автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка новых методов повышеения реалистичности изображений проектируемых объектов в машиностроительных САПР

РГ6 од

В ДЕК 1996

На правах рукописи

Саблин Константин Петрович

"Разработка новых методов повышения реалистичности изображений проектируемых объектов в машиностроительных САПР".

Специальность 05.13.12. - Системы автоматизированного проектирования в машиностроении.

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Москва 1996 г.

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете "Станкин"

Научный руководитель: - член-корреспондент РАН,

Соломенцев Ю.М.

Научный консультант: - кандидат физико-математических наук, доцент Судзиловский В.Ю.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Горшков А.Ф.

Ведущее предприятие: - АО "Станкоагрегат"

Защита состоится декабря 1996 года в 10 час на заседании Диссертационного Совета Д 063.42.02 при МГТУ "СТАНКИН" по адресу 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ"Станкин"

Автореферат разослан "«?/" ноября 1996 года.

- кандидат технических наук, Серебряков А.Ю.

Ученый секретарь Диссертационного совета к. т. н., доцент

Волкова Г. Д.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. В связи с интенсивным развитием технологического уровня производства всё большую долю а стоимости изделия занимают затраты на его проектирование. Вот почему в настоящее время особенно актуальной является проблема повышения производительности инженерного труда при выполнении работ по созданию конструкторской документации.

Для решения этой проблемы в современных САПР большая роль отводится геометрическим представлениям и описаниям математических моделей объектов проектирования, начиная от выработки основной концепции проекта и кончая созданием рабочей документации. Из всего многообразия геометрических задач, решаемых средствами геометрического моделирования, можно выделить такие классы задач как, формирование и описание геометрических структур различной сложности, и отражение на различных этапах проектирования входной, выходной и промежуточной информации.

Разработка эффективных алгоритмов решения геометрических задач является на данном этапе одной из важнейших задач специалистов в области САПР, прикладной геометрии и инженерной графики. При их разработке основное внимание следует уделять таким требованиям как: сочетание универсальности с простотой реализации, вплоть до создания разветвленное™ решения, базирующегося на основе единого информационного задания и общего

алгоритмического модуля; устойчивость алгоритмов на всём классе предусматриваемых объектов; минимальный объём требуемой оперативной и дисковой памяти компьютера; максимальная скорость работы алгоритмов.

Разработка машинно-ориентированных методов решения геометрических задач в настоящее время мыслится как синтез методов аналитической и дифференциальной геометрии, машинного моделирования, графических методов аппроксимации, интерполирования и оптимизации, различных итерационных методов и др.

Важной проблемой в задаче отображения на различных этапах проектирования входной, выходной и промежуточной информации является возможность получения и преобразования трёхмерных реалистичных изображений на экране компьютера в режиме графического диалога пользователя с компьютером. При решении такой задачи повышаются требования к гибкости математических моделей, появляется необходимость в разработке новых алгоритмов, позволяющих получать пространственные изображения объектов и манипулировать с ними в интерактивном режиме. Настоящая работа является попыткой создания таких алгоритмов.

Цель работы: Повышение эффективности процесса проектирования изделия в машиностроительных САПР при помощи использования реалистичных изображений.

Основные задачи, которые решаются в данной работе, заключаются в следующем:

• исследование различных алгоритмов получения реалистичных изображений для определения эффективности их функционирования в машиностроительных САПР;

• разработка алгоритмов и создание на их основе комплекса программных средств, позволяющих выводить на "экран реалистичные изображения деталей и узлов машиностроения;

• разработка алгоритмов получения изображений машиностроительных деталей в виде сечений и разрезов произвольного вида;

Научную новизну работы составляют:

• модель для алгоритмов визуализации и алгоритмов сечений и разрезов, включающая многогранники произвольной формы.

• алгоритм получения реалистичных изображений для разработанной модели.

• методы обработки и хранения полученного реалистичного изображения.

• методы задания и получения параметрических ступенчатых разрезов для изображений машиностроительных изделий.

Практическая ценность. На основе разработанных алгоритмов создано программное обеспечение, функционирующее на персональных компьютерах типа IBM. Это программное обеспечение вошло в систему параметрического моделирования T-FLEX CAD 3D, и в

составе этой системы используется на многих предприятиях как в нашей стране, так и за рубежом.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и были одобрены на кафедре АСПУ МГТУ "СТАНКИН" в течение 1993-1996 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 печатных работы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 1.. страниц, включая 60 рисунков, список литературы из 52 наименований и приложений в конце работы.

