автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Управление качеством визуализации в САПР

ж На правах рукописи

*

Пузыня Сергей Валентинович

УДК 681.3.082

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В САПР

Специальность 05.13.11 - "Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Яшин А.М

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Александров А.М.

кандидат технических наук, доцент

Первицкий А.Ю.

Ведущая организация:

Институт высокопроизводительных вычислений и баз данных Министерства науки и технологий Российской Федерации

Защита диссертации состоится "28" декабря 1999 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета К063.38.07 Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета по адресу 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая д.29,9 учебный корпус, аудитория 441 .

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан "_" ноября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Попов С.С.

БЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Быстрое развитие новых информационных технологий, расширение их зможностей являются главными факторами все более широкого внедрения едств вычислительной техники в различные сферы научной и практической ятельности. Одним из наиболее динамично развивающихся направлений ляется компьютерный синтез изображений. Можно считать, что к настоящему >менту сформировалась новая отрасль информатики - машинная графика, как ука о математическом моделировании геометрических форм и облика объектов, также методах их визуализации.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) занимают ключительное место среди компьютерных приложений, в которых пользуются алгоритмы машинной графики - это промышленные технологии, посредственно направленные в сферу самых важных областей материального юизводства.

Появление в 80-е годы нового класса ЭВМ - персональных компьютеров и : стремительное развитие создает базу для существенного расширения области ¡именения САПР. Становится актуальным применение САПР на рабочем месте, лример, дизайнера, архитектора, планировщика. В таких случаях большое ачение придается наличию средств визуализации разрабатываемого проекта, с м, чтобы иметь возможность в динамике диалога с заказчиком просматривать зличные варианты проектных, композиционных, цветовых и других решений, цнако, в течение последних 15-20 лет сложность моделей постоянно росла и на годня сложилась ситуация, при которой возможности прогрессивных форм >ганизации проектирования (например, работа с большими сборками) ;азываются ограниченными и определяются возможностями современного афического оборудования и программного обеспечения интерактивной гзуализации.

В этой связи приобретает актуальность разработка таких алгоритмов [зуализации, в которых было бы предусмотрено гибкое управление процессом гзуализации (по времени выполнения, реальным размерам изображения, числу ¡пользуемых цветов палитры и т.д.) и, в конечном ■ итоге - качеством

изображения. Именно эта задача и ставится как основная научная пробле? диссертационной работы.

ЦЕЛЬ И ЗАДА ЧИ РАБОТЫ Основной целью диссертационной работы является разработка методолоп управления качеством визуализации - интегрального, сформулированного в в и, практических методов, методик и приемов, подхода к организации управления I основных этапах процесса графической обработки в САПР. В работе поставлены следующие задачи:

1. Выполнить анализ процесса графической обработки в САПР. Изучить сравнить возможности промышленных САПР по управлению синтеза изображений. Проверить возможность введения управляющих параметров модель процесса графической обработки.

2. Определить способ формализации прикладной графической модел позволяющий хранить в единой структуре как собственно данные ЗБ-модел так и информацию необходимую для организации управления.

3. Определить единый для всех алгоритмов визуализации набор управляющр параметров и механизмов управления, подлежащих включению в структур данных ЗБ-сцены.

4. Предложить методику настройки системы графической обработки с учето заданных управляющих параметров, включающую алгоритмы построения баз данных сцены, алгоритмы определения сложности сцены, алгоритм определения производительности графической системы, стратегию генераци и обработки графических данных.

5. Разработать архитектуру и основные алгоритмы пилотного варианта систем управления качеством визуализации для одной из базовых САПР.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Для решения поставленных задач в работе используются методы теори графов, теории алгоритмов, методы и средства объектно-ориентированног анализа и проектирования, методы разработки сложных систем, теория языке программирования, теория управления.

