Моделирование объекта в трехмерном пространстве

КурсоваяПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Параметрическое представление кривых выбирается по целому ряду причин, в том числе потому, что зачастую объекты могут иметь вертикальные касательные. При этом аппроксимация кривой y = f (x) аналитическими функциями была бы невозможной. Кроме того, кривые, которые надо представлять, могут быть неплоскими и незамкнутыми. Наконец, параметрическое представление обеспечивает независимость… Читать ещё >

Моделирование объекта в трехмерном пространстве (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Введение

1. Постановка задачи

2. Подготовка рабочей среды в AutoCAD

2.1 Общие сведения

2.2 Настройка видов

2.3 Определение параметров вывода на печать

2.4 Настройка параметров чертежа

2.4.1 Установка размера чертежа

2.4.2 Установка точности линейных и угловых единиц измерения

2.4.3 Установка шага курсора и координатной сетки

3. Выбор используемых элементов модели, стилей

3.1 Выбор используемых стилей

3.1.1 Текстовые стили

3.1.2 Размерные стили

3.2 Штриховка

3.3 Двумерные графические примитивы

3.4 Трёхмерные графические примитивы

4. Метод построения модели

4.1 Построение с использованием отношений

4.2 Построение с использованием преобразований

4.3 Построение кривых

4.4 Построение поверхностей

5. Тип модели

6. Удаление скрытых линий и поверхностей. Реалистичное представление сцен

6.1 Удаление скрытых линий и поверхностей

6.1.1 Классификация методов удаления невидимых частей

6.1.2 Алгоритмы удаления линий

6.1.3 Подавление скрытых линий и раскрашивание

6.2 Реалистичное представление сцен

6.2.1 Модели закраски

6.4 Освещение и тени

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Компьютерной графикой 3D (в отличие от компьютерной графики 2D) являются графика, которая использует трехмерное представление геометрических данных, которые хранятся в компьютере для проведения расчетов и обработки 2D изображений. Такие образы могут использоваться для последующего просмотра или для представления предмета в режиме реального времени. Несмотря на различия, компьютерная графика 3D полагается на те же алгоритмы компьютера, что и 2D векторная графика в каркасной модели и 2D растровая графика. В программном обеспечении компьютерной графики различие между 2D и 3D иногда стерто: 2D-приложения могут использовать 3D методы достижения таких эффектов, как освещение, так же как и представление 3D может использовать методы визуализации представления 2D. Компьютерную графику 3D часто называют 3D-моделью. Однако есть и отличия. 3D модель является математическим представлением любого трехмерного объекта. Благодаря 3D печати, 3D модели не ограничиваются виртуальным пространством. Модель может быть отображена визуально, как двухмерное изображение с помощью процесса, называемого 3D-рендеринга, или использована в других, неграфических, компьютерных симуляциях и расчетах.

Трехмерная компьютерная графика и автоматизация проектирования в AutoCAD 2007 представляет собой достаточно мощную среду трехмерного черчения, особенно в области твердотельного моделирования. В AutoCAD 2007 инструменты твердотельного моделирования, присутствовавшие во всех предыдущих версиях, были значительно доработаны и улучшены. AutoCAD уже не является системой автоматического проектирования (САПР) двухмерного черчения с добавлением средств для работы в трехмерном пространстве, а представляет собой мощный пакет, позволяющий как создавать традиционные чертежи, так и профессионально работать с трехмерными моделями.

1. Постановка задачи Целью курсового проекта является приобретение студентами практических навыков проектирования, моделирования, редактирования, форматирования объектов в графической системе AutoCAD. В процессе выполнения курсового проекта необходимо ознакомиться со средствами и методами данного графического редактора, а также научиться применять их на практике.

Согласно варианту № 12 необходимо:

Начертить общий вид объекта, проставить размеры;

Начертить вид спереди, вид сверху, вид сбоку, вид сбоку в разрезе на плоскости и в пространстве;

Смоделировать объект в трехмерном пространстве.

Рисунок 1.1 — Задание на курсовой проект Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

научиться наносить размеры на объект;

изучить свойства размерных линий;

рассмотреть различные способы простановки размеров;

научиться настраивать слои и стили;

освоить применение графических примитивов (Line, Polyline, Circle и т. д.), их свойства и способы модификации;

научиться применять метод Extrude — выдавливание объекта из 2D в 3D модель, метод Subtract — вычитания объема одного набора тел из другого;

при работе с трехмерной графикой освоить функции работы с трехмерными объектами;

научиться создавать разрез объекта в трехмерном пространстве (метод Slice — разрезание набора тел плоскостью);

изучить работу с источниками света (Light), создание сцены (Scene), применение текстур (Materials) для представления объекта.

2. Подготовка рабочей среды в AutoCAD

2.1 Общие сведения Запустить систему AutoCAD в операционной среде Windows можно следующим образом:

— С помощью использования меню программ;

— Двойным щелчком на ярлыке AutoCAD на рабочем столе.

При первом запуске Рабочий стол AutoCAD настроен по умолчанию (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Окно программы В рабочий стол AutoCAD для Windows включены:

— падающие меню — верхняя строка непосредственно под заголовком окна программы.

Необязательные панели инструментов:

— Стандартная и Стили — вторая строка от заголовка

— Слои и Свойства — третья строка

— Рисование и Редактирование — столбцы слева и справа

— строка состояния — строка внизу окна программы

— окно командных строк — выше строки состояния

— графическое поле, занимающее остальную часть Рабочего стола.

Чертежи системы AutoCAD хранятся в файлах с расширением dwg. Имена файлов могут содержать русские и латинские буквы, цифры, специальные знаки (@, #, $, &, -), а так же пробелы. Остальные символы, как правило, не допускаются, т. к. являются служебными и могут быть неправильно интерпретированы операционной системой Windows.

2.2 Настройка видов

Назначение: Разделяет экран на несколько видовых экранов, каждый из которых может содержать отдельное изображение чертежа.

