автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Исследование и разработка распределенных систем интерактивной машинной графики

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РГБ ОД НОВОСИБИРСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

/ 4 СЕ И

На правах: рукописи УДК 681.3.06

Вельтмандор Петр Вильгельмович

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА РАСПРЕДЕЛЁННЫХ СИСТЕМ ИНТЕРАКТИВНОЙ МАШИННОЙ ГРАФИКИ

05.1.116 ■ применение вычислительной техники, математического моделирования п математических методов в научных исследованиях

Диссертация в виде научного доклада на. соискание учёной степени доктора технических наук

Новосибирск — 1995

Официальные оппоненты: чл.-кор. РАН, профессор С.Т. ВасьКов, д.ф.-м.н., профессор C.B. Клименко, д.т.н., профессор В.й. Нифонтов.

Ведущая организация: Институт системного программирования РАН, г. Москва.

Защита состоится "19 " сентября 1995 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 063.98.01 в Новосибирском государственном университете по адресу: 630090, Новосибирск, 90, ул. Пирогова, 2, аудитория 317а.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана августа 1995 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н.

Ю.И. Ерёмин

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Распределённые системы машинной графики являются тем инструментом, который поддерживает интерактивный доступ пользователя к вычислительным ресурсам и обеспечивают создание и функционирование систем гибридного интеллекта, объединяющих творческий потенциал человека с информационными, вычислительными и изобразительными возможностями ЭВМ.

При развертывании таких систем должны быть проработаны проблемы создания и разделения графического программного обеспечения между ЭВМ сети, проблемы обеспечения графического взаимодействия л, наконец, проблемы построения функционально- и проблемно-ориентированных модулей. В связи с интенсивным развитием методов и средств вычислительных технологий и расширяющейся информатизацией общества решение этих вопросов является постоянно новой и актуальной задачей.

Исследования и разработки, положенные в основу диссертации, проводились в Институте прикладной физики и Новосибирском государственном университете, в том числе в рамках 15 НИР и ОКР, утверждённых высшими директивными органами страны, ("Контур", № ГР Х-23178; "Обь"'. № ГР Х-68290; ^Черта", № ГР Я-65442; "Топаз", № ГР Х-67849: "Яхонт", № ГР Х-31 187: "Сеть-2", № ГР Х-69172; "Мальта", № ГР Я-66673; "Призма", X: ГР Х-29719; "Фасад": "Радуга'. № ГР Х-33305: "Заводило-ММ", Л; ГР Х-33595: "Гамма'; Тамма-7.Г: "Озон'', "Гамма-Т").

Цель работы заключалась в исследовании, разработке и создании распределённых систем интерактивной машинной графики, удовлетворяющих широкой области приложений, включающей б себя комплексы компьютерного моделирования, комплексы выполнения научно-технических и проектировочных расчётов, системы автоматизации проектирований и подготовки производства, системы видеографики реального времени.

Основные задачи исследований:

1. Разработка многоуровневого сетевого графического протокола, обеспечивающего как эффективную работу графического оборудования, подключенного к различным терминальным ЭВМ, так и высокую эффективность программ конечных пользователей.

2. Исследования методов построения и оптимизации показателей распределённых систем интерактивной машинной графики, удовлетворяющих экстремальным требованиям приложений.

3. Исследования и разработка форм п методов представления графической информации для раст ровых устройств.

4. Разработка программного обеспечения машинной графики главных и терминальных ЭВМ сети, включающего в себя аппарат ио-ориентирован-ные и переносимые, аппаратно-независимые пакеты графических подпрограмм (графпакеты), а также функционально-ориентированные средства и прикладные системы.

5. Разработка средств графического взаимодействия и визуализации для комплексов компьютерного моделирования нестационарных процессов механики сплошной среды.

6. Разработка диалоговых графических языков и систем автоматизации конструирования машиностроительного направления.

7. Разработка подсистем интегрированной САПР, связанных с автоматизацией технологической подготовки производства.

8. Исследования методов генерации телевизионных эффектов и разработка прикладных систем телевизионной видеографики реального времени.

Научная новизна состоит в разработке оригинальной организации распределённых систем интерактивной машинной графики, базирующихся на иерархических управляемых сетевых графических протоколах; разработке архитектуры и реализации системы ДИГРАФ, состоящей из логически связанных многоязыковых оригинальных графпакетов и локального программного обеспечения терминальных ЭВМ сети, впервые в стране предоставившей возможности работы с растровыми графическими устройствами; в разработке состава и средств системы массовой интерактивной машинной графики; в разработке инструментальных средств поддержки систем математического моделирования, обеспечивающих широкое внедрение вычислительной технологии в процессы исследований и разработки новых изделий; в разработке методов компьютерного моделирования программно-управляемого оборудования, послуживших основой создания средств автоматизации подготовки производства и изготовления; в исследовании методов и разработке модели генерации телевизионных эффектов реального времени. '

Практическая ценность. Автором предложены и обоснованы архитектура и состав распределённых систем интерактивной машинной графики, базирующихся на иерархических управляемых сетевых графических протоколах; исследована передача данных результатов компьютерного моделирования в сети, предложены, обоснованы и экспериментально подтверждены способы повышения скоростей передачи; предложено и обосновано использование методов поэлементного сжатия для представления результатов моделирования; предложен способ построения функционально-ориентированных средств ввода, базирующихся на процедурном расширении входного языка с независимостью построения и исполнения сценария диалога. На основе исследований, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, автором создано и внедрено программное обеспечение интерактивной машинной графики, служащее основой для создания комплексов математического моделирования и включающее в себя иерархию графпакетов системы ДИГРАФ, управляющие программы терминальных комплексов, систему массовой интерактивной машинной графики, функционально-ориентированные средства, прикладные графические системы; автор руководил и принимал личное участие в разработках систем автоматизации проектирования, им предложены подходы автоматизации технологической подготовки производства, основанные на компьютерном моделировании работы оборудования,

реализованные впервые в стране; автор разработал и реализовал конвейерные системы генерации телеэффектов реального времени, а также необходимые инструментальные и поддерживающие средства.

