автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Последование и разработка объектно-ориентированной системы геометрического моделирования

На правах рукописи УДК 681.3.082

ЩЕДРИН Сергей Михайлович

ЙЯЭДОВШШ И РАЗРАБОТКА ОШЖПЕО-ОЭДЩГШРОШШШ С51СТЕШ ГЕШЕТР1ГШ1ШГ0 ЩЩШРСЕЩШ

Специальность 06.13.11 - Математическое и програншсэ • обеспечение вычислительных ыашнн, комплексов, сштам и сетей

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата фивико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Институте проблем кибернетики РАН

Научный руководитель : член-корреспондент РАН

а П. ИЕанников

Официальные оппоненты : доктор фиэ ико-ыатематических наук

С. & Клименко

кандидат фиаика-математических наук И. Е. Педанов

Ведущая организация : Институт прикладной математики

им. II а Келдыша РАН

/

Защита состоите« 1993г. в часов на

заседании специализированного совета К. 003.78.01 Института проблем кибернетики РАН

Адрес: 117312, Москва, ул. Вавилова доы 37

Автореферат разослан # 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета К. 003.78.01 к. ф. -м. н. Ч\ \ Л I А-8- Идшухаштов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

, В диссертации рассмотрен вопрос использования объектно-ориентированного подхода при реализации системы геометрического моделирования в полном объеме, включая фазы конечноэ-лементного моделирования и проведения физических расчетов.

Актуальность темы. Твердотельное моделирование и трехмерная графика составляют наиболее значительную часть в общем объеме компонент систем визуализации научных исследований и САПР.

Традиционным недостатком систем данного класса является невозможность их непосредственной интеграции с прикладными программами, проводящими физическое моделирование и численный анализ, функции систем геометрического моделирования заканчиваются после проектирования геометрической формы, что значительно снимает их потребительские качества. Отсутствие интегрирующей роли геометрического ядра системы приводит к невоз-иожности реализации единого проекта, объединяющего основные фазы проектирования и проведения научных исследований.

Поэтому актуально проведение разработки объектно-ориентированной системы геометрического моделирования, обладающей мобильностью, расширяемостью, легко настраиваемой на различные области приложений и способной интегрироваться с прикладными расчетными программами.

Целью данного исследования было проведение анализа структуры современных систем геометрического моделирования, выделение их основных компонент, наиболее труднореализуемых частей и разработка технологии их реализации.

Ёауатз шшизна работа ваключается в разработанной автором методологии анализа и синтеза систем геометрического моделирования. Она может служить примером проектирования слоиных прикладных систем с использованием объектно-ориентированной технологии. Объектно-ориентированный подход в реализации органично привел к формированию объектно-ориентированной конструктивной модели, которая содержит в себе описание бинарных деревьев, пространственную геометрию и физические свойства пространственных объектов, позволяет производить реалистическую визуализацию тел, моделировать динамику и физические свойства проектируемых изделий. Одним из основных достоинств разработанной объектно-ориентированной конструктивной модели является ее расширяемость. Т. е. на основе универсального объектно-ориентированного базиса возможно расширение модели посредством реализации и включения в нее новых операций геометрического и физического характера, что позволяет производить быструю ее настройку на конкретные прикладные области применения. Также на этой основе была спроектирована система пользовательского интерфейса, представляющая совокупность объектов коммуникации (окон) пользователя и прикладной графической программы, которая обеспечивает разработчика привычной многооконной оболочкой, позволяет работать как на плоскости, так и в пространстве, обеспечивает мобильность создаваемого программного обеспечения.

Практическая аиачткггь проделанной работы ваключается в возможности использования разработанной технологии при создании систем научной визуалнгации и САПР, использующих элементы геометрического моделирования н графического интерфейса.

