Компьютерная графика

Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке  в сторону наблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам  относятся:

• свет, пришедший с обратной стороны поверхности, то есть преломленный свет (Refracted);
• свет, равномерно рассеиваемый поверхностью (Diffuse);
• зеркально отраженный свет (Reflected);
• блики, то есть отраженный свет источников (Specular);
• собственное свечение поверхности (Self Illumination).

Следующим этапом является наложение (“проектирование”) текстур на определенные участки  каркаса объекта. При этом необходимо учитывать их взаимное влияние на границах примитивов. Проектирование материалов на объект – задача трудно формализуемая, она сродни художественному  процессу и требует от исполнителя  хотя бы минимальных творческих способностей.

После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его “оживлению”, то есть заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре  объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (например, в восьмом кадре) задается новое  положение объекта и так далее  до конечного положения. Промежуточные  значения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация, а  плавное изменение положения  опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями.

Процесс расчета  реалистичных изображений называют рендерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман. По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используют либо как самостоятельный продукт, либо в качестве отдельных частей или кадров готового продукта.

Особую область  трёхмерного моделирования в  режиме реального времени составляют тренажеры технических средств  – автомобилей, судов, летательных  и космических аппаратов. В них  необходимо очень точно реализовывать  технические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных средств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах.

Самые совершенные  на сегодняшний день устройства созданы  для обучения пилотированию космических  кораблей и военных летательных  аппаратов. Моделированием и визуализацией  объектов в таких тренажерах заняты несколько специализированных графических  станций, построенных на мощных RISC-процессорах и скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики. Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены на суперкомпьютер, состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается достаточно быстро, так как обучение на реальных аппаратах в десятки раз дороже.

 

3.4.1 Форматы файлов трехмерной графики

 

Формат *.X —  формат файла для хранения 3D объектов, созданный компанией Microsoft. Этот формат хранит информацию о геометрии 3D объекта (координаты вершин и координаты нормалей), текстурные координаты, описание материалов, пути и названия к текстурам, которые  используются. Хранится иерархия объектов, хранится анимация, и хранятся привязки вершин к «костям» с описанием  весов. В X файле может отсутствовать  какая-либо информация об объекте (например, в X файле могут содержаться только координаты вершин).

Формат *.U3D (Universal 3D) — универсальный формат трехмерной графики. Более тридцати крупных  разработчиков, среди которых присутствуют такие всемирно известные компании, как Adobe, Boeing и Intel, объявили о планах по созданию универсального формата  файлов трехмерной графики. Новый формат, уже названный Universal 3D (U3D), в будущем  будет утвержден международной  организацией по стандартам ISO.

Формат *.OBJ —  это простой формат данных, который  содержит только 3D геометрию, а именно, позицию каждой вершины, связь координат  текстуры с вершиной, нормаль для  каждой вершины, а также параметры, которые создают полигоны.

Формат *.max —  это compound storage, т.е. пакет, внутри которого находится целая файловая система  с файлами и каталогами программы  3D Studio MAX, который реализуется в Windows.

Существует  множество прикладных пакетов для  работы с трехмерной графикой и каждый из них имеет свой собственный  уникальный формат.

 

3.4.2 Прикладные программы для работы с трехмерной графикой

 

Существует  довольно большое количество самых  разных программ для работы с 3D графикой. Так, одной из популярных программ, которые специально разработаны  для создания трехмерной графики  и дизайна интерьеров, является программа 3D Studio MAX. Она позволяет реалистично визуализировать объекты самой разной сложности. Кроме того, «3D Studio MAX» дает возможность компоновать их, задавать траектории перемещений и в конечном итоге даже создавать полноценное видео с участием трехмерных моделей. Хотя такая работа, конечно же, требует у специалиста серьезных навыков, а также больших компьютерных ресурсов, в первую очередь объемов памяти и быстродействие процессора (рисунок 14).

 

 

Другой широко используемой программой является AutoCAD. Она также используется для трехмерного моделирования и визуализации, профессионального архитектурно-строительного проектирования, постоянно дополняется новыми возможностями. Довольно большое количество программ могут быть интегрированы с базовым ядром «AutoCAD» (рис. 15).

 

Adobe Dimensions. Мощный инструмент 3D-рендеринга. Dimensions поможет вам добавить света и глубины в двухмерную работу. Dimensions легка для изучения, так как она использует те же самые инструменты и клавиатурные сокращения, что и другие программы Adobe (рисунок 16).

