Разработка структуры и общего алгоритма функционирования интегрированной компьютерной системы "Скульптура" Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

--------------------------------------- © Е.Г. Коржов, Ю.А. Павлов,

2006

УДК 621.9.01

Е.Г. Коржов, Ю.А. Павлов

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ОБЩЕГО АЛГОРИТМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ "СКУЛЬПТУРА "

Семинар № 23

{'Л сновным средством достижения конкурентоспособности продукции камнеобрабатывающих пред-приятий становится современное компьютеризированное интегрированное производство, ориентированное на запросы рынка и гибко реагирующее на его конъюнктуру. Интегрированная ком-пьютерная система

ART-CAD-CAM-PDM должна восприниматься как инструмент, призванный обеспечить поддержку действий разработчиков: дизайнеров, инженеров-

конструкторов и технологов, руководителей и ведущих менеджеров предприятия. Все эти специалисты выполняют проектные работы и определяют качество принимаемых решений при создании и организации производства выпускаемых изделий конкретного вида и назначения. Каждая такая прикладная интегрированная компьютерная система функционально объединяет совокупность формализованных профессиональных знаний специалистов соответствующего производства, хранящихся в информационной базе пользователей в составе интегрированной интеллектуальной системы [1].

Классификацию приложений интегрированной системы дизайна, конструкторско-технологического проектирования и подготовки производства (ART-CAD-CAM) целесообразно проводить по видам изделий, используемым методам формообразования и технологическим способам изготовления [2].

Система "Скульптура" позволяет выполнять дизайнерские разработки, конст-

рукторско-технологическое проектирование и подготовку производства наиболее трудоемких в изготовлении изделий из камня, характеризуемых произвольными объемно-пространственными структурами. К таким изделиям относятся, например, архитектурные элементы декора, садовопарковые скульптуры, монументы, статуи, бюсты, декоративные детали пластики малых форм. Разработка твердотельных моделей скульптурных изделий требует использования при компьютерном дизайне и проектировании мощных программных средств построения лекальных кривых, геометрических поверхностей с плавными формами и логических преобразований разнообразных трехмерных фигур, а также широких возможностей фотореалистичной визуализации.

Технологический процесс изготовления скульптурных изделий выполняется на специализированных многокоординатных обрабатывающих центрах с компьютерными системами ЧПУ, позволяющих вести токарную, фрезерную и шлифовальную обработку непосредственно по 3Б-модели изделия либо посредством сканирования предварительно изготовленных макетов.

Исходя из полученных результатов анализа существующих методов и средств визуального моделирования, а также опыта использования CASE-технологий проектирования автоматизированных систем, сделано заключение по методологии разработки программных приложений для камнеобрабатывающих, гранильных и

ювелирных производств [1]. Одним из наиболее эффективных инструментов разработки приложений в данной предметной области является среда разработки Visual Basic. Такая среда разработки относится к современным средствам визуального программирования (RAD), хорошо интегрирована со многими приложениями, функционирующими под управлениием MS Windows, и в том числе с графическими пакетами редактирования, такими как

"Corel Draw", "AutoCAD", "T-Flex CAD" и другими. Также необходимо отметить, что все графические редакторы, разработанные для работы в MS Windows, имеют встроенные интерфейсные средства программирования приложений - Application Programming Interface (API) Microsoft. Использование Visual Basic позволяет автоматизировать работы со многими приложениями MS Windows, поддерживающими технологию связывания и встраивания объектов - Object Linking and Embedding (OLE) или ее нового варианта ActiveX, которая стала стандартом интеграции при разработке программных систем.

На нижеследующей схеме представлен общий структурный алгоритм функционирования разрабатываемой интегрированной системы «Скульптура» для применения ее в отечественной камнеобрабатывающей промышленности.

Возможности системы: компьютерное моделирование объектов сложной формы на основании доступной визуальной информации об объекте, либо создание образа без таковой информации (традиционное SD-моделирование), подготовка технологического процесса изготовления изделий, ведение проектной документации и управления процессами производства. Под доступной информацией подразумевается информация, полученная посредством 3D-сканирования либо фотографирования объекта проектирования. Эта информация может существенно помочь при создании

масштабных копий объектов, их модификаций и доработок, ремонте и другого рода воссоздании изделий в материале.

Помимо традиционного 3D-моделирования в системе «Скульптура » предусмотрен механизм определения типа воссоздаваемого объекта на основе первичной информации об объекте. В зависимости от этой информации система предложит возможность спроектировать либо полноразмерный объект (скульптуру), либо псевдообъемный (рельеф, барельеф).

И в соответствии с типом объекта предложит одну из ветвей проектирования, например, с использованием 3D-сканирующей технологии либо с технологией восстановления информации о третьей координате на основе фотографии.

Рассмотрим возможности, которые дает 3D-сканирование объекта. 3D-

сканирование позволяют не только создавать новые шедевры в архитектурностроительной сфере, но и производить реконструкцию существующих объектов. В основе сканирования объекта лежит применение лазерной установки. Бесконтактное лазерное сканирование является новейшей технологией, и несмотря на относительно небольшой срок существования, нашло применение при решении большого спектра задач, который по мере освоения возможностей метода продолжает расширяться. Многочисленные задачи, решаемые методом бесконтактного лазерного сканирования, можно условно объединить в области применения в камнеобрабатывающем производстве:

Архитектура

• реставрация, создание банка элек-

тронных копий (виртуального архива) и последующим изготовлением или восстановлением (промышленным воспроизведением) оригиналов скульптур и других рельефных изделий (сувениров, украшений, барельефов, горельефов и т.д.);

Есть возможность 30-рования

Получение ИСХОДЫ! данных об объект

Анализ исходных данных об объекте

Проекті

ЗО-моделировані/

Фо

Структурный алгоритм функционирования разрабатываемой интегрированной системы «Скульптура».