Графнакеты системы ДИГРАФ обеспечивают работу с графическим оборудованием из задач пользователей с выбором наиболее аффективной границы разделения функций между главными и терминальными ЭВМ сети и поддержкой аппаратной независимости и переносимости прикладных программ.

Управляющие программы терминальных комплексов обеспечивают использование самых различных графических устройств ввода, вывода и документирования на терминальных ЭВМ с поддержкой их работы в качестве как сателлитов в сети, так и автономных рабочих мсст.

Система массовой интерактивной графики предоставляет средства графического взаимодействия в обычной терминальной сети, использующей алфавитно-цифровые дисплеи.

Функционально-ориентированные средства ввода позволяют строить диалоговые программы с языком диалога в виде иерархического меню директив с предоставлением средств диалогового, диалогово-пакетного ц пакетного исполнения программ.

Прикладные графические системы обеспечивают формирование, сохранение. оперативное отображение и документирование машинных фильмов, подготовку различного рола иллюстративных материалов.

Системы автоматизации конструирования обеспечивают выполнение требуемых конструктивных расчётов, подготовку и перевыпуск комплектов документации, полностью удовлетворяющих отечественным индустриальным стандартам ЕСКД.

Системы автоматизации технологической подготовки производства обеспечивают высокоэффективную подготовку, отладку и конвертирование управляющих программ для оборудования с ЧПУ.

Инструментальные и поддерживающие; средства, телевизионной видеографики позволяют разрабатывать прикладные телевизионные системы для п анщш ГАММА-Т, формировать на её основе вычислительные комплексы. Прикладные системы обеспечивают оснащение телепередач художественными текстовыми титрами и выполнение нелинейного блочного монтажа.

Создание тт внедрение указанного программного обеспечения позволило развернуть ряд систем компьютерного моделирования, автоматизации конструирования и технологической подготовки производства, в том .числе системы СЛОЙ. СТЕРЕО, СТЕРЕО-ПС (Б.П. Крюков, A.A. Ландин и пр.), ПОТОК-ЕС (В.А. Агурейкпн, О.Н. Кульков и др.), ПЛАСТ-ЕС (A.B. ¿отделов), НЕРИ. МАКРО (А.И. Селезнёв, В.Л. Фрумин и др.), НЕЙМ, ЛАКС (П.В. Вельтмандер), MOHO (Б.В. Манчук, А.И. Марков и др,), ТЕХНОЛОГ (П.В. Вельтмандер, Г.В.Жуков и др.) и целый ряд других.

Работы автора в области телевизионных приложений способствовали развертыванию в рамках как России, так и бывшего СССР нового направления

о

в отечественном телевидении — телевизионной видеографики.

Различные компоненты разработанного программного обеспечения внедрены во многих организациях различных отраслей и ведомств и широко используются в системах математического моделирования, автоматизации научных исследований и проектирования, в задачах анализа и обработки экспериментальной информации и способствуют решению важных народнохозяйственных задач. Как указанное программное обеспечение (-в составе комплекса ГАММА), так и одна из прикладных систем, использующих его (расчёт защиты космических аппаратов ВЕГА), были отмечены наградами ВДНХ.

На основе исследований и разработок диссертационной работы подготовлен и в течение двух лет читается курс "Машинная графика и САПР" на физическом факультете НГУ, подготовлен и прочитан курс инженерной графики в Высшем колледже информатики НГУ, выпушены учебные и методические пособия.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на семинарах ИПФ, ВЦ СО РАН, Новосибирского филиала ИТМ и ВТ, ИПУ (Москва), ИППИ (Москва), ИПМ (Тбилиси), СЭИ СО РАН (Иркутск), ИАиПУ (Владивосток), ЙАЭ (Москва), ИФВЭ (Протвино); докладывались на Всесоюзных научно-технических конференциях по автоматизации проектирования: АСП-75 (Новосибирск, 1975), АСП-77 (Пермь, 1977), АСП-79 (Железнодорожный, 1979); на Всесоюзных конференциях "Диалог человек — ЭВМ": "Диалог-82" (Ленинград, 1982), "Диалог 82-микро" (Пущине, 1982), "Диалог-83" (Протвино, 1983); на Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики, (Новосибирск, 1982); на 7-й Всесоюзной школе-семинаре по вычислительным сетям, (Цахкадзор, 1982); на семинаре "Графические диалоговые системы" (Киев, 1983); на 5-й школе-семинаре "Интерактивные системы" (Кутаиси, 1983); на региональной научно-технической конференции "Комплексные аэрокосмические и наземные исследования динамики природных ресурсов Сибири" (Иркутск, 1983); на школе-семинаре "Создание программного обеспечения вычислительных комплексов и систем новой архитектуры" (Новосибирск, 1984); на 3-й Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики и цифровой обработки изображений (Владивосток, 1985); на межотраслевой конференции "Математическое моделирование нестационарных процессов механики сплошной среды" (Новосибирск, 1986); на семинаре "Проблемы автоматизации проект-но-конструкторских работ" (Сетунь, 1986); на Всесоюзной школе-семинаре "Информатика и интерактивная компьютерная графика" (Цахкадзор, 1987); на Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов" (Новосибирск,-1987); на 4-й Всесоюзной конференции по проблемам машинной графики (Протвино, 1987); на 5-й Всесоюзной конференции по машинной графике (Новосибирск, 1989); на 2-й Всесоюзной научно-практической конференции по применению вычислительной техники в средствах массовой информации (Москва, 1990);