Вызов команды: Командная строка: VPORTS

Выпадающее меню: View > Viewports

Инструментальная панель: Viewports>Display Viewports Dialog

В ответ на команду система открывает диалоговое окно Viewports.

Окно содержит две вкладки.

Вкладка New Viewports (Новые видовые экраны) (рисунок 2.2) позволяет задать новые видовые экраны. Вкладка содержит следующие элементы управления: поле ввода, список, два раскрывающихся списка и одну панель.

Рисунок 2.2 — Создание новых видовых экранов Поле ввода New name (именованные видовые экраны) позволяет задать имя новой конфигурации видовых экранов.

Список Standard viewports (стандартные окна) позволяет выбрать одну из стандартных конфигураций видовых экранов.

Раскрывающийся список Apply to (применить к) позволяет применить выбранную конфигурацию видовых экранов либо ко всему графическому экрану, либо только к текущему видовому экрану. Использование последнего режима позволяет делить текущий видовой экран еще на несколько частей.

Раскрывающийся список Setup позволяет задать стандартные начальные виды в создаваемых видовых экранах. При выборе пункта 2D изображения во всех вновь создаваемых видовых экранах будут соответствовать текущему изображению на графическом экране. При выборе пункта 3D во вновь создаваемых графических экранах будет сформирован стандартный набор ортогональных и изометрических видов.

Панель Preview предназначена для предварительного просмотра новой конфигурации видовых экранов и задания начальных видов в этих экранах. Панель содержит графическое поле и один раскрывающийся список.

Графическое поле отображает видовые экраны выбранной конфигурации так, как они будут расположены на графическом экране системы. На изображении каждого видового экрана отображается имя вида, который будет установлен в данном видовом экране.

Раскрывающийся список Change view to позволяет указать один из стандартных или именованных видов, который требуется установить в выбранном видовом экране. Выбор экрана, в котором требуется установить новый вид, производится нажатием левой кнопки мыши на изображении соответствующего видового экрана на графическом поле панели Preview. Выбранный видовой экран изображается в двойной рамке.

Вкладка Named Viewports (рисунок 2.3) позволяет выбрать именованную конфигурацию видовых экранов. Вкладка содержит информационное поле, список и одну панель.

Информационное поле Current name отображает имя текущей конфигурации видовых экранов.

Список Named viewports позволяет выбрать одну из именованных конфигураций видовых экранов, имеющихся в чертеже.

Панель Preview содержит графическое поле, предназначенное для предварительного просмотра выбранной конфигурации видовых экранов.

Рисунок 2.3 — Выбор именованной конфигурации видовых экранов Замечания: Работа в режиме нескольких видовых экранов ведется так же, как и в случае единого видового экрана, развернутого во весь графический экран системы. При этом указание точек и объектов в ответ на запросы вводимых команд производится в текущем видовом экране (отображается в толстой рамке).

Все новые построения и изменения объектов, произведенные в текущем видовом экране, автоматически воспроизводятся во всех остальных видовых экранах.

Для выбора нового текущего видового экрана необходимо перевести курсор в пределы данного экрана и нажать левую кнопку мыши. Смену текущего видового экрана можно производить в процессе выполнения команды. В каждом видовом экране могут быть установлены собственные системы координат.

Смена вида в текущем видовом экране производится обычными средствами системы.

2.3 Определение параметров вывода на печать

Параметры печати задаются на вкладке Печать/Публикация диалогового окна Настройка (рисунок 2.4), где выбираем принтер, использующейся для печати.

Рисунок 2.4 — Диалоговое окно определения параметров вывода на печать.

2.4 Настройка параметров чертежа

2.4.1 Установка размера чертежа Имеется возможность установить лимиты рисунка, т. е. ограничивающий его воображаемый прямоугольник. При включении сетки ее узлы отображаются только в пределах лимитов.

Лимиты должны полностью охватывать полномасштабную модель. Например, если она имеет размеры 100×200 мм, значения лимитов должны слегка превышать эти цифры.

В пространстве листа лимиты обычно задают равными формату листа бумаги.

Следовательно, сетка (если он включена) покрывает при этом весь скомпонованный чертеж, включая графические объекты, размерные элементы, основную надпись и т. п. Например, если формат листа равен 210×297 мм, следует установить десятичный формат единиц и определить лимиты заданием точек 0,0 (левый нижний угол прямоугольника) и 210,297 (правый верхний угол).

Для изменения лимитов рисунка необходимо:

а) Из меню Format (Формат) выбрать Limits (Лимиты).

б) Указать левый нижний лимит, соответствующий левому нижнему углу листа. При нажатии ENTER без ввода значения принимается лимит по умолчанию (0,0).

в) Указать правый верхний лимит, соответствующий правому верхнему углу листа.

г) Дважды щелкнуть на слове Grid (Сетка) в строке состояния или нажать F7. После этого из меню View (Вид) выбрать Zoom (Показать), затем All (Все).

Экранное увеличение меняется так, чтобы был виден весь рисунок в его лимитах.

В командной строке используется команда: Limits (ЛИМИТЫ).

2.4.2 Установка точности линейных и угловых единиц измерения В среде разработки AutoCAD имеется возможность установки точности ли линейных и угловых единиц измерения. Установка производится через меню Format (Формат) командой Units (Единицы) (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 — Единицы чертежа

AutoCAD округляет все значения величин в соответствии с указанной точностью ввода.

По умолчанию используется десятичный формат представления единиц (Измерения производятся в мм).

2.4.3 Установка шага курсора и координатной сетки Установка шага курсора и координатной сетки производится через меню Tools (Сервис) командой Drafting Settings (Режимы рисования) (рисунок 2.6).

В окне настроек имеется 4 вкладки:

— Шаг и сетка;

— Отслеживание;

— Объектная привязка;

— Динамический ввод.

Рисунок 2.6 — Режимы рисование Настройка шага курсора и координатной сетки производится в первой вкладке. Чтобы включить шаг, необходимо установив флажок On в поле Шаг Вкл, для сетки — в поле Сетка Вкл. Далее можно задать необходимое значение шага движения курсора и задать необходимое значение интервала для узлов сетки.