- Б -

Аппробацкя работы м публикации. Предложенные идеи были аппробированы автором и успешно им использованы при реализации прототипа системы геометрического моделирования. В этой системе был также спроектирован наиболее труднореализуемый в системах геометрического моделирования граничный аппрокскматор конструктивной модели. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации" (г. Масква, 1988г.), на I Всесоюзной научно-технической конферекции "Прогнозирование создания гибких производственных систем и робото-технических комплексов в условиях интенсификации производства" (г.Киев, 1990г.), на школе-семинаре молодых ученых "Машинная графика и автоматизация проектирования в радиоэлектронюсе" (г.Челябинск, 1990г.), на семинарах, в Институте проблем кибернетики РАН, а также на других семинарах и рабочих встречах.

По результатам исследования имеется б печатных работ. Компоненты системы, касающиеся графического взаимодействия с пользователем, использованы сторонними организациями. Документы о внедрении и использовании прилагахггся в диссертации.

Объем ы структура диссертации. Диссертация состоит ив введения, четырех глав, заключения, приложения. Ее общий объеы 93 страницы, в том числе, 12 рисунков, 1 таблица и список литературы из 40 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена постановка исследуемой проблемы, обосновывается ее актуальность, формулируются основные цели диссертационной работы. Дается краткое описание диссертации.

В первой главе проведен анализ систем • пространственного геометрического моделирования, элементов реалистической графи- .. ки и пользовательасого интерфейса. Это позволило выделить ключевые вопроси, встающие перед разработчиками подобных систем.

Реализация проекта, связанного с разработкой системы геометрического моделирования, требует тщательного анализа комп- , . лекса взаимосвязанных вопросов. Ключевыми среди них являются выбор схемы внутреннего представления пространственных объектов, ориентация на наиболее эффективные методы- визуализации модели, учет вопросов графической стандартизации и взаимодействия с пользователем.

В разделе 1.1 проводится обзор различных способов описания геометрических моделей, а также известных систем Целью этапа является выбор схемы внутреннего представления для моделирования геометрических форм.

Ядром пространственной модели является его геометрическая модель. Геометричес|сая пространственная модель и ее характеристическая Функция, классифицирующая пространственную точку по отношению к моделируемому объекту, составляют основную сущность системи геометрического моделирования (ОГЫ).

Осноьншн подходами в геометрическом моделировании являются С30-модель(конструктивная) и В-ыодель(граничная). Визуализация В-модели как и процесс пошагового построения модели вначительно проще, чем в СБО-подходе, но требует больших объемов памяти.

Геометрическая модель должна точно описывать объект проектирования без какой-либо аппроксимации. Поэтому за основу СЗЗ-шдель. Только из нее возможны преобразования в остальные иЯа^Щцше схемы моделирования: граничную, воюзельную (октальную) и др. С^нако полиэдральная В-модель также необходима в системе.

> • Поэтом/ в системе необходимо комбинирование конструктив-

ной и граничной модели. Т. е. должен быть реализован граничный-алпроксиматор конструктивной модели. При этом граничная модель должна быть "насыщена" топологической информацией о связях между элементами поверхности.

Предложенная смешанная схема моделирования позволит оптимально в зависимости от стоящих задач использовать оба вариан--. та геометрического описания тела.

В разделе 1. 2 проводится краткий обзор методов визуализации, графических стандартов и систем взаимодействия с польэо- •. вателём. Эти вопросы такмэ должны быть учтены на, начальном этапе проектирования системы, т.к. они могут оказать сущэст- . венное влияние на архитектуру системы.

Визуализация пространственных сцен занимает ключевое место в процессе эксплуатации и проектирования систем, ориен-У тированных нз работу с объемными объектами. Можно выделить следующие виды отображения пространственных объектов:

- каркасное;

- векторное с удалением невидимых линий;

- полутоновое.

Используя каркасное представление, легко выполнять функции редактирования, позиционирования, привязки объекта. Однако с повышением сложности пространственной сцены информационность такого изображения резко падает.