Carrara Studio. Один из самых мощных редакторов трехмерной графики среднего классаМожно создать любой объект от самого простого до самого сложного (сложные поверхности, цветок, автомобиль, пейзаж, виртуальный взрыв, вспышки, фонтаны, салюты, модель человека) (рисунок 17).

 

 

 

 

4. Пользовательский  интерфейс AutoCAD

 

На рисунке 18 показан классический рабочий стол AutoCAD для Windows.

 

 

Рисунок 18. Классический рабочий стол AutoCAD

 

В данный рабочий  стол включены:

- падающие меню — верхняя строка, расположенная непосредственно под заголовком окна программы;

- необязательные панели инструментов:

• стандартная  панель Standard и панель стилей Styles —  вторая строка от заголовка;

• панель рабочих  пространств Workspaces, слоев Layers и свойств Properties — третья строка;

• панель рисования Draw и редактирования Modify — столбцы слева;

- строка состояния — строка внизу окна программы;

- окно командных строк — выше строки состояния;

- графическое поле, занимающее остальную часть рабочего стола.

Строка падающих меню по умолчанию содержит следующие  пункты:

- File — команды работы с файлами: создание, открытие, сохранение, публикация в Интернете, печать, экспорт файлов в другие форматы, а также диспетчеры параметров листов, плоттеров, стилей печати и пр.;

- Edit — инструменты для редактирования частей графического поля рабочего стола программы, работы с буфером обмена и пр.;

- View — управление экраном, зумирование, панорамирование, установка трехмерной точки зрения, создание видовых экранов и именованных видов, установка визуальных стилей, тонирование, анимация траектории перемещения, установка необходимых панелей инструментов;

- Insert — команды вставки блоков, внешних объектов, объектов других приложений;

- Format — команды работы со слоями и их инструментами; цветом, типами линий; управление стилями текста, размеров, мультилиний, таблиц; видом маркера точки; установки единиц измерения, границ чертежа;

- Tools — управление рабочими пространствами; палитрами; установка порядка прорисовки объектов и получение сведений о них; работа с блоками и их атрибутами; работа с языком AutoLISP; работа с пользовательской системой координат; настройка стандартов оформления; управление Мастерами (публикации в Интернете, установки плоттеров, создания таблиц стилей печати, цветозависимых стилей печати, компоновки листа, создания подшивки, импорта параметров печати); установка параметров черчения и привязок с помощью диалоговых окон и пр.;

- Draw — команды двумерного и трехмерного рисования;

- Dimension — команды простановки размеров и управления параметрами размерных стилей;

- Modify — команды редактирования элементов чертежа;

- Window — многооконный режим работы с чертежами;

- Help — вывод на экран системы гипертекстовых подсказок.

Команды AutoCAD на панелях инструментов представлены в виде пиктограмм. Если задержать указатель мыши на пиктограмме, рядом с ней появляется название соответствующей команды, помещенное в маленький прямоугольник.

Если в  правом нижнем углу пиктограммы изображен  маленький черный треугольник, это значит, что она содержит подменю с набором родственных команд. Для вызова подменю необходимо на некоторое время задержать на пиктограмме указатель мыши, нажав ее левую кнопку.

Стандартная панель Standard показана на рисунке 19.

 

Рисунок 19. Стандартная панель

 

Она содержит следующие инструменты:

Qnew — создание  нового файла рисунка;

Open… CTRL+О  — загрузка существующего файла;

Save CTRL+S — сохранение  текущего файла;

Plot… CTRL+P —  вывод рисунка на плоттер, принтер  или в файл;

Plot Preview —  предварительный просмотр чертежа перед выводом на печать;

Publish…— публикация  листов чертежа в формате файла  Design

Web Format (DWF), загрузка  диалогового окна Publish;

3DDWF — экспорт  трехмерной модели в формате  файла Design Web Format (DWF);

Cut CTRL+X — копирование  объектов в буфер обмена с  удалением их из рисунка;

Copy CTRL+C — копирование  выбранных элементов чертежа в буфер Windows без удаления их из исходного документа;

Paste CTRL+V —  вставка данных из буфера Windows;

Match Properties —  копирование свойств заданного  объекта другому объекту;

Block Editor —  редактирование блоков;

Undo — отмена  последнего действия;