3. Выбор используемых элементов модели, стилей

3.1 Выбор используемых стилей

3.1.1 Текстовые стили Текстовый стиль — это поименованная совокупность значений параметров, которые определяют общие стилевые особенности и отличительные детали рисунка символов. Текстовые стили можно создавать, модифицировать, удалять, переименовывать и переносить на другой чертеж.

Работа с текстовыми стилями осуществляется с помощью команды STYLE (СТИЛЬ), которой соответствует пункт Text Style (Текстовые стили) падающего меню Format (Формат) и кнопка панелей Text (Текст) и Styles (Стили). Диалоговое окно Text Style представлено на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Диалоговое окно Стиль текста В этом окне находится раскрывающийся список стилей, имеющихся в данном рисунке. Описываются параметры шрифта, использованные в текущем стиле: имя шрифта, начертание (курсив и т. п.) и высота букв, различные эффекты (переворачивание, растяжение и др.). Имена, слева от которых нарисован значок , — это имена традиционных SHX-шрифтов AutoCAD, которые хранятся в папке Fonts программного обеспечения системы AutoCAD, в файлах с расширением shx. Имена, слева от которых нарисован значок — это шрифты типа True Type, установленные в Windows. Оба типа шрифтов доступны для использования в текстовом стиле.

Стиль Standard, базирующийся на шрифте txt. shx и действующий по умолчанию в новом рисунке, не может быть ни удален с помощью кнопки Delete (Удалить), ни переименован с помощью кнопки Rename (Переименовать) панели Text Style (Текстовые стили). Этот стиль может быть лишь изменен (путем изменения параметров стиля или имени файла шрифта).

Область Effects (Эффекты) содержит несколько возможностей влияния на шрифты или стиль написания (Upside down переворачивает буквы вверх ногами, Backwards заставляет писать буквы справа налево, Vertical располагает буквы надписи по вертикали, Width Factor служит для растяжения или сжатия шрифтов относительно их эталонного написания, Oblique Angle задает угол наклона букв относительно вертикали).

Созданный описанной выше последовательностью действий текстовый стиль может быть в дальнейшем использован для новых или редактирования уже имеющихся в рисунке однострочных текстов.

3.1.2 Размерные стили Основанием для определения величины изображенной детали и ее фрагментов служат размерные числа, нанесенные на чертеже. До тех пор пока размеры не определены, чертеж малопонятен и не может быть документом, по которому изготавливается деталь. Процесс нанесения размеров является одним из самых трудоемких при подготовке проектно-конструкторской документации. Система AutoCAD также обладает обширными возможностями для нанесения размеров на подготовленное изображение проектируемой детали.

Работа с размерными стилями выполняется с помощью пункта Dimension Style (Размерные стили) падающего меню Format (Формат).

Если новый рисунок создается с помощью простейшего шаблона, то в рисунке будет лишь один размерный стиль с именем ISO-25.

Команда DIMSTYLE открывает диалоговое окно Dimension Style Manager (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 — Диалоговое окно Dimension Style Manager

Строка Current Dimstyle (Текущий размерный стиль) показывает имя того размерного стиля, который является активным (текущим) — им выполняется оформление новых размеров в рисунке в данный момент. Перечень стилей отображается в левом поле Styles (Стили). Ниже перечня находится раскрывающийся список фильтра стилей List (Вывести в список). В нем можно выбрать опции All styles (Все стили) или Styles in use (Задействованные стили). Флажок Don’t list styles in Xrefs позволяет не включать в перечень стили, порожденные вставкой в рисунок внешних ссылок.

В центральной части диалогового окна поле просмотра Preview of (Образец стиля) показывает внешний вид размеров, создаваемых данным стилем. Ниже, в поле Description (Описание), приводится комментарий к действующему стилю. В правой части окна находятся следующие кнопки:

Set Current (Установить), New (Новый), Modify (Изменить), Override (Переопределить), Compare (Сравнить).

Чтобы изменить стиль, следует нажать кнопку Modify (Изменить). Вслед за этим появится диалоговое окно Modify Dimension Style (Изменяемый размерный стиль), имеющее шесть вкладок (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 — Диалоговое окно Modify Dimension Style, вкладка Text

Параметры простановки размеров, собранные в этой вкладке.

Вкладка Lines and Arrows содержит области, такие как Dimension Lines (Размерные линии) — установки построения размерных линий: Color (Цвет), Lineweight (Вес линии), Extend beyond ticks (Удлинение за выносные), Baseline spacing (Шаг в базовых размерах), Suppress Dim Line 1 (2) (Подавить 1-ю (2-ю) размерную), Extension Lines (Выносные линии) — содержит похожие установки, но уже для выносных линий, Arrowheads (Стрелки) — содержит соответствующие раскрывающиеся списки допустимых значений формы стрелок размерных линий и выноски, а также поле, определяющее величину стрелок.

Вкладка Text описывает установки размерного текста и содержит следующее: Text style (Текстовый стиль), Text color (Цвет текста), Text height (Высота текста, Fraction height scale (Масштаб дробей).

Вкладка Primary Units (Основные единицы) определяет параметры настройки единиц размерных чисел. Содержит: Unit format (Формат единиц), Precision (Точность), Fraction format (Формат дробей), Decimal separator (Десятичный разделитель), Round off (Округление), Prefix (Префикс), Suffix (Суффикс).

3.2 Штриховка Штрихование — это заполнение указанной области по определенному образцу.

Команда ВНАТСН, формирующая ассоциативную штриховку, вызывается из падающего меню Draw > Hatch… или щелчком мыши по пиктограмме Hatch на панели инструментов Draw. При обращении к команде ВНАТСН загружается диалоговое окно Boundary Hatch and Fill, показанное на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 — Диалоговое окно штриховки Команда ВНАТСН позволяет наносить не только ассоциативную, но и не ассоциативную штриховку. Ассоциативность здесь означает, что при изменении границ контура изменяется и штриховка. Не ассоциативная штриховка не зависит от контура границы.