Векторное представление с удалением невидимых линий вы-.• полняется достаточно медленно. Представление с удалением неви-. димых линий более информативно, чем каркасное и часто нсполь- ■ эуется для оформления чертежной документации. В случае гране* ' вой аппр01ссииации объекта для этого представления пространственную сцену необходимо списать набором ориентированных многоугольников, причем для каждого ребра яелателмо указать-

сменные града. Здесь очевидно влияние методов визуализации на . структуру граничной модели.

Полутоновое представление возможно как для. твердотельной ,. i так и для поверхностной модели. Выполняется очень медленно и ! требует больших вычислительных шщностей для достижения эффекта "реального времени" при организации вааишдействия не иду пользователем и прикладной задачей. В это« случае мокет использоваться как CSG так и В-шдели. Вводится характеристика . материала. • ' j

В процессе реализации слозкной графической системы не , должны, конечно, быть забыты вопросы стандартизации графических систем и систем пользовательского взаимодействия, т. к. это может оказать существенное влияние на процесс праиктирова- ' ния системы. |

В стандарте PHIGS зафиксированы шогие принципиальные ре-еения, определяющие технологию 3-ыерной графики 90-х годов. В • PHIGS разделены вопросы геометрического моделирования и еоп- 1 росы графического ввода/вывода. Принятый в PHIGS подход к описанию данных (графовые "структуры") является весьма обидим и близок к описанию моделей пространственных объектов. Поэтому при разработке концепции системы геометрического моделирования должна быть сделана попытка найти точки соприкосновения ее с концептуальной моделью PHÏGS.

За время, прошедшее с начала разработки стандарт, поньи- . лись и утвердились в качестве фактических стандартов системы управления окнами и средства разработки пользовательских ин- . терфейсов - такие как Х-Window и базирующиеся на ней еиетемы . • , управления пользовательски« интерфейсом OpenLook, OSF/Motif и', др.- в среде ОС UNIX* Ь5 Windows - в среде Ш-DQS. Использование систем управления интерфейсом пользователя позволяет обеспечить более высокий уровень переносимости программ и пре-.

• - g -

доставляет ПП богатые возможности как по части графического вывода, так и по части взаимодействия о внешними устройствами.

Одним из центральных вопросов проектирования системы интерактивного пространственного взаимодействия является вопрос о способах интеграции средств интерактивного взаимодействия с пользователем, предоставляемые PHIG3, с таковыми ж, предоставляемыми оконными системами. Одни, из наиболее перспективных решений; принятые при разработке нескольких коммерческих реализаций PHIGS, являются: РЕХ - PHIGS Extensions to XI1 (MIT X Consortium), Uni graphies (MeDonnel Douglas) H др.

После проведенного з данной главе анализа система в иол-ном варианте реализации может быть предегаьлеьа в виде набора следующих крунных компонент:

- геометрическое ядро;

- подсистема кснечноэлсментного моделирования и проведения численных расчетов;

- подсистема взаимодействия о пользователем;

- иод'пюгемн реалистической ыюу&в иаации.

Подводя основной итог главы, делается вывод о том, что реализация подобного проекта требует четкой методологии его реализации , которая позволила бы осуществить органичное интегрирование есегс проекта, Для решения этого вогроса выбрана объектно-ориентированная технология, которая позволяет успешно решить поставленную задачу.

Ro второй г;шло рассмотрен вопрос разр&эигки объектно-ориентированной конструктивной модели. Спроектированы классы, реализующие ее. Произвольный элемент кпнетрут-ипяой модели есть объект cornис'хстьукдего кдлеза, а с нисыЕ^ви^м тела Физическими характеристиками об'иекты с-иап:огстиующего класса приобретают операции, связанные с их численным аьализоы и физическим моделированием. Разработанная модель обладает

- 10 - -гибкостью, легко , расширяема,■ геометрически точна и обладав? рядом других достоинств. Шлученная в данной . глаие объект- ;, но-ориентированная конструктивная модель твердотельных прост- -ранственных объектов позволяет интегрировать процедуру геометрического проектирования ç задачами конечноэлементного моделирования и проведением численных расчетов, т.е. объединить основные фазы проектирования в общий технологический процесс получения готовой продукции. В результате ядро системы геомет- ' рического моделирования строится на основе иерархического перечня классов. -

Традиционный m подход интерпретирует CSG-модель лишь как геометрическую, оставляя за ее пределами физическую сущность объекта, кинематику и фазу физического моделирования.

