Глава 1. Введение в машинную графику

Посвящается нашим женам:

Нэнси А. Роджерс и Вирджинии Ф. Адаме

и нашим семьям:

Стивену, Карен и Рэнсому Роджерс и Линн, Дэвиду и Алану Адаме

В настоящее время машинная графика, представляет собой достаточно развитую отрасль знания, однако некоторые термины и определения по-прежнему трактуются очень широко. Например, такие понятия, как САПР, интерактивная графика, машинная графика, АСТПП, часто используются либо в разных значениях, либо так, что в значительной степени теряется их точный смысл. Наиболее типичным термином такого рода является «САПР», что означает любое применение компьютера для проектирования отдельных» деталей, узлов или систем. Однако такое использование компьютера необязательно предусматривает включение машинной графики, ведь процесс проектирования может осуществляться на концептуальном уровне, на уровне деталировки либо ориентироваться на интерфейс с АСТПП.

В АСТПП компьютер используется для управления процессом промышленного производства. Для АСТПП требуется язык программирования, позволяющий задавать геометрию и траекторию перемещения обрабатывающего инструмента, например язык APT (язык программирования станков с ЧПУ), для генерирования команд управления инструментом станка. Контроллер станка, как правило, представляет собой микро- или миникомпьютер, для которого САПР может непосредственно формировать необходимые команды управления. Одновременно можно создавать массив данных в стандартном формате, например IGES (формат передачи графических данных). Для преобразования полученных данных в формат команд конкретного станка используются специальные программы. На рис. 1-1 показан типичный обрабатывающий центр с ЧПУ и контроллером.

Компьютер в машинной графике используется для описания изображений, их хранения, манипулирования ими, их вызова и визуализации, т. е. в основном для пассивных операций. Компьютер выводит на экран предварительно подготовленное изображение, и наблюдатель не может непосредственно управлять изображением, прежде чем оно появится на экране. В каждом конкретном случае изображение может быть либо таким простым, как, например, графики простых функций, либо столь сложным, как визуализация результатов моделирования процесса автоматического полета и посадки самолета или космического корабля.

Рис. 1-1 Обрабатывающий центр с ЧПУ.

В динамической интерактивной машинной графике (в дальнейшем просто интерактивной графике) компьютер используется для подготовки и визуализации графических данных. Однако интерактивная графика позволяет наблюдателю в реальном масштабе времени влиять на весь процесс представления изображения. Чтобы убедиться в серьезности ограничений, определяемых условиями работы в реальном времени, рассмотрим задачу вращения объемного изображения, состоящего из 1000 линий, со скоростью 15 град/с.

Как мы увидим в дальнейшем, картинка из 1000 линий в большинстве случаев представляется матрицей 1000 х 4 однородных координат конечных точек линий. Вращение, как правило, представляется путем умножения этой матрицы на матрицу преобразования размером 4x4. Для проведения такого матричного Умножения требуется выполнить 16 тыс. операций умножения, 12 тыс. операций сложения и 1 тыс. операций деления вещественных чисел. Если умножение осуществляется программно, то для того чтобы выполнить все операции вращения, может потребоваться значительное время. Обычный универсальный компьютер с процессором вещественной арифметики, способным выполнять операции умножения с быстродействием 3.6 мкс, сложения — за 2.6 мкс и деления со скоростью 5.2 мкс, может выполнить такое матричное умножение за 0.1 с. Поскольку для того, чтобы картинка, на экране начала двигаться, она должна перерисовываться не менее 30 раз в секунду, то становится очевидным, что в случае с данным примером картинка не сможет непрерывно перемещаться по экрану. Даже если предположить, что изображение обновляется только 15 раз в секунду, т.е. при повороте на каждый градус, то и в этом случае программная реализация не позволяет получить эффект непрерывного вращения и исключает возможность получения действительно реалистичных изображений. Существует множество способов достижения реального интерактивного режима визуализации изображения: использование более мощного дополнительного компьютера или более тщательное программирование, уменьшающее время выполнения матричного умножения. Однако в любом случае обязательно будет достигнут момент, когда всякое дальнейшее улучшение станет уже невозможным. Уменьшение сложности изображения также не даст нужного эффекта, так как при этом может оказаться неприемлемым качество картинки. Однако операция матричного умножения, необходимая для манипулирования изображением из нашего примера, для действительно очень сложных картинок может осуществляться на уровне микропрограмм или с помощью специализированных цифровых умножителей, применение которых всегда было наиболее эффективным и экономичным. На основе введенной терминологии в следующих разделах главы предлагается обзор машинной графики и обсуждаются различные типы современных графических устройств.