Основи комп"ютерної графіки

Реферат на тему:

Основи комп’ютерної графіки.

Поняття про комп «ютерну графіку. Визначним досягненням людства в останні десятиріччя є швидкий розвиток електроніки, обчислювальної техніки та створення на їхній основі багатопланової автоматизованої системи комп «ютерної графіки.

На початку свого розвитку комп «ютерну графіку розглядали як частину системного програмування для ЕОМ або один з розділів систем автоматизованого проектування (САПР). Сучасна комп «ютерна графіка становить ряд напрямів і різноманітних застосувань. Для одних із них основою є автоматизація креслення технічної документації, для інших — проблеми оперативної взаємодії людини й комп «ютера, а також задачі числової обробки, розшифрування та передачі зображень.

Однією з основних підсистем САПР, що забезпечує комплексне виконання проектних робіт на основі ЕОМ, є комп «ютерна графіка (КГ).

Комп «ютерною, або машинною, графікою називають наукову дисципліну, яка розробляє сукупність засобів та прийомів автоматизації кодування, обробки й декодування графічної інформації. Іншими словами, комп «ютерна графіка розробляє сукупність технічних, програмних, інформаційних засобів і методів зв «язку користувача з ЕОМ на рівні зорових образів для розв «язання різноманітних задач при виконанні конструкторської та технічної підготовки виробництва.

Вивчення комп «ютерної графіки зумовлене:

— широким впровадженням системи комп «ютерної графіки для забезпечення систем автоматизованого проектування, автоматизованих систем конструювання (АСК) та автоматизованих систем технологічної підготовки виробництва (АСТПВ) в усіх сферах інженерної діяльності;

— значним обсягом перероблюваної геометричної інформації, що становить 60…80% загального обсягу інформації, необхідної для проектування, конструювання та виробництва літаків, кораблів, автомобілів, складних архітектурних споруд тощо;

— необхідністю автоматизації виконання численних креслярсько-графічних робіт;

— необхідністю підвищення продуктивності та якості інженерної праці.

Метою комп «ютерної графіки є підвищення продуктивності інженерної праці та якість проектів, зниження вартості проектних робіт, скорочення термінів виконання їх.

Завданням комп «ютерної графіки є звільнення людини від виконання трудомістких графічних операцій, які можна формалізувати, вироблення оптимальних рішень, забезпечення природного зв «язку людини з ЕОМ на рівні графічних зображень.

Історія і перспективи розвитку комп «ютерної графіки. Розвиток комп «ютерної графіки (КГ) почався з появою пристроїв графічного виведення. Становлення КГ та широке її використання пов «язано із створенням засобів графічного введення — виведення та дисплеїв — пристроїв побудови зображень на електронно-променевій трубці.

При взаємодії користувача з комп «ютером розрізняють три режими роботи: пакетний; пасивно-інтерактивний; інтерактивний.

У 60-роках виникає ряд дослідних проектів, з «являються розробки, придатні для комерційного розповсюдження. Найбільш значними серед них були проекти фірми GЕNЕRАL МОТОRS з використанням багатопультової графічної системи з розподілом часу для багатьох етапів проектування автомобілів, система була створена фірмою для проектування лінз і дисплейна система ІВМ 2250, заснована на прототипі фірми GЕNЕRАL МОТОRS.

В Україні перша інтерактивна графічна система автоматизованого проектування електронних схем була розроблена Київським політехнічним інститутом і Науково-дослідним інститутом автоматизованих систем управління та планування в будівництві (НДІАСБ, Київ) і демонструвалася в 1969 р.

В інтерактивному режимі роботи графічна інформація формується і виводиться в режимі оперативної графічної взаємодії користувача та комп «ютера.

Основні галузі застосування комп «ютерної графіки та її компонентів. Застосування КГ для формування різноманітної графічної інформації в різних галузях людської діяльності свідчить про те, що комп «ютерна графіка та геометрія — явища різноманітні й багатопланові. У рамках КГ розв «язуються такі проблеми: розробка нових методів математичного забезпечення; розробка програмних систем графічних мов; створення нових ефективних технічних засобів для проектувальників, конструкторів та дослідників; розвиток нових наукових дисциплін і навчальних предметів, які увібрали в себе аналітичну, прикладну та нарисну геометрії, програмування для ЕОМ, методи обчислювальної математики, приладобудування.

