МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Контрольная работа 1

«Способы представления и управление двухмерными графическими образами в компьютерной графике»

Цель работы.Контрольная работа является самостоятельно выполняемым заданием, предназначена проверки усвоения обучаемым основных математических инструментов компьютерной графики.

1. Нарисуйте графический образ в виде каркасной двухмерной фигуры. В составе образа должно быть не менее 25 вершин. Закодируйте его в матрице данных.

2. Проведите действия с информацией, представленной в матрице данных – вращение, перемещение. Представьте расчет не менее четырех фаз движения.

3. Сгладьте контуры образа В-сплайном третьего порядка на любой одной из фаз движения. В составе сплайна приведите не менее 10 точек.

4. Осуществите проецирование образа на экран 800*600 (операция масштабирования).

5. Оформите отчет. В отчете приведите промежуточные расчеты, приведите рисунки, соответствующие каждому шагу расчета.

Пример.

Нарисуйте и закодируйте контур ракеты. В качестве фаз рассмотрите четыре промежуточных положения при движении ее на пассивной траектории в атмосфере Земли (вращение вокруг собственного центра масс и перемещение).

При расчете руководствуйтесь сведениями, приведенными в Приложении 2 «Краткие теоретические сведения - Представление графической информации (ГИ) и базовые операции с ней» настоящего документа.

Контрольная работа 2

«Построение графических трехмерных образов, компьютерных интерфейсов и управление трехмерными объектами»

Контрольная работа предназначена для знакомства с основными техниками и технологиями в работе с трехмерной графикой. Цель работы - осуществить декомпозицию сложной технической системы (по выбору), спроектировать трехмерное статическое изображение элементов системы, рассчитать траекторию движения элементов системы, построить интерфейс системы управления, оформить отчет. Для выполнения работы студент обязан освоить трехмерный и двухмерный графические редакторы, систему проектирования, систему активной анимации, законы управления движением, графические языки программирования и проектирования, систему оформления документов. При работе над работой следует использовать рекомендуемую литературу.

Цель работы. Контрольная работа является самостоятельно выполняемым заданием, предназначена для усвоения обучаемым современных графических технологий и графических инструментов, требует разработки студентом целостного законченного проекта. Выполнять работу надо в следующем порядке.

1. Согласовать с преподавателем объект для отображения.

2. Проанализировать техническую систему. Определить механизм ее действия. Определить свойства системы, поведение, свойства и поведение составляющих элементов. Определить разбиение на объекты. Определить группы объектов. Определить рациональное размещение локальных систем координат.

3. Используя технологию трехмерного проектирования создать элементы, группы и систему графических объектов выбранной технической системы. Рекомендуется пакет 3DStudio. Произвести преобразование форматов при переходе из одного пакета в другой. Перевести трехмерную сцену в пакет Stratum.

4. Спроектировать модель управления поведением, свойствами элементами графической системы case-средствами пакета Stratum. Спроектировать модель системы в целом в пакете Stratum. Произвести управляемую активную анимацию. Обеспечить наглядность управлением проекциями и видимостью частей и системы в целом.

5. Спроектировать интерфейс системы управления графическим объектом. Оформить систему управления. Спроектировать гиперссылочную систему помощи к системе управления.

6. Произвести отладку системы в целом. Оформить документацию на интерфейс, систему управления в твердой копии с использованием пакета MSWord. Оформить документацию на языке HTML с использованием механизма гиперссылок. Представить отчет и дискету с файлом программы, графических файлов и документации.

Общие указания по выполнению контрольной работы 2

На первом этапе Вы должны выбрать самостоятельно некоторое техническое устройство, которое хорошо себе представляете, с которым Вы часто имеете дело на работе или дома. Можно воспользоваться энциклопедиями. Представьте, что Вам необходимо объяснить коллеге принцип работы устройства. Мысленно разделите это устройство на составные части (например, вал, шестерня, двигатель, кнопка, шнур и т.д.). Для наглядности напишите список частей и как они связаны друг с другом, как действуют друг на друга (рекомендуемое количество элементов 7 - 15).

Задача - разбиение системы на рациональное число связанных между собой элементов.