на 1-й Всесоюзной школе "Автоматизация исследований, конструирования н производства"' (Обнинск. 1991)". на Международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в ушшерситетиком образовании" (Новосибирск, 1995); на 4-й и 5-й Международных конференциях по компьютерной графике и визуализации 'Трафикон 94" (Н. Новгород, 1994; и "Графикой 95" (Саикт Петербург, 1995).

На основе исследований и разработок автором диссертационной работы были подготовлены и прочитаны лекции на школе "Автоматизация и эффективность научных исследований" (Протвино, 1933); на школе-семинаре "Создание программного обеспечения вычислительных комплексов л систем новой архитектуры" (Новосибирск, 1984); на Всесоюзной школе-семинаре "Информатика и интерактивтпя компьютерная графика1' (Цгхкадзор, 1487); на ряде школ ИГУ для преподавателей вузов, начиная с 1987 г.; на 1-й Всесоюзной школе "Автоматизация исследований, конструирования и производства (Обнинск, 1991); на летних школах ВКИ НГУ (Новосибирск, 1993 и 1995); на 4-й и 5-й Международных конференциях по компьютерной графике и визуализации (Н. Новгород, 1994 и Санкт-Петербург, 1995).

За работы, имеющие важное народнохозяйственное значение, автор в-1988 г. был награжден бронзовой медалью ВДНХ, а в 1990 г. в составе коллектива отмечен Премией Совета Министров СССР в области механики.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы з 58 основных работах.

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1 Требования к средствам машинной графики

2.1.1. Комплексы компьютерного моделирования нестационарных процессов механики сплошной среды является одним из важнейших инструментов в поиске решений научно-технических проблем, исследование которых затруднено или лаже невозможно с помощью натурного •жспери.мснта, например:

• исследование поведения материалов и конструкций в условиях высокоскоростного нагружения;

• оптимизация конструкций и процессов, цгпользуюших взрывные технологии. например, получение ультрадисперсных алмазов, компактирова-шю материалов, разработка кумулятивных резаков для разделки корпусов крупногабаритных или опасных объектов, утилизация боеприпасов и т.д.:

» исследование и разработка систем оружия;

• оценка ущерба, нанесенного стихийными или организованными воздействиями на объекты атомной индустрии;

• исследование процессов столкновения крупных астероидов и метеоритов с поверхностью планет и методов воздействия на небесные тела', представляющих опасность для Земли;

• исследование проблем создания термоядерных энергетических установок.

История их создания и использования насчитывает несколько десятков лет. Среди наиболее известных можно упомянуть разработки Арзамаса-16, Челябинска-40, ИПМ (Москва), целого ряда организаций Министерства оборонной промышленности, институтов Новосибирского научного центра, Лос-Аламосской и Ливерморской национальных лабораторий, Сандиа-лабо-ратории, Абердинского полигона, национальной лаборатории ВМС США. Первые комплексы решали одномерные задачи и использовались преимущественно их авторами. С развитием вычислительной математики и техники произошёл переход к решению двумерных задач. Разрабатывались методы построения и использования комплексов не столько физиками-исследователями, сколько проектировщиками, конструкторами и технологами.

В настоящее время преобладающим является решение двумерных нестационарных задач. Задачи решаются шагами по времени методами сквозного счета и генерируют чрезвычайно большие объёмы (табл. 1) сложно организованных данных, что порождает проблему представления и анализа результатов человеком.

Таблица 1: Количественные параметры задач

Параметры Вид задачи

Тестовая Малая Средняя Большая

Расчетное поле, ячеек 256x128 256x128 512x128 1024x256

Рассчитываемых параметров 5-15 5 15 15

Объем данных на шаге, Кбайт 640-1920 640 3840 15360

Шагов по времени ~100 2048 2048 2048

Суммарный объем данных. Мбайт 63-188 1280 7680 30720

Шаг вывода кадров изображений 1 10 10 10

Объем кадра (8 бит/пиксел), Кбайт 32 32 64 256

Суммарный объем кадров для

одного параметра, Мбайт 3.1 6.4 12.8 •• 51.2

Средства визуализации, используя интерактивную машинную графику, существенно способствуют решению этой проблемы, опираясь на мощную способность человека видеть и понимать визуальные образы.

С точки зрения потребностей исследователей и разработчиков системы визуализации можно разделить на два класса, различающиеся по Мощности средств обратной связи с комплексом моделирования: • системы для представления результатов,

• системы для исследования моделей и результатов.

В рассматриваемых комплексах моделирования основными являются системы представления.

