Черепашков А.А., Носов Н.В. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машиностроении

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

4.7. Прикладное программное обеспечение

геометрического моделирования

Роль графических моделей настолько велика, что на обыден-

ном уровне многие пользователи смешивают геометрическое мо-

делирование с понятием автоматизированное проектирование,

а подсистемы геометрического моделирования олицетворяются

с системами автоматизированного проектирования в целом.

Конечно, роль и задачи САПР значительно шире и мы их

рассмотрим в последующих главах, но действительно, без гео-

метрического моделирования современная промышленная ав-

томатизация просто немыслима. Подсистемы геометрического

моделирования и компьютерной графики признано являются

222

Прикладное программное обеспечение геометрического моделирования

одной из самых универсальных компонент программного обе-

спечения машиностроительных САПР, а создаваемые при их

помоши геометрические модели используются в большинстве

проблемно-ориентированных подсистем и составляют основу

комплексных моделей изделий, формируемых на протяжении

всего жизненного цикла технических объектов.

Создание полноценной геометрической системы, удовлет-

воряющей требованиям машиностроительного проектирования

и производства, - весьма непростая задача, которая под силу

только профессиональным коллективам программистов и ма-

тематиков, многие годы специализирующимся на проблемах

геометрического моделирования. Естественный отбор на рынке

программного обеспечения и глубина специализации таковы,

что к началу нынешнего века осталось только считанное коли-

чество результативно функционирующих групп профессиональ-

ных разработчиков «ядер» геометрических систем.

Ядром геометрического моделирования принято называть ба-

зовое программное обеспечение, предназначенное для компью-

терной реализации математического аппарата геометрического

моделирования. Геометрическое ядро должно содержать полный

набор подпрограмм, описывающих геометрические примитивы

и производящих все геометрические преобразования и расчеты

с ними. Ядро реализует операции по созданию и модификации

трехмерных форм, включает модули для триангуляции сложной

поверхности, удаления невидимых линий и рендеринга, а также

поддерживают чтение и запись геометрических файлов популяр-

ных форматов [132].

В ядро, как правило, не входят проектные процедуры и интер-

фейсные функции, предназначенные для организации сценария

интерактивной работы пользователя САПР. Это удел приклад-

ных программистов-разработчиков САПР. Такое разделение

труда в программистском мире привело к тому, что реализаций

программного обеспечения САПР в настоящее время гораздо

больше, чем насчитывается эффективных ядер геометрического

моделирования, т.е. на базе одного и того же ядра (одних и тех же

базовых программ) функционируют различные, часто конкури-

рующие между собой автоматизированные системы проектиро-

вания. Это нисколько не ущемляет права фирм-разработчиков

223

ционный вид с разрезом. Такой полуфабрикат может существен-

но снизить трудоемкость создания сборочного чертежа. Осталось

только нанести необходимые размеры и обозначения.

На рисунке 4.6.1в, г приведены геометрическая модель детали

и автоматически полученная аксонометрическая проекция. Гра-

фическое изображение аксонометрии легко может быть добав-

лено в эксплуатационную документацию или в технологический

эскиз, что существенно облегчает чтение чертежей, карт, схем.

Наличие такой наглядной иллюстрации в технических докумен-

тах заметно сокращает число производственных ошибок.

Использование объемной модели позволяет автоматизиро-

вать формирование на чертеже сечений, местных разрезов, вы-

носных видов (см. рисунок 4.6.1д, е).

В лучших САПР при проецировании создаются ассоциатив-

ные параметрические связи, которые могут автоматически под-

держивать соответствие изменений объемной модели и связан-

ных с ней видов.

Использование ассоциативных связей 3D и 2D-моделей по-

зволяет не только значительно ускорить разработку проектно-

конструкторской документации, повысить качество ее исполне-

ния, но и сократить число возможных ошибок при построении

чертежей и нанесении размеров.

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

224

7. Прикладное программное обеспечение геометрического моделирования

225

САПР, которые используют одинаковые лицензионные ядра

Ядро - это важная, но относительно небольшая часть программ-

ного кода, и программные системы разных производителей су-

щественно различаются по своим возможностям, определяемым

составом и содержанием многочисленных модулей и подсистем

интерфейсу и приемам реализации проектных процедур.

Так же, как и знание математических основ геометрическо-

го моделирования, понимание того, как работает программное

ядро и в чем состоят различия в реализациях и вариантах ядер,

необходимо успешному инженеру-пользователю САПР. Только

на основе фундаментальных знаний и объективной информа-

ции возможен обоснованный выбор программного обеспече-

ния (впрочем, как и всех остальных средств обеспечения САПР:

технических, информационных и т.д.), сокращение непроиз-

водительных затрат на освоение приемов моделирования, обе-

спечение безошибочности и качества профессиональной работы

с различными версиями и типами автоматизированных систем

промышленного назначения.

