Печатная версия
Архив / Поиск

Archives
Archives
Archiv

Редакция
и контакты

К 50-летию СО РАН
Фотогалерея
Приложения
Научные СМИ
Портал СО РАН

© «Наука в Сибири», 2019

Сайт разработан и поддерживается
Институтом вычислительных
технологий СО РАН

При перепечатке материалов
или использованиии
опубликованной
в «НВС» информации
ссылка на газету обязательна

Наука в Сибири Выходит с 4 июля 1961 г.
On-line версия: www.sbras.info | Новости | Архив c 1961 по текущий год (в формате pdf), упорядоченный по годам
 
в оглавлениеN 37 (2223) 24 сентября 1999 г.

МАШИННАЯ ГРАФИКА

А.Мацокин, доктор
физико-математических наук.

Любопытная историческая справка: пять лет спустя после организации Вычислительный центр имел к 1970 году мощный (по тому времени) парк ЭВМ и предоставлял вычислительные ресурсы практически всем институтам Новосибирского научного центра. Ежесуточно более 2000 программ отлаживались или выполняли вычислительные эксперименты. Для анализа результатов расчета (сотни метров бумаги с числовой информацией) исследователи строили десятки и сотни графиков, карт изолиний и векторных полей вычисленных функций. Актуальной стала задача автоматизации этой рутинной и трудоемкой работы, задача разработки методов и программ вывода информации из ЭВМ в графическом виде с помощью специальных электронно-механических устройств -- графопостроителей.

Решение этой проблемы поручили созданной в 1969 году лаборатории математического обеспечения. Группа молодых программистов (А.Куртуков, И.Питаев, А.Лукинцов) и студентов механико-математического факультета Новосибирского государственного университета (В.Дворжец, В.Дебелов, С.Горин) во главе с заведующим лабораторией, 24-летним кандидатом физико-математических наук, выпускником физического факультета НГУ Ю.Кузнецовым начали практически с нуля: машинная графика как научное направление находилось в стадии становления. Опыта решения графических задач на ЭВМ не было.

Разработку системы математического обеспечения графопостроителей разделили на три независимые части: драйверный уровень системы, то есть программы управления графопостроителями; виртуальный графопостроитель, иначе говоря язык описания графической информации, и программы решения графических задач, или преобразование результатов расчета в последовательность языковых конструкций, описывающих графики, карты изолиний и т.д.

Графопостроитель представляет собой планшет, по которому перемещается в горизонтальном или вертикальном направлении пишущий инструмент (перо) в поднятом (не чертит) или опущенном состоянии (чертит). Шаг перемещения пера фиксирован в обоих направлениях, его величина (примерно 0.05 мм) зависит от типа графопостроителя. Перьев может быть несколько (разной толщины или цвета). Управляющие графопостроителем команды (установка пера, подъем или его опускание, перемещение пера в одном из направлений на один шаг) подаются непосредственно из ЭВМ или считываются с внешнего носителя. Формирование последовательности этих команд -- задача драйвера системы матобеспечения графопостроителей. Драйверов столько, сколько графопостроителей (разного типа).

Драйверы выводят информацию на графопостроители, подключенные к ЭВМ физически и учтенные операционными системами ЭВМ (М-220, БЭСМ-6, ЕС ЭВМ). Инженерная служба ВЦ СО АН (Н.Кульков) успешно решила первую задачу, а специалисты лаборатории (Л.Васильева, С.Упольников) -- вторую.

Бедность набора команд графопостроителей и различие их заставляют определять некий виртуальный графопостроитель и описывать графическую информацию на его языке (графическом стандарте), оставляя ее вывод драйверам реальных графопостроителей. На первом этапе разработчики, экономя ресурсы ЭВМ, включили в этот язык область рисования с прямоугольной системой координат и единицей измерения 1 мм, цвет и толщину пера, графические примитивы: точка, отрезок, алфавитно-цифровой символ заданного шрифта.

Построение графиков, карт изолиний и векторных полей -- одна из задач машинной графики. Простая на первый взгляд (каждый из нас рисовал графики, изучал географические карты -- изолинии высоты местности над уровнем океана), но сложная в реализации задача могла быть решена только математиками (функции заданы дискретно, их нужно проинтерполировать, для определения линий одинаковых значений функций необходимо решать нелинейные уравнения). Дипломники НГУ с ней успешно справились. В начале 70-десятых годов были разработаны и реализованы алгоритмы построения графиков, карт изолиний и векторных полей аналитически или дискретно заданных функций. Графическая система СМОГ обеспечивала вывод информации в графическом виде из любой системы программирования любой ЭВМ на все графопостроители. К середине семидесятых драйверный уровень системы СМОГ был доведен до технологического совершенства: ежемесячный объем графического вывода из ЭВМ достигал 50-ти тысяч графиков.