С точки зрения взаимодействия с комплексами моделирования системы визуализации можно разделить на следующие типы:

• системы с постпропессированием. отображающие результаты закончившейся прикладной задачи: после анализа результатов прикладная задача либо исполняется с новыми данными, либо тем или иным образом модифицируется:

• системы с отслеживанием, оперативно отображающие результаты исполняющейся прикладной задачи: при необходимости прикладная задача прекращается и затем либо исполняется с новыми данными, либо тем пли иным образом модифицируется;

• системы интерактивной визуализации, позволяющие оперативно менять визуальное представление данных без изменений данных прикладной задачи;

• системы управляемой визуализации, позволяющие в процессе моделирования менять не только визуальное представление данных, но и прикладные данные, а также управлять процессом моделирования (остановы, возврати. логика моделирования).

Многие коммерческие универсальные н специализированные системы и программы (арЕ, AVS, Data Explorer. FAST, iris Explorer и др.) реализуют подход пастпроцессироаанчя, когда визуализируются результаты после завершения прикладной задачи. Это вызвано следующими основными причинами:

• требуется оснащение современными средствами визуализации ранее разработанных прикладных систем, созданных задолго до появления современных средств визуализации. Доработки таких систем или затруднены или чаще даже невозможны;

• средства визуализации разрабатываются специалистами в этой области с естественным стремлением к универсальности использования. -' Очевидные недостатки такого подхода:

• существенное увеличение требуемых вычислительных ресурсов для прикладной системы (надо сохранить все результаты):

• существенно* увеличен»'1 потребных ресурсов на систему визуализации, как в сил}' необходимости манипулирования всеми данными приложения, так и в силу исходной универсальности системы.

Автором предложен [1-3. 5. 20. 58] и реализован подход оперативного отображения в процессе моделирования на основе общих ресурсов, разделяемых прикладной задачей и подсистемой визуализации. Этот подход получил в настоящее время название отслеживания и развивается в ряде западных университетов, где разработаны и исследуются соответствующие системы (например, система Vista). Некоммерческий характер таких систем визуа-

лизации связан с тем, что данный подход в первую очередь ориентирован на комплексную разработку системы моделирования с тесным взаимодействием специалистов в области научных приложений и визуализации. Ясно, что при этом достигается высокая эффективность системы в целом, необходимая при проведении массового промышленного счета, однако требуются значительные капиталовложения в разработку.

Ведутся исследования систем интерактивной и управляемой визуализации, которые, как и системы с отслеживанием, интегрируют системы моделирования и собственно визуализации, но на новом витке технологий программирования и аппаратных средств. Исследовательский характер таких систем связан с тем, что современные визуальные средства программирования, являющиеся основой такого подхода, на современных средствах вычислительной техники не обеспечивают написание крупномасштабных научных приложений.

Сложность исследуемых физических процессов в нестационарных задачах механики сплошной среды, большие времена счёта, большие объёмы быстро генерируемых данных требуют определённой технологии их решения. В решении таких задач автор предлагает выделить четыре этапа [1-3, 5, 20], требующих различных средств машинной графики:

Постановка задачи и задание исходных данных

Счет, накопление и отображение результатов

Формирование машинных фильмов, документирование

Анализ результатов

Средства вво~ Средства сохра-

да/редактиро- нения изображе-

вапия графики ний, диалога и

и вывода визуализации

Средства диа- [ Средства поис-логового графи- ка, многоокои-чсского языка и ного просмотра документирова- и диалога ная

БД

1Ш11 поста-

ввода новок

ппп

счета

Временная БД

ППП

обработки

БД результатов

111111

просмотра

Рис. 1: Этапы компьютерного моделирования и требуемые средства машинной графики.

Комплекс компьютерного моделирования, ориентированный на использование не разработчиками, а конечными пользователями, может рассматриваться как уникальная экспериментальная установка, имеющая, как всякое промышленное изделие, три различных стадии своего жизненного цикла.

1. На стадии разработки комплекса преобладающее значение имеют этапы исследований, программирования и анализа. От средств машинной графики требуется обеспечение переносимости и легкой адаптируемости к различным ЭВМ и техническим средствам. Основной показатель эффективности здесь — легкость и простота использования разработчиками.

2. На стадии эксплуатации, характеризующейся массовым счетом, наиболее важны этапы постановки задач, расчёта, документирования и анализа. Основные показатели эффективности средств машинной графики здесь минимальные накладные расходы: поддержка удобных средств взаимодействия конечных пользователей г комплексом; простота адаптации к новым техническим средствам.

3. На стадии снятия с эксплуатации от средств машинной графики требуется обеспечение сохранения и переноса в новую среду накопленных результатов.

В зависимости от мощности и возможностей средств визуализации и конфигурации вычислительной системы комплексы компьютерного моделирования можно разбить на следующие три типа: 1) с низко интеллектуальным дисплеем (ранние комплексы 1970-1975 гг.), основной процессор выполняет расчёты, формирование и вывод изображений; 2) с рабочей станцией средней мощности (1976-1990 гг.), имеющей средства по автономному манипулированию изображениями, их сохранению и документированию,' основной процессор (процессоры) выполняет вычислительную работу и формирует данные для визуализации; 3) с суперстанцией (90-е гг., за рубежом), основной процессор (суперкомпьютер) выполняет моделирование и "сбрасывает" числовой материал на рабочую станцию для визуализации, за счёт чего расчеты наиболее полно отделяются от визуализации. Обобщённая конфигу рация комплексов компьютерного моделирования может быть представлена в виде следующей схемы.

