Разработка и исследование методов задания геометрических объектов и технологии передачи геометрической информации в информационных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.01.01, кандидат технических наук Смирнов, Сергей Николаевич

• Смирнов, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Сергей Николаевич

1. Введение.

1.1. Обзор методов построения основных геометрических объектов.

1.2. Обзор методов построения составных поверхностей.

1.3. Развитие вычислительной техники и новые задачи.

1.4. Анализ исследований в данной области.

1.4.1. Метод R-функций.

1.5. Направление данных исследований.

1.6. Выводы.

2. Новый элемент описания ГО.

2.1. Эволюция описания ГО. R-Descriptor.

2.2. Информация R-Descriptor.

2.3. Реализация R-Descriptor.

2.4. Выводы.

3. Работа с графикой при помощи R-Descriptor.

3.1. Обработка ГО.

3.2. Обмен графической информацией через сетевой интерфейс.

3.2.1. Общие принципы передачи данных в сети.

3.2.2. Передача графических данных.

3.2.3. Взаимодействие R-протокола с протоколом TCP и графической информацией.

3.2.3.1. Работа с протоколом TCP.

3.2.3.2. Подготовка графической информации для передачи по сети.

3.3. Хранение ГО и дополнительного описания на устройствах внешней памяти.

3.3.1. Различия между форматом TIFF и другими форматами.

3.3.1.1. Преимущество формата TIFF.

3.3.1.2. Недостатки формата TIFF.

3.3.2. Структура TIFF-файла.

3.3.2.1. Header (заголовок).

3.3.2.2. Directory (оглавление).

3.3.2.3. Tag entry.

3.3.3. Описание предложенного TAGa.

3.4. Разработка схемы организации работы с изображением на основе R

Descriptor.

3.5. Выводы.

4. Программные объекты.

4.1. Реализация функциональности при помощи объектно-ориентированного подхода.

4.1.1. Объектно-ориентированная методология разработки приложений .71'

4.1.2. Описание Объекта TRFObect.

4.1.3. Модификация в соответствие с новыми требованиями. Объект TMRFObect.

4.2. Выводы.

5. Реализация результатов исследований.

5.1. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов задания геометрических объектов и технологии передачи геометрической информации в информационных системах»

Интерес к синтезу изображений объясняется высокой информативностью последних. Информация, содержащаяся в изображении, представлена в наиболее концентрированной форме, и эта информация, как правило, более доступна для анализа: для ее восприятия получателю достаточно иметь относительно небольшой объем специальных знаний.

Разработка машинно-ориентированных методов решения геометрических задач в настоящее время мыслится как синтез методов аналитической и дифференциальной геометрии, машинного моделирования, графических методов аппроксимации, интерполирования и оптимизации, различных итерационных методов и др., о чем говорится в [47].

Необходимо отметить высокий уровень развития компьютерной графики в ряде областей, а также новые тенденции.

1.1. Обзор методов построения основных геометрических объектов

В настоящее время успешно решена задача построения основных графических примитивов, простых трехмерных фигур и ряда поверхностей, что рассмотрено, например, в работе [53].

Существуют различные методы описания кривых и поверхностей, реализуемые как при помощи уравнений явного вида, так и неявного вида. Среди них параметрический метод имеет определенные преимущества перед другими, в особенности, когда нужно получить графическое изображение на дисплее или управляющие ленты для металлорежущего станка.

Если кривая или поверхность определена уравнением явного вида, то для получения ее графического изображения вычисляются последовательно координаты точек, отвечающие определенным значениям параметра. С другой стороны, если кривая определена уравнением неявного вида, приходится решать нелинейное уравнение для каждой точки. Также, применение параметрических методов в значительной мере упрощает вычисление кривых, связанных со смещением режущего инструмента и других подобных кривых в задачах числового управления. В пользу этого метода говорит тот факт, что при его применении перенос или вращение осей координат или предмета не требует модификации функций от используемых предметов, а осуществляется, как правило, при помощи переноса или вращения векторов, определяющих заданную кривую.

И, наконец, параметрические методы пригодны для кусочно-гладкого описания кривых и поверхностей, как, например, в разработанной Безье системе проектирования иМЗиШ7.