Бесконтактное Зй-Сканировани§55

РедактироЕ

і

Формирс

Определен по МІ

Разме

инструм€

• создание виртуальных музеев;

Археология и художественное производство

• реставрация и хранение произведений искусства

• создание 3D-документации ;

• создание виртуальных музеев;

• виртуальная реставрация, а так же копирование для последующей репликации;

После применения 3D-сканирова-ния, на выходе создается 3D-массив полигонов, представляющих виртуальную масштабную копию объекта, которая далее проходит стадии необходимого уточнения, редактирования и дает возможность назначать в технологическом модуле системы траектории инструмента для отработки на станке с ЧПУ. Аналогичных результатов можно достигнуть, пойдя и по остальным ветвям представленного алгоритма.

Несомненно, приведённая структура носит исключительно условный характер, и применение технологии, не имеющей аналогов, не замыкается на перечисленных областях её практического применения. Естественно, технология сканирования ни в коем случае не претендует на альтернативу творчества дизайнеров. Всегда должна присутствовать художественная обработка. Аппарат лишь добавит массу интереснейших задач, а также откроет новые перспективы перед дизайнерским искусством. Не всегда в силу определенных обстоятельств есть возможность даже бесконтактным способом просканировать объект. Тогда возможно использовать вторую технологическую ветку системы, которая предоставляет методы восстановления объемной формы объекта по его проекционным видам, либо даже по одному виду, например, фотографии. На основании яркостных характеристик изображения и применения векторизации по опорным участкам, владея априорной информацией о форме, возможно в некоторых случаях восстановить третье измерение объекта. Этот метод эффективен при

создании барельефных плит-мозаик, надписей и других рельефных деталей декора, где явным образом можно проследить контурность исходного изображения. Такая технология может с успехом применяться вместе с методом 3D-сканирования, например, при восстановлении утерянных и ремонте существующих элементов каменной резьбы и многих других схожих деталей. Метод основан на анализе плоского изображения, приведенного к градациям серого, назначениям весовых коэффициентов различным оттенкам и выделением опорных сечений, которые дальше трансформируются в матрицу полигонов с соответствующими высотными координатами. Таким образом получается 3D-полигональная модель плоского изображения. Конечно, такой способ накладывает определенные ограничения на преобразуемое изображение.

Еще один способ создания барельефов - это его моделирование средствами пакетов 3D-графики. Он больше всего походит на конструкторский способ проектирования деталей в машиностроении. При этом дизайнер может использовать все уникальные инструменты графических пакетов, специально предназначенных для моделирования сложных форм. В том числе возможно создание объекта по его имеющимся 2D проекциям или снимкам объекта, что существенно облегчает моделирование. Эти снимки можно подгрузить непосредственно в видовые окна и по ним создать необходимое количество сечений или других вспомогательных двухмерных образов для построения 3D-объекта.

Все перечисленные свойства заложены в алгоритм функционирования интегрированного комплекса «Скульптура». Такой комплекс будет иметь средства диалога пользователя, легкого и доступного для понимания не только инженеру-технологу, но и оператору станка с ЧПУ. Конечной целью работы является создание человекомашинного интерфейса взаимодействия для оператора, работающего в области камнеобработки и архитектуры.

Методы проектирования и построения моделей скульптурных и рельефных объектов

1 Построение твердотельной модели в пакете 3Б графики

2 Метод неконтактного лазерного сканирования образцов с последующим редактированием 3Б-модели

З Построение объекта по его двухмерному образу на основе фото или проекционных видов с последующим редактированием 3Б модели

Для большей наглядности, приведенные ранее методы построения скульптурных и рельефных объектов представим в таблице.

Первый метод применяется при создании нового объекта. Второй метод целесообразен при создании копий объектов или последующей их модификации, а третий способ - это некоторая альтернатива второму. Второй способ может быть привлечен в помощь первому. Сложные объекты невозможно воспроизвести с высокой

1. Павлов Ю.А. Компьютерные системы проектирования и подготовки производства промышленных изделий из камня: Учеб. пособие в 3 частях. Ч. 1. Научные основы, методы и средства создания программных приложений. - М.: МГГУ, 2002. - 108 с.

2. Павлов Ю.А., Манюшин Р.А., Шайкин П.К.

Комплекс программных средств для создания и конструкторско-технологической подготовки

точностью без какого либо обмера, а бесконтактное сканирование производит обмер и записывает координаты всех точек поверхности, по которым и воспроизводится 3D-модель специальным программным обеспечением.

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки и должен применятся в конкретной ситуации для получения максимального эффекта. Все эти методы закладываться в разрабатываемую систему.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

производства художественных изделий. // Горный информационно-анали-тический бюллетень, №6. -М.: Изд-во МГГУ, 1999. С.123-125

3. Коржов Е.Г. Компьютерное проектирование и подготовка производства изделий из камня сложной формы // Горный информационно-аналитический бюллетень, №5. - М.: Изд-во МГГУ, 2005

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------

Павлов Ю.А. - кандидат технических наук, профессор,

Коржов Е.Г. - аспирант,

кафедра «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.