4.7.7. Классификация и обзор ядер

геометрического моделирования

Ядро геометрического моделирования (в англоязычной лите-

ратуре Geometric modeling kernel, Graphics kernel) является сердцем

каждой компьютерной системы ЗD-моделирования. Вычисли-

тельную часть компьютерных систем в периодической литерату-

ре иногда так и называют «Солвер» (Geometric solver, от англий-

ского solve — решать).

Ядро, включенное в состав САПР, воспринимает и обраба-

тывает команды прикладных программ, сохраняет результаты

в виде файлов графических форматов и даже может осуществлять

вывод изображения на технические устройства отображения ин-

формации.

Архитектура программного обеспечения САПР должна иметь

безукоризненную интеграцию между всеми ее подсистемами

и низкоуровневыми компонентами ядра, обеспечивая поддерж-

ку всех функций приложения, устойчивость к ошибкам и высо-

кое быстродействие.

С программистской точки зрения современное геометрическое

ядро - это объектно-ориентированная библиотека, реали-

зуюшая взаимосвязанный набор функций, составляющих ма-

матический аппарат определенного метода геометрического

моделирования, предназначенная для разработки прикладного

программного обеспечения САПР.

Возможности геометрического ядра должны позволять разра-

ботчикам прикладного программного обеспечения оперировать

на уровне подпрограмм следующими основными функциями:

- созданием плоских (2D) базовых примитивов (точек, ли-

ний, фигур) и выполнением операций преобразования с ними;

- созданием объемных поверхностей (3D) и набором опера-

ций отсечения и преобразования поверхностей;

- созданием объемных (3D) базовых элементов формы (па-

раллелепипеды, шары, конусы и т.д.);

- созданием плоских и объемных объектов на основе кинема-

тических операций;

- описанием каркасных, поверхностных и твердотельных

объектов;

- поддержкой обобщенной технологии гибридного модели-

рования;

- нахождением пересечения, соприкосновения и удаленно-

сти плоских и объемных поверхностей и тел;

- операциями сопряжения и сшивки поверхностей;

- операциями сопряжения граней твердого тела;

- булевыми операциями над твердотельными объектами;

- преобразованием объемного тела в тонкостенное (эквиди-

станта твердых тел);

- расширенным набором операции для автоматизации мо-

делирования (автоматические построения сечений, скруглений,

aасок, создание литейных уклонов, симметричное отражение,

копирование и создание массивов графических элементов и т.д.);

- листовым моделированием (Shit metal);

- автоматическим проецированием и созданием ассоциатив-

ных видов;

- вычислением массово-инерционных характеристик;

- записью и сохранением моделей на электронных носителях

d Различных геометрических и графических форматах;

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование^

226

4.7. прикладное программное обеспечение геометрического моделирования

227

- интерфейсом, позволяющим импортировать данные из

других геометрических систем;

- генерацией сеточного (топологического) описания поверх-

ностей;

- операцией компьютерной графики и визуализации моделей

(моделирование цвета, отражения, теней, фактуры, рендеринг

и т.д.).

Операции интерактивного человеко-машинного диалога

реализация проектных процедур и алгоритмы параметризации

геометрических моделей чаще всего в ядро не входят и выполня-

ются разработчиками САПР.

Можно выделить три типа ядер геометрического моделиро-

вания:

- коммерческие, распространяемые по договору (лицензи-

руемые) ядра;

- свободно распространяемые, доступные в исходном коде

(открытые) ядра;

- закрытые, практически нераспространяемые (частные),

ядра.

Лицензируемые ядра геометрического моделирования разраба-

тываются профессиональной командой специалистов по ком-

пьютерному геометрическому моделированию и поддержива-

ются одной коммерческой компанией, которая лицензирует их

(полностью уступает все права или передает на временное ис-

пользование) другим компаниям для разработки собственных

CAD-систем.

Геометрическое ядро Parasolid (Parasolid graphics kernel) при-

надлежит фирме SPLMS (бывшая Unigraphics PLM Solutions —

UGS) [163]. По сведениям разработчиков, Parasolid используется

более чем в 200 различных программных продуктах. Со времени

приобретения этой технологии у компании Shape Data в 1988 г. UGS

обеспечивает непрерывное развитие и перенос ядра на новые ап-

паратные и системные платформы. Например, с 2005 г. Parasolid

v 16.1 стал доступен и в среде 64-битной операционной системы

х86 Linux.

Геометрическое ядро Parasolid обеспечивает реализацию тех-

нологии твердотельного моделирования, интегрированные по-

верхности свободной формы и гибридное моделирование. Име-

ются возможности генерации сеточного описания поверхностей

решения САМ- и CAE-задач, а также функции визуализации

моделей.

Разработчики Parasolid были пионерами так называемой «тех-

нологии прямого моделирования», которая позволяет пользова-

телям интуитивно модифицировать непараметризованные моде-

или, как будто бы они имеют параметры.

Parasolid один из первых стал поддерживать SMP (многопро-

цессорное аппаратное обеспечение), что позволило увеличить про-

изводительность вычислений при наличии мультипроцессорной

или многоядерной компьютерной системы.

