Компьютерная графика - 7 Вариант

Федеральное агентство связи РФ

ГОУ ВПО  «Сибирский государственный университет 

телекоммуникаций  и информатики»

Уральский технический институт связи и  информатики (филиал) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Компьютерная графика»  
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент группы П-91с

Шахабутдинов  И.М.

Проверил 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург

2012

Содержание 

Введение…………………………………………………………………………...2

Проблемы  геометрического моделирования……………………………………3

Виды  геометрических моделей их свойства, параметризация моделей………4

Геометрические  операции над моделями………………………………………10

Описание  разработки тренажера………………………………………………..20

Описание  создания видео……………………………………………………….27

Заключение……………………………………………………………………….35

Список  литературы………………………………………………………………36 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    В данной контрольной работе я рассмотрю  проблемы геометрического моделирования, виды геометрических моделей и их свойства, параметризацию моделей, геометрические операции над моделями и опишу  основные принципы создания тренажера в программе Multimedia Fusion 2, а так же как записывать видео в программе UVScreenCamera.

    Машинная  графика в настоящее время  уже вполне сформировалась как наука. Существует аппаратное и программное  обеспечение для получения разнообразных  изображений - от простых чертежей до реалистичных образов естественных объектов. Машинная графика используется почти во всех научных и инженерных дисциплинах для наглядности восприятия и передачи информации. Знание её основ в наше время необходимо любому ученому или инженеру.

    Среди многообразия возможностей, предоставляемых  современными вычислительными средствами, те, что основаны на пространственно-образном мышлении человека, занимают особое место. Современные программно-оперативные  средства компьютерной графики представляют собой весьма эффективный инструмент поддержки такого мышления при выполнении работ самых разных видов. С другой стороны именно пространственно-образное мышление является неформальной творческой основой для расширения изобразительных возможностей компьютеров. Это важное обстоятельство предполагает взаимно обогащающее сотрудничество всё более совершенной техники и человека со всем богатством знания, накопленного предшествующими поколениями. Поэтому столь привлекательной оказывается компьютерная визуализация, особенно визуализация динамическая, которую следует рассматривать как важнейший инструмент для обучения наукам.

    Объектом  исследования является компьютерная графика.

    Предмет исследования - основные её виды и программы  для работы с ней. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Проблемы геометрического моделирования 

    Первый  класс проблем связан с компьютерным представлением электронных схем и  систем на макро- и микроуровнях. Как  правило, это различные рисунки  и схемы, описывающие дизайн, отдельные  компоненты и составляющие материалы устройств, режимы их работы, таблицы параметров. Данный класс проблем эффективно поддержан большим количеством CAD/CAE систем и баз данных. Геометрические проблемы, которые рассматривают здесь, в основном касаются теории графов и визуализации простых геометрических объектов.

    Второй  класс проблем связан с вычислениями состава, структуры и свойств  различных веществ и материалов, используемых в современной электронике. В рамках данного класса задач  можно выделить два фундаментальных  направления исследований. Первое связано с созданием и эффективным использованием подробных баз данных по свойствам веществ и материалов, полученных на основе экспериментов и компьютерных вычислений. Используемые при этом геометрические методы касаются в основном цифрового кодирования и сжатия различной геометрической информации. Второе направление сформировано квантовыми и химическими расчетными программами, позволяющими вычислять структуру и свойства новых веществ и материалов. Объектом, инициирующим числовые и геометрические вычисления, здесь является множество квантово-механических задач, сформулированных для систем большой размерности. Среди множества численных подходов можно выделить такие известные методы, как классический и квантовый метод Монте-Карло, классическая и квантовая молекулярная динамики, методы моделирования «из первых принципов», аппарат теории матриц плотности и функций Грина, решение уравнений Шредингера в различных приближениях традиционными численными методами и т.д. Результаты таких вычислений также помещаются в базы данных.