Определение контура в команде ВНАТСН производится автоматически на основании указания точки, принадлежащей штрихуемой области.

Все объекты, полностью или частично попадающие в область штриховки и не являющиеся ее контуром, игнорируются и не влияют на процесс штриховки.

В некоторых случаях контур содержит выступающие края и островки, которые можно либо штриховать, либо пропускать. Островками называются замкнутые области, расположенные внутри области штрихования.

Команда ВНАТСН позволяет штриховать область, ограниченную замкнутой кривой, как путем простого указания внутри контура, так и путем выбора объектов.

При этом контур определяется автоматически, а любые целые примитивы и их составляющие, которые не являются частью контура, игнорируются.

В поставку AutoCAD входит более 50 образцов штриховки, удовлетворяющих промышленным стандартам и служащих для обозначения различных компонентов объектов или графического представления различных материалов. В программе имеется 14 образцов штриховки, удовлетворяющих стандартам ISO (Международной организации по стандартизации).

Для штриховки по стандарту ISO можно задать ширину пера, которая определяет вес линии образца. Помимо образцов, поставляемых с AutoCAD, можно использовать образцы из внешних библиотек.

Выбор образца штриховки осуществляется в области Pattern:. Удобно пользоваться как раскрывающимся списком, так и диалоговым окном Hatch Pattern Palette, показанным на рисунке 3.5 — там содержатся пиктограммы с графическими образцами различных штриховок. Для выбора образца штриховки достаточно указать его изображение.

Рисунок 3.5 — Диалоговое окно с образцами штриховки Для использования стандартных образцов штриховок необходимо в области Туре: выбрать из раскрывающегося списка пункт Predefined. Имя образца штриховки запоминается в системной переменной HPNAME.

Текстовые поля Scale: и Angle: позволяют задать масштабный коэффициент и угол наклона для выбранного образца штриховки. При этом введенные параметры запоминаются в системных переменных HPSCALE и HPANG.

Чтобы создать новый пользовательский образец штриховки, надо в области Туре: выбрать из раскрывающегося списка пункт User defined. При этом следует задать угол наклона в поле Angle, расстояние между линиями штриховки — в поле Spacing: и, если необходимо, поставить флажок Double для отрисовки дополнительных линий под углом 90° к основным линиям штриховки.

В закладке Gradient диалогового окна Boundary Hatch and Fill, показанного на рисунке 3.6, устанавливаются параметры градиентной заливки, которая может состоять из оттенков одного цвета или представлять собой плавный переход из одного цвета в другой.

Рисунок 3.6 — Диалоговое окно градиентной заливки Ассоциативность штриховки устанавливается в области Composition выбором одного из параметров: Associative или Noassociative.

Для автоматического определения контура штриховки путем указания точек необходимо нажать кнопку Pick Points. При этом выдается запрос:

— Select internal point: — указать внутреннюю точку;

— Selecting everything... — осуществляется выбор всех объектов;

— Selecting everything visible… — осуществляется выбор всех видимых объектов;

— Analyzing the selected data… — осуществляется анализ выбранных данных;

— Analyzing internal islands …—осуществляется анализ внутренних островков;

— Select internal point:—указать внутреннюю точку;

— Analyzing internal islands… —осуществляется анализ внутренних островков;

— Select internal point: —нажать клавишу Enter по завершении выбора штрихуемой области.

При определении нескольких контуров штриховки необходимо выбрать несколько внутренних точек, а затем нажать клавишу Enter.

Если AutoCAD определяет, что контур не замкнут или точка находится не внутри контура, то на экране появляется диалоговое окно Boundary Definition Error с сообщением об ошибке.

Для выбора любым стандартным способом объектов в качестве контура штриховки необходимо нажать кнопку Select objects.

Контуры штриховки могут представлять собой любую комбинацию отрезков, дуг, окружностей, двумерных полилиний, эллипсов, сплайнов, блоков и видовых экранов пространства листа. Каждый из компонентов контура должен хотя бы частично находиться в текущем виде. По умолчанию AutoCAD определяет контуры путем анализа всех замкнутых объектов рисунка.

Когда штрихование производится стилем Normal, островки остаются незаштрихованными, а вложенные островки штрихуются, как показано на рисунке 3.7. При этом штрихование производится вовнутрь, начиная от внешнего контура. Если обнаружено внутреннее пересечение, штрихование прекращается, а на следующем пересечении возобновляется. Таким образом, данный стиль задает штрихование областей, отделенных от внешней части нечетным числом замкнутых контуров; области, отделенные четным числом контуров, не штрихуются.

При использовании игнорирующего Ignore и внешнего стиля Outer штриховка аналогичного контура выглядит иначе (рисунок 3.8, 3.9). Стиль Ignore задает штрихование всей области, ограниченной внешним контуром, без учета вложенных контуров.

Рисунок 3.7 — Пример контура, заштрихованного стилем Normal

Рисунок 3.8 — Пример контура, заштрихованного стилем Ignore

При использовании стиля Outer штрихование производится от внешнего контура и окончательно прекращается при первом обнаруженном пересечении. Стили Normal, Ignore и Outer устанавливаются в области Island detection style на вкладке Advanced диалогового окна Boundary Hatch (Штриховка и градиент) (рисунок 3.10).

Если на пути линии штриховки встречаются текст, атрибут, форма, полоса или закрашенная фигура и данный объект входит в набор контуров, AutoCAD не наносит на него штриховку. В результате, например, читаемость текста, размещенного внутри заштрихованного контура, не ухудшается. Если же перечисленные объекты также нужно заштриховывать, следует воспользоваться стилем Ignore.

Рисунок 3.9 — Пример контура, заштрихованного стилем Outer

Рисунок 3.10 — Диалоговое окно определения стилей штриховки Выбор образца штриховки можно осуществить в окне инструментальной палитры перетащив образец штриховки на заданный контур.

3.3 Двумерные графические примитивы Любой рисунок может быть разбит на простейшие части, которые в системе AutoCAD носят название примитивов. Примитивы могут быть простыми и сложными. К простым примитивам относятся следующие объекты: точка, отрезок, круг (окружность), дуга, прямая, луч, эллипс, сплайн, текст.