НА УЧНАЯ НОВИЗНА Научную новизну представляют следующие элементы предложенной 5Тодологии управления качеством визуализации:

модель графической обработки в САПР, основанная на использовании методов и средств графа сцены и универсального графического конвейера для управления процессом синтеза изображений;

единый для всех алгоритмов визуализации набор управляющих параметров и механизмов управления;

алгоритмы настройки графа сцены и оценки сложности сцены по графу; алгоритмы определения производительности, настройки и стратегии загрузки графического конвейера;

архитектура и пилотный вариант системы управления качеством визуализации;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ Практическая ценность работы заключается в разработке методологии фавления качеством визуализации, которая предоставляет набор средств и гтодов управления процессом графической обработки, повышает эффективность 1афической обработки и позволяет использовать синтезированное изображение [я оценки принятых проектных решений в режиме диалога с заказчиком.

Программная реализация пилотного варианта системы управления качеством [зуализации (общий объем - около 11500 строк исходного кода) выполнена юдствами объектно-ориентированной технологии языка Java и JMDL - его юширения для САПР среднего уровня Microstation/J, что обеспечивает »зможность переносимости разработанной системы, причём не только на яличные платформы в среде Microstation/J, но, при наличии необходимого ггерфейса к внутренним структурам данных, и в другие САПР.

Рекомендации по организации управления процессом синтеза изображений ,1еют практическое значение при разработке ориентированных на синтез юбражений надстроек для современных САПР.

АПРОБАЦИЯ

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ряде :ероссийских и международных научно-технических конференциях, в частности

"Пятьдесят лет развития кибернетики", "Фундаментальные исследования технических университетах", "Компьютерные технологии: геометрическо моделирование и виртуальная реальность", а также на семинарах кафедр! "Компьютерные интеллектуальные технологии в проектировании" СПбГТУ.

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, ; том числе 5 - без соавторов.

СТУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация содержит 103 страницы основного текста, 22 рисунка и It таблиц и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 6i наименований и 2 приложений с исходными текстами программ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Во введении показана актуальность работы, сформулирована научна* проблема, определена цель и область исследований работы, дан ряд ключевых определений в соответствии со стандартами ISO.

ПЕРВАЯ ГЛАВА

Первая глава является обзорной и посвящена выбору базовой САПР для создания пилотного варианта системы управления качеством визуализации.

Качество - совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. Свойства и характеристики изображения в САПР должны позволять решать конкретные задачи проектирования. Спектр таких задач определяется функциональностью выбранной САПР. Поэтому в начале главы приведены основные этапы эволюции САПР, выделены два класса -"тяжелых" и "легких" систем - как результат эволюции и представлено традиционное распределение функций между ними.

Далее проанализированы тенденции, связанные с распространением и ростом роизводительности решений для однопроцессорных платформ на базе Vindows^tel, рассмотрены связанные с этим изменения на рынке САПР и риведено новое распределение функций САПР с учетом систем среднего уровня, риентированных на платформу Windows/Intel. Для определения степени >ункциональности и перспектив систем нового класса рассмотрены основные онятия и положения САПР и сформулированы требования, предъявляемые к овременной технологии автоматизации проектирования.

Определены характеристики трех основных классов САПР - верхнего, реднего и нижнего уровней и отмечено, что системы среднего уровня позволяют ешать до 80% задач машиностроительного проектирования. Кроме того, задача правления качеством визуализации для систем верхнего уровня не всегда ктуальна. Поэтому выполнена оценка возможностей ряда САПР и определен бщий индекс соответствия их функциональности именно среднему уровню. 1оказано, что САПР среднего уровня Microstation/J наиболее полно соответствует ребованиям, предъявляемым к базовой системе при создании методологии правления качеством визуализации: как с точки зрения стандартизации [риложений и функций, так и с точки зрения поддержки современной концепции юдели объекта проектирования.

Раздел 1.2 посвящен анализу особенностей САПР Microstation/J с точки рения управления процессом графической обработки и с учетом следующих оображений:

. Создание эффективной методологии управления качеством визуализации предполагает стандартизацию процесса синтеза изображений в прикладных системах — общепризнанным стандартом здесь является OpenGL и его поддержка в базовой САПР критически необходима.

Для обеспечения мобильности и открытости для модификации приложений, использующих такую методологию, необходимо выбрать соответствующую технологию разработки. Java-технология подходит для этого в наибольшей степени.

1. Расширенная функциональность Microstation/J и наличие большого числа приложений в различных предметных областях позволяет максимально учесть особенности реального процесса проектирования и протестировать новую методологию на широком спектре прикладных задач.