Параметрическое описание кривых в координатной форме имеет следующий вид: х = х(();у = ></); 2 =

А уравнение г-г(и,у) определяет поверхность в трехмерном пространстве, координаты точек которой определяются функциями х = х(и,у)-,у = у(и,у);г = г(и,у)

Представляя кривые таким образом, мы получаем возможность дать простое математическое описание закрученных кривых в трехмерном пространстве; прежде такие кривые определялись с помощью своих проекций на две взаимно перпендикулярные координатные плоскости. Во-вторых, представление кривых в параметрических координатах дает возможность избежать определённых проблем, которые могут возникнуть, когда замкнутые кривые и кривые с вертикальными касательными представляются в некоторой фиксированной системе координат. И, наконец, что, пожалуй, наиболее важно, такое представление позволяет очень просто осуществлять такие преобразования координат, как перенос и вращение. Другими словами, параметрический способ задания кривых освобождает от привязки к какой-либо определённой системе координат.

Одновременно с разработкой систем, основанных на параметрическом методе, появились автоматические чертежные устройства, графические дисплеи и станки с цифровым управлением. Параметрический способ задания кривых и поверхностей оказался исключительно удобным для применения этих новшеств. При эксплуатации графических дисплеев необходимо обеспечить преобразование координат,, определение проекций, различного рода трехмерных изображений и т.д.; все эти операции наиболее просто осуществляются при параметрическом представлении кривых и поверхностей. Дисплеи позволяют получать на экране графическое изображение, показывающее, как математически описанный трехмерный объект будет выглядеть, если его рассматривать из любой интересующей нас точки пространства.

Существуют основные уравнения дифференциальной геометрии для пространственных кривых, которые в совокупности известны как формулы Френе - Серре. с1г Т, - касательная к кривой х- главная нормаль и бинормаль к кривой тВ- хТ, - кручение кривои йВ ЛГ ' -хп, - кручениекривои

Кроме параметрических существуют неявные поверхностей и кривых в трехмерном пространстве

Квадратичное уравнение общего вида уравнения для ах2 + by2 +cz2 + 2 hxy + 2 gzx + 2 fyz + 2 их + 2 vy + 2wz + d = 0 представляет поверхности второго порядка общего вида, к которым относятся сферы, цилиндры, конусы, эллипсоиды, параболоиды и гиперболоиды. Для однозначного представления любой поверхности второго порядка уравнением неявного вида в каждом отдельном случае это уравнение должно быть определенным образом пронормировано.

Хотя в последнее время в язык APT, предназначенный для программирования станков с ЧПУ, были введены средства параметрического определения поверхностей, применение языка APT базируется на неявных уравнениях классических поверхностей, таких как плоскости, поверхности и сферы. Несмотря на большое разнообразие способов образования поверхностей, кодирование последних в памяти ПЭВМ осуществляется при помощи сравнительно небольшого набора канонических типов поверхностей. Перечислим эти канонические типы поверхностей.

1. Плоскость Ax + By + Cz-D = О кодируется коэффициентами (A,B,C,D),

2 2 2 где А +В +С =1. Прямая в двухмерном пространстве кодируется как плоскость при С=0.

2. Сфера (х-Х)2+(y-Y)2+(z-Z)2 = R2 кодируются набором чисел (X,Y,Z,R).

3. Круговой цилиндр х - X)2 +{у- Y)2 +{z- Z)2 -[А{х-х)+ В(у -Y)+ C[z - z)]2 = R2, где (X,Y,Z) -произвольная точка на центральной оси, а (А,В,С) - единичный вектор, направленный вдоль этой оси, кодируются набором (X,Y,Z,A,B,C,R). Окружность в двухмерном пространстве кодируется как цилиндр, в котором А=В=0, С=1.

4. Круговой конус

A{x-X)+B{y-Y) + C(z-Zj\2 =[{х-Х)2 +(y-Y)2 +{z-Z)2\cos2Qc вершиной (X,Y,Z), полу углом при вершине 0 и осью, направление которой определяется единичным вектором (А,В,С), кодируются набором чисел (Х,У^,А,В,С,соз0).

5. Поверхность второго порядка

Ах2 + Ву1 + Сг2 + П + 2Руг + Юху + 2Рх + 2Оу + 2Яг = 0 кодируются набором (А,В,СД),Р,0,Н,Р,С)Д). Любое плоское коническое сечение кодируется как поверхность второго порядка, в которой 0=Р=0=К=0, иными словами трактуется как цилиндр.

6. Табулируемый цилиндр (ТАВСУЬ) - это цилиндр, образующие которого проходят через точки кусочно-кубической кривой, определяемой множеством заданных точек.