Основное содержание работы.

Во введении показано, что в направлении повышения реалистичности компьютерных изображений работали многие специалисты по компьютерной графике, такие как Гуро, Фонг, Сазерленд и др., и создали алгоритмы позволяющие получать трёхмерные изображения пространственных объектов. Однако эта область исследований не исчерпана, так как изменяется уровень возможностей современных компьютеров, и расширяются области их применения. Поэтому в данной работе поставлена задача разработать новые методы повышения реалистичности изображений, ориентированные на такую область применения, как машиностроительные САПР.

В первой главе "Способы представления пространственных объектов и методы их обработки" приведен анализ способов представления объектов и

ЗЛГОрКТМОБ рабоТаЮЩИХ С ЭТИМИ обЪсКТамй. РаССмОТрсКЫ ИХ

основные достоинства и недостатки при функционировании в машиностроительных САПР.

Здесь показано, что почти все алгоритмы получения реалистичных изображений сейчас используют в своей работе геометрические модели, состоящие из выпуклых многоугольников, причем большинство из них работают только с треугольниками. Это связано с тем, что для таких примитивов можно найти простые методы решения задач, возникающих при разработке алгоритмов. Из-за простоты решения увеличивается и быстродействие. Кроме того, с помощью такого представления можно легко описать любую объектную сцену.

Такое представление трудно улучшить вообще для всех областей применения. Однако при разработке геометрических моделей в конкретной области применения необходимо учитывать наиболее часто встречающиеся здесь формы объектов. Так в машиностроении почти в каждой детали существует плоская поверхность, которую можно описать одной плоскостью, содержащей в себе список замкнутых контуров. Очевидно, что, имея в модели такие плоскости, требуется создание специальных методов их обработки. Также очевидно, что разбивать такие плоскости на выпуклые многоугольники малоэффективно. Поэтому в данной работе представлены методы получения

реалистичных изображений, которые позволяют содержать в модели невыпуклые плоскости с неограниченным количеством контуров. Для них разработана специальная структура хранения, которая содержит список всех отрезков такой плоскости. Все разработанные функции работают со списком отрезков, и поэтому нет необходимости создавать особые структуры хранения для каждого контура плоскости. Таким образом, невыпуклость и вложенность естественным образом будут заложены во все основные процедуры.

Обычно криволинейные поверхности представляются в виде сеток точек. Если предположить, что четыре точки в каждой клетке этой сетки лежат в одной плоскости, то криволинейную поверхность будет очень легко описать с помощью таких плоскостей. При правильном разбиении погрешности в этом случае будут незаметны наблюдателю. Такое представление требует в два раза меньше плоскостей, чем в случае представления криволинейной поверхности в виде треугольников.

Конечно, при этом возникают некоторые проблемы (например, при разрезании четырехугольных плоскостей должны всегда получатся только новые четырехугольные плоскости), которые решаются в этой работе. Для таких примитивов разработан свой метод закраски, учитывающий свойства исходной криволинейной поверхности.

Таким образом, при помощи двух типов многоугольников описывается любой пространственный геометрический объект (рис. 1).

Это дает преимущества в размере всей геометрической модели и в более узкой специализации функций, обрабатывающих только эти типы. С другой стороны возможности языка программирования С++ позволяют легко манипулировать с разнотипными объектами одного плана, и поэтому такое разделение не вносит лишних проблем в программную реализацию алгоритмов.

Точка А координаты 3D координаты 2D вектор

x3,y3,z3 х2,у2 а,Ь,с

Ре 1ППА точки грани виртуальное / реальное

/ JU р1,р2 Щ2 flag

Грань

вектор

а,Ь,с

maxx,maxy,mmx,miny

четырёхугольник

11,12,13,14

сложный контур

список <11.....1п>

Рис. 1. Схема разработанной геометрической модели.

Во второй главе "Алгоритм получения реалистичных изображений" рассмотрен разработанный алгоритм получения реалистичных изображений. При разработке этого алгоритма были учтены такие требования, как, возможность получения изображения в интерактивном режиме, возможность масштабировать изображения и уметь выбирать по нему какие-либо объекты, небольшой объём памяти, требующейся для хранения изображения и др. Все эти требования особенно актуальны для машиностроительных САПР.