Р»с. 2: Конфигурация комплексов компьютерного моделирования.

Разработки комплексов компьютерного моделирования нестационарных явлений механики сплошной среды вначале велись на однопроцессорных конфигурациях. затем компоненты, связанные с отображением, были вынесены в дисплейную станцию. По мере увеличения вычислительной мощности дисплейных станций на них переносилось всё большее количество функций В настоящее время достаточно полноценные комплексы моделирования можно иметь даже "па столе".

Текущая ситуация — всё более широкое использование трехмерных комплексов — во многом подобна той, которая имела место примерно два. десятилетия назад, когда совершался переход от одномерных к двумерным постановкам.

Для одномерных программ вполне достаточно было быстродействия терминальных каналов связи и простых отображающих и документирующих устройств. Переход к широкому использованию двумерных программ стал возможен, помимо прочих условий, только после того как стали доступными

ШШ Р-1ГЧП» —

— Гласная ЭВМ

Т^р\пшальная ОВД! —

развитые средства визуализации. Без впечатляющих достижений в технологии человек просто захлёбывался в результатах моделирования и был не в состоянии воспринять и осознать их.

Важно отметить, что современные комплексы моделирования — весьма сложные и трудоёмкие системы, решающие широкие классы задач, поэтому их средства визуализации с необходимостью носят неспецифический двумерный характер.

В настоящее время непрерывно растут возможности средств отображения и документирования, но они по сути остаются двумерными. В трёхмерных комплексах продуцируется гигантское количество изображений (проекций, разрезов и т.п.) и человек опять "тонет", но уже на новом витке технологии. Для таких комплексов очевидна необходимость принципиально новых подходов в средствах взаимодействия с человеком. Решение же задачи путем непрерывного увеличения возможностей, скорости и качества отображения не может решить проблемы восприятия информации.

Исследователей в основном интересуют параметры и поведение особенностей в решении (контактные разрывы, ударные волны, точки разворота потока и т.д.), а не просто визуализация всего решения.

Один из возможных путей решения данной проблемы — анализ получаемых результатов, выделение, отслеживание и визуализация особенностей. Здесь необходимо привлечение методов обработки изображений и компьютерного зрения, что требует чрезвычайно больших вычислительных ресурсов для системы визуализации.

Другой подход может быть основан на интеграции методов моделирования и визуализации, когда выделение особенностей происходит на естественном этапе — этапе их вычисления. Такой подход вполне может быть реализован на современных средствах вычислительной техники, но требует дополнительных исследований в области численных методов.

Принципиально иной подход может быть основан на использовании методов искусственного интеллекта с целью повышения содержательности и индивидуальной адаптации комплексов к конкретной предметной области и конкретному пользователю.

Нынешний прогресс в области средств разработки и управления интерфейсом пользователя (иГОБ/ШМЯ), достижения в технологии "виртуальной реальности", исследования по созданию систем научной визуализации должны не только облегчить и ускорить процессы разработки и/или модификации комплексов численного моделирования, но и стандартизировать и повысить качество и возможности интерфейса пользователей с ними.

2.1.2. Системы автоматизации конструирования используются и как самостоятельный начальный этап в процессе разработки, и "как этап, следующий за решениями физических задач после осмысления и переработки человеком результатов счёта.

В настоящее время получили развитие два основных подхода в автоматизации конструирования машиностроительного направления — подход, осно-

ванный на геометрическом моделировании трёхмерных тел, и подход, основанный на моделировании чертежей.

Традиционная технология работы конструктора заключается в разработке функциональной схемы объекта проектирования, прорисовке его общего вида, деталировке, исходящей из общего вида, и контрольной прорисовке общего вида по выполненной деталировке.

Наиболее полно такая технология в автоматизированном виде может быть реализована с помощью системы геометрического моделирования трёхмерных тел. Основными проблемами систем геометрического моделирования являются проблемы синтеза, представления и манипулирования объектами. Используются каркасные, граничные и конструктивные модели, а также формирование объектов из. базовых объёмных геометрических а конструктивно-технологически х элементов, включающих в себя некоторый ограниченный набор тел.

Современные системы геометрического моделирования такие как, например, ANVIL (Manufacturing and Consulting Services, Inc., США), CADDS 4X (Prime Computer, Inc., США), CADIS-3D (Siemens, Германия), DOGS-3D (PAFEC Ltd., Англия), EUCLID (Matra Datavision, Франция), БПИО ACK (НИЦ ACK, Москва) обычно представляют собой интегрированную среду, ориентированную на разработку геометрически высокосложных объектов автомобиле- и самолётостроения, выполнение инженерных расчётов, например, методом конечных элементов, обеспечение взаимодействия с различными расчётными подсистемами, подготовку управляющих программ для многокоординатного оборудования с ЧПУ.

Системы геометрического моделирования требуют значительных вычислительных ресурсов уровня старших моделей VAX ЭВМ или RISC-станций, Их использование может осуществляться специально подготовленным персоналом, для которого это г род деятельности фактически должен стать основным, что далеко не всегда приемлемо, так как обычно при.выполнении двух- трёхлетней ОКР только около 10 % в её начале затрачивается на чертёжно-графические работы, т.е. велика вероятность, что к началу следующей ОКР навыки будут утрачены.