    Третий  класс проблем связан с моделированием процессов работы электронных устройств  и их частей, а также с оптимизацией параметров устройств. По нашему мнению этот класс задач имеет наивысшую  вычислительную сложность, поскольку  задачи данного класса могут использовать практически любые методы вычислений, в том числе методы компьютерной геометрии и визуализации.  
 
 
 
 
 
 
 
 

    Виды  геометрических моделей, параметризация моделей 

    Эвристические модели, как правило, представляют собой образы, рисуемые в воображении человека. Их описание ведется словами естественного языка (например, вербальная информационная модель) и, обычно, неоднозначно и субъективно. Эти модели неформализуемы, то есть не описываются формально-логическими и математическими выражениями, хотя и рождаются на основе представления реальных процессов и явлений. 
Эвристическое моделирование — основное средство вырваться за рамки обыденного и устоявшегося. Но способность к такому моделированию зависит, прежде всего, от богатства фантазии человека, его опыта и эрудиции. Эвристические модели используют на начальных этапах проектирования или других видов деятельности, когда сведения о разрабатываемой системе ещё скудны. На последующих этапах проектирования эти модели заменяют на более конкретные и точные.

    Натурные  модели. Отличительной чертой этих моделей является их подобие реальным системам (они материальны), а отличие  состоит в размерах, числе и  материале элементов и т. п. По принадлежности к предметной области модели подразделяют на следующие:

• Физические модели. Это — реальные изделия, образцы, экспериментальные и натурные модели, когда между параметрами системы и модели одинаковой физической природы существует однозначное соответствие. Выбор размеров таких моделей ведется с соблюдением теории подобия. Физические модели подразделяются на объемные (модели и макеты) и плоские (тремплеты):
• в данном случае под (физической) моделью понимают изделие или устройство, являющееся упрощенным подобием исследуемого объекта или позволяющее воссоздать исследуемый процесс или явление. Например, предметные модели, как уменьшенная копия оригинала (глобус как модель Земли, игрушечный самолёт с учётом его аэродинамики);
• под тремплетом понимают изделие, являющееся плоским масштабным отображением объекта в виде упрощенной ортогональной проекции или его контурным очертанием. Тремплетеотанарные вырезают из пленки, картона и т. п. и применяют при исследовании и проектировании зданий, установок, сооружений;
• под макетом понимают изделие, собранное из моделей и/или тремплетов.

    Физическое  моделирование — основа наших знаний и средство проверки наших гипотез и результатов расчетов. Физическая модель позволяет охватить явление или процесс во всём их многообразии, наиболее адекватна и точна, но достаточно дорога, трудоемка и менее универсальна. В том или ином виде с физическими моделями работают на всех этапах проектирования;

• Технические модели;
• Социальные модели;
• Экономические модели, например, Бизнес-модель;
• и т. д.

    Математические  модели — формализуемые, то есть представляют собой совокупность взаимосвязанных математических и формально-логических выражений, как правило, отображающих реальные процессы и явления (физические, психические, социальные и т. д.). По форме представления бывают:

• аналитические модели. Их решения ищутся в замкнутом виде, в виде функциональных зависимостей. Удобны при анализе сущности описываемого явления или процесса и использовании в других математических моделях, но отыскание их решений бывает весьма затруднено;
• численные модели. Их решения — дискретный ряд чисел (таблицы). Модели универсальны, удобны для решения сложных задач, но не наглядны и трудоемки при анализе и установлении взаимосвязей между параметрами. В настоящее время такие модели реализуют в виде программных комплексов — пакетов программ для расчета на компьютере. Программные комплексы бывают прикладные, привязанные к предметной области и конкретному объекту, явлению, процессу, и общие, реализующие универсальные математические соотношения (например, расчет системы алгебраических уравнений);
• формально-логические информационные модели — это модели, созданные на формальном языке.