В CSG-модели каждый узел бинарного дерева представляет некий пространственный объект или операцию над объектами, результатом тоторой, как правило, является та:«® пространственный объект. По мере восхождения по дереву он изменяет свою форму: она усложняется и все больше приближается к желаемой. Далее объект приобретает цвет, - фактуру. Из таких разнородные до своим характеристикам об-ьектов формируется сложная компоновочная структура, возможно задание кинематических параметров • пространственных перемещений. Такие объекты могут быть подвергнуты физическому моделированию.

В описанной схеме моделирования пространственных объектов просматриваются и удачно могут быть применены на практике идея •

ООП. Во-первых, описанное уровневое расслоение модели nosволя-,у"

: <

ет ввести классы. В преломлении к модели тип класса становится ' синонимом уроьневой иерархии надели. Объест класса есть прост- \ ранственное т«ло (в модели это узел CSG-дерева).

Таким образом, реализация пространственной модели сводится к проектированию клаосов. Каждый клаоо (уровень модели)

" '•'... ..• • - 11 -

■ инкапсулирует свойства и операции, присущие только ему. При ^ проектирование классов пространственных объектов трудно переоценить идею наследования, которая собственно к реализует иэ-рархию модели. На каэдоы нов ом модельном уровне добавляются лишь новые свойства и операции, которое образуют новый класс. ■ Свойство полиморфизма классов позволяет абстрагироваться от операций общих для всех уровней и насыщать эти операции новыми , качествами. .

Процесс.» проектирования объектно-ориентированного ядра системы органично вписался в сущность объектно-ориентированно- • "го подхода- Расслоив технологический процесс создания новых видов пространственных изделий, произведена фазовая класеифи- • нация, которая привела ,ч созданию иерархической структуры классов пространственных объектов. Далее сработали ссноышэ

! ' концепции ООН: .

< •

- наследование классов;

- инкапсуляция;

' - порождение экземпляров чг-рез объектныч классы (объест класса сгзя синонимом пространственного объекта);

- по диморфизм я инрг грузка.

Описана процедура включения в модель новых нримитигных • . геометрических объектов, геометрических операций и операций . , физического и кинематического моделирования. С этой точки ара' . • ния и следует понимать термин расширяемости разработанной ш-дели, ее геометрическую, физическую и кинематическую сущность.

Кроме ьтого, каждый пространственный объест (объект? ссот-- ветствушьго класса модели) шх&ч Ськь рассмотрен, кы« ьлемеит .: бинарного дерева, вадочавдего все иаобходккш операции по работе с ним (з том числе редактировании). Поэтому силтез прсст-• ' раиственных конструкций возможен с использованием данных редакторе^ функций древовидных объектов, встроенных в ншг.

Часто ато представляет более удобный механизм пространственного манипулирования, особенна при работе с объектами компоновочной природы.

Иерархия спроектированных классов выглядит следующим образом:

BTreeKodts - RigidSolid - PhysicalF-olid - AsseublySolid

Таким образом, в данной главе удалось построить объектно-ориентированнее sjipo, интегрирующее всю систему.

Трегья пиша посвящена вопросу реализации граничного апп-роксиматорз конструктивной модели. Многочисленные частные случаи пересечений пространственна объектов сведены к конечному числу ситуаций, подлежащих обработке. Зкаченле проблемы граничной аппроксимации а процессе реализации подобных систем трудно переоценить. Это находит подтверадение при анализе современных периодических изданий, касаякдахся вопросов твердотельного ыодехирозан « и реалистической грЗ'.ф^сп, Количество работ по данной тс-катил? не имеет тенденции к поколению.