Parasolid включает более чем 600 объектно-ориентированных

функций для приложений, работающих в различных операцион-

ных системах (Windows, начиная с NT и выше, UNIX и его раз-

новидности Solaris, LINUX и пр.).

Прежде всего, все новинки ядра Parasolid внедряются, конеч-

но, в основные программные продукты самой фирмы, принад-

лежащие SPLMS (UGS) - Unigraphics и Solid Edge.

На этом ядре разработано много CAD/CAM/CAE систем

в том числе и другими компаниями, к примеру, CADMAX Corp.

(True Solid/Master) и SolidWorks Corp. (SolidWorks), Parametric

Technology Corp. (Pro/DESKTOP), Top Systems (T-Flex CAD),

Bentley Systems (MicroStation Modeler), Visionary Design Systems

(IronCAD), Ansys Inc. (ANSYS), Mechanical Dynamics (Adams),

MSC.Software (NASTRAN).

Parasolid позволяет сохранять геометрические модели в соб-

ственном формате ParaSolid (расширение *.x_t) и ParaSolid Binary

(двоичный файл с расширением *.х_b). В дополнение к формату

обмена XT ядро позволяет организовать трансляцию и восста-

новление данных из других систем моделирования с помощью

специальной технологии Tolerant Modeling. В 2000 г. был выпу-

щен основанный на международном стандарте XML (формат

еХТ) для расширения возможностей обмена данными с другими

программными продуктами.

Дополнительное преимущество использования одинаковых

лицензированных ядер Parasolid заключается в том, что различ-

ные автоматизированные системы могут иметь прямую совме-

стимость через форматы обмена *.x_t, *.x_b.

Раздел 4, Компьютерная графика и геометрическое моделирование

Геометрическое ядро ACIS 3D Geometric Modeler (The АСIS

Modeling Kernel) разработано специализированной программист-

ской фирмой Spatial Corporation [154].

ACIS - это объектно-ориентированная геометрическая би-

блиотека, написанная на профессиональном алгоритмическом

языке «С++», которая включает процедуры каркасного, по-

верхностного и твердотельного моделирования. Ядро дает раз-

работчикам программ богатый выбор геометрических опера-

ций для конструирования и манипулирования сложными 2D

и ЗD-моделями, а также полный набор булевых операций. Его

математический интерфейс Laws Symbolic и основанное на ши-

роком применении NURBS представление объектов позволяют

интегрировать в одной модели поверхностное и твердотельное

описание. ACIS содержит более чем 50 подпрограмм, реализу-

ющих все основные геометрические преобразования, включая

пространственное изменение масштаба, средства работы с по-

верхностями, генерацию сточного описания поверхностей (яче-

истую топологию), фасеточное представление и интерактивный

рендеринг VISMAN (Visualization Manager) для визуализации

моделей.

Коммерческая политика Spatial основывалась на том, что раз-

работчики получали геометрическое ядро для изучения и опыт-

ной эксплуатации как открытую систему и не платили за ли-

цензирование до момента выпуска ими готового программного

продукта на этом ядре.

Ядро ACIS стало осуществлять вывод геометрических моделей

в собственный формат файлов SAT (расширение *.sat), который

большинство САПР могло читать напрямую.

На базе ядра ACIS реализовано геометрическое модели-

рование в системах Bravo (Applicon), Cimatron (Cimatron Ltd),

MasterCam (CNS Software inc.), CADKEY (Kubotek), Power Mill

(Delcam Ltd), AutoCAD, Autodesk Mechanical Desktop и Autodesk

Inventor (Autodesk).

В 2000 г. независимая коммерческая фирма Spatial Corporation

была куплена мощной корпорацией Dassault Systemes (DS) [95],

известным производителем полномасштабных PLM-решений

на базе тяжелой машиностроительной САПР САTIА, чем был

дан новый поворот в судьбе этого ядра. В рамках DS образовано

228

Прикладное программное обеспечение геометрического моделирования

229

автономное подразделение Spatial и дочерняя компания, под на-

званием PlanetCAD Inc.

После поглощения Spatial геометрическое ядро ACIS 3D про-

должает лицензироваться на коммерческой основе. Кроме того,

DS заявила о переходе новой разработки CATIA V5 на абсолют-

новое геометрическое ядро. Нетрудно предположить, что это

"новое" ядро CATIA имеет совершенно определенные близко-

оодственные связи с ACIS.

Геометрическое ядро Granite One для своего программного

продукта Pro/ ENGINEER использует один из мировых лидеров

в разработке машиностроительных САПР - американская фир-

ма РТС [147].

Первоначально в РТС не раскрывали информацию о сво-

ей системе геометрического моделирования. Однако в 2001 г.

компания объявила о распространении лицензий на свое гео-

метрическое ядро для обеспечения совместимости с другими

САПР и выпустила сервисный пакет, упрощающий работу

с API-интерфейсом Granite, который позволил реализовать вза-

имодействие с объектами посредством Java, СОМ, а также С++.