Например:

• модель формальной системы в математике и логике как любая совокупность объектов, свойства которых и отношения между которыми удовлетворяют аксиомам и правилам вывода формальной системы, служащей тем самым совместным (неявным) определением такой совокупности;
• модель в теории алгебраических систем как совокупность некоторого множества и заданных на его элементах свойств и отношений;
• эталонная модель.

Построение  математических моделей возможно следующими способами:

• аналитическим путем, то есть выводом из физических законов, математических аксиом или теорем;
• экспериментальным путем, то есть посредством обработки результатов эксперимента и подбора аппроксимирующих (приближенно совпадающих) зависимостей.

    Математические  модели более универсальны и дешевы, позволяют поставить «чистый» эксперимент (то есть в пределах точности модели исследовать влияние какого-то отдельного параметра при постоянстве других), прогнозировать развитие явления или процесса, отыскать способы управления ими. Математические модели — основа построения компьютерных моделей и применения вычислительной техники. 
Результаты математического моделирования нуждаются в обязательном сопоставлении с данными физического моделирования — с целью проверки получаемых данных и для уточнения самой модели. С другой стороны, любая формула — это разновидность модели и, следовательно, не является абсолютной истиной, а всего лишь этап на пути её познания. 

    Промежуточные виды моделей. К промежуточным видам  моделей можно отнести:

    Трёхмерная  компьютерная модель. Графические модели. Занимают промежуточное место между эвристическими и математическими моделями. Представляют собой различные изображения:

• графы;
• схемы;
• эскизы. Этому упрощенному изображению некоторого устройства в значительной степени присущи эвристические черты;
• чертежи. Здесь уже конкретизированы внутренние и внешние связи моделируемого (проектируемого) устройства, его размеры;
• графики;
• полигональная модель в компьютерной графике как образ объекта, «сшитый» из множества многоугольников.

    Аналоговые  модели. Позволяют исследовать одни физические явления или математические выражения посредством изучения других физических явлений, имеющих аналогичные математические модели. 

    Параметрическое моделирование (параметризация) — моделирование (проектирование) с использованием параметров элементов модели и соотношений между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» (с помощью изменения параметров или геометрических отношений) различные конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок.

    Параметрическое моделирование существенно отличается от обычного двухмерного черчения или трёхмерного моделирования. Конструктор в случае параметрического проектирования создаёт математическую модель объектов с параметрами, при изменении которых происходят изменения конфигурации детали, взаимные перемещения деталей в сборке и т. п.

    Параметризация  двухмерных чертежей обычно доступна в CAD-системах среднего и тяжёлого классов. Однако упор в этих системах сделан на трёхмерную технологию проектирования и возможности параметризации двухмерных чертежей практически не используются. Параметрические CAD-системы, ориентированные на двухмерное черчение (лёгкий класс) зачастую являются «урезанными» версиями более продвинутых САПР.

    Примеры двухмерных САПР с возможностью параметризации:

• T-FLEX CAD 2D — «урезанный» вариант T-FLEX CAD 3D российской компании «Топ Системы». Позволяет создавать полностью параметризованные чертежи. Имеется функция автоматической параметризации.
• Solid Edge 2D — «урезанный» вариант Solid Edge компании Siemens PLM Software. Программа полностью бесплатна, в том числе для коммерческого применения.
• AutoCAD (c оговорками) — начиная с версии 2010, в AutoCAD появилась возможность создавать параметрические чертежи. С версии 2006 в AutoCAD присутствует возможность создавать двухмерные динамические блоки. Динамические блоки фактически представляют собой реализацию табличной параметризации. В вертикальных решениях на базе AutoCAD возможности параметризации обычно значительно шире.
• AutoCAD Mechanical — специализированное решение для двухмерного машиностроительного проектирования и черчения на базе AutoCAD. В AutoCAD Mechanical используется собственный механизм параметризации, не связанный с динамическими блоками базовой системы.
• КОМПАС-График — система двухмерного машиностроительного и строительного проектирования и черчения, разработанная компанией АСКОН.