Математичне забезпечення ґрунтується на методі математичного моделювання, згідно з яким математична структура, відношення елементів у математичній моделі відповідає структурі й відношенням у реальному об «єкті. У КГ використовується геометрична версія математичного моделювання, при якому двота тривимірні зображення складаються з точок, ліній і поверхонь.

Програмне забезпечення включає програми в машинних кодах, тексти програм та експлуатаційні документи. Основу програмного забезпечення КГ становлять пакети прикладних програм (ППП), які є набором програм, що реалізують на ЕОМ інваріантні та об «єктно-орієнтовані графічні процедури.

Технічне забезпечення — це пристрої обчислювальної й організаційної техніки, засоби передачі даних, вимірювальні та інші пристрої або їх з «єднання. Технічне забезпечення включає комплекс технічних засобів, які забезпечують введення графічної інформації, формування та виведення графічної інформації, редагування. Методичне забезпечення — це документи, в яких відображено склад, правила відбору та експлуатації засобів автоматизації проектування. До методичного забезпечення належать також кадрові питання, розробка ефективних методів та заходів щодо роботи із системою комп «ютерної графіки.

Функціональний склад комп «ютера. Комплекс засобів для обробки даних складається з компонентів апаратного й програмного забезпечення.

Технічне забезпечення включає комплекс технічних засобів, призначених для введення графічної інформації, формування та виведення результатів у вигляді графічної інформації, редагування зображень.

Технічні засоби — це всі електричні та механічні складові частини комплексу технічних засобів комп «ютера: центральний пристрій, пристрої введення, виведення та передавання даних.

Критерій вибору ЕОМ зумовлений задачами, що розв «язуються. Наприклад, якщо потрібна висока точність обчислень або якщо обробляються великі масиви даних, то доцільно використовувати суперміні-ЕОМ. Основним типом великих і суперміні-ЕОМ, які використовуються в сучасних САПР, є ЕОМ єдиної системи (ЄС ЕОМ).

Міні-ЕОМ та мікро-ЕОМ відкривають нові можливості для конструкторів і проектувальників, оскільки сучасні ЕОМ цих класів, об «єднані в мережі, наближаються до великих ЕОМ.

Комп «ютерна система керується центральним процесорним пристроєм, який є головним елементом комп «ютерної системи. Центральний процесорний пристрій (ЦПП) — це пристрій, який розшифровує зміст команд у програмі й виконує (інтерпретує) їх. Іншими словами, ЦПП є засобом переробки графічної інформації, яка проходить етапи створення, обробки та зберігання моделей об «єктів.

Програміська модель інтерактивної графіки. Процес удосконалення програмного забезпечення комп «ютерної графіки був досить довгим і повільним. Пройдено шлях від апаратно-залежних пакетів програм низького рівня, які поставляються виготовниками разом з конкретними дисплеями, до апаратно-незалежних пакетів високого рівня. Основна мета апаратно-незалежного пакета полягає в тому, щоб забезпечити його мобільність при переході від однієї ЕОМ до іншої. У процесі розв «язання цієї задачі група американської асоціації з використання обчислювальних машин (GGRAPH) запропонувала проект графічної системи CORE SYSTEM, а спеціалісти Німеччини розробили графічну базову систему Grafikal Kernel System (GKS), прийняту Міжнародною організацією по стандартизації (ІSО) як міжнародний графічний стандарт. Ця система звільняє програміста від урахування особливостей графічних пристроїв при розробці програмного забезпечення, при цьому користувачеві доступні різноманітні графічні пристрої.

Відповідно до викладеного підходу при розробці програмних засобів комп «ютерної графіки виділяються такі задачі: моделювання, які призначені для створення, перетворення та зберігання моделей геометричних об «єктів (моделюючі системи); відображення цих моделей на графічних пристроях та організації графічного інтерфейсу користувача та ЕОМ (базова графічна система). Склад програмного забезпечення відбивається у програмістській моделі інтерактивної комп «ютерної графіки. До нього входять три компоненти: моделююча система, базова графічна система та прикладна структура даних (база даних). Моделююча система здобуває інформацію та засилає її у бази даних, а також надсилає графічні команди до графічної системи.

Моделюючі системи створюються на основі програмних засобів, які реалізують основні графічні функції — типові способи комп «ютерної графіки, що необхідні для систем будь-якої проблемної орієнтації. До основних графічних функцій належать: позиційні та метричні задачі, афінні перетворення (зсув, перенесення, поворот, симетрія, масштабування), теоретико-множинні операції (перетин, об «єднання, доповнення, різниця) тощо. Ці функції реалізуються на основі внутрішніх канонічних моделей об «єктів, які описують графічні елементи, що дає змогу використовувати найбільш ефективні алгоритми.