1. Рациональность связана с компромиссом быстродействия и точности представления объекта в модели. Например, демонстрируя принцип работы ветряной мельницы, не имеет смысла собирать ее из бревен, так как принцип ее действия от этих деталей не зависит. Но важны крыльчатка, валы, передача, жернова, бункера, корпус, ветер.

2. Правильный набор объектов. Выделение архетипа. Например, изображение должно соответствовать собирательному образу мельницы, то есть в ее составе присутствуют только те элементы, без каждого из которых система перестает существовать.

3. Правильность разбиения на сущности. Понимание объектного подхода в композиции систем. Определение свойств системы через свойства элементов. Например, объекты должны быть отделены друг от друга, чтобы нести свою функцию независимо от других. Имеет смысл представлять валы и передачу мельницы как отдельные элементы, с тем, чтобы была возможность в будущем собрать новую мельницу в пределах архетипа.

4. Умение определить будущие связи элементов и, следовательно, вид элементов. Предусмотреть возможность влияния одних элементов на другие, то есть будущие переменные и их связи между собой. Например, имеет смысл вращать вал мельницы, то есть предусмотреть переменные - скорость, направление, угол. Или, рациональнее, угол поворота вала в единицу времени (такт), который принимает положительные и отрицательные десятичные значения. Переменные будут соединены с аналогичными переменными передачи, крыльчатки, жернова. Важно расположить математическую ось вала вдоль него и с началом координат в торце и в центре вращения.

5. Логическое построение демонстрации - минимально достаточное, передача действия и причинно-следственных связей в устройстве. Например, изображение сущностей должно укладываться в каскадную причинно-следственную схему - сила и направление ветра преобразуется во вращение крыльев, далее во вращение вала, передачи, вала, жерновов, накопление продукции.

6. Наглядность - изображение должно быть красочным, динамичным, понятным и удерживать внимание. Например, надо наложить “деревянную” фактуру, детали вращения передачи должны быть различимы, ветер передан изображением (сущностью).

В совокупности эти принципы достаточно противоречивы, поэтому имеет смысл поиск компромисса.

Далее в пакете 3Dstudio нарисуйте эти части по отдельности. Можете воспользоваться любой литературой по данному пакету дополнительно к той, что дана в списке рекомендуемой литературы. Не используйте свойство прозрачности граней, старайтесь правильно выбирать оси и координаты объектов, не используйте слишком много точек на гранях, не увлекайтесь несущественными деталями. Файл запишите в формате 3ds.

На втором этапе прочитайте подготовленный файл в пакете Stratum2000, используя пульт трехмерной графики. Если изображение не появится (а оно может оказаться очень маленьким или за спиной наблюдателя), манипулируйте положением камеры. Stratum2000 отображает Ваш объект в трехмерном пространстве, удаляя невидимые линии. Используя инструменты Stratum2000 можно поворачивать объект, разбирать, вращать отдельные его части, показывать и скрывать в целях наглядности части объекта.

Цель этого этапа построить проект, с помощью которого пользователь мог бы управлять положением отдельных частей объекта, наглядно имитируя механизм его работы.

Выполните в пакете Stratum-2000 for Windows математическую анимацию модели технического устройства.

Задача - добиться согласованной работы объектов, совместить математическую и графическую модели.

Для этого надо:

1. выделить переменные объектов (список, описание);

2. разбить переменные на внешние воздействия (управляемые и неуправляемые переменные - возмущения), переменные состояния, выходные переменные;

3. написать математическую модель работы устройства - законы функционирования каждого из объектов системы, связи переменных отдельных объектов;

4. подобрать начальные значения переменных, границы изменения; проконтролировать значения выходных переменных и переменных состояния на работающей модели;

5. нарисовать пульт управления и установить на него устройства управления входными переменными (библиотека CONTROLS), собрать схему связи математической модели с пультом управления, организовать окно управления (библиотека UNIT);

6. собрать схему связи математической модели с системой управления графическим объектом (библиотека GRAPH3D);

7. установить трехмерное пространство, проекцию, окно и графический объект (библиотеки UNIT, GRAPH2D).

