ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

З розвитком комп'ютерних технологій розвиваються комп'ютерні науки. Одним з актуальних, в наш час, напрямків в комп'ютерних науках є вирішення завдань графічного моделювання за допомогою обчислювальної техніки. В цей час елементи комп'ютерної графіки використовуються в різних сфера життя: в архітектурі, будівництві, машинобудуванні, для створення ігор і фільмів, а також у багатьох інших областях. В нашому ВНЗ існують свої розробки, в області графічного моделювання, представлені у вигляді графічної бібліотеки та інтерактивної системи моделювання, яка забезпечує можливість побудови комплексного креслення. Ці розробки спрямовані на удосконалення навчального процесу в дисциплінах, які так чи інакше пов'язані з графічним моделюванням. Однак вони мають не досліджені області, деякі, певні недоліки і недоробки.

1. Актуальність теми

Область нашої розробки зачіпає такий напрямок в програмному забезпеченні, як тривимірне моделювання. В даний момент тривимірна графіка отримала дуже велику популярність в світі, тому що вона дозволяє вирішувати завдання в великому числі різних сфер життя. Його, моделювання, активно застосовують для створення ігор і фільмів, в архітектурі та будівництві, в медицині та фізики, для створення реклами та динамічних заставок для телеканалів, моделювання катастроф і тривимірної анімації, а також у багатьох інших областях.

Існує велика кількість засобів для тривимірного моделювання, кожне з яких має свої плюси і мінуси. Багато графічні редактори мають величезний спектр можливостей, це плюс, якщо необхідно більшість з них, але в той же час і мінус, якщо необхідна невелика кількість можливостей. Мінусом часто є надмірно завищена ціна графічного редактора, особливо це відчутно, коли редактор використовується в навчальних цілях для показу побудови простих моделей або креслень. Розробки в сфері тривимірного моделювання дуже актуальні через наявність недоліків в існуючих програмних продуктах.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою роботи є проведення нових досліджень та розширення спектра напрямків в області моделювання, в яких буде виконуватися розробка. Доопрацювання та удосконалення існуючих розробок полягає в розширенні існуючої бібліотеки та інтерактивної системи, так, що б вони забезпечували можливість створення і редагування деяких тривимірних геометричних фігур в ході графічного діалогу, а так само підтримували зв'язок між комплексним кресленням об'єкта та його тривимірним поданням. Наша мета побудувати зручну і просту графічну бібліотеку, що дозволяє створювати графічні редактори вузького профілю, тобто для виконання вузького кола завдань необхідних користувачеві.

Удосконалення бібліотеки полягає в наступних основних завданнях:

  1. Розробка засобів побудови базових тривимірних (далі 3D) моделей фігур.
  2. Створення інструментарію підтримки можливості маніпуляції 3D фігурами;
  3. Реалізація можливості представлення базових тривимірних моделей фігур в реалістичному вигляді;
  4. Розробка механізму перетину тривимірних об'єктів об'єктів;
  5. Підтримка зв'язку між існуючою бібліотекою, що дозволяє виконувати побудову комплексного креслення, і розробляється додаткового модуля, призначеного для моделювання 3D об'єктів.

Об'єкт дослідження : зв'язок комплексного креслення з тривимірними об'єктами

Предмет дослідження : побудови комплексного креслення, генерація тривимірних об'єктів в реалістичному вигляді, побудови перетину об'єктів

3. Огляд досліджень і розробок

Оскільки геометричне моделювання та тривимірна графіка отримали дуже велику популярність у світі, то актуальні проблеми в цій частині наукової діяльності широко досліджувалися як американськими, європейськими, японськими вченими, так і вітчизняними фахівцями. Питанням геометричне моделювання та тривимірної графіки присвячений ряд робіт.

3.1 Огляд міжнародних джерел

Ще в минулому столітті були закладені, розроблені загальні принципи проектування графічних систем, стандарти та протоколи, що описують алгоритми та методи, в них. Дані принципи добре описані в книзі П.В. Вельтмандера [1]. З ускладненням і розширенням можливостей апаратних засобів удосконалювалися і графічні системи, при цьому змінювалися підходи до їх проектування і розробки.