Преимущества заключаются в том, что у открытой системы по-

является целый шлейф приложений, выполненных сторонними

разработчиками, а значит, возрастает и ее популярность. Granite

One включает в себя библиотеки, обеспечивающие возможности

ассоциативного моделирования, а также среду разработки для

быстрого создания и отладки приложений.

Фирменной отличительной особенностью ядра Granite яв-

ляются так называемые «объекты-фичерсы» (от английского

features - особенность, свойство). Фичерсы являются частью

объектной модели Granite. При этом каждая моделирующая опе-

рация связана с использованием какого-либо объекта. В каж-

дом фичерсе содержится вся информация о геометрии, а также

история ее создания, с операциями Rollback (прокрутить на-

зад), Undo (отменить) и Redo (вернуть). Таким образом, коман-

ды Управления историей операций могут быть доступны в любое

время на уровне модели, а не только во время текущего сеанса

моделирования. Все изменения конкретной модели сохраняют-

ся непосредственно в ней самой, а следовательно — не нужда-

йся в регенерации при последующей загрузке модели из файла.

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

Прикладные программы, основанные на использовании Granite

могут «видеть» фичерсы и использовать их историю построения'

Объект-фичерс содержит моделирующие операции не толь-

ко низкого уровня, но и высокого, такие как выдавливание

(Extrude), вращение (Revolve) построение протяжек (Sweep)

скруглений (Round) и им подобные. По утверждениям разработ-

чиков, использование такого приема значительно упрощает ра-

боту по созданию прикладных программ для моделирования.

Возможности Granite включают представления вспомогатель-

ной геометрии, а также граничные представления твердотель-

ных моделей. Эти представления оптимизированы для решения

задач моделирования, характерных для процесса инженерной

разработки продукции. Granite поддерживает определения раз-

личных типов кривых и поверхностей. Кривые могут быть лини-

ями, дугами, эллипсами, параболами, гиперболами, сплайнами,

B-сплайнами и композитными кривыми. Типы поддерживаемых

поверхностей — плоские, цилиндрические, конические, торы,

поверхности вращения, сплайновые и и-сплайновые поверхно-

сти. Все кривые и поверхности, хранящиеся в Granite, являются

непроцедурными, причем всегда, когда это возможно, использу-

ется аналитическая геометрия.

Файлы, содержащие геометрические модели Granite, ассо-

циативны, т.е. каждый раз, когда в приложении, написанном на

Granite, осуществляются изменения модели, соответствующие

изменения происходят и в последующих связанных приложе-

ниях; при этом нет необходимости в дополнительной процедуре

экспорта данных.

Для обмена данными с другими системами предусмотрены

двусторонние трансляторы в форматах IGES, STEP, VDA и ACIS

SAT.

Закрытые(частные)ядрагеометрическогомоделированияразраба-

тываются и поддерживаются самими фирмами-производителями

прикладного программного обеспечения САПР для использова-

ния исключительно в своих системах. Эти ядра обычно не рекла-

мируются и не документируются, а иногда считаются «ноу-хау»

фирмы разработчика.

Программирование всей системы «с нуля» должны были ве-

сти создатели первых САПР, появившихся еще на заре компью-

230

4.7. Прикладное программное обеспечение геометрического моделирования

231

ной эры. И сейчас многие компании придерживаются такого

же подхода. В их числе Dassault Systemes [95], разработчики си-

стем среднего класса - thinkЗ [162] и VX Corporation, отечествен-

ные фирмы - «АСКОН» (КОМПАС) [100], НПЦ «Гемма» (ГЕМ-

МА 3D) [128], НИЦ АСК (КРЕДО) [143], СПРУТ-технологии

(SprutCAD) [155] и др.

Преимуществом «своих собственных» ядер является более глу-

бокая интеграция с интерфейсом приложения. Как результат это-

го - большие возможности управления системой-пользователем,

например, неограниченное число шагов отмены (отката, undo)

и повтора (возврата, redo) выполненных команд. Собственное

ядро даёт доступ к модели на самом низком уровне, что позво-

ляет более гибко реализовывать многие проектные процедуры и

сценарий диалога с пользователем. Сопровождение и развитие

уникального ядра хоть и обходится дороже, чем покупка тиражи-

руемого продукта, но оправдывается оперативностью развития,

модификации и обновления.

В эпоху глобализации и перехода на промышленные техно-

логии программирования выдерживать чистоту и самодостаточ-

ность программного продукта достаточно сложно. Так, например,

мы уже обсуждали поглощения, выполненные корпорацией DS,

одним из ведущих производителей геометрических ядер. Более

того, Dassault Systemes не скрывает, что тесно сотрудничает в об-

ласти разработки решателей с российской фирмой ЛЕДАС [132].

Геометрическое ядро Thinkdesign kernel является основой CAD-

системы «ThinkЗ» компании THIN КЗ Inc.