Исходными данными для алгоритмов получения реалистичных изображений являются: геометрическая модель, точка взгляда на геометрическую модель и различные параметры (например, координаты окна вывода или метод сглаживания цвета и т. д.)(рис. 2.).

Сначала в зависимости от точки взгляда производятся аффинные преобразования, в результате которых мы получаем проекцию модели на картинную плоскость. Следующей операцией является формирование списка только видимых плоскостей. Затем производится расчёт прямоугольных оболочек по проекции каждого примитива. После этого осуществляется поиск и уничтожение взаимных перекрытий двух плоскостей. Эти четыре операции являются предварительными к основной операции по установлению зависимостей между плоскостями. Они вместе взятые занимают около 2% процессорного времени.

Основная часть алгоритма - это получение графа приоритетов. Здесь определяются все плоскости, которые

закрывает данная плоскость. В дальнейшем по этому графу можно будет определить, в какой момент времени можно прорисовать данную плоскость. Очевидно, что это произойдет после того, как будут прорисованы все плоскости, закрываемые данной плоскостью.

Рис. 2. Схема получения реалистичных изображений.

Следующим шагом является уничтожение замкнутых приоритетных циклов в графе приоритетов, которые возникают при таком расположении плоскостей, что не одну из них невозможно прорисовать.

Потом, также по графу приоритетов, можно проверить все плоскости на полное закрывание и полностью закрытые не прорисовывать.

Последним шагом для получения реалистичного изображения является создание специальной структуры хранения изображения.

В геометрической модели, как было описано выше, применяются два типа плоскостей: "четырёхугольник" и "сложный контур". "Сложный контур" не является плоскостью, полученной аппроксимацией криволинейной поверхности, поэтому сглаживать интенсивности приходится только у "четырёхугольников", имеющих хотя бы одно виртуальное ребро. Каждая такая плоскость подразбивается на более маленькие четырёхугольники и интенсивности считаются уже для них (рис. 3.)

рис. 3. Сглаживание интенсивности света по разбитым четырёхугольникам.

по методике аналогичной методу Гуро для каждого пикселя.

Поскольку новых четырёхугольников при правильном разбиении будет получено гораздо меньше, чем пикселей внутри "четырёхугольника", то процессорного времени на их расчёт будет затрачено во столько же раз меньше. Прорисовка таким способом также будет быстрее. При этом качеством изображения можно легко управлять, изменяя шаг разбиения. Очевидно, что, зная разрешение экрана и размер "четырёхугольника" можно подобрать такой шаг, при котором качество изображения будет не хуже, чем. при расчёте интенсивности в каждой точке. Это связано с тем, что человеческий глаз воспринимает изображение целиком, а не по одному пикселю, и в какой-то момент, он не сможет различить перехода цвета от одного четырёхугольника к другому, что и требуется для создания полной иллюзии изображения криволинейной поверхности. Кроме того, если конструктору важна скорость прорисовки больше, чем качество изображения он может вручную задать большой шаг разбиения у уже готового изображения.

В реальности ни у одной поверхности не существует абсолютно острых углов. Между двумя соседними плоскостями всегда существует переход, который можно описать некоторой функцией. Если предположить, что эта функция есть уравнение плоскости, то можно легко использовать это свойство при получении реалистичных изображений. Для этого сначала надо рассчитать интенсивность света в такой воображаемой плоскости. После этого можно предположить, что эта плоскость проецируется

в линию и прорисовать это ребро с найденной

интенсивностью света. Прорисовывать ребро нужно сразу

после прорисовки текущей плоскости, не нарушая

приоритетов плоскостей. При этом учитываются только

реальные рёбра. Таким образом, практически без затрат

процессорного времени повышается реалистичность

изображения (рис. 4.)

U этих плоскостей одинаковая, интенсивность света

Аополнительные ребра (фаски) рис. 4. Использование дополнительных рёбер на реалистичном изображении.

Этот метод очень полезен ещё и потому, что при прорисовке параллельных плоскостей у них устанавливается одинаковая интенсивность, и если они наслаиваются друг на друга, то между ними нет никакой границы, и проекции граней сливаются друг с другом. При прорисовке же

дополнительных рёбер между параллельными плоскостями существует хорошо видимая граница.

