Управление качеством визуализации в САПР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Пузыня, Сергей Валентинович

• Пузыня, Сергей Валентинович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пузыня, Сергей Валентинович

Введение.

Глава 1. Базовые системы интерактивного графического проектирования.

1.1 Классификация САПР.

1.2 САПР среднего уровня Microstation/J.

Глава 2. Формирование изображений в САПР.

2.1 Универсальный графический конвейер.

Маршруты рендеринга.

2.2 Графический стандарт OpenGL.

Этап преобразований.

Этап растеризации.

Этап вывода.

2.3 Формализация прикладной графической модели. Граф сцены.

Типы узлов графа сцены.

Обход графа сцены.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление качеством визуализации в САПР»

Быстрое развитие новых информационных технологий, расширение их возможностей являются главными факторами все более широкого внедрения средств вычислительной техники в различные сферы научной и практической деятельности. Одним из наиболее динамично развивающихся направлений является компьютерный синтез изображений. Стремление к визуализации получаемых данных наблюдается практически во всех сферах деятельности человека. Это связано с тем, что информация, содержащаяся в изображении, представлена в наиболее концентрированной форме и, как правило, наиболее доступна для анализа. Можно считать, что к настоящему моменту сформировалась новая отрасль информатики - машинная графика. Машинная графика - наука о математическом моделировании геометрических форм и облика объектов, а также методах их визуализации [7].

Современная машинная графика - это тщательно разработанная дисциплина. Обстоятельно исследованы основные элементы геометрических преобразований. Потребностями трёхмерной машинной графики обусловлено большое количество работ по аппроксимации и представлению сложных поверхностей, отображению узоров на них, генерированию текстур, рельефа, моделированию условий освещения. Также исследованы, но все ещё продолжают развиваться методы растрового сканирования, отсечение, удаление невидимых линий и поверхностей, цвет, закраска, эффекты преломления и прозрачности [12]. Методы трёхмерной (ЗБ) машинной графики позволяют визуализировать сложные функциональные зависимости, получать изображения проектируемых, ещё не созданных объектов, оценивать облик предметов из недоступной для наблюдения позиции и решать ряд аналогичных задач.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) занимают исключительное место среди компьютерных приложений, в которых используются алгоритмы машинной графики - это промышленные технологии, непосредственно направленные в сферу самых важных областей материального производства. Сейчас можно с уверенностью сказать, что уровень развития и стратегический потенциал нации определяется не количеством сырьевых запасов, а в гораздо большей степени тем, сколько она имеет рабочих мест компьютерного проектирования и сколько инженеров творчески владеют соответствующими методами. Уровень развития САПР непосредственно сказывается на благосостоянии каждого члена социума, в отличие, например, от степени развития тиШтесИа-технологий, что тоже важно, но всё же менее существенно.

Появление в 80-е годах нового класса ЭВМ - персональных компьютеров - и их стремительное развитие позволяет говорить о применении систем автоматизированного проектирования в тех областях, где еще буквально вчера и речи не могло идти об этом. Становится актуальным применение САПР на рабочем месте, например, дизайнера, архитектора, планировщика. В этих случаях большое значение придается наличию средств визуализации разрабатываемого проекта, с тем, чтобы иметь возможность в динамике диалога с заказчиком просматривать различные варианты проектных, композиционных, цветовых и других решений. Однако, в течение последних 15-20 лет сложность моделей постоянно росла и на сегодня сложилась ситуация, при которой возможности прогрессивных форм организации проектирования (например, работа с большими сборками) оказываются ограниченными и определяются возможностями современного графического оборудования и программного обеспечения интерактивной визуализации. Весьма существенное влияние на построение математической модели оказывает требуемый уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения визуально наблюдаемой картине. Одним из наиболее новых направлений в машинной графике является разработка принципов и методов формирования фотореалистичных изображений, т.е. таких изображений, которые могли бы наблюдаться визуально или регистрировались бы оптическими, фотографическими или оптико-электронными устройствами. Потребность в создании фотореалистичных изображений возникает не только в машиностроительном и архитектурном проектировании, но и в таких областях, как дизайн, реклама, видеотренажёры, системы распознавания образов.

Построение изображений прикладных трехмерных сцен с фотографическим качеством в вычислительном плане является одной из самых дорогих задач. Существующее программное обеспечение позволяет проводить визуализацию на компьютерах любого класса, вопрос заключается только во времени. Специалисты пришли к выводу, что тип взаимодействия с моделью, известный как проектирование в контексте, позволяет обнаруживать такие ошибки как некорректное расположение компонентов, еще на ранних этапах цикла разработки, а это приводит к уменьшению трудозатрат и стоимости проекта.