Распространение графических устройств в научно-исследовательских и конструкторских организациях страны определили дальнейшее развитие системы СМОГ. Прежде всего, нужно было подключать к системе новые графические устройства: устройство микрофильмирования КАРАТ, разработанное в Институте автоматики и электрометрии, графические дисплеи, зарубежные и отечественные (например, разработанные в Институте прикладной физики дисплеи Гамма).

Для автоматизации проектно-конструкторских работ отечественная промышленность приступила к серийному выпуску АРМов (автоматизированное рабочее место) на базе ЭВМ М-222, имеющих в своем составе устройство ввода графической информации, графический дисплей и графопостроитель. Актуальной стала задача разработки программ подготовки чертежно-конструкторской документации и геометрического моделирования машиностроительных изделий. Для решения этих задач сотрудники лабораторий ВЦ и НГУ объединились с группами специалистов КБ машиностроения, НИИ измерительных приборов, СибНИИ авиации, выступавшими заказчиками программного обеспечения.

Графическая система СМОГ пополнилась библиотекой программ вывода графической информации в виде фильма на устройство микрофильмирования КАРАТ, позволяющей наглядно представить динамику развития моделируемых процессов (атмосферных, горения и т.д.). Формирование кадров фильма из отдельных графических изображений привело к необходимости разработки графической базы данных. Графическая система СИГАМ с архивами и моделями изображений была первым опытом такой разработки.

Моделирование геометрии двумерных и трехмерных объектов принято относить к задачам машинной графики. Автоматизированная подготовка чертежно-конструкторской документации состоит из двух основных этапов: построения модели чертежа изделия и собственно его вывода на графическое устройство. Модели чертежа в дальнейшем можно легко изменить, рисовать любые поправки, компоновать новые модели из ранее построенных элементов. На этапе вывода чертежа на графическое устройство решается задача размещения на чертеже размеров его элементов и пояснительных подписей. Эти задачи эффективно решались программами библиотеки "ГРАФИТ", разработанной на основе графической системы СМОГ.

Трехмерные объекты в рамках системы моделировались с помощью кусочно-линейных аппроксимаций граничных поверхностей реальных изделий. Разработанная библиотека программ "СПЕЙС" позволяла описывать практически произвольный набор любых поверхностей и тел, компоновать из них с помощью теоретико-множественных операций новые объекты, вычислять площади, объемы, моменты инерции построенных тел, получать их изображения (проекции) с выделением невидимых частей.

В 90-х годах для графического отображения результатов численного моделирования в основном применялись растрововые графические устройства: дисплеи и принтеры, позволяющие получать полутоновые цветные изображения. Система СМОГ пополнилась программами построения цветных карт изолиний, изоповерхностей, аксонометрических проекций трехмерных тел. Совместно с Институтом медицинской и биологической кибернетики СО РАМН был разработан экспериментальный электронный тренажер с биологической обратной связью, в котором динамика изображения плоских или пространственных сцен на экране дисплея определялась реакцией пациента, что позволяло осуществлять тренировки по саморегулированию состояния человека.

Для получения реалистических изображений пространственных сцен в последние годы применялись математические модели распространения света, учитывающие наличие различных источников света и характеристики отражения света от поверхностей тел. Такие задачи требуют решения интегральных уравнений с применением метода конечных элементов для расчета освещенности элементов сцены, а также метода трассировки лучей для получения одного или нескольких (с разных точек зрения) изображений сцены.

Сотрудники лаборатории продолжают разработки в области геометрического моделирования плоских и пространственных объектов с кусочно-гладкими границами. Замена кусочно-линейных аппроксимаций на кусочно-полиномиальные позволяет значительно уменьшить объем хранимой информации и повысить точность представления объектов.

Идеи и методы, положенные в основу графической системы СМОГ, сегодня стали уже классическими, их дальнейшее развитие ориентировано прежде всего на высокоэффективную, многопроцессорную вычислительную технику и Интернет-технологии.

стр. 

в оглавление

Версия для печати  
(постоянный адрес статьи) 

http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?18+157+1