Для хранения полученных реалистичных изображений сейчас в основном используется только один способ - это растровый формат, в котором хранится рассчитанный цвет для каждого пикселя экрана. Такое представление достаточно точно описывает картинку, но не имеет возможности к дальнейшему использованию: нельзя масштабировать изображение без большой потери в реалистичности и нет обратной связи к геометрической модели, и поэтому нельзя выбирать объекты на реалистичном изображении. Не случайно почти во всех системах геометрического моделирования выбор объектов производится при помощи изображения модели в виде проволочного каркаса. Именно поэтому в данной работе разработан специальный формат для хранения реалистичных изображений, который лишен этих недостатков и гораздо более компактен, что очень важно при использовании в машиностроительных САПР.

В третьей главе "Получение реалистичных изображений со ступенчатыми разрезами" описана методика получения параметрических сечений и разрезов.

Почти на всех машиностроительных чертежах используются изображения конструкторских изделий в виде сечений и разрезов. Поэтому актуальной является задача получения реалистичных изображений, использующих сечения и разрезы. Наиболее перспективными в САПР

являются параметрические системы и поэтому сечения также должны быть параметрическими, т. е. с изменением параметров чертежа они также должны изменяться в соответствии с измененными параметрами. В данной работе найдены новые способы по увеличению быстродействия таких алгоритмов, основанные на связности геометрических примитивов в модели и на свойствах зрительного восприятия человека. Именно благодаря тому, что нам требуется создать лишь изображение ступенчатого разреза, а не делать классическую булеву операцию вычитания на модели, мы можем себе позволить различные допущения, упрощающие и ускоряющие алгоритмы.

Проблема параметризации здесь решена на основе плоской параметризации T-FLEX CAD. Для задания любого ступенчатого разреза конструктору достаточно указать точки, в которых будет начало, конец и перегибы разреза на любой проекции изделия. Такое задание практически не отличается от обозначения разреза на конструкторском чертеже. В указанных точках будут построены специальные узлы, полностью обеспечивающие параметризацию разреза. Основная задача после этого - это правильно построить контур, при "движении" которого на заданную величину можно получить виртуальный объект ступенчатого разреза (ВОСР), при вычитании которого из геометрической модели получится новая геометрическая модель

машиностроительного изделия со ступенчатым разрезом.

В предлагаемой работе эта задача решается следующим образом: (рис. 5.)

На этом рисунке точки А,В,С,Б - узлы, заданные пользователем. Точки Е,Р,0,Н,К - опорные точки, найденные в результате геометрических построений на плоскости вида ступенчатого разреза. О - центр проекции сферы, описанной вокруг трёхмерной геометрической модели конструкторского изделия. Опорные точки для контура ВОСР всегда определяются в результате следующих действий:

1.По методике, описанной в работе, находится центр и радиус описанной вокруг трехмерной геометрической модели сферы. Эта сфера проецируется на вид ступенчатого разреза и таким образом получается окружность, описывающая геометрическую модель на этом виде.

2.Из точки В в точку А проводим луч и находим его точку пересечения (К) с построенной окружностью. Для этого решаем систему из двух уравнений:

Х-ХА/ХВ-X А=У-УА/УВ - УА (1) (Х-ХО)2+(У-УО)2=К2 (2) Уравнение (1) - уравнение прямой АВ, заданное в параметрической форме. (ХА,УА) - координаты точки А, (УА,УВ) - координаты точки В. Уравнение (2) - уравнение окружности. (ХО,УО) - координаты центра окружности, К -радиус. У этой системы два решения. Выбираем то из них, которое ближе по расстоянию к точке А, чем к точке В. Таким образом, мы получим координаты точки К. Это будет первая вычисленная опорная точка.

3.По описанной выше методике находим точку Е. Она будет являться пересечением луча СБ с окружностью. Это будет вторая опорная точка.

4.Соединим точки КЕ прямой. Третья и четвертые опорные точки Н и Б будут лежать на этой прямой и отстоять от первых двух точек на расстоянии равном диаметру окружности. Найти их можно при помощи функции нахождения точек пересечения прямой и окружности, описанной выше, считая, что у окружности центр находится в точке К, а радиус равен диаметру окружности, описанной вокруг проекции геометрической модели.