Таким образом, в идеале требуются такие САБ-системы, в которых можно было бы визуализировать и взаимодействовать с базой данных любых масштабов: от отдельных деталей до законченных проектов. Как показывает практика, получить такие средства, не затрагивая уровень базового графического аппарата невозможно. А для базового уровня задача состоит в том, чтобы добиться визуализации больших инженерных моделей с интерактивной скоростью, не жертвуя при этом точностью воспроизведения в той мере, в какой это может привести к ошибочной интерпретации результирующих изображений. Трудозатраты на создание современной системы автоматизированного проектирования оцениваются сотнями и даже тысячами человеколет, поэтому единственно реальный путь создания тех или иных предметно-ориентированных САПР (типа АРМ дизайнера по интерьерам) это построение различного рода надстроек над базовыми системами проектирования. Предметно-ориентированные надстройки базируются на программных продуктах САПР, разрабатываемых различными фирмами, среди которых "Microstation" фирмы Bentley обладает рядом преимуществ. Однако даже у "Microstation" время выполнения высококачественной визуализации остается неприемлемо большим для работы в режиме диалога с заказчиком. В этой связи представляется актуальной разработка таких алгоритмов визуализации, в которых было бы предусмотрено гибкое управление процессом визуализации (по времени выполнения, реальным размерам изображения, числу используемых цветов палитры и т.д.) и, в конечном итоге - качеством изображения. Именно эта задача и ставится как основная научная проблема диссертационной работы.

Стандарт ISO 8402 определяет качество как совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности [39]. Потребности обычно выражаются в свойствах и количественных характеристиках этих свойств. Методы и деятельность оперативного характера, используемые для удовлетворения требований к качеству - управление качеством. В данном случае речь идет о построении изображения с заданными набором характеристик, необходимых и достаточных для адекватной оценки качества принятого проектного решения и создании методологии управления качеством визуализации прикладных трёхмерных моделей.

Фундаментальным связующим звеном в машинной графике является изображение, поэтому для создания такой методологии необходимо рассмотреть, как изображения представляются в графических системах САПР, как они готовятся для визуализации, предварительно подготовленные изображения рисуются и как осуществляется взаимодействие с изображением. Рисунок I иллюстрирует роль изображения в машинной графике и позиционирует область исследований данной работы.

Рис. I. Машинная графика, как отрасль информатики

Прикладное значение диссертационной работы видится в реализации предметно-ориентированной надстройки "рабочее место дизайнера интерьеров" по заказу одной из профильных фирм. Значение диссертационной работы для учебного процесса в СПбГТУ определяется перспективой использования разрабатываемого программного обеспечения в курсе "прикладные системы трехмерного проектирования".

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Пузыня, Сергей Валентинович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность результатов, сформулированных и обоснованных в работе, можно рассматривать, как научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых повышает эффективность графической обработки в САПР и позволяет визуализировать и взаимодействовать с базой данных любых масштабов: от отдельных деталей до законченных проектов на платформе Windows/Intel.

Основной результат диссертационной работы состоит в том, что разработана, обоснована и реализована на практике методология управления качеством визуализации в САПР. Методология представляет собой интегральный, сформулированный в виде практических методов, методик и приемов, подход к организации управления на основных этапах процесса графической обработки в САПР. Использование методологии позволяет повысить продуктивность использования вычислительных ресурсов за счёт гибкого управления процессом визуализации (по времени выполнения, реальным размерам изображения, числу используемых цветов палитры и т.д.).

Можно выделить следующие научные и практические результаты, полученные в работе:

1. Выполнен анализ классификационных признаков существующих систем интерактивного графического проектирования, сформулированы требования, предъявляемые к современной технологии автоматизации проектирования. Отдельно выполнен анализ характеристик функциональности наиболее распространённых САПР среднего уровня.

2. Сформулированы и обоснованы требования к стандартизации процесса графической обработки в современных САПР: эффективное представление данных, эффективная обработка данных, ориентация на графические стандарты.

3. Выполнен анализ стандартных средств и процессов графической обработки в современных САПР и теоретическое обоснование предложенных в работе методов управления качеством визуализации:

• определены особенности процесса формализации прикладной модели в САПР;

• исследованы свойства иерархических структур представления данных;

• определена взаимосвязь существующих графических стандартов и способа представления данных в виде графа сцены и сформулированы принципы представления прикладной модели в виде графа;

• сформулированы особенности отдельных этапов графической обработки;

• выполнен анализ отдельных операций универсального графического конвейера в соответствии с действующими графическими стандартами;

• определена модель представления данных, модель графической обработки, а также ключевые для управления качеством визуализации понятия и стандарты.