Рс-ал'лзъция граничного &ппрокгм'лш-ора, а в особенности часть, ьиг.олттця теоретико-мюжгсуЕениы« операции, апляетсд одной m HfjiSoite сложных проблем проектирования cncreuci твердотельного мсделироЕ?ния.

Раздел 3.2 посияли разрешай неуетой'шных ситуаций в задаче классификации многогранников. Для ьормойлости проведения анализа всех йоаюшах ситуаций вводится разбке-иив всех пересечений типа робро-грань на классы эквивалентностей п сведении MHOAtvcTua всех ситуаций к ira не иному числу. 3 результате вое ьоак'0)'„мье случаи «всдятси к 16 классам пересечений.

Разбиение на классы пересечений позволяет сформировать необходим^ пичиелнгелшый 0а;ша, повысить ииде^юсть работы модуля классификации тел, производить вариантное наполнение информацией и необходимую обработку в каадом конкретном слу-

»'.- ' ' • - 13 - •

чае.

Раздел 3.2.4 описывает разрешение особых ситуаций касаний - ■ объектов. ' Для этого классическая формула выполнения теоретико-множественных операций для многогранных объектов расплрэгга . ' с учетом таких ситуаций. Если обозначить операцию взятия границы тела S -> b(S), то это будет следующий набор формул: b(A+B) - Ь('А вкэ В') <+> Ь{'В ш:э А*) <+> ЬС'А ка В') Ь(А-В) - Ь('Л вно S') <+> ШТСЬС'В в Л')3 <*> ШГСЬ(*А ка В*)3 :

Ь(АЛВ) - Ь('А з В'} <+> Ь('В в A') <*» ЬС'А на В').

t

Эти формулы учитываю? случай касания объектов по граням, • что отражается наличием третьей компоненты. Здесь операция NOT С b(S)3 означает реверсирование ориентация контуров граней тела / S.

Теперь разрешение случаев касания по граням в процессе классификации тел сводится к поиску третьей компоненты формул. Если случаев касания нет, то третья компонента есть пустое ' множество. Известны подходы, когда производится перекдаясифа-кация данной компоненты к одной из двух перли:-:. В данном случае она вычисляется непосредственно.

Далее сделан вывод, что в процессе разрешения случаев касания остается определить компоненту Ь('А на В') только а случае одинаковонаправленных нормалей граней касания.

В разделе 3.3 описывается процесс разработки необходимых 1 топологических операций для выполнения процедуры классификации многогранников.

"V* В четвертой главе проводится разработка пользовательского интерфейса, ориентированного на взаимодействие в пространстве.

Комплексное проектирование системы геометрического моделирование предполагает решение вопроса пользовательского взаимодействия, осуществляемого при работе с системой. Здесь должен быть учтен ряд факторов, влияющих на ее наиболее аффектов-

- 14 - .

ную реализацию. Среди них можно выделить такие, как учет сне-' цификм работы пользователя системы геометрического моделирования, осуществляющего манипуляции как в пространстве, так и на плоскости, интегрирование ее со стандартизованными системам!! оконного взаимодействия, изолированность ее от остальных компонент системы, ее мобильность (от которой будет зависеть мобильность графических прикладных программ, _ создаваемых на ее базе) и.некоторые другие факторы. Используемая объектно-ориентированная технология создания системы пользовательского интерфейса позволила успешно разрешить поставленные задачи. В данной главе описано проектирование классов оконного взаимодействия, базирующееся на принципе полиморфизма ООП.

В разделе 4.2 рассмотрен конвейер видовых преобразований системы взаимодействия с пользователем, на базе которого далее будет спроектирована система оконных классов:

Ц - II* е Шг ж. 1кз а МЬ ж г Мзр г 14а г Ш Здесь каждая матрица представляет собой фазу конвейера видовых преобразований.