З появою об'єктно-орієнтованих мов графічні системи використовують об'єктні підхід в своїй роботі, вони оперують цілісними сутностями, що володіють набором властивостей і операцій (методів). За рахунок поділу програмного коду на складові і побудови ієрархії класів, процес проектування значно спрощується. У матеріалах Дерябінского Н.Б., Денисова Є.Ю. [2] описаний підхід до проектування систем комп'ютерної графіки на основі об'єктно-орієнтованої моделі, покликаний мінімізувати трудовитрати на розробку.

Новітній підхід до проектування графічних систем заснований на більш високому рівні абстракції. Компонентно-орієнтований підхід поділяє кінцеву систему на набір компонентів і служб з добре визначеним інтерфейсом. Прикладному програмісту, не потрібно знати як працює компонент, все що потрібно для його використання в системі - це знання його інтерфейсу, тобто як його підключити до системи і як використовувати його можливості. Застосування подібного підходу описано в статті «Муніципальна ГІС для російських умов: недорогі масштабовані рішення на стандартному ядрі» журналу «САПР та графіка» [3]. На цьому підході базується більшість систем управління життєвим циклом продукції (стаття журналу «САПР і графіка») [4], в яких інтегровані модулі для підтримки візуалізації моделі, математичних розрахунків, зберігання та передачі даних, документування конструкторської інформації і т.д.

3.2 Огляд локальних джерел

Ідея створення системи геометричного моделювання, що підтримує відповідність між плоским і просторовим уявленням фігур, була запропонована в статті Карабчевксого В.В. і Хлепітько І.В. [5], в якості навчальної системи, що дозволяє студентам виконувати побудови на комплексному кресленні і одночасно переглядати результати побудови в 3d сцені. В якості реалізації цієї ідеї була запропонована система Spin, описана у статті Карабчевський В.В. [6], з базовим набором двомірних елементів і перетворенням проекцій відрізка в його тривимірне уявлення. За допомогою Spin можна вирішити такі завдання нарисної геометрії як опускання перпендикуляра з точки на площину, пошук точки перетину прямої і площиною, пошук натуральної величини об'єктів і т.д.

3.3 Огляд національних джерел

Подібна, системі spin, Бурчак І.М. і Величко В.Л. була запропонована своя система [7]. Система ProGeTeach дозволяє в інтерактивному режимі проводити побудови на епюрі Монжа і на його основі створювати 3d модель. З точки зору примітивів, які використовуються при побудові, можливості системи обмежені, тут присутні тільки відрізки прямих ліній і крапки.

На відміну від ProGeTeah, система Spin має більш широкий вибір примітивів, дозволяє будувати двовимірні криві, такі як еліпс і коло. Крім того в Spin реалізована можливість прив'язки побудов до вже наявних об'єктів креслення, таким як перетин ліній, середина відрізка, кінцеві точки лини і т.д. Spin вельми дружня для користувача і інтуїтивно зрозуміла навіть для новачка.

4. Аналіз основного матеріалу дослідження

Основою для досліджень і розробок послужила робота випускника нашого ВНЗ [5], для цього був проведений аналіз останніх публікацій. У даній роботі була створена графічна бібліотека «SPIN», проте вона була не до кінця реалізована. Крім цього робота містить інтерактивну систему з можливістю побудови комплексного креслення і генерації дротяної тривимірної моделі. Перевагами цієї роботи є те, що робоча область системи адаптована під побудови комплексного креслення, розроблені можливості створення проекцій стандартних об'єктів, перетин об'єктів в 2D поданні, а також багато чого іншого. В роботі є такі недоліки: обмежена кількість об'єктів для побудови, тривимірне уявлення тільки в дротовому вигляді, немає можливості перегляду тривимірних об'єктів в реалістичному вигляді.

