Геометрическое моделирование и этапы его развития.

Основы графического представления информации. Общие сведения о системе AutoCAD

Визуальное представление информации

Инженерная графика – дисциплина, изучающая законы, алгоритмы и средства визуализации информации о геометрических объектах, процессах и явлениях.

Основным средством коммуникации в мире в наше время служит визуализация (визуальная форма передачи информации). 80-90% информации человек воспринимает визуально.

Геометрическим объектом называется предмет, составляющий часть внешнего материального мира, имеющий форму и размеры (например, высоту, ширину и длину). Для изучения геометрических объектов используется моделирование как один из самых распространенных и эффективных методов познания окружающего мира.

Моделирование – это процесс построения различных моделей: математических, физических, графических и т.д. Модель – мысленный или условный образ, созданный с помощью описания или изображения (схемы, чертежа, графика, плана, карты и др.) Если моделью является графическое изображение геометрического объекта на плоскости, то такая модель называется графической моделью этого объекта.

Графические модели предполагают отображение информации в виде набора средств графического представления информации: линий, символов, мнемонических знаков, используемых в соответствии с правилами построения графических моделей. Степень точности при сопоставлении информационного объекта с его моделью зависит от полноты сведений о проекционном аппарате, который имел место при моделировании. Графические модели делятся на пиктографические и идеографические. Пиктографическая модель – графическая модель составленная с использованием условных графических изображений (пиктограмм), обозначающих предметы, действия или события. К пиктографическим моделям можно отнести фотографии, рисунки, чертежи, схемы, пиктограммы. Идеографические модели – графические модели, составленные с использованием идеограмм – условных письменных знаков, обозначающих понятия. К идеографическим моделям относятся формулы, таблицы, диаграммы, номограммы, текст.

Геометрическое моделирование и этапы его развития.

Историко-логические исследования развития научного геометрического знания показали, что оно в своем развитии прошло несколько исторических этапов, на каждом из которых принципиально менялись методы геометрического моделирования, приводившие к качественным изменениям геометрической модели:

1) визуально-образное моделирование в виде рисунков,

2) двухмерное графическое моделирование двухмерных объектов (геометрия),

3) двухмерное графическое моделирование трехмерных объектов (начертательная геометрия),

4) трехмерное компьютерное геометрическое моделирование трехмерных объектов (компьютерная графика),

5) четырехмерное геометрическое моделирование четырехмерных объектов (компьютерная анимация).

При переходе от одного уровня развития к другому оставались неизменными предмет изучения (пространственные формы, их отношения и взаимодействия) и визуально-образная форма преставления информации (язык).

В конце двадцатого века двухмерные графические модели перестали соответствовать требованиям компьютерных технологий, широко используемым в науке и технике. Двумерное моделирование стало основным сдерживающим фактором реализации научных разработок в промышленности. В этот период в результате дифференциального познания появляется много новых самостоятельных научных знаний: аналитическая геометрия, вычислительная геометрия, дифференциальная геометрия и т.д., появляются современные компьютеры, бурно развиваются программные средства и т.д. Интеграция новых знаний и начертательной геометрии (период интегративного познания) привел к разработке методов трехмерного геометрического моделирования трехмерных объектов.

Вновь переход на новый уровень моделирования привел, как и ранее, к качественным изменениям геометрической модели:

1) модель стала трехмерной и ее размерность совпала с размерностью объекта моделирования. Она стала естественной, более наглядной и информативной.

2) трехмерная геометрическая модель позволяет получить и исследовать не только геометрические параметры объекта, но и другие, например, механические.

3) на смену геометрической модели на бумаге пришла электронная модель.

Геометрической моделью называется электронная трехмерная модель геометрического объекта.

Трехмерное моделирование делится на три вида:

1) каркасное;

2) поверхностное;

3) твердотельное (сплошное).

Каркасная модель описывается в терминах точек и линий. Представляет собой моделирование самого низкого уровня в основном из-за неоднозначности распознавания ориентации и видимости граней каркаса изображения, невозможности выделения внешней и внутренней области изображения геометрического объекта.

Поверхностная модель определяется с помощью точек, линий и поверхностей. Метод эффективен при проектировании сложных криволинейных поверхностей, изготавливаемых из листового металла, или при визуализации сооружений, когда необходимо отразить в модели только экстерьер. Поверхности могут быть разделены для целей компьютерной графики по способу их получения на элементарные геометрические, поверхности вращения, аналитические поверхности и поверхности произвольных форм (скульптурные).

