производительности и использовании компактного представления модели.
В соответствии с целью в диссертационной работе формулируются и решаются следующие задачи:
исследование и анализ существующих алгоритмов формирования изображений технического чертежа с удалением невидимых линий трёхмерных объектов;
формулировка и обоснование требований к получаемой модели объекта с удалёнными невидимыми частями;
разработка структур данных для описания проекционных изображений трёхмерных геометрических объектов для возможности их последующей обработки в системах геометрического моделирования;
исследование и анализ существующих принципов повышения эффективности алгоритмов, используемых для получения изображений с удалёнными невидимыми линиями, и разработка новых методов;
реализация на основе разработанных методов алгоритма удаления невидимых линий.
Методы исследования. В работе использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. Представленные результаты основаны на использовании аппарата вычислительной геометрии, аналитической геометрии, теории чисел, теории множеств, математического аппарата методов вычислений.
Научная новизна. Предложено развитие объёмной плоскогранной модели, используемой для формирования изображения с удалёнными невидимыми линиями, с целью улучшения характеристик методов, используемых для её обработки.
Рассмотрено и проанализировано несколько различных методов получения графических изображений объектов с удалёнными невидимыми частями. Выделены основные способы повышения производительности, которые заключаются в использовании свойств когерентности изображения модели и сокращении вычислительных затрат посредством использования
разнообразных методов отсекающих оболочек и алгоритмов хеширования.
Разработанная структура данных, алгоритмы и программное обеспечение, ориентированное на работу с полигонами, позволяет также получать изображения с использованием разрезов и сечений. Использование графических метафайлов при организации взаимодействия между 2D и 3D подсистемами позволяет организовать более полную связь эти подсистем, что приводит к повышению эффективности интерактивного взаимодействия пользователя с САПР.
Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальной проверкой, выполненной при использовании в системе геометрического моделирования T-Flex CAD 3D.
Практическая ценность работы. Предложенный метод удаления невидимых линий был положен в основу разработанного алгоритма удаления невидимых линий. Небольшое дополнение модели позволяет легко распространить предложенный метод удаления невидимых линий на модели с разрезами. Сохранение информации о связи между 2D и 3D представлениями модели позволяет упростить последующую обработку результирующего изображения. Векторный характер получаемого изображения предполагает простую реализацию большинства пользовательских запросов.
Использование графических метафайлов позволяет достаточно просто организовать взаимодействие с другими подобными подсистемами и системами обработки изображения. Разработанные методы позволяют сократить сроки разработки и снизить трудоёмкость производства документации, а также
повысить качество ПО САПР за счёт более эффективного использования ресурсов вычислительных комплексов.
Реализация и внедрение результатов. Полученные результаты были оформлены в качестве исходного кода на языке C++ (в среде BorlandC v.4.5 версия для DOS и MFC Visual C++ v.4.2 версия для Windows 95 и Windows NT) и предназначены для использования в системе отображения информации, реализованной на базе персонального компьютера типа IBM AT.
Реализованный алгоритм представлен в системе параметрического моделирования T-Flex CAD 3D, в составе которой он используется на различных предприятиях как в России, так и за рубежом.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии и приложения. Основной текст занимает ... страницы машинописного текста, в том числе ... рисунков и ... таблиц. Библиография содержит 64 наименования.