Удосконалення бібліотеки SPIN полягає в розробці такого інструментарію:

  1. засобів побудови базових тривимірних (далі 3D) моделей фігур;
  2. можливості маніпуляції 3D фігурами;
  3. представлення базових тривимірних моделей фігур в реалістичному вигляді;
  4. механізм перетину об'єктів;
  5. підтримка зв'язку між існуючою бібліотекою «SPIN», що дозволяє виконувати побудову комплексного креслення, і розробляється додаткового модуля «3DObjects», призначеного для моделювання 3D об'єктів.

Розроблюваний модуль складається з наборів засобів та інструментів для підтримки можливості виконання різних побудов, як в двомірному поданні, так і в тривимірному. Виконання геометричних перетворень в просторі, грунтується на переході координат точки в нові координати, за коштами загальних формул [8]:

Формули перетворення координат точок
або їх матричного подання:
Матриці перетворення координат точок

Для розробки засобів маніпуляції тривимірними моделями фігур застосовуються афінні перетворення [9]. Вони дозволяють виконувати поворот, зсув, масштабування та інші операції в просторі і на площині. Моделювання тіл обертання полягає в побудови полігональної моделі шляхом розрахунку координат точок рівномірно розподілених по межі поверхні тіла обертання, а у випадку більш складних об'єктів - можливо комбінування декількох простих тіл обертання з наступним з'єднанням відповідних вершин [10]. В основі засобів представлення 3D об'єктів в реалістичному вигляді лежить метод побудови BSP-дерева. Приклади використання даного засобу можна побачити на малюнку 1.

Зафарбування тривимірних об'єктів

Рисунок 1 - Зафарбування тривимірних об'єктів

Інструмент для виконання розтину тривимірних об'єктів грунтується на наступному методі. Спочатку задається площину перерізу, далі виконується перевірка положення вершин площин полігональної моделі тривимірного об'єкту відносно заданої площини перетину. Вершини поділяються на ті, які за площиною перерізу і на ті, які перед нею. Якщо площину перерізу перетинає площину полігональної моделі [11], то остання розділяться на більш менші площині. Необхідно, щоб всі вершини всіх площин полігональної моделі перебували або за площиною перерізу, або перед. Таким чином, тривимірна модель фігури розділяється (січеться) на дві частини щодо площини перетину. Кожна з частин, одержані в результаті розтину, являє собою незалежні тривимірні об'єкти, до яких можливо застосування інструментів та засобів маніпуляції 3D моделями.

Розроблений метод перетину, з алгоритмічної боку, не є ефективним, проте, за рахунок простоти і одноманітності дій, до даного методу, легко застосовні засоби і методи розпаралелювання, що значною мірою компенсує зазначену не ефективність. Так само необхідно відзначити, що даний метод дозволяє виконувати перетину будь-яких тривимірних моделей фігур, а не тільки базових. Приклад перетину представлений на малюнку 2.

Перетин тривимірних об'єктів

Рисунок 2 - Перетин тривимірних об'єктів

Структура фактично містить у собі два модулі:

  1. модуль «SPIN», призначений для побудови комплексних креслень;
  2. модуль «3DObjects» [12], який дозволяє працювати з тривимірними моделями фігур;
Кожен з модулів має свою робочу область, має свій математичний апарат, може працювати як в комплексі, так і автономно (див. рис. 3-6).
Побудова куба в 3DObjects

Рисунок 3 - Побудова куба в 3DObjects

Побудова циліндра в 3DObjects

Рисунок 4 - Побудова циліндра в 3DObjects

Побудова конуса в 3DObjects

Рисунок 5 - Побудова конуса в 3DObjects

Побудова сфери в 3DObjects

Рисунок 6 - Побудова сфери в 3DObjects

На малюнку 7 представлено комплексне використання «SPIN» і «3DObjects». На даному малюнку продемонстровано побудова комплексного креслення конуса, його перетину, генерацію дротяної і реалістичної моделі з комплексного креслення.

Побудова куба в 3DObjects

Рисунок 7 - Комплексне використання «SPIN» і «3DObjects»
(анімація - дозвіл: 683 x 350 px; об'єм: 116 kb; кадрів: 7; затримка між кадрами: 1с; кількість повторень: 7)

Висновки

В результаті роботи було виконано аналіз існуючих публікацій і напрацювань нашого ВНЗ, були вивчені існуючі методи побудови комплексного креслення, тривимірних об'єктів і виконання маніпуляцій над ними.