Твердотельная модель описывается в терминах того же объема, который занимает определяемое ею тело. Таким образом, твердотельное моделирование является единственным средством, которое обеспечивает полное и однозначное описание трехмерного геометрического объекта. Этот способ моделирования представляет собой самый современный и наиболее мощный из трех указанных способов. Преимуществами твердотельной модели являются:

1) полное определение объема и формы;

2) обеспечение автоматического удаления невидимых (скрытых) линий;

3) автоматизированное построение трехмерных разрезов проектируемого изделия;

4) автоматическое получение точных значений массы, площади, объема, центра тяжести, момента инерции и т.п.

Переход от пространственных форм к плоским обычно сопровождается искажениями. Двумерные модели создаются при помощи метода проецирования (проекционные чертежи, рассматриваемые в курсе начертательной геометрии) или в виде наглядных изображений на плоскости. Для создания наглядных изображений используются графические модели в виде технического рисунка, изометрии, которые создаются с использованием правил выполнения аксонометрических изображений и перспективы.

Аксонометрической проекцией геометрического объекта называют его проекцию на аксонометрическую плоскость вместе с осями координат, с которыми связан проецируемый объект. Из аксонометрических проекций чаще всего используют прямоугольную изометрию, оси в которой расположены под углом в 120°. Реже применяется косоугольная изометрия, а также прямоугольная и косоугольная диметрия.

Перспектива – изображение геометрических объектов на какой-либо поверхности в соответствии с теми кажущимися сокращениями их размеров, изменениями очертаний формы и светотеневых отношений, которые воспринимаются глазом человека.

Основные понятия системы AutoCAD

Система AutoCAD предназначена для автоматизации чертежных работ. Она позволяет создавать любые чертежи, корректировать их, компоновать из сделанных ранее и многое другое. Название системы образовано сокращением от Automated Computer Aided Design.

Термин «проектирование» означает, что система является средой для автоматизированного проектирования и может быть инструментом для других проектирующих программ.

Разработчик системы и ее юридический владелец – фирма AUTODESK Ltd. Первая версия программы появилась в 1982 году.

Отрезки, дуги, окружности и другие графические объекты являются элементами, из которых состоит любой чертежный файл. В системе AutoCAD они носят название примитивов.

В самом низу экрана находится строка состояния. В ее левом углу выведены текущие координаты. Значения координат независимо от способа ввода всегда связаны с некоторой системой координат. По умолчанию действует WCS (World Coordinate System — мировая система координат). Она направлена следующим образом: ось OX — слева направо ось OY — снизу вверх, ось OZ — перпендикулярно экрану.

Для удобства работы может быть определена UCS (User Coordinate System — пользовательская система координат), которую можно сдвинуть и/или повернуть под любым углом относительно WCS. Таких систем координат одновременно может существовать несколько, и в любой момент возможен переход из одной в другую.

AutoCAD может работать в двух линейных единицах измерения: в миллиметрах и дюймах и различных угловых единицах. Чертить принято в десятичных единицах (Decimal) с точностью (Precision) до целых миллиметров. За тип угловых единиц рисунка принимаются Градусы/Минуты/Секунды (Deg/Min/Sec). Нулевому углу соответствует направление East (Восток). Направление отсчета углов – Counter-Clockwise (Против часовой стрелки). Настройка выполняется при помощи пункта меню Format®Units.

Рисунок – изображение на экране компьютера, сохраняемое в DWG-файле. Законченный рисунок - DWG-файл, предназначенный для совместного использования. Чертеж – рисунок, вычерченный на бумажном носителе в определенном масштабе. Геометрические объекты изображаются в рисунке в натуральную величину (масштаб 1:1) в принятых единицах рисунка.

Масштабом чертежа называется масштаб, в котором чертеж будет выведен на бумажный носитель.

При создании сложных рисунков возникает необходимость присвоения имен отдельным объектам или группам объектов, чтобы ими можно было удобнее оперировать в дальнейшей работе. Особенно это важно при разработке сложных рисунков. Данной цели служит свойство примитивов — слой. Слой обладает возможностью выключения, когда ряд объектов можно, не удаляя, сделать невидимыми.

На экране можно выделить пять функциональных зон:

1) рабочая графическая зона, непосредственно в которой и происходит создание чертежа;

2) системное меню

3) панели инструментов;

4) командная строка;

5) строка состояния.