    Трёхмерное  параметрическое моделирование  является гораздо более эффективным (но и более сложным) инструментом, нежели двухмерное параметрическое  моделирование. В современных системах среднего и тяжёлого класса наличие параметрической модели заложено в идеологию самих САПР. Существование параметрического описания объекта является базой для всего процесса проектирования.

    Примеры САПР, использующих трёхмерное твердотельное  параметрическое моделирование:

• CATIA — САПР тяжёлого класса французской фирмы Dassault Systemes
• NX (Unigraphics) — САПР тяжёлого класса Siemens PLM Software
• Creo Parametric ранее Pro/Engineer — САПР тяжёлого класса Parametric Technology Corporation (PTC)
• Inventor — САПР среднего класса Autodesk
• Solid Edge — САПР среднего класса Siemens PLM Software
• SolidWorks — САПР среднего класса SolidWorks Corporation (подразделение Dassault Systemes)
• 3design CAD — САПР для ювелирного и графического дизайна французского разработчика Vision Numeric
• T-FLEX CAD — российская САПР среднего класса, использующая геометрическую параметризацию, компании Топ Системы
• КОМПАС-3D — известная российская САПР среднего класса компании АСКОН, созданная на основе собственного ядра геометрического моделирования

    Табличная параметризация заключается в создании таблицы параметров типовых деталей. Создание нового экземпляра детали производится путём выбора из таблицы типоразмеров. Возможности табличной параметризации весьма ограничены, поскольку задание произвольных новых значений параметров и геометрических отношений обычно невозможно.

    Однако  табличная параметризация находит широкое применение во всех параметрических САПР, поскольку позволяет существенно упростить и ускорить создание библиотек стандартных и типовых деталей, а также их применение в процессе конструкторского проектирования.

    Иерархическая параметризация (параметризация на основе истории построений) заключается  в том, что в ходе построения модели вся последовательность построения отображается в отдельном окне в  виде «дерева построения». В нем перечислены все существующие в модели вспомогательные элементы, эскизы и выполненные операции в порядке их создания.

    Помимо  «дерева построения» модели, система  запоминает не только порядок её формирования, но и иерархию её элементов (отношения между элементами). Пример: сборки → подсборки → детали.

    Параметризация  на основе истории построений присутствует во всех САПР использующих трёхмерное твердотельное параметрическое моделирование. Обычно такой тип параметрического моделирования сочетается с вариационной и/или геометрической параметризацией.

    Вариационная  или размерная параметризация основана на построении эскизов (с наложением на объекты эскиза различных параметрических связей) и наложении пользователем ограничений в виде системы уравнений, определяющих зависимости между параметрами.

    Процесс создания параметрической модели с  использованием вариационной параметризации выглядит следующим образом:

    На  первом этапе создаётся эскиз (профиль) для трёхмерной операции. На эскиз накладываются необходимые параметрические связи.

    Затем эскиз «образмеривается». Уточняются отдельные размеры профиля. На этом этапе отдельные размеры можно  обозначить как переменные (например, присвоить имя «Length») и задать зависимости других размеров от этих переменных в виде формул (например, «Length/2»)

    Затем производится трёхмерная операция (например, выталкивание), значение атрибутов  операции тоже служит параметром (например, величина выталкивания).

    В случае необходимости создания сборки, взаимное положение компонентов  сборки задаётся путём указания сопряжений между ними (совпадение, параллельность или перпендикулярность граней и  рёбер, расположение объектов на расстоянии или под углом друг к другу и т. п.).

    Вариационная  параметризация позволяет легко  изменять форму эскиза или величину параметров операций, что позволяет  удобно модифицировать трёхмерную модель.

    Геометрической  параметризацией называется параметрическое  моделирование, при котором геометрия каждого параметрического объекта пересчитывается в зависимости от положения родительских объектов, его параметров и переменных.