В результате проведённого анализа Microstation/J выбрана в качестве базовой САПР при программной реализации алгоритмов методологии управления качеством синтеза изображений.

ВТОРАЯ ГЛАВА Вторая глава посвящена принципам формирования изображений. Цель главы - анализ стандартных средств и процессов графической обработки в современных САПР и выбор инструментария для создания методологии управления качеством визуализации. Необходимое условие создания такой методологии - формализация процессов графической обработки в САПР на базе существующих стандартов.

Исторически сложилось так, что почти все производители САПР разрабатывали свои системы от начала до конца, включая управление памятью, драйверы устройств, пользовательский интерфейс, интерпретаторы инструментальных языков. Тем не менее, уже в 1976 году начинаются работы по стандартизации средств и процессов графической обработки. С 1987 года деятельность по графическим стандартам возглавляет и координирует 24-й подкомитет первого объединенного технического комитета - ISO/IEC JTC1/SC24. В рамках данной работы имеют значение следующие понятия и стандарты:

1. Универсальный графический конвейер - графическая обработка в САПР основана на понятии конвейера: данные последовательно проходят этапы генерации (G), обхода (Т), преобразования (X), растеризации (R) и вывода (D), в результате чего формируется изображение. При этом отдельные операции конвейера могут выполняться как программно, так и аппаратно. Настройка графического конвейера на конкретную графическую систему позволяет правильно оценивать возможности этой системы и выдавать корректные управляющие воздействия.

2. Графический стандарт OpenGL - широко распространённая реализация этапов универсального графического конвейера; программный интерфейс для графических устройств, который включает в себя свыше 100 функций и процедур для создания геометрии сцены и проведения её визуализации. Интерфейс OpenGL отвечает только за визуализацию, поэтому в нем нет средств описания структур сложных объектов.

3. Граф сцены - способ формализации прикладной модели. Граф сцены

представляет собой ориентированный граф без циклов, узлы которого описывают прикладную модель, но не специфицируют при этом процесс построения изображения на основе этой модели. Использование средств управления прикладной моделью графа сцены позволяет эффективно определять оптимальный объём данных, которые действительно необходимо передать на следующие этапы графического конвейера в данном контексте визуализации.

Маршрут рендеринга - набор режимов рендеринга и их параметров, от которых зависят конкретный вид и качество полученного в результате рендеринга изображения сцены. Каждому маршруту соответствует своя последовательность графических операций, реализуемых либо программно, либо аппаратно. Производительность рендеринга на некотором маршруте зависит от того, насколько хорошо этот маршрут оптимизирован и аппаратно поддержан в текущей реализации графического конвейера.

Основой архитектуры большинства современных графических систем ляется концепция графического конвейера и систематика GTXRD. Граф сцены пользуется на этапах GT, а реализация OpenGL для конкретной платформы едставляет собой этапы XRD. Качество синтезированного изображения при ом зависит от маршрута рендеринга. В такой терминологии управление чеством - выбор (или изменение) такого маршрута рендеринга, который в 1ксималыюй степени удовлетворяет заданным критериям качества (например, емени синтеза). Методология управления качеством должна предоставлять :струментарий для преобразования предъявленных критериев качества в нкретные управляющие воздействия на процесс синтеза изображения и зволять получать набор изображений с различными уровнями качества. 'Шествующие системы интерактивного графического проектирования не имеют ких средств, а лишь предоставляют в распоряжение пользователя некий эстаточно широкий) набор алгоритмов визуализации различной сложности }ждый со своим набором параметров).

ТРЕТЬЯ ГЛАВА

В третьей главе описан предлагаемый подход к управлению качеством зуализации в САПР.

Процесс графической обработки представляет собой процедуру

преобразования данных прикладной трёхмерной модели в данные, пригодные выводу на двумерный экран монитора и отражающие особенности моделируемог объекта. Эффективность такого преобразования определяется как способо: представления данных, так и способом их обработки. На рисунке 1 представлен модель процесса графической обработки с учетом необходимости управлени процессом:

Рис. 1 Графическая обработка в САПР

С точки зрения процесса графической обработки имеют значение следующи параметры и воздействия:

• I (input) - входные параметры, значения которых известны, но возможност воздействия на них отсутствует.