Проект должен работать в двух режимах – ручное управление от движков и кнопок, нажимаемых пользователем, и демонстрационном – после нажатия кнопки «Демонстрация» движение объекта становится автоматическим. При переходе с одного режима на другой не должно быть рывков в положении и движении объекта. Хорошо будет, если движения объекта будут выглядеть логично при одновременной работе двух режимов. В режиме «Демонстрация» объект не должен выходить из поля видимости.

Обязательно посмотрите сначала примеры таких проектов. Прочтите документацию, содержащуюся на сайте в разделе «Лабораторный практикум», а также в разделе «Помощь» среды Stratum2000.

Наиболее частой ошибкой, допускаемой студентами, является отсутствие в проекте имиджей для открытия графических пространств GraphicSpace, LGSpace, Proection3D или отсутствие их связей по переменным Hspace, неправильные цифровые параметры, отсутствие имен используемых объектов.

Теперь, применяя объекты (имиджи) открытия графического окна, ползунки, операции трехмерного вращения, сдвига, масштабирования и устанавливая их из стандартной библиотеки на поле проекта, соедините их между собой по переменным. Установите нужные значения в переменные имиджей. Вам понадобится написать свой имидж, который бы содержал закон изменения отдельных величин, иначе они не будут вращаться и т.д..

Например, для управления скоростью вращения шестерни с именем Ш6, надо - установить ползунок HSlider (или ему подобный), присоединить переменную Value имиджа HSlider к переменной H в имидже закона вращения с текстом А:=А+Н, регулирующей скорость вращения. Переменную А (угол поворота) соединить с переменной Angle имиджа Rotate3d, отвечающего за поворот объекта. В имидже Rotate3d отметить имя вращаемого объекта в переменной ObjName, имя объекта, относительно которого производится вращение в переменной BaseName, а также отметить ось, относительно которой будет производиться вращение (например, AxisX).

Результат контрольной работы.

1. Схема приложения. Нарисованные в виде графа элементы системы и связи между ними, подписанные входные переменные, нарисованный пульт и устройства управления. Оформление подписями и иконками, комментариями, установленные начальные данные к переменным. Оформлено окно пульта управления и окно проекции виртуального пространства.

2. Работающая в автоматическом режиме схема (демонстрация работы объекта).

3. Работающая в ручном режиме управления схема.

4. Система анимирована (ползунками или генераторами), при необходимости имеются кнопки управления видимостью отдельных объектов.

Отличным считается результат, дающий дополнительно управлять объектом (системой) из отдельного окна посредством набора команд из языка.

На третьем этапе работы оформляется отчет. Отчет должен четко фиксировать:

· задание, описание устройства;

· перечень элементов системы;

· структуру сложных элементов (если они есть);

· описание связей элементов системы;

· описание законов движения объектов и их частей;

· описание интерфейса, системы визуализации (связь образов с переменными элементов).

Объем отчета не регламентируется. Рекомендуемый объем – 4-6 страниц с 2-3 иллюстрациями. Предпочтителен отчет, подготовленный компьютерным способом. При подготовке отчета следует учитывать требования ГОСТ 7.32-2001 на техническую документацию. Отчет может быть представлен также в форме HTML страниц.

Основное требование к отчету – ясность изложения, следование требованиям ГОСТ на оформление. Смотри приложение 1. Основное требование к проекту – качество изображения, правильность и логичность движений, наблюдаемость объекта, ясность принципа действия имитируемого механизма, способность его к управлению со стороны пользователя.

Отчет должен содержать титульный лист, содержание, описание проекта с необходимыми иллюстрациями и видеограммами, список литературы. К отчету прилагается дискета, содержащая проект. Отчет и дискета сдаются в ауд.321 главного корпуса в любое время. О результатах можно справиться через один рабочий день.