Таким образом, как отмечено в [32],: «в настоящее время на практике широко применяются различные методы интерполяции, аппроксимации и сглаживания. Из всех существующих способов аналитического описания обводов наибольшее распространение получили кубические и бикубические уравнения, представленные в параметрической форме Фергюссона, Безье и других. Такие способы описания кривых обладают определенными конструктивными достоинствами, например, легко, достигается плавность вычисленной кривой, существенно повышается эффективность взаимодействия человека и ЭВМ. и т.п.». Эти методы хорошо изучены и с успехом используются.

Заключение диссертации по теме «Инженерная геометрия и компьютерная графика», Смирнов, Сергей Николаевич

5.1. Выводы

На базе предложенной теории разработана программа формирования трехмерного изображения составного объекта. Программа работает с изображением с помощью разработанных алгоритмов и реализующих их программных объектов, и демонстрирует возможности аппарата.

6. Заключение

Данная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой содержится решение задачи, имеющей существенное значение для соответствующей отрасли знаний.

В результате проведенных исследований решена задача, имеющая существенное значение для визуализации и работы с составным ГО в сетевой среде. Полученные результаты открывают новые возможности в обработке изображений для пользователей систем САПР, ГИС железнодорожного транспорта и других графических приложений.

Достигнуты следующие результаты.

• Проведен обзор методов компьютерного представления графической информации, а также обзор текущего состояния средств вычислительной техники. Выявлены новые требования к машинному представлению графической информации, и новые задачи, стоящие перед графическими системами.

• Разработан новый метод описания графических объектов с использованием предложенного элемента описания К-Безспр1ог.

• Исследованы процессы обработки, передачи и хранения графических данных в компьютерных сетях. Разработаны принципы их реализации.

• Разработан алгоритм разрешения конфликтов совместного доступа к графической информации, неизбежно возникающих при сетевом взаимодействии.

• Разработан алгоритм построения изображения на базе предложенной методологии.

Предложен принцип построения прикладных программ, основанных на предложенных решениях, и ориентированных на решение задач сетевой визуализации.

В объектно-ориентированной среде Object Pascal реализованы программные интерфейсы для сетевого доступа к графической информации, и для визуализации, основанной на модифицированном автором методе R-операторов.

Создана прикладная программа, демонстрирующая возможности предложенных решений.

Разработанный метод описания ГО преодолевает ограничения существующих методов и открывает новые возможности по обработке изображений в сетевой информационной системе.

Теоретические исследования и разработанные программные объекты могут быть использованы при построении систем САПР, ГИС и в иных системах распределенной визуализации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Сергей Николаевич, 2005 год

1. Айден К. и др. Аппаратные средства РС — БХВ-Петербург, 1998.gjf 2. Алберг Дж., Нильсон Э., Уолш Дж. Теория сплайнов и ее приложения: Пер.с англ. — М.: Мир, 1972. — 320 с.

2. Ахо А. В., Хопкрофт Дж. Е., Ульман Дж. Д. Построение и анализ вычислительных алгоритмов: Пер. с англ. — М: Мир, 1979. — 536 с.

3. Ахо, Альфред Структуры данных и алгоритмы. М.: Издательский дом «Вильяме», 2001.

4. Березин Б.И., Березин С.Б. Начальный курс С и С++. М.: Диалог-МИФИ, 1996.

5. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений Т. С.Хуанг, Дж.-О. Эклунд, Г. Дж. Нуссбаумер и др.; Под ред. Т. С. Хуанга: Пер. с англ, под ред. JI. П. Ярославского. —М.: Радио и связь, 1984. -224 с.

6. Виттих В. А., Сергеев В. В., Сойфер В. А. Обработка изображений в автоматизированных системах научных исследований. — М.: Наука, — 216с.

7. Гилой В. Интерактивная машинная графика: Структуры данных, алгоритмы, языки: Пер, с англ, под ред. Ю. М. Банковского. —М.: Мир, 1981.

8. Гренандер У. Лекции по теории образов: Пер, с англ, под ред. Ю. И. Журавлева.—М.:Мир.

9. Т.1. Синтез образов. — 1979. — 384 е.; Т.2. Анализ образов. — 1981. — 448 е.; Т.З. Регулярные структуры. — 1983. — 432 с.

10. Гусева А.И. Работа в локальных сетях NetWare 3.12 4.1: Учебник - М.: Диалог-МИФИ, 1996.

11. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1985. —304 с.

12. Денискина А.Р. Методы аппроксимации дискретных обводов в задачах твердотельного моделирования: Дис.ктн. 05.01.01 М., 1999.