Основні графічні функції мають бути реалізовані як для дво-, так і для тривимірних моделей.

Тривимірні моделі можуть бути аналітичними, кусково-аналітичними, алгебро-логічними, рецепторними та ін.

Відповідно до класу задач, які розв «язуються, моделююча система, крім основних графічних функцій, може доповнюватися графічними функціями проблемної орієнтації.

Пакети прикладних програм. Пакет програм комп «ютерної графіки є засобом забезпечення взаємодії користувача з графічним терміналом. Він керує графічним взаємозв «язком користувача та системи, а також відіграє роль інтерфейсу між користувачем та прикладним програмним забезпеченням.

Розглянемо найбільш відомі пакети програм комп «ютерної графіки.

Широко застосовується система АutoCAD, розроблена в 1982 р. Вона використовується в різних галузях (зокрема, в машинобудуванні, архітектурі, електроніці), де потрібні побудова та підготовка креслень, планів, схем, ілюстрацій. Система АutoCAD працює на різних типах персональних комп «ютерів, підтримує велику кількість різних графічних периферійних обладнань. Ця система настільки популярна, що створені різні об «єднання користувачів нею. Причина популярності - відкритість системи, можливість розроблення на основі системи АutoCAD своїх власних прикладних пакетів програм, в яких використовується інженерна графіка.

Пакет «Компас — 5,0 », розроблений у Санкт-Петербурзі, дає змогу:

— виготовляти креслення, оформлені відповідно до ЄСКД;

— мати широкий вибір бібліотек параметричних елементів як для загального машинобудування, так і для проектування електричних, гідравлічних та пневматичних схем;

— забезпечувати сумісність із системами АutoCAD;

— виводити креслення великих форматів на невеликі графопобудовники з наступним склеюванням;

— проектувати оснастку та розробку операційних ескізів;

— розробляти керуючі програми та їхній графічний контроль з імітацією обробки для широкого набору обладнання з ЧПК безпосередньо за кресленнями розробленими за допомогою системи «Компас » .

Побудова найпростіших геометричних об «єктів. Комплексне креслення будь-якого геометричного об «єкта можна побудувати на основі обмеженого набору геометричних примітивів, які створюються в будь-якому графічному інтерактивному пакеті. До основних двовимірних геометричних примітивів належать: точка, відрізок прямої, дуга кола, коло, парабола, гіпербола, еліпс, сплайни та ін. Кожний примітив задається однозначно певним набором параметрів. Наприклад, щоб задати точку на площині, потрібно знати дві її координати; щоб задати коло — координати його центра та радіус і т. п. Параметри визначають форму примітива та його положення відносно вибраної системи координат. Крім параметрів, для кожного примітива існують певні атрибути, до яких, зокрема, належать: тип; колір; товщина ліній, якими він візуалізується на екрані дисплея; номер шару, в якому він створюється. Отже, атрибути визначають візуальні властивості примітива. Якщо користувач не задає атрибути, то графічна система візуалізує примітив суцільною білою лінією стандартної товщини в нульовому шарі. Стандартна товщина може використовуватися для візуалізації тонких ліній (суцільної, хвилястої, штрих-пунктирної, штрихової). Товщина основної суцільної, потовщеної штрихпунктирної, потовщеної розімкнутої лінії задається коефіцієнтом «потовщення «стандартної лінії.

Для оптимального використання можливостей графічного редактора під час роботи в інтерактивному режимі треба чітко знати розміщення відповідних команд в його «меню ». При створенні геометричних примітивів та виконанні інших операцій користувачеві графічного редактора типу АutoCAD допомагають спеціально розроблені путівники, які показують розміщення команд у «меню » .

Алгоритми побудови креслень машинобудівних деталей. Автоматизована побудова креслень принципіально відрізняється від виготовлення робочих креслень вручну. Вона передбачає створення графічних зображень, починаючи з ескізів і закінчуючи перспективним зображенням тривимірної геометрії деталі. Можна говорити про різноманітні можливості створення графічних зображень залежно від обробки двочи тривимірної геометрії за принципом варіювання чи генерування. Розглянемо обробку двовимірної геометрії за принципом генерування.