Перечень примерных заданий для контрольной работы: двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, холодильный агрегат, микроволновая печь, пароход, ветряная мельница, паровая машина, гидротурбина, паровоз, часы (солнечные, водяные, механические, атомные, кварцевые), телефон, котел ТЭЦ, реактор АЭС, космическая станция, печатный станок, ткацкий станок, фотоаппарат, ксерокс, флотационная машина, парусная яхта, нефтяная вышка, вертолет, отбойный молоток, сваебойка (молот), швейная машина, станок сверлильный, станок токарный, механическая система автомобиля, система управления самолета, самолет (динамика крыла, корпуса и хвоста), лазер, подводная лодка, дирижабль, система “Земля, Луна, Солнце”, газотурбинный двигатель, ракетный двигатель, велосипед, луноход, человекоподобный робот, принтер матричный, принтер лазерный, CD-ROM, флоппи, сканер, монитор, клавиатура, мышь, графопостроитель, модем, винчестер, экскаватор, велосипед, молокозавод, пилорама, бумагоделательная машина, шахта (выработки, транспорт, копер), прокатный стан, домна, АТС, коммуникации здания (вода, транспорт, энергия), гальванический процесс, геологический процесс, ядерные реакции, биологические объекты (клетка, ДНК), гусеница, паук, муравей, аквариум с рыбками.

Контрольная работа 3

«Построение графических трехмерных образов в стерео варианте»

Контрольная работа 3 выполняется на 9 неделе. Контрольная работа выполняется самостоятельно и оформляется в виде отчета в формате Word в виде отчета, оформленного по ГОСТ. Контрольная работа может быть(по желанию студента) выполнена в виде программы, если последняя выполняет все требования, предъявляемые к контрольной работе.

1. Нарисуйте графический образ в виде каркасной трехмерной фигуры, образованной набором ломаных линий. В составе образа должно быть не менее 10 вершин. Закодируйте его в матрице данных.

2. Задайте положение глаз (левого и правого) наблюдателя. Рассмотрите общий случай - глаз не должен лежать на какой-либо оси координат. Постройте перспективную трехточечную проекцию графического образа на плоскость Z=0 для каждого глаза. Обратите внимание – для установления глаза на одну из осей, как того требует стандартная матрица проецирования, Вам необходимо будет повернуть и сместить графический образ.

3. Осуществите проецирование образа на экран 800*600 (операция масштабирования) как для левого, так и для правого глаза по отдельности.

4. Оформите отчет. В отчете приведите матрицы, промежуточные расчеты и рисунки, соответствующие каждому шагу расчета. Нарисуйте рядом (на расстоянии 10-12 см между центрами рисунков) полученные плоские изображения графического образа.

5. Разделив глаза непрозрачным листом бумаги, посмотрите левым глазом на изображение, сгенерированное для левого глаза, а правым глазом на изображение для правого глаза, стараясь сосредоточиться каждым глазом на своем изображении. Если расчет выполнен правильно, в Вашей голове должно возникнуть ощущение трехмерного изображения.

Пример.

Задайте декартову трехмерную систему координат и единицу измерения на ней. Нарисуйте и закодируйте контур здания. Установите положение левого глаза наблюдателя в выбранной системе координат. Установите положение правого глаза наблюдателя в выбранной системе координат. Между положением глаз по одной из осей установите расстояние 6-7 см. Рекомендуемое расстояние до экрана - 50 см. Проведите перспективное проецирование для каждого глаза на плоскость Z=0.

При расчете руководствуйтесь сведениями, приведенными в Лекциях 2, 4, 5, 6.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

Задача самостоятельной работы состоит в освоении теоретического материала и закреплении его на практических примерах.

Теоретический материал изложен в рекомендуемой литературе и электронном учебнике, установленном в Интернете на сайте кафедры АСУ и лаборатории моделирования stratum.pstu.ac.ru, а также на компьютерах лаборатории кафедры АСУ.

В электронном учебнике содержится 26 фрагментов лекций и вся необходимая для усвоения материала дополнительная литература. Там же находятся активные демонстрации, которые студент может запустить на компьютере. Демонстрации представляют собой расчет объекта (формулы, устройства, операции) с пультом управления им и системой отображения. Управляя параметрами объекта, студент должен внимательно наблюдать за изменением отображения и параметров расчета, чтобы лучше понять механизм их действия.

Рекомендации к самостоятельной работе.