В курсовом проекте при построении осевых линий и проекций использованы двумерные элементы, такие как отрезок, прямоугольник, полилинии. Все рассматриваемые команды группируются в меню Draw.

Отрезок — является одним из наиболее простых и часто используемых примитивов.

Командная строка: LINE (L)

Инструментальная панель: Draw > LINE

В ответ на команду система выдает первый запрос:

Specify first point (Задайте первую точку):

Возможные ответы:

— ввести координаты точки начала отрезка прямой линии (указать местоположение точки начала линии на экране);

Дополнительный запрос: Length of line (Длина отрезка):

Последующие запросы системы:

Specify next point or [Close/Undo] (Задайте следующую точку):

Возможные ответы:

— ввести координаты конечной точки следующего отрезка прямой линии (указать местоположение точки конца следующей линии на экране);

— ввести С, если необходимо соединить текущую и первую точки ломаной линии (получить замкнутый многоугольник).

Толщина линий, вычерчиваемых с помощью команды LINE, не задается и соответствует толщине, установленной для текущего слоя.

Прямоугольник Команда RECTANGLE

Назначение: используется для вычерчивания прямоугольников

Командная строка: RECTANGLE (REC)

Инструментальная панель: Draw > Rectangle

В ответ на команду система выдает запрос и список дополнительных параметров:

Specify first corner point or [Chamfer/Elevation/Fillet/Thickness/Width]:

Возможные ответы:

ввести с помощью клавиатуры координаты первой из двух диагональных точек, определяющих прямоугольник (указать местоположение первого угла прямоугольника на экране).

Второй запрос системы: Specify other corner point:

Возможные ответы:

ввести с помощью клавиатуры координаты точки другого диагонального угла прямоугольника (указать графическим курсором другую вершину прямоугольника).

Команда RECTANGLE формирует полилинию, поэтому прямоугольник можно рассматривать как единый объект.

Полилиния Команда PLINE

Назначение: служит для вычерчивания линии заданной толщины, состоящей из непрерывной последовательности отрезков прямых линий и дуг окружностей.

Командная строка: PLINE (PL)

Инструментальная панель: Draw > Polyline

В ответ на команду система выдает запрос:

Specify start point (Задайте начальную точку):

Возможные ответы:

— ввести координаты точки начала полилинии (указать местоположение точки начала полилинии на экране).

После ввода данных в командной строке появляется сообщение о текущей толщине полилинии, а в следующей строке приводится запрос системы и список параметров команды:

Current line-width is 0.0000 (Текущая ширина линии равна 0.0000)

Specify next point or [Arc/Halfwidth/Length/Undo/Width]:

По умолчанию используется режим вычерчивания отрезков прямых линий.

Возможные ответы на запрос системы по умолчанию:

— ввести координаты конечной точки отрезка прямой линии (указать местоположение точки конца отрезка на экране).

Иные возможные ответы в режиме вычерчивания отрезков прямых линий:

С используется, если необходимо соединить начальную и текущую точки полилинии отрезком прямой; после вычерчивания этого отрезка система заканчивает работу с командой;

А используется для построения дуги окружности при известном центральном угле, при этом система инициирует следующие запросы:

Specify included angle:

Specify endpoint of arc or [Cеnter/Radius]:

СЕ (для последующего ввода численных значений координат центра дуги) или R (для последующего ввода численных значений радиуса дуги).

L используется для перехода к режиму вычерчивания отрезков прямых линий.

3.4 Трёхмерные графические примитивы Система AutoCAD включает в себя достаточно широкий спектр средств трехмерного моделирования. Они позволяют работать как с простейшими примитивами, так и со сложными поверхностями и твердыми телами.

В курсовом проекте при построении 3D модели использованы такие элементы, как параллелепипед, цилиндр. Все рассматриваемые команды группируются в меню Draw>Solids.

4. Метод построения модели

4.1 Построение с использованием отношений Построение с использованием отношений заключается в том, что задаются:

— элемент, подлежащий построению;

— список отношений и элементы, к которым относятся отношения.

При общем способе реализации построение по заданным отношениям можно представить в виде процедуры состоящей из двух шагов:

— на основе заданных типов отношений, элементов и параметров строится система алгебраических уравнений;

— решается построенная система уравнений.

Очевидное достоинство такого способа — простота расширения системы для введения нового отношения достаточно просто написать соответствующие уравнения.

Основные проблемы такого способа заключаются в следующем:

— построенная система уравнений может иметь несколько решений, поэтому требуется выбрать одно из них, например, в диалоговом режиме;

— система уравнений может оказаться нелинейной, решаемой приближенными методами, что может потребовать диалога для выбора метода приближенного решения.

В связи с отмеченными проблемами общий подход реализован только в наиболее современных системах и при достаточно высоком уровне разработчиков в области вычислительной математики. Большинство же систем реализует частный подход.

Преимущества такого подхода ясны — проще писать систему. Не менее очевидны и недостатки, когда пользователю требуется использовать сильно разветвленные меню и/или запоминать маловразумительные сокращения или пиктограммы, так как обычно число требуемых вариантов построения исчисляется сотнями.

4.2 Построение с использованием преобразований Построение нового объекта с использованием преобразований заключается в следующем:

— задается преобразуемый объект;

— задается преобразование (это может быть обычное аффинное преобразование, определяемое матрицей, или некоторое деформирующее преобразование, например, замена одного отрезка контура ломаной);

— выполнение преобразования; в случае аффинного преобразования для векторов всех характерных точек преобразуемого объекта выполняется умножение на матрицу; для углов вначале переходят к точкам и затем выполняют преобразование.

В курсовом проекте используются два основных способа формирования геометрических элементов моделей — это построение по заданным отношениям (ограничениям) и построение с использованием преобразований.