Его архитектура дает возможность разработчикам фирмы ис-

пользовать параметризированные твердые тела, расширенные

средства по моделированию поверхностей, каркасные структуры

и 2D-черчение в одной CAD-системе.

Топология ядра thinkdesign делает возможным смешивать по-

верхности и твердые тела, импортировать и использовать несовер-

шенную ЗD-геометрию, полностью интегрировать 2D-чертежи

в трехмерные базы данных и обеспечивает диагностическую ин-

формацию на событие, когда операция твердотельного модели-

рования не может быть завершена. Ядро также может назначать

переменные допуски к различным геометрическим примитивам

[162].

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

Ядра, доступные в исходном коде и обладающие полным функ-

ционалом геометрического моделирования, встречаются значи-

тельно реже, но представляют очень интересное и перспектив-

ное течение в компьютерном мире.

Для пользователей, которые имеют сильные группы разра-

ботки (R&D —Research and Development) и хотят сами определять

и настраивать все алгоритмы геометрического моделирования,

очень удобно иметь ядро с открытым исходным кодом. Откры-

тый код предоставляет особый интерес с точки зрения обучения

геометрическому моделированию.

Ядра, доступные в исходном коде, как правило, разрабаты-

ваются и поддерживаются одной компанией, а затем могут до-

рабатываться прикладными программистами для использования

в различных научных и промышленных приложениях. Таким

образом, одновременно может существовать множество версий

и вариантов ядра. Наличие основного разработчика обеспечива-

ет единообразие и актуальность исходного кода ядра. Независи-

мые разработчики открытых систем часто образуют сообщества,

в которых обсуждается и распространяется опыт использования,

а также отбираются лучшие варианты развития программного

продукта.

Геометрическое ядро OpenCASCADE разработано фирмой

Matra Datavision [145].

Open CASCADE имеет глубокие исторические корни. Его осно-

ву составляет CASCADE — платформа известной САПР Euclid

компании Matra Datavision. Когда в 1998 г. ее купила Dassault,

проект Euclid был закрыт, а о ядре опубликован материал в Ин-

тернете под названием «Ореп CASCADE*. Сейчас ядро принад-

лежит французской компании Principia Research & Development.

Open CASCADE свободно распространяется и позволяет поль-

зователям с помощью популярной среды программирования

Visual С++ компилировать прикладные программы на их пер-

сональных компьютерах. Форматы экспорта данных доступны

в форматах STL, VRML и HPGL2.

Принцип распространения исходного кода дал возможность

большему числу пользователей Open CASCADE участвовать в раз-

работке этого продукта, предоставляя свои варианты и дополне-

ния к открытому программному обеспечению, которое публику-

232

4 7 Пр

икладное п

Р°

аммное

обеспечение геометрического моделирования

233

ется на сайте. Это дает большие возможности сообществу Open

CASCADE по развитию и распространению этого геометрическо-

го ядра-

Компания Open CASCADE, поддерживаемая EADS Matra

Datavision, производит разработку приложений для коммер-

ческих клиентов и разработчиков программного обеспечения.

Пользователи могут заказать индивидуальные дополнения к

проекту и платные консультации.

Геометрическое ядро SMLib (SMLib graphics kernel) SMLib от

фирмы Solid Modeling Solutions [151], хоть и лицензируется, но

доступно в исходном коде.

SMLib распространяется в виде библиотек исходного С++

кода, причем стоимость программного обеспечения не зависит

от числа рабочих мест. Владелец - фирма Modeling Solutions —

проповедует своеобразный бизнес-подход, в соответствии с ко-

торым коммерческий продукт распространяется в форме исхо-

дного кода, доступного для изменений. Через два года заказчик

получает на них полное право и может больше не платить за ли-

цензию. Правда, тогда он лишится новых версий и поддержки.

Это обеспечивает все условия и возможности для развития

и дополнения ядра сторонними разработчиками. Его использу-

ют более чем 200 компаний и университетов.

SMLib была впервые реализована как полноценное ядро гео-

метрического моделирования в 1998 г. В настоящее время ядро

включает обширный набор NURBS-функций криволинейного

и поверхностного моделирования, измерения расстояний между

объектами, удаления невидимых линий, фасеточную генерацию

топологии поверхностей, булевские операции для конструиро-

вания твердотельных моделей, расширенные возможности для

автоматизации построения фасок, сглаживания и пр.

Архитектура SMLib имеет эклектичный характер, объясняе-

мый участием в создании программного продукта многих разра-

ботчиков:

- библиотека Nlib (NURBS library);

~ библиотека TSLib (Trimmed Surfaces Library);

- библиотека GSLib (Geometric Solver Library);

- библиотека POPLib (Polygon Optimization Library);

- трансляторы форматов 1GES, STEP, и VDAFS.

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

4.8. Комплексное использование

геометрических моделей

Универсальность геометрической информации позволяет

строить на ее базе комплексные модели, получаемые в процес-

се интеграции прикладного программного и информационного

обеспечений полномасштабных САПР. Геометрическая модель,

будучи один раз создана в CAD-системе, не должна дублировать-

ся на последующих этапах, а только использоваться для получе-

ния необходимых данных в CAM/CAE и других автоматизиро-

ванных информационных системах.