В разделе 4.4 проводится разработка оконных классов. В результате иерархия классов выглядит так:

ВаяаШпскте - - ШгкЗда_ЗВ

В разделах 4.5 и 4.6 описана реализация операций трехмерного ввода класса Утс1ок_30. В результате получены два набора базисов пространственного перемещения трехмерного курсора в ваданной в пространстве плоскости перемещения:

п1(х1,0,{-'Л/С)х1), г2(0,у2.(-В/С)у2) И П1(х1,(-А/В)1с1,0), л2(0,0.22). Создание такой объектно-ориентированной системы взаимодействия с польайвателем окончательно позволяет сделать вывод об объектно-ориентированной природе системы геометрического моделирования. Теперь функцией оболочки сиотеыы (как и других

прикладных программ) становится управление объектах«?: пространственными телами и объекта«и-окнаыи. А все управление производится посредством встроенных в объекты операций.

Например, программа реалистической визуализации получае? на вход два объекта, один представляет пространственное тело, предназначенное для визуализации, а другой есть окно, в которое будет осуществляться вывод изображения. Таким образом, система становится объектно-управляемой, и все остальные необ-ходише компоненты разрабатываются по этому ж принципу.

Окончательный вывод данной главы: с реализацией объега-но-ориентированной системы пользовательского/взаммодействия система геометрического моделирования окончательно приобретав® объектно-ориентированную сухость.

зжезчешш

Приведем основные результаты диссертационной рабош:

1. Произведена четкая структуризация системы геометрического моделирования, после чего она представляется перечнем изолированных компонент.

2. Разработана объектно-ориентированная методология ре&таадш системы геометрического моделирования. На е? основе оказалось воэмолшкм произвести реализацию системы в полном объеме с интегрированием важнейлшх фаз проектирования пространственных изделий.

3. Спроектировано объектно-ориентированное ядро, пруде тгшляю-щее иерархически построенный перечень классов и интегрирующее несь проеку.

4. Разработан модуль граничной аппроксимацич конструктивной модели. Все случаи пересечений пространственных многогранных

- 16 -

объектов сведены к конечному числу классов пересечений.

5. Реализованная объектно-ориентированная система пользова- . тельского интерфейса изолирует прикладные программы, использующие графический диалог, от объектно-ориентированного ядра. Благодаря этому реализация графических программ значительно упрощается и выглядит как взаимодействие объектов "пространственное тело" с объектом "пространственное окно" посредством встроенных в них операций.

6. Все остальные компоненты системы являются по сути программами управления взаимодействием объектов. Таким образом, на самом верхнем уровне система сохраняет свою объектно-ориентированную сущность.

Основные положения диссертации изложены в следующих печатных работах:

1. Силин А. Я., Кубекин Э. Я , Щедрин С. М.

"Система машинной графики для задач автоматизированного 1 « проектирования радиоэлектронной аппаратуры". Междуведомственный тематический научный сборник "Автоматизация проектирования электронной аппаратуры". Таганрог: ТРТИ, 1985, вып. 4. -120с. стр.47.

2. Щедрин С. Ы.

"Система геометрического моделирования". Тезисы доклада на Всесоюзной конференции "Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации", г. Москва, 1988г. стр. 30.

3. Крейндлин А. И., Щедрин С. М.

"Интерактивная система геометрического моделирования для проектирования конструкций робототехнических систем". Тезисы доклада на I Всесоюзной научно-технической конференции "Прогнозирование создания гибких

• - 17 -

производственных скстеы и робототезпшческих комплексов в условиях интенсификации проиаводстоа". ; Г. Киев 1990г. стр. 44.

4. Крейндлин Л. Е , Щедрин С. И.

"Система проектирования и кошоновки объемных элеккнтоз конструкций РЭА".

Тевисы доклада на школе-семинаре шлодых ученых "Мапппшэд графика'и автоматизация проектирования в радиаэлектронщ:э". г.Чэлябинск 1990г. стр.61.

5, Щедрин С. и.

■ "Разрешение неустойчивых ситуаций в задаче классификации многогранников" В печати.