4.3 Построение кривых Важное значение при формировании как 2D, так и 3D моделей имеет построение элементарных кривых. Кривые строятся, в основном, следующими способами:

— той или иной интерполяцией по точкам;

— вычислением конических сечений;

— расчетом пересечения поверхностей;

— выполнением преобразования некоторой кривой;

— формированием замкнутых или разомкнутых контуров из отдельных сегментов, например, отрезков прямых, дуг конических сечений или произвольных кривых.

В качестве последних обычно используются параметрические кубические кривые, так как это наименьшая степень, при которой обеспечиваются:

— непрерывность значения первой (второй) производной в точках сшивки сегментов кривых;

— возможность задания неплоских кривых.

Существует много методов описания параметрических кубических кривых. К наиболее применяемым относятся:

— метод Безье, широко используемый в интерактивных приложениях, в нем задаются положения конечных точек кривой, а значения первой производной задаются неявно с помощью двух других точек, обычно не лежащих на кривой;

— метод В-сплайнов, при котором конечные точки не лежат на кривой и на концах сегментов обеспечивается непрерывность первой и второй производных.

В форме Безье кривая в общем случае задается в виде полинома Бернштейна. При этом крайние точки управляющей ломаной и кривой совпадают, а наклоны первого и последнего звеньев ломаной совпадают с наклоном кривой в соответствующих точках.

Используются и многие другие методы, например, метод Эрмита, при котором задаются положения конечных точек кривой и значения первой производной в них.

Общее в упомянутых подходах состоит в том, что искомая кривая строится с использованием набора управляющих точек.

4.4 Построение поверхностей Основные способы построения поверхностей:

— интерполяцией по точкам;

— перемещением образующей кривой по заданной траектории (кинематический метод);

— деформацией исходной поверхности;

— построением поверхности эквидистантой к исходной;

— кинематический принцип;

— операции добавления/удаления в структуре;

— теоретико-множественные (булевские) операции.

Широко используется бикубические параметрические куски, с помощью которых сложная криволинейная поверхность аппроксимируется набором отдельных кусков с обеспечением непрерывности значения функции и первой (второй) производной при переходе от одного куска к другому.

Аналогично случаю с параметрическими кубическими кривыми, наиболее применимыми являются:

— форма Безье;

— форма В-сплайнов;

— форма Эрмита.

5. Тип модели Система AutoCAD позволяет работать как простейшими примитивами, так и со сложными поверхностями и твердыми телами. Базовые типы пространственных моделей, используемых в AutoCAD, можно условно разделить на три группы:

— каркасные модели;

— модели поверхностей;

— твердотельные модели.

Каркасная модель — это совокупность отрезков и кривых, определяющих ребра фигуры. В каркасном моделировании используется трехмерные отрезки, сплайны и полилинии, которые позволяют в общих чертах определить конфигурацию изделия — построить его каркас. Данный вид работы следует рассматривать, главным образом, как этап вспомогательных построений для трехмерного проектирования более высокого уровня.

Поверхностная модель — это совокупность поверхностей, ограничивающих и определяющих трехмерный объект в пространстве, Моделирование поверхностей применяется для детальной отработки внешнего облика изделия. Моделирование с помощью поверхностей является более сложным процессом, так как здесь описываются не только ребра трехмерного объекта, но и его грани. Создаваемые при этом объекты характеризуются лишь конфигурацией своей поверхности и поэтому не пригодны для решения таких задач, как определение информационно-массовых характеристик изделия или получение необходимых изображений для оформления чертежей. Область применения данного вида моделирования — дизайн, решение задач компоновки сложных изделий и т. п. Набор средств моделирования поверхностей системы весьма широк и позволяет создавать пространственные объекты практически любой формы.

Твердотельное моделирование является основным видом трехмерного проектирования изделий машиностроения. Создаваемые в ходе такого моделирования тела воспринимаются системой как некие единые объекты, имеющие определенный объем. Твердотельные модели могут подвергаться различным расчетам, в том числе методом конечных элементов.

При выполнении курсового проекта в системе AutoCAD использовалось твердотельное моделирование.

Примитивы заданной формы были созданы путем выдавливания, осуществляемого командой Extrude. Из примитивов получают более сложные объемные модели объектов. Запускается команда Extrude из падающего меню Draw > Solids или из плавающей панели инструментов Solids.

При реализации графической части было использовано выдавливание таких примитивов, как многоугольник, круг, область и полилиния. Направление выдавливания задавалось траекторией или указанием глубины и угла конусности.

6. Удаление скрытых линий и поверхностей. Реалистичное представление сцен

6.1 Удаление скрытых линий и поверхностей

6.1.1 Классификация методов удаления невидимых частей Методы удаления невидимых частей сцены можно классифицировать:

а) По выбору удаляемых частей:

1) удаление невидимых линий;

2) удаление невидимых ребер;

3) удаление невидимых поверхностей;

4) удаление невидимых объемов.

б) По порядку обработки элементов сцены:

удаление в произвольном порядке и в порядке, определяемом процессом визуализации;

в) По системе координат:

1) алгоритмы, работающие в пространстве объектов, когда каждая из N граней объекта сравнивается с остальными N-1 гранями (объем вычислений растет как N2),

2) алгоритмы, работающие в пространстве изображения, когда для каждого пиксела изображения определяется какая из N граней объекта видна (при разрешении экрана MЧM объем вычислений растет как M2 ЧN).

6.1.2 Алгоритмы удаления линий Применение — векторные устройства. Могут применяться и в растровых для ускорения процесса визуализации, но при этом не используется основное ценное качество растрового дисплея — возможность закраски поверхностей.

Наиболее известный ранний алгоритм — алгоритм Робертса (1963 г.). Работает с только выпуклыми телами в пространстве объектов. Каждый объект сцены представляется многогранным телом, полученным в результате пересечения плоскостей. Т. е. тело описывается списком граней, состоящих из ребер, которые в свою очередь образованы вершинами.

Вначале из описания каждого тела удаляются не лицевые плоскости, экранированные самим телом. Затем каждое из ребер сравнивается с каждым телом для определения видимости или невидимости. Т. е. объем вычислений растет как квадрат числа объектов в сцене. Наконец вычисляются новые ребра, полученные при протыкании телами друг друга.