Таким образом, в комплексных системах автоматизации ма-

шиностроения геометрические модели выступают в качестве

своеобразного информационного каркаса, обеспечивающего

единство и неизменность основных параметров и характеристик

изделия.

4.9. Экономическая эффективность

использования технологий компьютерного

геометрического моделирования

Экономическая целесообразность внедрения компьютерных

технологий геометрического моделирования в составе графиче-

ских подсистем САПР широко иллюстрирована многочислен-

ными примерами, приведенными в различных изданиях [27, 32,

38] и опубликованными на сайтах фирм-разработчиков [95, 100,

101, 147, 163].

Анализ этих источников позволяет сделать однозначный вы-

вод, что локальная автоматизация рабочих мест и узких профес-

сиональных задач (в англоязычных странах используется термин

«Point Application — точечное приложение) не достаточно резуль-

тативна. Внедрение локальной компьютерной программы, не-

сомненно, может дать ощутимый местный эффект. Но в итоге

автоматизация даже всех отдельных инженерных рабочих мест

в проектной организации способна повысить общую эффектив-

234

4.9. Экономическая эффективность

сть процесса технической подготовки производства не более

чем на 15-20%. Самый большой резерв экономической эффектив-

ности использования компьютерного геометрического моделирова-

ния лежит в области комплексной автоматизации производства

и внедрения параллельного проектирования на базе компьютерных

сборок-

Так, например, по оценкам компании Shorts Brothers, в ре-

зультате внедрения моделирования сборок при проектировании

фюзеляжа для самолета «Learjet 45» переделки в проектах были

сокращены до 20% от трудоемкости первого варианта (150% до

внедрения САПР). Этот проект в конце прошлого века стал за-

метным событием в аэрокосмической промышленности США

и существенно повлиял на пути развития технологии автомати-

зации проектно-конструкторских работ [32].

За счет САПР один из самых сложных машиностроительных

объектов, которым представляется современный самолет, был

разработан гораздо быстрее — на 40% сокращены сроки по срав-

нению с его предшественниками, при этом показано почти де-

сятикратное уменьшение числа ошибок в геометрии составных

частей изделия. За счет унификации общее число наименований

деталей было сокращено на 60%.

Коллективная работа в среде интегрированной САПР дала

многопрофильным проектно-конструкторским бригадам (си-

ловые конструкции, прокладка трубопроводов, анализ/расчет

прочности, механообработка, подготовка производства, техниче-

ский контроль, сборка/монтаж, обслуживание/сопровождение)

возможности согласованной параллельной работы, при которой

общесистемные проблемы идентифицировались и решались по

мере их возникновения.

Использование общей электронной сборки изделия позво-

лило уменьшить потери на согласование моделей деталей узлов.

В этом проекте проектанты смогли оптимизировать размеще-

ние труб и жгутов, автоматически проверив, что трубы не будут

Пересекаться, а все провода будут подсоединены. Из 8000 дета-

ли, спроектированных в САПР, 80% были сделаны правильно

первого раза. Остальная часть потребовала однократных изме-

нений, около половины из них были результатом вводимых кон-

дуктором дополнений. Общее время разработки и подготовки

235

Раздел 4, Компьютерная графика и геометрическое моделирование

производства было сокращено до 60 тыс. ч/д. Цикл разработки

типового фюзеляжа сократился с 4 лет до 1,5—2 лет.

4.10. Виртуальная реальность

и виртуальная инженерия

Виртуальная реальность (BP, virtual reality, VR) является одним

из самых перспективных и зрелищных приложений компьютер-

ной графики и геометрического моделирования [32, 38].

Фотореалистические изображения и анимация, создаваемые

с помощью компьютерных технических средств, позволяют ди-

намически представить объемные геометрические модели и соз-

дать у человека иллюзию визуального контакта с материальны-

ми объектами. Графические модели, дополненные мультимедиа

и специальными техническими приспособлениями, составляют

в своем комплексе средства виртуальной реальности, которые

обеспечивают «погружение» пользователя в компьютерную сре-

ду. Технологии BP поддерживают динамическое интерактивное

взаимодействие с пользователем, создающее эффект присут-

ствия человека в объемном «киберпространстве».

Виртуальную реальность можно определить как реалистиче-

скую имитацию искусственной компьютерной среды (виртуаль-

ного мира), передаваемую пользователю автоматизированной

системы через привычные для его восприятия ощущения мате-

риального мира, комплексно воздействующие на зрение, слух,

осязание и другие органы чувств человека. Новое качество при-

менения BP в технике создается за счет синергетического эффек-

та сочетания возможностей компьютерной графики, мультиме-

диа, геометрического и инженерно-физического моделирования

изделий и окружающих их объектов материального мира.