Кроме упомянутых, существует проблема получения чертёжных документов из сформированной модели. Хорошие результаты достигнуты при выполнении той или иной компоновки и последующего рассмотрения сформированного объекта, но не для формирования чертежей, получение которых требует ручного труда (оразмериваше, нанесение условных обозначений, надписей и т.д).

Современные интерактивные 2Б-системы, основанные на моделировании чертежей, реализуют этап деталировки, т.е. этап формирования, оперативного редактирования и качественного перевыпуска комплекта документации, например, ИНСМ [47, 55], КОМПАС (Нижегород. гос. архитект .-строит, академия), РЕДГРАФ (ВЦ РАН, Москва), СССР), CADIS-2D (Siemens, Германия), DOGS-2D (PAFEC Ltd., Англия), AutoCAD (AUTODESK, США)

и многие другие. Процесс конструирования в этом случае заключается в том, что конструктор вначале строит геометрическую модель плоского объекта (чертежа), а затем, задавая размеры, дополнительные обозначения и надписи, превращает её в собственно чертеж. Такие системы по сути дела представляют собой проблемно-ориентированные графические редакторы; основная выгода от их использования состоит в облегчении перевыпуска ранее созданных комплектов документации. Интерфейс с системами выполнения проектировочных расчётов как минимум затруднен, так как информация об объектах в чертеже отсутствует. Восстановление же трёхмерного объекта в общем случае требует бесконечного числа сечений.

Вместе с тем многие из проектируемых нами изделий при высокой сложности происходящих в них процессов, требующих мощных систегл компьютерного моделирования, отличались конструктивной простотой. Так что подход геометрического моделирования был существенно избыточен с точки зрения геометрии, а подход моделирования чертежей недостаточен с точки зрения выполнения проектировочных расчетов.

Кроме этого, на момент начала и развития нами работ в области автоматизации конструирования [3, 4, б, 8, 24, 28, 30, 31] многие системы геометрического моделирования работали в пакетном режиме, а большинство 2D систем моделирования чертежей также были ориентированы на пакетный режим работы и использовались не для выпуска документации, а для автоматизации программирования для станков с ЧПУ.

В этой связи велись разработки диалоговых графических систем автоматизации конструирования, расширяемых силами пользователей, и в основном предоставляющих возможности 2D систем с рядом возможностей, характерных для 3D систем геометрического моделирования.

В настоящее время использование графического диалога в САПР стало общепринятым, многие из современных систем предоставляют те или иные средства расширения силами пользователей, большинство систем наряду с 3D предоставляют и 2D средства.

Важно отметить, что использование коммерческих зарубежных систем все ешё достаточно затруднено как в силу экономических причина! обычно англоязычности интерфейса, так и, что более важно, из-за различий в индустриальных стандартах. Например, широко известная система AutoCAD, первая версия которой появилась в 1982 г., только в последних русифицированных версиях (1994 г.) получила достаточно приемлемый графический интерфейс, но срок её окупаемости при лицензионной установке и использовании для подготовки документации составляет более 11 лет [55].

В целом для систем автоматизации конструирования требуются средства обеспечения активного, в основном графического, диалога; поддержки графического диалогового языка; формирования и получения эскизов и чертежей; структурированного описания изображений с возможностями вызова одной подкартины из другой; для ряда приложений требуется предоставление средств 3D ввода/вывода и обеспечение реалистичности изображений.

2.1.3. Системы автоматизации технологической подготовки производства для программно-управляемого оборудования, аналогично системам автоматизации конструирования, реально используются и как самостоятельный начальный, и как очередной этап в обшей цепочке автоматизированного проектирования и изготовления.

Использование оборудования с числовым программным управлением позволяет естественным образом автоматизировать сквозной цикл разработки: моделирование — проектирование — конструирование — изготовление с одновременным обеспечением высоких качества, точности, повторяемости и оперативной переналалшваемостп, практически не зависящих от операторов станков.

Изготовление деталей на оборудовании с ЧПУ разбивается на этапы поп-готовки управляющих программ (УП); контроля их синтаксической и семантической корректности; собственно изготовления.

Причём при отношении стоимости металлорежущего станка с ЧПУ и аналогичного ему универсального ~ 10/1, отношение суммарной выработки в условиях единичного или мелкосерийного производства часто остаётся на уровне ~ 1/1. Это связано с относительно большими затратами на подготовку и отладку управляющих программ.

В условиях единичного и мелкосерийного производства используются два основных способа подготовки УП ручной н полуавтоматический.

При ручной подготовке УП технолог по чертежу детали тем или иным образом выполняет расчёт технологических размеров, допусков, траекторий инструментов. Результаты расчётов перерабатываются в УП конкретной системы ЧПУ. При таком способе подготовки могуг использоваться диалоговые программы вспомогательных расчётов сопряжений контуров и эквя-дпетант.

I радишюнные полуавтоматические системы автоматизации программирования для станков с ЧПУ базируются на языке, предложенном в 1964 Г. при создании системы APT (системы APT. MODAPT — США, АПТ-СМ

Россия и многие другие). В этом языке программируются элементарные перемещения рабочих органов оборудования п задаётся соответствующая технологическая информация. Таким образом, чертёж и, возможно, описание технологического процесса, автоматизированным способом полученные в САПР, вручную колируются технологом-прогрпммттгтпм с последующими отладочными прогонами на станке.