4. Предложена методология управления качеством визуализации в САПР:

• предложена модель графической обработки в САПР с учётом необходимости управления процессом;

• определен набор средств и элементов графа сцены, при использовании которых возможно управление процессом синтеза изображения;

• определен перечень управляющих процессом синтеза изображения параметров;

• предложен алгоритм настройки графа сцены;

• предложен алгоритм оценки сложности графа сцены;

• определены показатели производительности текущей реализации графического конвейера;

• предложен алгоритм поиска "узких мест" графического конвейера;

• предложен алгоритм настройки графического конвейера и сформулирован критерий настройки;

• предложены возможные стратегии загрузки графического конвейера данными.

5. Разработана архитектура подсистемы управления качеством визуализации на основе предложенной методологии.

6. Осуществлён анализ инструментальных средств базовой САПР Microstation/J.

7. Средствами базовой САПР и специального API выполнена программная реализация модулей подсистемы управления качеством визуализации.

8. Предложены критерии и методика определения графической производительности приложений, использующих только средства базовой САПР и приложений, использующих программную реализацию методологии управления качеством визуализации.

9. Выполнено тестирование графической производительности приложений, использующих программную реализацию методологии управления качеством визуализации.

10. Подтверждены на основе анализа результатов выполненного тестирования работоспособность и эффективность предложенных методов и средств управления качеством визуализации в САПР.

Таким образом, предложенная методология дает возможность максимально учитывать особенности контекста визуализации, охватывает все этапы графического конвейера и, в конечном итоге, позволяет повысить графическую производительность приложений Microstation/J. Использование при программной реализации объектно-ориентированной технологии языка Java позволяет говорить о переносимости разработанной системы, причём не только в среде Microstation/J, но, при наличии необходимого интерфейса к внутренним структурам данных, и в других САПР.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пузыня, Сергей Валентинович, 1999 год

1. Абраш М., Таинства программирования графики.- ЕвроСИБ, 1996.- 384 с.

2. Аммерал JL, Машинная графика на языке С: в 4-х книгах Сол Систем, 1992.

3. Гардан И., Люка М., Машинная графика и автоматизация конструирования: Пер. с франц.- М.: Мир, 1987,- 272 с.

4. Гилой В., Интерактивная машинная графика: Пер. с англ.- М.: Мир, 1981.- 380 с.

5. Гладков С.А., Фролов Г.В., Программирование в Microsoft Windows: в 2-х частях-М.: "Диалог-МИФИ", 1992,- 320 е., 288с.

6. Золотарёв В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В., Оптические постоянные природных и технических сред Л.: Химия, 1984.- 216 с.

7. Иванов В.П., Батраков А.С., Трёхмерная компьютерная графика М.: Радио и связь, 1995,- 224 с.

8. Климов В.Е., Графические системы САПР,- М.: Высшая школа, 1990.- 144 с.

9. Мартинес Ф., Синтез изображений. Принципы, аппаратное и программное обеспечение: Пер. с франц.- М.: Радио и связь, 1990.- 192 с.

10. Павлидис Т., Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. М.: Радио и связь, 1986.-400 с.

11. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П., Введение в системный анализ: Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1989 - 367 с.

12. Роджерс Д., Алгоритмические основы машинной графики: Пер. с англ.- М.: Мир, 1989.- 504 с.

13. Роджерс Д., Адаме Дж., Математические основы машинной графики: Пер. с англ.-М.: Машиностроение, 1980 240 с.

14. Тагг У., Теория графов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1988.- 424 с.

15. Тихомиров Ю., Программирование трёхмерной графики СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 1998 - 256 с.

16. Томпсон Н., Секреты программирования трёхмерной графики для Windows 95: Пер. с англ.- СПб.: Питер, 1997- 352 с.

17. Фоли Дж., вэн Дэм А., Основы интерактивной машинной графики: Пер. с англ., в 2-х т.- М.: Мир, 1985,- 367 е., 368с.

18. Эйнджел Й., Практическое введение в машинную графику: Пер. с англ.- М.: Радио исвязь, 1984.- 136 с.

19. Яншин В.В., Калинин Г.А., Обработка изображений на языке С для IBM PC: Алгоритмы и программы М.: Мир, 1994 - 240 с.

20. Благодаров А., Системы автоматизированного проектирования высокого уровня. Pro/Engineer // САПР и графика,- 1997,- №2,- с. 14-22.

21. Боресков А., Шикин Е., Метод трассировки лучей. Различные аспекты // Монитор-1994 №8 - с.40-48.

22. Бочагов М., Неизвестная земля Microstation // САПР и графика 1997 - №3- с.240-244.

23. Валентинов Е., Openlnventor как средство разработки интерактивных графических приложений // Открытые системы,- 1997,- №6,- с.55-60.

24. Иванов В.П., Батраков A.C., Синтез изображений объектов сложной формы методом трассирования лучей // Программирование.- 1989.- №2.- с.70-75.

25. Иванов В.П., Желаннов С.А., Сечко A.M., Совершенствование модели формирования тени для машинной графики // Электронное моделирование.- 1988.-№3,- с.81-85

26. Коваленко В., OpenGL что дальше? // Открытые системы,- 1998.- №3.- с.52-59.