Виртуальная реальность, как правило, предполагает инте-

рактивный характер взаимодействия пользователя с компьюте-

ром и играет роль своеобразной интерфейсной среды приклад-

ной автоматизированной системы, позволяющей пользователю

управлять программно реализуемыми событиями. В этом случае

обеспечивается взаимодействие человека с виртуальными объ-

236

4.10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

ектами в режиме реального времени, дающее эффект непосред-

ственного участия пользователя в моделируемых графических

сценах и процессах.

Впервые термин «виртуальная реальность» был использован

Массачусетском Технологическом Институте в конце 70-х гг.

прошлого века, чтобы описать технологию интерактивной ра-

боты человека в генерируемом компьютером «виртуальном»

геометрическом пространстве. Оказалось, что технологии BP

очень удобны для создания целого класса обучающих программ,

предназначенных для развития способностей и навыков челове-

ка - компьютерных тренажеров. Область их применения очень

обширна: подготовка пилотов, водителей транспортных средств,

космонавтов, авиадиспетчеров, операторов автоматизирован-

ных систем и т.д.

Наиболее массовыми и распространенными примерами ис-

пользования BP можно считать компьютерные программы для

развлечения и отдыха - всем известные компьютерные игры.

Несмотря на легкость жанра, компьютерные игры в настоящее

время составляют значительную часть компьютерного бизнеса,

который в свою очередь служит питательной средой для даль-

нейшего развития технических средств и технологий компью-

терной графики, да и самой виртуальной реальности. А лучшие

из компьютерных игр, которые обладают определенными учеб-

ными свойствами, могут уже рассматриваться как тренажеры

начального уровня. Например, передовыми с технической точки

зрения были и остаются авиационные и автомобильные игры-

имитаторы. Очень серьезным направлением применения вирту-

альной реальности являются системы управления техническими

объектами как гражданского, так и военного назначения. На-

пример, системы управления движением на транспорте и воору-

жением на военных самолетах.

Технические устройства, используемые в системах виртуаль-

ной реальности, могут быть самыми различными - от обычных

компьютерных мониторов до стереоскопических систем отобра-

жения, вмонтированных в специальный шлем. Первоначально

в них обеспечивалось воздействие только на зрение пользова-

теля. Затем были добавлены звуки, тактильные реакции на ор-

ганах управления. Современные тренажеры могут имитировать

237

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

238

4.10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

Первая версия языка VRML появилась в 1994 г. А уже в 1996 г.

VRML

2.0

был принят

качестве официального международного

стандарта ISO/IEC DIS 14772-1. Развитие языка координируется

международной организацией VRML Advisory Group (VAG).

С точки зрения информатики VRML представляет собой спе-

лализированный объектно-ориентированный алгоритмиче-

ский язык программирования. Структура «виртуального мира»

описывается в нем в виде графа, состоящего из узлов (node), со-

держащих поля данных (fields) и события (events). События в свою

очередь делятся на два типа — исходящие (EventOut) и входящие

(Evevnln) соответственно. Простая и гибкая структура языка дает

возможность задать объектам достаточно сложное поведение.

Достигается это при помощи двух типов узлов графа: интерполя-

торов и сенсоров.

Изменение параметров объектов происходит при получении им

соответствующего сообщения. Вне зависимости от того, от какого

узла он его получает, начало цепочке событий дает какой-нибудь

сенсор, который реагирует на воздействие на объект при помощи

определенного устройства ввода, чаще всего манипулятора «мышь»:

- «TouchSensor» отвечает за «прикосновение», например,

имитируемое щелчком кнопки мыши;

- «Drag Sensor» обрабатывает событие, вызванное перемеще-

нием графического объекта;

- «CylinderSensor» отвечает за поворот объекта вокруг оси;

- «PlaneSensor» соответствует линейному перемещению объекта;

- «TimeSensor» отсчитывает время до начала заданного события;

- «ProximitySensor» и «VisibilitySensor» обрабатывают положе-

ние виртуальной камеры (приближение и поле зрения) и т.д.

Интерполяторы преобразуют ограниченный набор дискрет-

ных положений объекта в плавное движение, осуществляя ин-

терполяцию необходимых промежуточных положений:

- «Position Interpolator" обрабатывает линейное перемещение;

- «OrientatonInterpolator» - плавный поворот объекта;

~ «ScalarInterpolator» — масштабирование;

- «CoordinateInterpolator» - меняет координаты вершин фигуры;

- «Normal Interpolator* преобразует тела вращения;

- «Colorlnterpolator» осуществляет преобразование цвета объек-

та И т.д.

239

движение, вибрации и даже некоторые эволюции транспортных

средств и оборудования. Пользователь при этом находится в от-

дельной кабине, оснащенной электронными датчиками и меха-

ническими приспособлениями. Конечно, такие системы очень

дороги, так, только один специальный шлем в тренажерах для

военных летчиков и космонавтов может стоить более миллиона

долларов.