Redo — восстановление  только что отмененного действия;

Pan Realtime —  перемещение изображения на текущем  видовом экране в режиме реального времени;

Zoom Realtime —  увеличение или уменьшение видимого  размера объектов на текущем  видовом экране в режиме реального времени;

Подменю Zoom —  раскрывающийся набор инструментов, в котором можно задать различные  способы увеличения и уменьшения видимого размера объектов на текущем  видовом экране;

Zoom Previous —  возврат к показу предыдущего  вида;

Properties CTRL+1 —  загрузка палитры управления  свойствами объектов;

DesignCenter CTRL+2 —  диалоговый интерфейс, позволяющий быстро находить, просматривать, вызывать, переносить в текущий рисунок ранее созданные рисунки, управлять вхождениями блоков, внешними ссылками и другими элементами рисунков, такими как слои, листы и текстовые стили;

Tool Palettes Window CTRL+3 — инструментальные палитры в  виде отдельных вкладок специального окна, которые служат эффективным средством хранения/вставки блоков и штриховки. Палитры могут содержать инструменты, предоставленные сторонними разработчиками;

Sheet Set Manager CTRL+4 — диспетчер подшивок наборов листов, позволяющий организовать размещение пакетов листов в зависимости от типа чертежей и с возможностью эффективного создания, управления и совместного использования наборов логически связанных рисунков;

Markup Set Manager CTRL+7 — диспетчер наборов пометок,  позволяющий организовать работу  с рисунками формата DWF;

QuickCalc CTRL+8 —  калькулятор;

Help — вызов  справочной системы.

 

 

 

 

 

 

4.1 Построение  геодезического знака в системе  AutoCAD

 

Каждый пункт  геодезической сети закрепляют на местности  заложенным в грунт центром, несущим  металлическую марку с указанием  точки, к которой, относятся координаты пункта. Над центром пункта сооружают  геодезический знак требуемой высоты, несущий визирный цилиндр и имеющий  столик для установки измерительных  приборов, а также площадку для  наблюдателя.

Рисунок 20. Простая   пирамида (а) и пирамида со штативом (б)

 

В геодезических  сетях применяют знаки следующих  типов: пирамида (простая и со штативом), простой сигнал и сложный сигнал.

Простые пирамиды (рисунок 20, а) строят в том случае, когда наблюдения по всем направлениям можно вести с тура или штатива. Если для обеспечения видимости на соседние пункты прибор требуется поднять над землей на 2—3 м, используют пирамиду с изолированным от нее штативом для установки приборов (рисунок 20, б). Площадку для наблюдателя крепят к столбам пирамиды, изолируя ее от штатива. Пирамиды строят как деревянные, так и металлические высотой 5—8 м.

Простой сигнал (рисунок 21) состоит из двух изолированных друг от друга пирамид: внешней 1, несущей визирный цилиндр и площадку для наблюдателя, и внутренней 2 со столиком для установки приборов. Внутренняя пирамида имеет трехгранную форму, а внешняя трехгранную или четырехгранную.

 

Рисунок 21. Простой сигнал

 

 

Рисунок  22.   Сложный   сигнал: 1 — якорь основания столба сигнала; 2 — основные    столбы сигнала; 3 — венец; 4 — крестовина; 5 — болванка;  6 — стойка внутренней пирамиды; 7 — площадка для наблюдателя; 8 — столик; 9 — крыша;  10 — визирный цилиндр;  11— промежуточный столб

 

Простые сигналы  строят высотой до 10 м; они могут  быть деревянными и металлическими, постоянными и разборными. Разборные  знаки применяют в районах  с благоприятными условиями для  переездов на автотранспорте. Нередко  внутренняя пирамида является постоянной на пункте, а внешняя разборной, которую  перевозят с пункта на пункт.

Сложный сигнал (рисунок 22) по конструкции отличается от простого тем, что внутренняя пирамида, несущая столик для установки приборов, опирается не на землю, а на основные столбы сигнала (на 6 м ниже площадки для наблюдателя). Промежуточные столбы знака улучшают качество постройки сигнала. Сложные сигналы строят высотой от 11 до 40 м. Они имеют трехгранную конструкцию, их собирают на земле (в горизонтальном положении), а затем устанавливают вертикально в полностью завершенном виде. В этом случае не возникает необходимости в выполнении опасных верхолазных работ, а также повышается производительность   труда   при постройке   знаков.