Важно отмстить; что даже для станков одной группы имеется ряд отличающихся систем ЧПУ. что требует конвертирования программ. Конвертирование программ при т различных системах ЧПУ может потребовать создания т х (т — 1) программ взаимной перекодировки.

Для сокращения сроков подготовки управляющих программ необходимы средства их (полу)автоматической генерации, которая может основываться либо на синтезе детали из типовых элементов, либо на описании процесса изготовления детали с помощью типовых технологических переходов, либо

на задании параметров для обобщённой детали — представителе некоторого класса деталей.

Контроль синтаксической и семантической корректности (отладка) управляющих программ выполнялись либо отладочными прогонами на станке, либо на специальном оборудовании, представляющем собой требуемую систему ЧПУ, в которой вместо управления станком использовался вывод на графопостроитель.

Итак, узкими местами при использовании оборудования с ЧПУ, особенно в условиях единичного или мелкосерийного производства, оказываются подготовка, синтаксическая и семантическая отладка управляющих программ и их конвертирование из одной системы ЧПУ в другую.

Для решения указанных задач автором впервые в стране были разработаны архитектура, состав и функции интегрированных интерактивных систем для подготовки, редактирования, автоматической генерации, конвертирования и контроля управляющих программ, основанного на визуальном компьютерном моделировании работы оборудования с ЧПУ [7, 11] (см. п. 2.6).

В настоящее время ориентация на поддержку единичного и мелкосерийного производства на оборудовании с ЧПУ получила повсеместное распространение. Это прослеживается как в упомянутых выше современных интегрированных системах автоматизации конструирования — изготовления, использующих геометрическое моделирование трёхмерных тел, так и в специализированных системах, например, PEPS2 (АМТЕК, Англия). В большинстве систем имеются средства компьютерного моделирования работы оборудования с ЧПУ (ANVIL, С ADDS 4Х, DOGS, AutoCAD и многих других). Предлагаются инструментальные средства разработки систем автоматической генерации управляющих программ.

В целом системы автоматизации технологической подготовки производства предъявляют следующие основные требования к средствам машинной графики: поддержка быстрого отображения; поддержка активного диалога посредством буквенно-цифровой и функциональной клавиатур, меню команд, различного рода устройств ввода координат и указания, поддержка графического диалогового языка.

2.1.4. Системы видеографики реального времени являются естественным продолжением работ, связанных с представлением результатов моделирования в виде машинных фильмов, а также работ в областях автоматизации проектирования и подготовки производства и предназначены для использования в телецентрах, в которых можно выделить три основных категории пользователей [53, 57].

1. Операторы, работающие в пультовой в прямом эфире. Им требуются средства оперативного манипулирования изображениями, вывода заставок (перебивок) и оснащения передач поясняющими титрами.

2. Режиссёры, готовящие телепередачи. Им требуются средства формирования сценария показа видеосюжетов с заданием различных источников изображений (запоминающие устройства ЭВМ, видеолента, камера, устрой-

ства ввода кинофильмов, сканеры и т.п.), средства исполнения сценария, в том числе с остановками, возвратами, проигрыванием в реальном времени, и средства видеомонтажа или прямого вывода в эфир.

3. Видеохудожники телецентров, занятые подготовкой тех или иных несложных сюжетов (предполагается, что основной видеоматериал готовится видеостудиями). Видеохудожникам в основном требуются различные графические редакторы, а также средства формирования заставок (перебивок), машинных видеофильмов, естественно, с использованием телеэффектов.

По сути дела это комбинация требований различных этапов йпуалта-ции, формирования, просмотра и анализа результатов для комплексов компьютерного моделирования, а также систем автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства, расширенная необходимостью управления различной аппаратурой в реальном времени. Другое важное отличие состоит в том, что рабочая станция должна работать автономно или в составе вычислительного комплекса, а не в качестве сателлита.

В ЦЕЛОМ, ГЛАВНАЯ ЗАДАЧА МАШИННОЙ ГРАФИКИ — ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ ПОСТРОЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ, КОТОРАЯ ДОЛЖНА ОПТИМАЛЬНЫМ ОБРАЗОМ РАСПРЕДЕЛЯТЬСЯ МЕЖДУ РАЗЛИЧНЫМИ ПРОЦЕССОРАМИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ И ПОДДЕРЖИВАТЬ НАБОР ФУНКИИЙ ВВОДА/ВЫВОДА. АДЕКВАТНЫЙ ПОТРЕБНОСТЯМ.

Проанализируем подходы к построению систем машинной графики.

2.2 Концепции построения систем машинной графики

В построении графических систем подавляющее применение получил подход, основанный на семантическом расширении существующего языка пакетом графических подпрограмм. На этом пути достигнуты основные успехи в использовании и развитии средств машинной графики, в том числе связанные: 1) с обеспечением аппаратной независимости прикладных программ от используемых графических устройств; 2) с обеспечением адаптируемости прикладных программ, т.е. легкости приспособления к левым функциональным требованиям; 3) с обеспечением мобильности прикладных программ, т.е. легкости их переноса в иное окружение.