Рост возможностей и существенное удешевление технических

компьютерных средств в начале нового века способствовали еще

более широкому распространению систем виртуальной реаль-

ности. Сегодня наряду с тренажерами, компьютерными играми

кинематографом и системами управления техническими объек-

тами виртуальная реальность используется в системах автома-

тизированного проектирования, маркетинге, обучении и других

областях науки и техники.

Зрение поставляет человеку большую часть информации об

окружающем мире, поэтому средства визуальной имитации

(visual simulation) являются главным и определяющим элементом

систем BP. Для реалистичности имитации, прежде всего, необ-

ходимо качественно воспроизводить визуальную окружающую

обстановку - все то, что человек должен видеть с определенной

точки зрения, заданной в системе геометрического моделиро-

вания, поэтому не случайно, что технологии визуальной ими-

тации, непосредственно связанные с компьютерной графикой,

наиболее распространены и доведены до уровня компьютерных

стандартов.

4.10.1. Язык молелирования виртуальной реальности VRML

VRML (Virtual Reality Modeling Language) является междуна-

родным стандартом языка описания трехмерных сцен, предна-

значенным для программирования взаимодействия между моде-

лируемыми геометрическими объектами и наблюдателем. Этот

язык позволяет описать новый виртуальный мир и дать возмож-

ность пользователю взаимодействовать с ним посредством име-

ющихся технических средств.

Основное назначение VRML - реализация интерактивной

визуальной имитации в Интернет.

Раздел 4. Компьютерная графика и геометрическое моделирование

240

4.10. Виртуальная реальность и виртуальная инженерия

зируется в различном цвете (или с быстрым чередованием пар

кадров). Очки избирательно фильтруют (поочередно заштори-

вают) и подают соответствующее изображение на каждый глаз

пользователя, что обеспечивают полную иллюзию стереоизо-

бражения.

С помошью стереочков пользователи могут работать с реали-

стичными изображениями, которые точно передают простран-

ственные характеристики моделируемых изделий, их высоту,

ширину и глубину.

Головной дисплей (head-mounted display) оснащен двумя неболь-

шими экранами, обычно жидкокристаллическими, подающи-

ми различное изображение на каждый глаз пользователя (рис.

4.10.16). За счет оптической иллюзии, на некотором расстоянии

перед глазами пользователя формируется реалистическое сте-

реоизображение.

а б

Рис. 4.10.1. Устройства объемной визуализации:

а - стервочки; б - головной дисплей

Шлем виртуальной реальности полностью закрывает голо-

ву пользователя, обеспечивая изоляцию от окружающего мира,

и за счет этого создает эффект более полного «погружения»

в искусственную среду (рис. 4.10.2). Экраны, смонтированные

перед глазом пользователя, дают стереоскопическое изображе-

ние. Прибор имеет встроенную многоканальную систему дина-

миков, благодаря которой имитируются размещение и интен-

сивность источников звука в пространстве.

Бинокулярный всенаправленный монитор (Binocular Omni-

°nentation Monitor - BOOM) (см. рис. 4.10.25) является механи-

ческой версией шлема, в которой движение головы пользователя

отслеживается через систему механических звеньев.

241

С помощью манипулятора можно осуществлять навигацию

в описанном виртуальном мире, динамически меняя позицию

наблюдателя, которая соответствующим образом визуализируй

ется на экране как:

- движение вперед-назад и повороты вправо-влево;

- движение вверх-вниз и вправо-влево;

- повороты вверх-вниз и вправо-влево;

- автоматическое движение до указанного объекта;

- переход на заранее определенную точку зрения.

Отдельно обрабатывается операция «прикосновения» к объекту.

Написанная на языке виртуальной реальности программа

при выполнении в любом Интернет-браузере интерпретируется

с помощью специального «проигрывателя». Например, в состав

операционной системы Windows входит программа «Microsoft

VRML viewer", которая реализуется как встраиваемая функ-

ция («plug-in») для браузера Internet Explorer. При отображении

VRML viewer использует библиотеку DirectX и, следовательно,

получает аппаратную акселерацию на любом DirectX совмести-

мом видеоадаптере.

4.10.2. Технические средства виртуальной реальности

Системы виртуальной реальности, появившиеся в результате

развития компьютерной графики и геометрического моделиро-

вания, постоянно пополняются новыми техническими средства-

ми, обеспечивающими воздействия практически на все органы

чувств человека: зрение, слух, осязание, равновесие. Уже извест-

ны лабораторные установки, имитирующие по сигналу компью-

тера запахи, дело осталось только за вкусом.

Средства объемной визуальной имитации. Технические средства

визуализации, используемые в системах BP, являются не только

самыми важными, но и многочисленными: компьютерные мони-

торы различной конструкции и принципа действия, экраны, сте-

реоочки, стереошлемы, голографические установки и пр.

Стереоочки позволяют получать объемные изображения даже

на стандартных экранах и мониторах (рис. 4.10.1а).

Для каждого из двух глаз человека с помощью специальной

программы генерируется свое изображение, которое визуалй-