6.1.3 Подавление скрытых линий и раскрашивание

Чтобы в процессе разработки дизайна и по окончании формирования трехмерных поверхностных и твердотельных моделей улучшить их визуализацию, используют следующие команды:

HIDE — подавляет скрытые линии на трехмерном изображении объекта;

SHADEMODE — формирует раскрашенное изображение модели на текущем видовом экране;

RENDER — создает реалистическое изображение модели в трехмерном пространстве.

Команда HIDE обеспечивает создание рисунка без скрытых линий. Сложные трехмерные модели часто оказываются перегруженными, что затрудняет их чтение и просмотр результатов выполнения какой-либо команды на объекте. Можно устранить эту проблему, подавив скрытые (невидимые с данной точки зрения) линии. Команда HIDE вызывается из падающего меню View > Hide или щелчком мыши по пиктограмме Hide на плавающей панели инструментов Render. Команда HIDE интерпретирует окружности, фигуры, полосы, широкие сегменты полилиний, трехмерные грани, прямоугольные сети и выдавленные края примитивов как непрозрачные поверхности, скрывающие объекты, которые лежат за ними. Если кругам, фигурам, полосам и широким сегментам полилиний присвоена некоторая высота, то они рассматриваются как сплошные объекты с верхней и нижней поверхностями (телами). Пока невидимые линии не подавлены или не произведено тонирование, тела отображаются в виде каркаса. При таком представлении поверхность тела аппроксимируется ребрами граней и образующими линиями искривленных поверхностей. Количество образующих линий, отображаемых на искривленных поверхностях, задается значением системной переменной ISOLINES в момент создания объекта. При подавлении невидимых линий твердотельного объекта генерируются и удаляются невидимые линии объекта, представленного сетью. Этим процессом управляет системная переменная DISPSILH: если ее значение равно 0, то объект с подавленными линиями отображается в виде сети, если 1 — — в виде силуэтных линий тела. Например, для сферы силуэтной линией будет окружность. Подавленные скрытые линии остаются невидимыми до тех пор, пока не будет произведено какое-либо действие, вызывающее регенерацию, после чего на экране вновь появится изображение в виде каркасной модели. Команда SHADEMODE обеспечивает раскрашивание изображения (удаление невидимых линий и нанесение однотонных цветов на видимые поверхности) на текущем видовом экране. Хотя удаление скрытых линий значительно улучшает восприятие рисунка, изображение модели будет выглядеть более реалистично, если ее раскрасить. При осуществлении этой процедуры на текущем видовом экране AutoCAD автоматически удаляет скрытые линии. Подразумевается, что источник света один и расположен за спиной пользователя («свет из-за плеча»). Команда SHADEMODE вызывается из падающего меню View > Shade; далее выбирается один из вариантов:

— 2D Wireframe — объекты представляются в виде отрезков и кривых, как кромки граней и тел. Видны растровые и OLE-объекты; учитываются типы и веса линий. Даже если системная переменная COMPASS включена, компас на виде не отображается;

— 3D Wireframe — объекты представлены в виде отрезков и кривых, как кромки граней и тел. Появляется цветная трехмерная пиктограмма системы координат. Растровые и OLE-объекты не видны, типы и веса линий не учитываются. Если системная переменная COMPASS включена, на виде отображается компас. Объекты показаны с учетом цветов присвоенных им материалов;

— Hidden — объекты представляются в каркасном виде. При этом линии, относящиеся к задним граням, не отображаются;

— Flat Shaded — грани многоугольников окрашены в некоторый цвет. В отличие от раскрашивания по Гуро, эффектов плавного перехода здесь не создается. Видны материалы, присвоенные объектам;

— Gouraud Shaded — грани многоугольников окрашены в некоторый цвет, причем переходы от одной грани к другой сглаживаются благодаря использованию цветовых оттенков. Видны материалы, присвоенные объектам;

— Flat Shaded, Edges On — комбинация ключей Flat и Wireframe. К граням применяется плоское раскрашивание, каркас просвечивает сквозь них;

— Gouraud Shaded, Edges On — комбинация ключей Gouraud и Wireframe. К граням применяется раскрашивание по Гуро, каркас просвечивает сквозь них.

При вычислении оттенка цвета (то есть яркости) каждой грани учитываются два фактора: угол наклона поверхности к направлению взгляда и установка системной переменной SHADEDIF. Чем больше значение системной переменной, тем выше контрастность отображения.

Чем круче угол наклона поверхности по отношению к направлению взгляда, тем темнее оттенок ее раскраски. Расстояние от точки зрения до объекта при раскрашивании не играет никакой роли. Результаты раскрашивания различны для разных точек зрения. Для достижения наилучшего эффекта рекомендуется поэкспериментировать с различными видами.

Значение диффузного отражения, используемое программой для вычисления оттенка каждой поверхности, определяется системной переменной SHADEDIF. Системная переменная FACETRES регулирует плавность изображения при раскрашивании.

При раскрашивании моделей с помощью команды SHADEMODE невозможно получать блики, перемещать имеющийся источник света и добавлять новые. Все эти эффекты доступны лишь при тонировании, которое выполняется командой RENDER. Скорость раскрашивания повышается с уменьшением площади видового экрана, поэтому для ускорения работы рекомендуется уменьшать видовой экран, насколько это возможно.

6.2 Реалистичное представление сцен

6.2.1 Модели закраски В версии 2007 материал стал свойством объекта. В связи с этим появились дополнительные инструменты, облегчающие работу с материалами. Команда MATERIALS' (МАТЕРИАЛЫ) открывает немодальное окно MATERIALS1 (МАТЕРИАЛЫ), которое отображает параметры материалов загруженных в рисунок (рисунок 6.1).

Прежде чем использовать материалы в объектах чертежа, эти материалы необходимо предварительно загрузить в рисунок. Большое количество материалов доступны в специально созданной для этого группе Materials (Материалы) окна TOOL PALETTES (ПАЛИТРЫ ИНСТРУМЕНТОВ) (рисунок 6.2). Загрузка материала с палитры выполняется простым перетаскиванием в рисунок.