13. Ефимов Н.В. Краткий курс аналитической геометрии. -М., 1975

14. М.Завалишин Н. В., Мучник И. Б. Модели зрительного восприятия ритмыанализа изображений. — М.: Наука. Главная редакция тематической литературы, 1974. — 344 с.

15. Иевлева О.Т. Концепция и разработка методологии автоматизированного решения геометрических задач архитектурного проектирования: дис.дтн. 05.01.01 Ростов-на-Дону: 2000

16. Карасик Н. Программные и аппаратные средства защиты информации для персональных компьютеров //Компьютер-Пресс, 1992 — №3.

17. Кашина И.В. Формообразование и конструирование покрытий зданий и сооружений на основе аппарата качения сферы: Дис.ктн. 05.13.12 Ростов на Дону: 1999.

18. Келли Дж. JI. Общая топология: Пер. с англ — 2-е изд — М:Наука, 1981.

19. КнутД.Э. Искусство программирования, Том 1. Основные алгоритмы, 3-е изд.: Пер.с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004

20. Кнут Д.Э. Искусство программирования, Том 2. Получисленные методы, 3-е изд.: Пер.с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004

21. Кнут Д.Э. Искусство программирования, ТомЗ. Сортировка и поиск, 3-е изд.: Пер.с англ. М.: Издательский дом «Вильяме»; 2004

22. Коптева Л.Г. Разработка теоретических основ и технологии оптимизации геометрической информации для передачи в локальных и глобальных сетях:

23. Международная конференция по компьютерной графике и машинному зрению ТРАФИКОН-2СЮ2" Н.Новгород, 2002.

24. Коптева Л.Г. Представление составных трехмерных объектов для использования в САПР / Л.Г Коптева // «ИВУЗ», Авиамоторная техника. 1985. -№3.- С. 94-96.

25. Смирнов С.Н. Компьютерная геометрия и графика / Л.Г. Коптева, С.Н. Смирнов // Рабочая программа для студентов второго курса специальности ИСЖ. Москва: РГОТУПС, 2005.

26. Смирнов С.Н. Организация обмена геометрической информацией через сетевой интерфейс посредством Я-протоколов / Л.Г. Коптева, С.Н. Смирнов //Наука и техника транспорта. Москва, 2003. №4. С. 30-33.

27. Краснов M.В. OpenGL. Графика в проектах Delphi — БХВ-Петербург, 2004.

28. Куэнью Ф., Гедж Р. Машинные методы генерации цветных плоских изображений на растрах телевизионного типа. — ТИИЭР, 1980 — т. 68 — №7. — С. 177—191.

29. Методы передачи изображений. Сокращение избыточности У. К. Прэтт, Д. Д. Сакрисон, X. Г. Д. Мусманн и др.; Под ред. У. К. Прэтта: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1983. — 264 с.

30. Мульденов, Имаш Оксанкулович Решение конструктивных задач описания кривых и поверхностей на основе методов оптимизации: Дис.дтн. 05.01.01 Жамбул: 1996.

31. Нетравали А. Н., Лимб Дж. О. Кодирование изображений: Обзор. —ТИИЭР, 1980 — т. 68 — № 3 — С. 76-124.

32. Ноултон К. Простые, эффективные методы кодирования без потерь для передачи многоуровневых и двухуровневых изображений с постепенным воспроизведением. — ТИИЭР, 1980 —т. 68—№7 —С. 149—162.

33. Ньюмен У., Спрулл Р. Основы интерактивной машинной графики: Пер. с англ. — М.: Мир, 1976. — 573 с.

34. Обработка изображений при помощи цифровых вычислительных машин. Под ред. Г. Эндрюса и JI. Инло: Пер. с англ, под ред. Д. С. Лебедев. —- Мир, 1973. —204 с.

35. Обработка изображений. Под ред. Б. Р. Ханта. — ТИИЭР, 1981. —212 с.38,Оппенгейм А. В., Шафер Р. В. Цифровая обработка сигналов: Пер. с англ. — М.: Связь, 1979. —416 с.

36. Осипов В.А. Машинные методы проектирования непрерывно-каркасных поверхностей-М.: Машиностроение, 1979.

37. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений М.: Радио и связь, 1986.

38. Параллельная обработка информации. Под ред. А. Н. Свенсона. — Киев: думка, 1985. — 280 с.

39. Попов Е.В. Метод натянутых сеток в задачах геометрического моделирования: Дис.дтн. 05.01.01 Н-Новгород: 2001

40. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ — М.: Мир, 1982. — кн. 1 —312 е.; кн. 2 —480 с.