• С (control) - вектор управляющих параметров на которые можно оказыват прямое воздействие в соответствии с выбором проектировщика ил] предъявленными критериями качества, что и позволяет управлять процессом.

• £ - возмущающие параметры, значения которых могут изменяться с течение? времени по заранее неизвестному закону.

• О (output) - выходные параметры, значения которых однозначно определяю синтезированное изображение.

Для управления качеством визуализации необходимо получить возможност: управления процессом синтеза изображения при помощи вектора управляющи: параметров С. Каждый параметр должен иметь имя, текстовое описание, единиц; измерения, диапазон изменения, тип, источник. Результатом управляющей воздействия будет определение конкретного набора параметров визуализации i их значений, т.е. выбор маршрута рендеринга.

Выбранный маршрут рендеринга реализуется на конвейере визуализаци] (этапы XRD), где происходит обработка определенного маршрутом объем; данных. На каждом этапе конвейера существуют свои возможности управлени: 8

процессом обработки данных, свой набор параметров. Выбор графа сцены в качестве структуры формализации прикладной модели позволяет получить доступ к этим параметрам в узлах (соответствующего типа) графа сцены. Основная задача при этом состоит в определении объема данных и способов их обработки, необходимых и достаточных для удовлетворения заданных критериев качества.

Таким образом, методология управления качеством визуализации должна включать:

1. Средства и методы управления - элементы графа сцены.

2. Алгоритмы оценки сложности сцены по графу.

3. Алгоритмы определения производительности графического конвейера.

4. Алгоритмы настройки графического конвейера.

5. Алгоритмы формирования маршрута рендеринга и загрузки конвейера.

Особое значение приобретает способ формализации данных прикладных моделей - граф сцены. Генерация графических данных происходит при обходе графа сцены. На следующие этапы должен поступить совершенно определенный набор данных. Для этого при построении графа сцены предлагается использовать средства и элементы, представленные в таблице 1.

СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ

Уровни детальности Введение в граф сцены нескольких вариантов геометрической информации

Отсечение Выделения некоторой части базы данных непосредственно на графе сцены

Пространственное упорядочение графа сцены Структуризация базы данных сцены

Триангуляция Выбор способа триангуляции геометрических примитивов высокой степени

Математическое описание примитивов Учет свойств поверхностей высокого порядка

Связанные примитивы Специальные способы организации геометрических данных

Метаданные о модели Поддержка ведения топологических данных ;

; СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ

)

! , ]Мультипроцессирование Параллельная обработка нескольких 5

; фрагментов базы данных сцены

|Контекст визуализации Изменение значений полей узлов графа |

Таблица 1. Элементы и средства управления графом сцены

Завершение процесса построения графа сцены - его настройка в соответствии с заданными значениями управляющих параметров, после чего можно переходить ко второму этапу конвейера - обходу графа сцены и порождению графических данных. Для оценки эффективности проведённой настройки и определения сложности полученного графа предложен следующий алгоритм:

1. Пусть имеется прикладная ЗО-модель М.

2. Исходя из модели М, проводим генерацию начального графа сцены С(М).

3. Задаём требуемую степень управляемости графом сцены К как отношение времени прохождения максимально возможного маршрута рендеринга к минимальному в заданном контексте визуализации.

4. Задаём максимальное количество итераций п при настройке графа сцены.'

5. Определяем сложность графа сцены - выполняем предварительный обход для оценки времени генерации графических данных - подготовки вершин и ассоциированных с ними значений для двух случаев:

• случая минимального маршрута Рт1п;

• случая максимального маршрута Ргаа1.

Вычислив отношение 1(Ртах) к 1(Рт)п), можно получить характеристику графа сцены - коэффициент управляемости графа к.

6. Если к удовлетворяет заданному К, то переходим к шагу 11.

7. Задаём вектор управляющих параметров С.

8. Выполняем преобразование г(С(М),С) - настройку графа сцены.

9. Определяем сложность получившегося графа (1(Ртя1) и 1(Ртш)) и вычисляем к.

10. В случае удовлетворения полученного значения к заданной степени управляемости К, завершаем предварительную обработку графа сцены и при необходимости переходим к построению изображения.