Материалы фактически являются растровыми изображениями, которые отображаются на гранях объектов. Для каждого такого отображения задаются начало отсчета, направления главных осей и параметры дополнительных преобразований, с помощью которых достигаются эффекты отражения, рассеяния, прозрачности, шероховатости, преломления и т. д.

Рисунок 6.1 — Окно MATERIALS

Рисунок 6.2 — Окно Tools Palettes группы Materials

В верхней части окна MATERIALS (МАТЕРИАЛЫ) показаны изображения тех материалов, загрузка которых в рисунок уже выполнена. Загруженный материал можно присвоить объекту с помощью кнопки. Реалистичный стиль позволяет видеть присвоенные объектам материалы. Пример визуализации с отображением материалов показан на рисунок 6.3.

При открытии рисунков с материалами, созданными в более ранних версиях, система должна преобразовать такие материалы в новую структуру. Для этого используется команда CONVERTOLDMATERIALS' (КОНВСТАРМАТ).

6.4 Освещение и тени К рисунку можно добавить источники освещения, которые могут быть четырех типов солнечный свет, удаленный источник, точечный источник и прожектор. Солнечный свет — это аналог освещения, которое зависит от солнца, географического положения, латы и времени суток. Географическое положение пользователя (долгота и широта места) настраивается специальным образом и сохраняется в рисунке.

Удаленный источник прямолинейно распространяет свет в одном направлении, и интенсивность света не меняется с расстоянием.

Точечный источник испускает свет во всех направлениях, и его интенсивность падает с удалением от источника. С помощью точечных источников хорошо имитируются электрические лампы (например, при создании моделей помещений).

Лучи света от прожектора идут в заданном направлении, образуя конус, что создает на освещаемых объектах яркие световые пятна и зоны спада освещенности вокруг световых пятен. Угол конуса, соответствующего световому пятну, должен быть меньше угла полного светового конуса включающего в себя конус светового пятна и зону спада освещенности. Оба угла (угол полного светового конуса и угол конуса соответствующего яркому пятну) находятся в интервале между 0 и 160 градусами.

Точечные источники света и прожекторы оформляются системой как объекты, которые имеют условные изображения (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 — Условные изображения для точечного источника и прожектора Команда P01NTL1GHT (ТОЧЕЧНЫЙСВЕТ) которой соответствует кнопка и пункт меню View | Render | Light | New Point Light (Вид | Тонирование | Свет | Точечный источник), используется для создания точечного источника света. Команда выдает запрос:

Specify source location <0,0,0>;

(Положение источника <0,0,0>.)

Необходимо указать точку размещения объема источника света Точечный источник создается как примитив типа LIGHT с установками по умолчанию. Их можно изменить с помощью следующего запроса:

Enter an option to change

[Name/Intensity/Status/shadoW/Attenuution/Cofar/eXit] :

(Выберите опцию для изменения

[Имя/Интенсивность/Cmатус/Тень/Спад/Цвет/выХод] <�выХод>;)

Перечислим опции:

— Name (Имя) — имя источника;

— Intensity (Интенсивность) — интенсивность (сила), минимальное значение 0;

— Status (Статус) — состояние: oN (Вкл) или oFf (Откл);

— shadoW (Тень) — тип тени: Off (Нет), Sharp (Острая), soFt (Мягкая);

— Attenuation (Спад) — ослабление силы света в зависимости от рас-стояния до предмета.

— Color (Цвет) — цвет источника

— eXit (выХод) — выход из задания свойств точечного источника света Свойства источника света отражаются в окне PROPERTIES (СВОЙСТВА), в котором их можно изменять.

На рисунке 6.4 показан результат тонирования с двумя точечными источниками, установленными перед объектом. На задних стенах дома виден свет, пробивающийся внутрь через отверстия окна и двери.

Specify source location <0,0,0>:

(Положение источника <0,0,0>:)

Требуется начальная точка вектора, определяющего направление света из прожектера. Следующий запрос — о второй точке вектора:

Specify target location <0,0,-10>:

(Положение цели <0,0,-10>:)

Далее появляется запрос о редактировании свойств, значения которых должны быть отличны от значений источника света по умолчанию:

Enter an option to change

[Name/lntensity/Status/Hotspot/Fullof/shadoW/Attenuation/Color/eXit]: (Выберите опцию для изменения

[Имя/Интенсивность/Статус/Пятно/Конус/Тень/Спад/Цвет/выХод] <�выХод>:)

По сравнению с таким же запросом для точечного источника здесь присутствуют две новые опции: Hotspot (Пятно) и Fallof (Конус). Они задают углы яркого пятна и полного конуса прожектора. После создания источника эти параметры можно изменять с помощью ручек (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5 — Ручки прожектора Рисунок 6.6 — Тонирование с прожектором На рисунке 6.6 показан результат тонирования цилиндра, который частично освещен с помощью расположенного выше прожектора.

Specify light directon FROM <0,0,0> or [Vector];

(Направление света ИЗ <0,0,6> или [Вектор];)

Укажите точку, лежащую на луче, имеющем то же направление, что и для нового источника. Далее:

Specify light directon ТО <1,1,1>;

(Направление света В <1,1,1>;)

Укажите вторую точку (по направлению луча). Затем выводится запрос о свойствах:

Enter an option to change

[Name/Intensity/Status/shadoW/Color/eXit] :

(Выберите опцию для изменения

[ИмЯ/Интенсивностъ/Статyс/Тень/Цвет/выХод] <�выХод>:)

Все эти опции знакомы нам по источникам света других типов. Создаваемый бесконечно удаленный источник света не имеет изображения, однако его и другие источники можно, при необходимости, выбрать в специальном окне LIGHTS IN MODEL (СВЕТ В МОДЕЛИ) (рисунок 6.7), которое показывает список всех источников рисунка.

Показать весь текст

Заполнить форму текущей работой