Принцип генерування реалізується на основі геометричних примітивів, які визначаються й обробляються в конкретній графічній системі. Для двовимірної системи, як уже зазначалося, це точки, відрізки, кола, дуги кола та інших кривих другого порядку. Для побудови різних проекцій деталі її геометрія має бути розкладена на геометричні примітиви, які може обробляти конкретна графічна система. Геометричні примітиви створюються користувачем на екрані дисплея і послідовно відносяться до контурних ліній. Для спрощення опису геометрії можна застосовувати такі функції, як зсув, поворот, симетрія. Крім того, при побудові геометричних елементів можна використовувати побудови дотичної до поверхні; перпендикуляра до площини, паралельної прямої.

Виконуючи креслення, крім контурних, осьових та інших ліній, використовують такі графічні функції, як штриховка та нанесення розмірів. Штрихуються тільки області й поверхні всередині замкненої контурної лінії. Після визначення області вона штрихується автоматично із заданою користувачем відстанню між лініями штриховки та кутом їх нахилу.

Розміри на окремих зображеннях користувач наносить графічно в режимі діалогу. На основі «меню «вибирають потрібний тип нанесення розміру (горизонтальний, вертикальний, діаметральний тощо). Потім користувач зазначає геометричний елемент, на якому мають бути нанесені розміри та місце розміщення розмірного числа. Розмірні, виносні лінії із стрілками та розмірним числом виставляються системою автоматично. Розмірне число може бути визначене двома способами: автоматично і введенням числового значення з клавіатури. Крім того, графічні системи реалізують функції проставлення шорсткості, допусків, нанесення текстових написів.

Використання тривимірних систем комп «ютерної графіки передбачає вищий рівень геометричного мислення, ніж при використанні двовимірних систем. Описувати деталь можна не тільки системою ребер і площин, а й об «ємно. При виконанні креслень переважає метод тривимірного опису деталей, оскільки ЕОМ може побудувати які завгодно вигляди деталей, до яких належать також звичайні ортогональні проекції деталі. При цьому можна візуалізувати на екрані дисплея необхідні для зображення деталі проекції і в графічно-діалоговому режимі нанести на них розміри. Так, система МАРС дає змогу візуалізувати одночасно шість виглядів деталі (спереду, зліва, справа, знизу, зверху і ззаду). Крім того, за допомогою тривимірних систем можна автоматично будувати будь-які перерізи та розрізи.

Список рекомендованої літератури Анисимов М. В., Анисимова Л. М. Креслення: Підручник.- К.: Вища шк., 1998.- 239 с.

Антонович Є. А., Василишин Я. В., Шпільчак В. А. Російсько-український словник-довідник з інженерної графіки, дизайну та архітектури: Навч. посібник. — Львів: Світ, 2001. — 240 с.

Боголюбов С. К. Черчение.- М.: Машиностроение, 1985.- 336 с.

Боголюбов С. К. Индивидуальные задания по курсу черчения: Практ. пособие для учащихся техникумов.- М.: Высш. шк., 1989.- 368 с.

Ботвинников А.Д., Вышнепольский И. С. Черчение в средней школе: Пособие для учителя.- М.: Просвещение, 1989.- 111 с.

Верхола А. П. Словник з креслення.- К.: Вища шк., 1994.- 203 с.

Воротников И. А. Занимательное черчение. Кн. для учащихся сред.шк.- М.: Просвещение, 1990.- 223 с.

Годик Е.И., Лысянский В. М., Михайленко В. Е и др. Техническое черчение.- К.: Вища шк., Головное изд-во, 1983.- 440 с.

ГОСТ 2.301−68 и др. Единая система конструкторской документации. Общие правила выполнения чертежей. Издательство стандартов.- М., 1991.- 236 с.

ГОСТ 2.001−70 и др. Единая система конструкторской документации. Основные положения: Сборник.- М., 1983.- 352 с.

Михайленко В. Є., Найдиш В. М. Тлумачення термінів з прикладної геометрії, інженерної та комп’ютерної графіки.- К.: Урожай, 1998.- 197 с.

Михайленко В.Е., Пономарев А. М. Инженерная графика: Учебник.- К.: Выща шк., 1990.- 303 с.

Кириллов А. Ф. Черчение и рисование. Учебник для техникумов. 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1980.- 375 с.

Кузьмина И.А., Хомутова А. И. Задачник по основам черчения.- М.: Машиностроение, 1985.- 128 с.