11. В противном случае (если есть возможность сделать ещё одну попытку

настройки, т.е. текущий шаг < п) изменяем вектор С и возвращаемся к шагу 8. !. Фиксируем значения t(Pmax), t(Pmin) и к в качестве результата настройки.

Результат работы на этапе обхода - набор вершин с их координатами и ;социированная с ними информация (нормаль, цвет, материал, текстура) ->ступает на этап преобразований для дальнейшей обработки. Для достижения 1тимальной производительности графических приложений и устранения "узких íct" необходимо выполнять настройку графического конвейера. В качестве жкладных данных можно использовать как наиболее типичные для данного сложения ЗБ-модели, так и граф сцены конкретной задачи. При эедварительной настройке будут выявлены те участки графического конвейера, >торые в данной реализации могут быть потенциально перегружены. Измерение :орости работы графического конвейера в процессе графической обработки ¡обходимо также для контроля прохождения данных (и возможного изменения фшрута рендеринга) и учёта вектора возмущающих параметров Поэтому шее в работе определяются характеристики производительности отдельных апов графического конвейера и предлагается следующая стратегия поиска зких мест" - перегруженных участков конвейера: Измеряем характеристики конвейера на максимально возможном маршруте рендеринга Ртах.

Выбираем этап - претендент на наличие "узкого места". Для проверки этапа (или операции) на предмет наличия "узкого места" изменяем маршрут таким образом, чтобы сократить объём вычислений на заданном этапе (например, упрощаем модель освещения для этапа X) -повышаем его производительность.

Проходим изменённый маршрут, измеряем характеристики конвейера. Если повышение производительности на этапе - претенденте на "узкое место", не привело к повышению производительности хотя бы одного из остальных этапов (операций), то это означает, что на выбранном этапе (операции) "узкое место" отсутствует. Формальным критерием при этом является отсутствие изменений в значениях времени простоя остальных этапов (операций). В противном случае "узкое место" обнаружено, нужно определять стратегию загрузки конвейера с учётом найденного "узкого места".

Для определения подэтапа или конкретной операции - причины "узкого ;ста" - используется аналогичный подход. В результате формируется набор

ограничений на вектор управляющих параметров, определяются необходим! изменения маршрута рендеринга и стратегия загрузки конвейера В зависимое от места возникновения проблемы возможны два варианта изменения маршрута:

1. "Узкое место" остаётся, но дополнительно загружаются данными остальш этапы и операции - качество изображения улучшается, время синтеза остаст прежним.

2. "Узкое место" разгружается и ускоряется весь процесс графичесю обработки, возможно с потерей качества.

Цель в обоих случаях одна - сбалансировать нагрузку на конвейер. Для это необходимо знать время простоя операций конвейера. Тогда на основан! скорости обработки данных на этапе (операции) определяется объём изменен! маршрута рендеринга. Сбалансированная загрузка графического конвейера мож< быть достигнута при условии, что время простоя этапа X, 1(хо) и время прост« этапа II, 1:(го) являются величинами одного порядка (идеальный случай - равны).

Ключевой момент методологии - необходимость использован! предварительной обработки для настройки графа сцены и графическо: конвейера. В результате использования такого подхода прикладная програм?« получает единый для всех алгоритмов набор управляющих параметров механизмов управления. Объём предстоящей работы известен заранее (за сч< предварительной обработки базы данных сцены), что позволяет оценить нагрузь на графический конвейер и определить набор ограничений, обеспечивают! эффективное использование ресурсов конвейера и исключающих простой этапе за счёт выполнения корректировки маршрута рендеринга с учётом возможносте конвейера.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с разработке приложений в среде М1сгоз1айопЛ и описывается пилотный вариант систем управления качеством визуализации на базе САПР среднего уровня Мюгозгайоп/ Объектный характер графа сцены определяет и методы проектировани прикладной графической системы. Это должны быть методы и средства объектне ориентированного анализа и проектирования. Исходя из этого, определяютс принципы организации, необходимые компоненты системы управлени качеством визуализации и их характеристики:

1. API графа ciieitbi ~ средства взаимодействия прикладной программы с графом. Эти функции должны быть реализованы в виде коллекции независимых и взаимодополняющих модулей в форме методов API. С точки зрения графического программирования можно выделить три уровня (рис. 2).