27. Коваленко В., Современные графические компьютеры // Открытые системы,- 1997.-№6,- с.49-54.

28. Коваленко В., Суперкомпьютер для визуализации // Открытые системы,- 1997.— №1,- с.73-79.

29. Коваленко В., Текстура в задачах трёхмерной визуализации // Открытые системы-1996,- №6,- с.74-79.

30. Корелыптейн Л., Фохт-Бабушкин A., Bentley Systems знакомство со старым "новичком" // Компьтер-пресс.- 1996,- №8,- с. 154-166.

31. Кочин В.Н., Эволюция графических стандартов // Открытые системы,- 1995,- №4.

32. Пиликов H.A., Юсупов P.M., MCAD-системы среднего класса разумная перспектива современности // RM Magazine - 1998.- №2,- с.60-63.

33. Поммерт А., Пфлессер Б., Риемер М., и др., Визуализация объёма в медицине // Открытые системы.- 1996.- №5,- с.56-61.

34. Смирягин С., SurfCAM: "Средний класс" основа стабильности // RM Magazine.-1998.-№2,- с.28-31.

35. Текин К., Графические ускорители для приложений CAD/CAM // Открытые системы.- 1997 №4,- с.75-78.

36. Хухлаев Е., Аппаратное ускорение для OpenGL // Открытые системы,- 1998,- №2,-с.69-75.

37. Ягель Р., Аппаратный рендеринг объёма // Открытые системы,- 1996.- №5.— с.30-31.

38. CAD-системы среднего уровня // САПР и графика,- 1997,- №6,- с.16-20.

39. Управление качеством продукции. ISO 9000 ISO 9004, ISO 8402. Международные стандарты,- М.: Издательство стандартов, 1988.

40. Booch G., Objects Solutions. Addison-Wesley, 1996.

41. Enderle G., Kansy K., Pfaff G., Computer Graphics Programming. GKS The Graphics Standard. - Springer-Verlag, 1987.

42. Sommerville I., Software Engineering. Addison-Wesley, 1996. - pp.742.

43. Booch G., Coming of Age in an Object-oriented World // IEEE Software 1994,- №11 .pp. 33-41.

44. Klinkenberg-Haass F., Kommt Zeit, kommt Raum // PC professionell 1997.- №3-s.118-124.

45. Leinemann U., Dr., Hees C., HP eroeffnet neue Dimensionen im Bereich 3D-Graphik // HP Computer News.- 1997.- №1.- s.48-49.

46. Mueller A., Der Bilder-Chip // UNIX Open.- 1996.- №2.- s.74-78.

47. Schmerer K., Scheffel U., 3D-Show-down // PC professionell.- 1997.- №9.- s. 86-120.

48. Brodlie K.W., Hopgood F.R.A., Duce D.A., Second Generation Computer Graphics Standards, RAL 89-097, Rutherford Appleton Laboratory, 1989.

49. Eckel G., Cosmo 3D Programmers's guide Silicon Graphics, Inc, 1998.

50. Euchner J., BSP Binary Space Partitioning - http://www.gris.uni-tuebingen.de/.

51. Java 3D API Specification, version 1.2 alpha 1- Sun Microsystems, 1999, August.

52. Java 3D Programming: A technical overview.- http://www.sun.com/desktop/java3d/.

53. JMDL Programmer's guide: Microstation/J JMDL documentation http://www.bentley.com/.

54. Licea-Kane В., Weighted Geometric Mean Selected for Viewperf Composite Numbers-http://www.specbench.org/gpc.

55. Nieder J., Davis T., Woo M., OpenGL Programming Guide Addison-Wesley, 1993.

56. Segal M., Akeley K., The OpenGL Graphics System: A Specification, Version 1.2-Silicon Graphics, March 23, 1998.

57. The Java 3D Repository http://java3d.sdsc.edu/.

58. Putney R., Green S., What's This Thing Called "Viewperf'?.- http://www.specbench.org/gpc.

59. Rost R., Comparing OpenGL and PEX: Tutorial Notes.-Eurographics '94, 1994.

60. Sowizral H., Rushforth, Deering, The Java 3D API Specification Addison-Wesley, 1998.

61. Sowirzal H., Nadeau D., Bailey M., Introduction to programming with Java 3D: Lectures-University of California at San Diego, June 1998.

62. Theoretical foundations of computer graphics and CAD / Ed. by R.A. Earnshaw New York.: Springer-Verlag, 1987.

63. Wernecke J., The Inventor Mentor: Programming Objected-Oriented 3D Graphics with Open Inventor Addison-Wesley, 1994.

64. Wilson P.R., A Short History of CAD Data Transfer Standarts- Proceedings of EE CG&A, Juni 1987.- pp.64-67.