41. Психология машинного зрения Б. Хорн, М. Минский, И. Сираи, П. Уинстон. Под ред. П. Уинстона; Пер. с англ. под ред. В. Д. Стефанюка. — М.: Мир, 1978. —344 с.

42. Рвачев B.J1. Теория R-функций и некоторые ее приложения Киев, «Наукова думка», 1982.

43. Ротков С.И. Средства геометрического моделирования и компьютерной графики пространственных объектов для CALS-технологий: Дис.дтн. 05.01.01 Н-Новгород: 1999

44. Саблин, Константин Петрович Разработка новых методов повышения реалистичности изображений проектируемых объектов в машиностроительных САПР: Дис.ктн. 05.13.12 М.: 1996

45. Сакрисон Д. Д. Использование моделей зрения при кодировании изображений. — С. 26 67.

46. Синицын С.А. Теоретические основы точности формообразования и методы оптимизации исходных данных при моделировании технических поверхностей: Дис.дтн. 05.01.01 Киев: 1991

47. Тюрин П.Е. Разработка методов и средств компьютерных технологий в начертательной геометрии и инженерной графике: Дис.ктн. 05.01.01 Иваново: 1994.

48. Фокс А., ПраттМ. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на производстве: Пер. с Англ. М.: Мир, 1982.

49. Фоли Дж., вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики: Пер. с англ, под ред. Ю. М. Баяковского. — М.: Мир, 1985. — 2 кн.

50. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям: Основы реконструктивной томографии: Пер. с англ. под ред. JT. М. Сороко. — М.: Мир. —352 с.

51. Хорн Б. К. П. Отмывка рельефа и карта отражательной способности.— ТИИЭР, 1981 — т. 69 —№ 1 — С. 16—55.

52. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии М.: Финансы и статистика, 1998.

53. Энджел И. Практическое введение в машинную графику: Пер. с англ. под ред. В. А. Львова. — М.: Радио и связь, 2000.

54. Badler, N. I.; O'Rourke, J.; and Toltzis, H. "A Spherical Representation of a Human Body for Visualizing Movement," IEEE Proceedings, 67 (October 1979), pp. 1397-1403.

55. Clark, J. H. "Hierarchical Geometric Models for Visible Surface Algorithms," CACM. 19 (1976), pp 547 554.64.desJardins, M. and Hasler, A. F. "Stereoscopic Displays of Atmospheric Model Data" SIGGRAPH'80. Seattle, Wash., July 1980, pp. 134-146.

56. Fournier, A.; Fussel, D.: and Carpenter, L. "Computer Rendering of Stochastic Models," CACM. 25 (1982), pp. 371-384.

57. Franklin, W. R, "A Linear Exact Hidden Surface Algorithm," SIG-GRAPH'80. Seattle, Wash., July 1980, pp. 117-123.

58. Hagen, M. (ed.) The Perception of Pictures. New York: Academic Press, 1980.

59. Hubschman, H. and Zucker, S. W. "Frame-to-Frame Coherence and the Hidden Surface Computation: Constraints for a Convex World," SIGGRAPH'81. Dallas, Texas, August 1981, pp. 45-54.

60. International Conference on Computer Graphics "Graphicon 2003": Материалы конференции M.:, 2003

61. Knowlton, К. and Cherry, L. "Atoms — A Three-D Opaque Molecular System for Color Pictures of Space-Filling or Ball-and-Stick. Models," Computers & Chemistry, I (1977), pp. 161-166.

62. Knowlton, K. "Computer-Aided Definition, Manipulation and Description of Objects Composed of Spheres," ACM Computer Graphics, 15 (1981), pp. 48-71.

63. Kopteva L.G. The Questions of Geometry and Programme Information Supports for Computer-Aided Design Systems: статья в сборнике «Information

64. Tehnology in Design "EWITD 96"», proceedings of International Confrence, -Moscow, Russia, 1996 73.Max, N. L. "ATOMLLL ATOMS with Shading and Highlights"

65. SiGGRAPH"79. Chicago, August 1979, pp. 165-173. 74.0'Rourke, J. and Badler, N. "Decomposition of Three-Dmiensional Objects into Spheres," IEEE Trans, on Patient Analysis and Machine Intelligence. PAMI-11979), pp. 295-305.

66. Sutherland, I.E.; Sproull, R. F.; and Schumacker, R. A. "A Characterization of Ten Hidden-Surface Algorithms," ACM Computing Surveys 6 (March 1974), pp. 1-56,

67. Whitted. T. "An Improved Illumination Model for Shaded Display" CACM, 231980), pp. 343-349.94