Студенту рекомендуется:

· внимательно на примерах пройти все базовые операции компьютерной графики (пример расчета изложен в электронном учебнике, в приложении к настоящим методическим указаниям);

· самостоятельно освоить любой метод удаления невидимых линий по выбору;

· продумать состав интерфейса к произвольной воображаемой технологической системе, оценить избранный способ манипуляции с точки зрения удобства пользователя;

· потренироваться в преобразованиях координат графических объектов при переходе из одной системы координат в другую;

· построить проекции 2-, 3-, N-мерных объектов на плоскость, используя центральное и перспективное проецирование;

· придумать алгоритм построения на экране природных сред (туман, трава, ржавчина, огонь) средствами фрактальной геометрии;

· придумать алгоритм восстановления трехмерного изображения по комплекту двухмерных проекций.

КУРСОВАЯ РАБОТА

Курсовая работа предназначена для знакомства с основными техниками и технологиями в работе с трехмерной графикой. Цель курсовой работы - научиться осуществлять декомпозицию сложных технических систем, проектировать трехмерные статические изображения, рассчитывать траекторию движения и управлять трехмерными объектами, строить интерфейс системы управления, проектировать WEB-документы, оформлять отчет. Для выполнения курсовой работы студент обязан освоить трехмерный и двухмерный графические редакторы, систему проектирования, систему активной анимации, законы управления движением, графические языки программирования и проектирования, систему оформления документов. При работе над курсовой работой следует использовать рекомендуемую литературу.

Цель. Курсовая работа является самостоятельно выполняемым заданием, предназначена для усвоения обучаемым современных графических технологий и графических инструментов, требует разработки студентом целостного законченного проекта. Рекомендуется выполнять работу в следующем порядке.

1. Согласовать с преподавателем название курсовой работы, объект для отображения.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Задача - разбиение системы на рациональное число связанных между собой элементов.

В совокупности принципы достаточно противоречивы, поэтому имеет смысл поиск компромисса.

Выполните в пакете Stratum-2000 for Windows математическую анимацию модели технического устройства.

Задача - добиться согласованной работы объектов, совместить математическую и графическую модели.

Для этого надо:

1. выделить переменные объектов (список, описание);

6. собрать схему связи математической модели с системой управления графическим объектом (библиотека GRAPH3D);

7. установить трехмерное пространство, проекцию, окно и графический объект (библиотеки UNIT, GRAPH2D).

Результат задания.

1. Схема приложения.

Нарисованные в виде графа элементы системы и связи между ними, подписанные входные переменные, нарисованный пульт и устройства управления. Оформление подписями и иконками, комментариями, установленные начальные данные к переменным. Оформлено окно пульта управления и окно проекции виртуального пространства.

2. Работающая в автоматическом режиме схема (демонстрация работы объекта).

3. Работающая в ручном режиме управления схема.

На третьем этапе по результатам курсовой работы оформляется отчет. Отчет должен четко фиксировать:

· задание, описание устройства;

· перечень элементов системы;

· структуру сложных элементов (если они есть);

· описание связей элементов системы;

· описание законов движения объектов и их частей;

· описание интерфейса, системы визуализации (связь образов с переменными элементов).

Перечень примерных заданий для курсовой работы: двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, холодильный агрегат, микроволновая печь, пароход, ветряная мельница, паровая машина, гидротурбина, паровоз, часы (солнечные, водяные, механические, атомные, кварцевые), телефон, котел ТЭЦ, реактор АЭС, космическая станция, печатный станок, ткацкий станок, фотоаппарат, ксерокс, флотационная машина, парусная яхта, нефтяная вышка, вертолет, отбойный молоток, сваебойка (молот), швейная машина, станок сверлильный, станок токарный, механическая система автомобиля, система управления самолета, самолет (динамика крыла, корпуса и хвоста), лазер, подводная лодка, дирижабль, система “Земля, Луна, Солнце”, газотурбинный двигатель, ракетный двигатель, велосипед, луноход, человекоподобный робот, принтер матричный, принтер лазерный, CD-ROM, флоппи, сканер, монитор, клавиатура, мышь, графопостроитель, модем, винчестер, экскаватор, велосипед, молокозавод, пилорама, бумагоделательная машина, шахта (выработки, транспорт, копер), прокатный стан, домна, АТС, коммуникации здания (вода, транспорт, энергия), гальванический процесс, геологический процесс, ядерные реакции, биологические объекты (клетка, ДНК), гусеница, паук, муравей, аквариум с рыбками.