Аппаратная независимость средств отображения обеспечивается их построением по иерархическому принципу в виде набора фиксированных уровней с четким соблюденном интерфейсов между ними. Каждый уровень является для последующего некоторым вирту;1льным графическим устройством. Сложилось разбиение на три уровня: 1) на нижнем уровне располагаются ль паратно-зависимые драйверы, формирующие файлы вывода на графические устройства; 2) на среднем уровне находится аппаратно-независимый граф-пакет общего назначения; 3) на верхнем уровне находятся функционально-и проблемно-ориентированные графпакеты.

Реализация системы машинной графики на той или иной конфигурации технических средств порождает проблему распределения функций ввода/вы-

вода между компонентами графической системы, размещёнными в различных ЭВМ. Можно выделить два основных типа распределённых графических систем: системы с жёстко заданным распределением функций и системы с изменяемым распределением.

Системы с жёстко заданным распределением функций используют терминальный комплекс как некоторый виртуальный графический терминал ("чёрный ящик"). Распределение функций устанавливается и фиксируется на этапе проектирования графической системы. Такие системы просты в разработке, высокоэффективны, но перераспределение функций требует перепроектирования, в том числе и прикладных программ.

Системы с изменяемым (программируемым) распределением функций позволяют менять его в процессе эксплуатации графической системы за счёт предоставления прикладному программисту средств написания для сателлита собственной программы. В этом случае требуется решить сложную проблему взаимодействия модулей прикладной программы, размещённых в разных ЭВМ в общем случае с отличающимися системами программирования и команд.

Для достижения необходимых скоростных показателей в сочетании с достаточной, но не излишней гибкостью использования в гетерогенной вычислительной сети автором предложен подход с управляемым распределением, заключающийся в организации средств машинной графики в виде некоторой иерархии "чёрных ящиков" с предоставлением прикладному программисту средств выбора того или иного "чёрного ящика". Модификация же его "начинки" в процессе эксплуатации системы требуется сравнительно редко и выполняется как отдельная системная работа.

Принципиальным моментом в разработке распределённой системы является выбор оптимального разделения функций вывода/ввода между терминальной (ТМ) и главной (ГМ) ЭВМ.

Используя общепринятую модель вывода в графической системе, можно представить четыре возможных границы разделения функций между ГМ и ТМ (рис. 3). На этом рисунке: структурированный дисплейный файл — описание изображения в виде иерархии вложенных объектов; линейный дисплейный файл — описание изображения в виде последовательности примитивов, возможно, разбитой на отдельные поименованные сегменты.

В распределённых системах машинной графики предлагается три варианта разделения функций вывода [12, 15,17, 18, 20, 22], при этом терминальная ЭВМ запрашивает обслуживание требуемого уровня, выполняемое главной ЭВМ:

• ВЫВ1 — ГМ готовит высокоуровневую информацию для ведения на ТМ описания изображения в виде иерархии вложенных объектов, т.е. обмен информацией производится на наиболее высоком семантическом уровне;

• ВЫВЗ — ГМ готовит информацию для ведения на ТМ описания изображения в виде линейных сегментов графических данных;

Пбд]~{ ш[}-- -4гсдф|- ->|гллф(- - ллф|Н дк

ПЫП1 ВЫВ2 ВЫВЗ ВЫВ4

Рис. Модель процесса вывода. БД — база данных прикладной программы; ПП — прикладная программа: ГСДФ - генератор структурированного дисплейного файла: СДФ — структурированный дисплейный файл: ГЛДФ — генератор линейного дисплейного файла; ЛДФ - - линейный дисплейный файл: ДК — дисплейный контроллер; ВЫВ1, ВЫВ2. ВЫВЗ, ВЫВ4 — возможные границы разделения функций вывода между главной и терминальной ЭВМ.

• ВЫВ4 ГМ готовит описание изображения в виде линейных сегментов графических данных, передаваемых на терминальную ЭВМ. Такая схема предложена в связи с тем, что наиболее быстро меняющаяся компонента вычислительных средств — терминальная. Выбор варианта зависит от области приложений и вычислительной мощности терминальной

ЭВМ.

Первые две границы обеспечивают аппаратную независимость, а последняя соответствует минимальным требованиям к ТМ и максимальному..быстродействию. В последнем случае с целью минимизации затрат на интерпретацию при отображении на наиболее интенсивно используемые устройства в качестве протоколов передачи автором были выбраны протоколы векторного и растрового дисплеев. Работа с другими устройствами обе< печи-вается с помощью набора интерпретирующих программ.

Используя общепринятую модель формирования данных логических устройств ввода в графической системе, можно представить пять возможных границы разделения функций ввода между ГМ а ТМ (рис. 4).

ЛА

, I' ;(■

ч<хкий

в прикладной прогр.

СА

Спитак ; г.гкг-

анализ в прик. прогр.

СО

л

Сем.чи

тпчг-г-

кая об-работ ка в прик.

прогр.

\<У> Ш)Ш ВН04 ВВОЗ

1'п.. 1: Модель процесса ввода. ВВО1 ,ВВ02.ВВ03,ВВ04,ВВ05 — возможные границы разделения функций ввода между главной и терминальной ЭВМ.

В распределённых системах машинной графики разделение функций ввода между терминальной и главной ЭВМ автор предложил проводить по границам ВВ01 — ВВОЗ в силу следующих причин:

• разделение по границе ВВ01 целесообразно при использовании диалога, ориентированного на ввод с клавиатур, для которых уже на этом уровне обеспечивается аппаратная независимость;