В результаті досліджень були досягнуті наступні результати: створена графічна бібліотека володіє можливостями побудови, модифікування, перетину і зафарбовування тривимірних об'єктів. На базі це бібліотеки була розроблена інтерактивна система моделювання, яка забезпечує можливість створення і редагування моделей деяких геометричних фігур в ході графічного діалогу, а так же забезпечена підтримка зв'язку між комплексним кресленням об'єктів і його тривимірним поданням.

У перспективі планується удосконалити алгоритми зафарбовування, перерізи і тріангуляції тривимірних об'єктів; створити інструменти для виконання булевих операцій, побудови кривих і поверхонь з можливістю їх модифікації, а так же доопрацювати графічний інтерфейс.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Вельтмандер П.В. Навчальний посібник «Архітектури графічних систем» - (Навчальний посібник у 3-х книгах) Книга 3 - Новосибірський державний університет. - 1997. [Електронний ресурс]. Сторінка доступа: http://cylib.iit.nau.edu.ua/ ...
  2. Дерябін Н.Б., Денисов О.Ю. Об'єктно-орієнтована інфраструктура систем комп'ютерної графіки. / / Матеріали 11-го науково-практичного семінару «Нові інформаційні технології в автоматизованих системах» - М.: МГІЕМ. - 2008. - С. 10-15.
  3. Муніципальна ГІС для російських умов: недорогі масштабовані рішення на стандартному ядрі / / Журнал «САПР та графіка». [Електронний ресурс]. Сторінка доступа: http://www.sapr.ru/ ...
  4. Особливості впровадження на підприємствах і методи інтеграції CAD/CAM/PDM/FRP/MRP/MES/PLM- і ERP-систем / / Журнал «САПР та графіка». [Електронний ресурс]. Сторінка доступа: http://www.sapr.ru/ ...
  5. Карабчевксій В.В., Хлепітько І.В. Засоби розробки систем геометричного моделювання / / Наукові нотації. Міжвузовой збірник (за напрямом «Інженерна механіка»). Випуск 22. Частина 1. «Сучасні проблеми геометричного моделювання» (квітень, 2008). - Луцьк, 2008. - С.133-137.
  6. Карабчевський В.В. Комп'ютерні технології у викладанні графічних дисциплін для спеціальності «Програмне забезпечення» / / Праці міжнародної науково-практичної конференції «Ефективність інженерної освіти в XXI столітті». - Донецьк: ДонНТУ. - 2001. - C. 260-267.
  7. Бурчак І.М., Величко В.Л. Програма супроводу дисципліни «Нарисна геометрія» для використання в системі дистанційного навчання / / Наукові записки. Міжвузівський збірник (за напрямом «Інженерна механіка»). Випуск 22. Частина 1. «Сучасні проблеми геометричного моделювання» (квітень, 2008). - Луцьк. - 2008. - С. 45-50.
  8. Роджерс Д. «Алгоритмічні основи машинної графіки»: Пер. з англ.-М.: Світ, 1989.-512с.
  9. Рождерс Д., Адамс Дж. «Математичні основи машинної графіки»: Пер. з англ. - М.: Мир, 2001.-604с.
  10. Ламот Андре. Програмування тривимірних ігор для Windows. Поради професіонала по тривимірній графіці і растеризації.: Пер. з англ. -М.: Видавничий дім «Вільямc», 2004.-1424с.: Іл.-Парал.тіт.англ.
  11. Шикін Є.В., Боресков А.В. Комп'ютерна графіка. Полігональні моделі.: - Москва, Діалог-МИФИ, 2000.-464с.
  12. Мак-Дональд. Метью. WPF: Windows Presentation Foundation в. NET3.5 з прикладами на С # 2008 для професіоналів. 2-е видання: Пер. з англ.-М.: ТОВ «І.Д. Вільямс », 2008.-928с.: Іл. - Парал. тит. англ.