5.Строим прямые, касательные к окружности и проходящие через точки Н и Б. Для этого из прямоугольника 0>Ш определяем расстояние (ОМ]

|ONp= |0H|2 - R2 Решаем систему из двух уравнений:

(XG-X) 2 + (YG-Y) 2 = |0N|2 (3) (Х-ХО) 2 + (Y-Y0) 2 -= R2 (2) где уравнение (3) - расстояние между точками N и G, (XG,YG) - координаты точки G. Уравнение (2) - уравнение окружности. Точка Т находится аналогично. Последняя опорная точка - точка пересечения прямых NH и TF.

По такой схеме можно получить ВОСР и после этого, используя свойства описанной геометрической модели, можно быстро и эффективно произвести вычитание ВОСР из геометрической модели, и получить изображение машиностроительного изделия со ступенчатым разрезом (рис. 6).

ступенчатым разрезом.

Общие выводы.

1.В результате выполненных экспериментальных и теоретических исследований разработаны методы получения реалистичных изображений конструкторских изделий с параметрическими ступенчатыми разрезами в машиностроительных САПР. Для этого разработана новая трёхмерная геометрическая модель, содержащая в себе два типа многоугольников: выпуклый четырехугольник и невыпуклый многоугольник с неограниченным количеством контуров, вложенных друг в друга. Рассмотрен набор основных, существующих алгоритмов и из них выбран определенный набор методов, позволяющих наиболее эффективно работать с такой моделью в машиностроительных САПР.

2.При использовании разработанных алгоритмов при проектировании машиностроительных изделий увеличивается производительность работы конструктора за счёт увеличения скорости восприятия формы и структуры изделия, улучшается качество изделия (лучший дизайн) и уменьшается стоимость проектирования за счет уменьшения стоимости рабочего места проектировщика.

3.Все разработанные алгоритмы могут работать с невыпуклыми многоугольниками и, так как в машиностроении практически в любой детали встречаются поверхности, которые можно описать такими

многоугольниками, эти алгоритмы будут более эффективны, чем существующие, которые работают только с выпуклыми многоугольниками, так как они не требуют дополнительных

Г\п "ïfÏTIPtTTlîr

4.Разработан набор методов, позволяющих задавать параметрические ступенчатые разрезы и получать с ними реалистичные изображения конструкторских изделий.

5.Разработан специальный формат метафайла, который позволяет настраивать параметры прорисовки изображения на установленный видеорежим монитора, масштабировать и передвигать изображение без его пересчёта, хранить изображение в более компактной форме, чем при хранении в обычном растровом формате.

6. На основе разработанных алгоритмов создано программное обеспечение, которое вошло в систему параметрического моделирования и черчения T-FLEX CAD 3D, и в составе этой системы используется на многих предприятиях как в нашей стране, так и за рубежом.

По теме диссертации сделаны следующие работы:

1.Кондрашин Ю.А., Саблин К.П. Методы визуализации объёмных моделей для САПР машиностроения // Проблемы машиностроения и автоматизации, 1996, N1-2.

2.Саблин К.П., Кондрашин Ю.А. Получение

машиностроительных САПР. // Проблемы машиностроения и автоматизации, 1996, N5-6.

З.Кондрашин Ю. А., Саблин К.П., Судзиловский В.Ю. Использование свойств связности изображения в алгоритмах удаления невидимых поверхностей. // Информационные технологии (в печати).

4.Кураксин С.А., Козлов С.Ю., Бикулов С.А., Ефремов А.Н., Баранов JI.B., Ксенофонтов Д.К., Иванов В.А., Саблин К.П., Кондрашин Ю.А, Ильин А.В., Ахмед Ахья М.М., Алтухов В.В., Софронова Ю.В., Конева C.B. Свидетельсво о регистрации программы для ПЭВМ "Система автоматизированного проектирования и черчения

(T-FLEX CAD) // №950128 заявка 950069, дата регистрации 10.04.95

ступенчатых

параметрических

разрезов

в

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саблин Константин Петрович

Разработка новых методов повышения реалистичности изображений проектируемых объектов в машиностроительных САПР

Подписано в печать 19.11.96 Формат 60x84/16

Бумага ZOOM 80 гр/м Гарнитура

Объем уч.-изд. л. - 1.4 Тираж 100 жз

Заказ 126

Издание отпечатано в издательстве "Станкин". Лицензия на полиграфическую деятельность: ПДЦ № 53-227 от 09.02.96г.