    Параметрическая модель, в случае геометрической параметризации, состоит из элементов построения и элементов изображения. Элементы построения (конструкторские линии) задают параметрические связи. К элементам изображения относятся линии изображения (которыми обводятся конструкторские линии), а также элементы оформления (размеры, надписи, штриховки и т. п.).

    Одни  элементы построения могут зависеть от других элементов построения. Элементы построения могут содержать и параметры (например, радиус окружности или угол наклона прямой). При изменении одного из элементов модели все зависящие от него элементы перестраиваются в соответствии со своими параметрами и способами их задания.

    Процесс создания параметрической модели методом  геометрической параметризации выглядит следующим образом:

• На первом этапе конструктор задаёт геометрию профиля конструкторскими линиями, отмечает ключевые точки.
• Затем проставляет размеры между конструкторскими линиями. На этом этапе можно задать зависимость размеров друг от друга.
• Затем обводит конструкторские линии линиями изображения — получается профиль, с которым можно осуществлять различные трёхмерные операции.
• Последующие этапы в целом аналогичны процессу моделирования с использованием метода вариационной параметризации.

Геометрические  операции над моделями 

    Задача  геометрического моделирования  сплошных тел является важной областью машинной графики. 
Поскольку данные о физических объектах реального мира не могут быть целиком введены в компьютер, необходимо априори ограничить объем информации об объекте в рамках интересующего нас вопроса. Например, задача рендеринга объекта с затенением поднимает такие проблемы как:

• Какие части объекта видимы?
• Какой цвет должен быть присвоен каждому элементу объекта?

     
И если будет выбрано подходящее представление геометрической модели объекта для данной проблемы, она  будет решена эффективно, и наоборот.

      
Рисунок 1 Основные операции над геометрическими  моделями 
 
Рассмотрим основные классы представлений сплошных объектов для решения наиболее общих задач. 

    1 Моделирование путем разложения пространства на элементы

    Моделирование путем разложения описывает сплошные тела через комбинацию некоторых  сплошных блоков, соединенных вместе тем или иным образом. Тип базовых  объектов определяет различные методы моделирования этим способом. 

    1.1 Воксельное представление

    Разобьем  интересующую нас область пространства E³ на набор кубов (вокселей). Таким образом, мы можем сопоставить ей трехмерный массив c_{ijk .}Элемент массива равен 1, если куб c_ijk представляет собой область, занятую неким объектом, и 0 в противном случае. В некоторых случаях удобно применять некоторые промежуточные значение, задавая тем самым плотность в данной точке пространства. Как легко видеть (см. рисунок), мы получаем трехмерную модель интересующего нас объекта.  
 
 
 
Рисунок 2 Воксельное представление

     
Некоторые характеристики такого представления:

    Такое представление дает только приближение  реального объекта. Поверхности, не параллельные осям координат, представляются приблизительно. Качество приближения зависит от относительного размера вокселей.

    Требует больших размеров памяти для хранения, и эти требования резко возрастают при увеличении разрешения (растет как куб от разрешения).

    С таким представлением хорошо работают в основном пространственные алгоритмы, такие как вычисление объема объекта, нахождение центра масс и т.д. 

    1.2 Октарные и бинарные деревья

    Одним из недостатков воксельной модели является большой объем памяти, требуемой для хранения информации о разбиении пространства. Если мы будем хранить информацию только о блоках, относящихся к объекту, мы получим, что число элементов, требуемых для представления объекта, пропорционально площади его поверхности, т.е. пропорционально квадрату разрешения, а не кубу, как в предыдущем случае. 

    1.2.1 Октарные деревья

    Октарные  деревья представляют собой рекурсивное  разбиение пространства на восемь октант, которое представляется деревом (см. рисунок (а)). Обычно октарное дерево располагаются вокруг начала его локальной системы координат, так что октанты первого уровня совпадают с октантами системы координат.  

      
Рисунок 3 Пример октарного дерева.