Рис. 2 Архитектура средств графической обработки

2. Создание базы данных сцены. При работе в Microstation/J формируется файл проекта в формате 'с1§п'. Для преобразования информации из файла проекта собственно в узлы графа сцены отдельный программный модуль должен "прослушивать" текущий сеанс работы и немедленно отображать изменения, в структуре графа сцены.

3. Двухуровневая организация приложения. Любое графическое приложение, использующее разработанную методологию должно состоять из двух частей: подготовительной и интерактивной. Первая после загрузки модели может выполнить ряд необходимых действий по настройке графа сцены с учётом контекста визуализации. Преобразованный граф сцены передаётся интерактивной части приложения, которая выполняется циклически при рендеринге каждого кадра.

4. Организация конвейерной обработки. Специальный управляющий модуль -диспетчер - должен контролировать процесс прохождения данных по этапам конвейера и обеспечивать:

• определение момента появления новых данных на выходе этапа;

• реализацию системы семафоров для определения текущего состояния модулей-обработчиков данных на этапах;

• буферизацию данных при их передаче с одного этапа на другой;

• возможность блокирования одного или нескольких этапов;

• измерение характеристик производительности конвейера. Общая структурная схема системы управления качеством визуализации представлена на рисунке 3.

Для разработки системы управления качеством визуализации был выбран язык JMDL - стандартный инструмент Microstation/J и API графа сцены Java 3D в качестве расширения. Расширение системы предполагает развитие средств управления системой, средств оценки качества синтезированного изображения и некоторых сервисных функции (например, визуальный редактор графа сцены). Для сравнения производительности обычных приложений Microstation/J и

риложений, использующих систему управления качеством визуализации, редлагается следующий подход. Любой маршрут рендеринга однозначно тределяется значениями параметров контекста визуализации. При пользовании системы управления качеством можно получить следующие фактеристики процесса графической обработки: параметры маршрута рендеринга; общее время построения изображения;

характеристики производительности отдельных этапов конвейера; время простоя этапов конвейера.

Базовые средства Microstation/J не предоставляют такого спектра >зможностей по управлению процессом графической обработки, как система фавления качеством визуализации, поэтому необходимо выполнить зоецирование контекста визуализации системы управления качеством на штекст визуализации базовой графической системы, сформировать маршрут здеринга средствами базовой системы, провести визуализацию прикладной эдели и определить единственный параметр - общее время построения юбражения.

Для объективной оценки производительности графической системы на данном маршруте рендеринга используются стандартные тесты, признанные дущими разработчиками. В области машинной графики роль такого стандарта шолняет набор тестов Viewperf, который измеряет характеристики процесса 3D-афической обработки в системах использующих стандарт OpenGL. Viewperf растеризует эталонную производительность текущей реализации графического »нвейера количеством сгенерированных кадров в секунду. После приведения меренных характеристик графического конвейера также к количеству кадров в кунду, коэффициенты продуктивности использования ресурсов вычисляются по эрмулам:

Производительность MS/J на маршрута Р без учёта средств управления Prodl= Оценка ViewPerf для маршрута Р '

Производительность M3/J на маршруте Р с учётом средств управления

Prod2- Оценка ViewPerf для маршрута Р '

Значения коэффициентов продуктивности могут быть как меньше единицы так и больше. Если оба коэффициента больше единицы, то это означает, чтс базовая графическая система уже использует алгоритмическую оптимизации графической обработки. Методология управления качеством визуализации позволяет получать набор маршрутов рендеринга, включающих заданны! маршрут Р с дополнительными настройками. За счёт определения действительнс необходимого набора данных для рендеринга получается увеличенш производительности или улучшение качества изображения при той ж< производительности. В любом случае выполняется условие Prod2 > Prodi, чтс подтверждается результатами тестирования программной реализации методологии управления качеством визуализации в Microstation/J - в зависимост! от сложности графа сцены и маршрута рендеринга разница между Prodi и Prodi составляет от 0 до 300-400 процентов. Однако, даже при Prodi =Prodi методология гарантирует улучшение качества изображения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заключение содержит перечень основных научных результатов, полученные при выполнении диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основной результат диссертационной работы состоит в том, что разработана обоснована и программно реализована методология управления качествол синтеза изображений в САПР. Использование методологии позволяет повысит! продуктивность использования ресурсов вычислительной системы за счет введения управляющих параметров и настройки графической системы.

Можно выделить следующие научные и практические результаты полученные в работе:

1. Сформулированы и обоснованы требования к стандартизации процессг графической обработки в современных САПР.

2. Выполнен анализ стандартных средств и процессов графической обработки i

современных САПР и теоретическое обоснование предложенных в работе методов управления качеством визуализации:

• определены особенности процесса формализации прикладной модели;

• исследованы свойства иерархических структур представления данных;

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

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

1. Предложена методология управления качеством визуализации в САПР:

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

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

• определен единый для всех алгоритмов визуализации набор управляющих параметров и механизмов управления;

• предложены алгоритмы настройки и оценки сложности графа;

• определены характеристики производительности графического конвейера;

• предложены алгоритмы определения производительности, настройки и стратегии загрузки графического конвейера;

• предложен алгоритм поиска "узких мест" графического конвейера.

. Разработана архитектура системы управления качеством визуализации. . Средствами базовой САПР и специального АР1 выполнена программная

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

Выполнено тестирование графической производительности базовой САПР и программной реализации методологии управления качеством синтеза изображений.

Подтверждены на основе анализа результатов выполненного тестирования работоспособность и эффективность предложенных методов и средств

управления качеством визуализации в САПР.

П У БЛИК А ЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ РАБ О ТЫ

1. Пеллинец JÏ.B., Пузыня C.B., Управление процессом синтеза фотореалистических изображений в алгоритмах трассировки лучей // Сб. научных статей ФТК.- СПб.: СПбГТУ, 1998.- с. 34-40.

2. Пузыня C.B., Повышение производительности универсального графического конвейера на этапах генерации и обхода прикладной модели // Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы III Всероссийской научно-технической конференции- СПб.: СПбГТУ, 1999.- с. 48-49.

3. Пузыня C.B., Использование средств визуализации современных систем интерактивного графического проектирования для оценки качества проектных решений в режиме диалога с заказчиком // Международная научно-практическая конференция "Компьютерные технологии: геометрическое моделирование и виртуальная реальность": Тезисы докладов- Таганрог.: ТГРТУ, 1999.- с. 54-59.

4. Пузыня C.B., Управление качеством визуализации в САПР // Международная научно-техническая конференция "Пятьдесят лет развития кибернетики": Труды конференции-СПб.: "Нестор", 1999.-е. 154-155.

5. Пузыня C.B., Образование в машинной графике: новые стандарты // Всероссийская научно-практическая конференция "Информационные технологии в образовании": Тезисы докладов - М.: МИФИ, 1999 - с. 32-35.

6. Пузыня C.B., Java-технологии в САПР // II Всероссийская научно-методическая конференция "Интернет и современное общество": Труды конференции-СПб.: СПбГУ, 1999.-е. 79-81.

Введение.

Глава 1. Базовые системы интерактивного графического проектирования.

1.1 Классификация САПР.

1.2 САПР среднего уровня Microstation/J.

Глава 2. Формирование изображений в САПР.

2.1 Универсальный графический конвейер.

Маршруты рендеринга.

2.2 Графический стандарт OpenGL.

Этап преобразований.

Этап растеризации.

Этап вывода.

2.3 Формализация прикладной графической модели. Граф сцены.

Типы узлов графа сцены.

Обход графа сцены.

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. I. Машинная графика, как отрасль информатики

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

• определены особенности процесса формализации прикладной модели в САПР;

• исследованы свойства иерархических структур представления данных;

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

• сформулированы особенности отдельных этапов графической обработки;

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

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

4. Предложена методология управления качеством визуализации в САПР:

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

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

• определен перечень управляющих процессом синтеза изображения параметров;

• предложен алгоритм настройки графа сцены;

• предложен алгоритм оценки сложности графа сцены;

• определены показатели производительности текущей реализации графического конвейера;

• предложен алгоритм поиска "узких мест" графического конвейера;

• предложен алгоритм настройки графического конвейера и сформулирован критерий настройки;

• предложены возможные стратегии загрузки графического конвейера данными.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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