Computer Graphic And Cad Systems

TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH FAKULTA BANÍCTVA, EKOLÓGIE, RIADENIA A GEOTECHNOLÓGIÍ

Peter Blišťan

ÚVOD DO POČÍTAČOVEJ GRAFIKY A CAD SYSTÉMOV

Edičné stredisko / AMS F BERG KOŠICE, 2004

5

Dočasné vysokoškolské učebné texty (skriptá)

 Ing. Peter Blišťan, PhD. Katedra geografických informačných systémov Recenzenti: doc. RNDr. Anton Lavrin, CSc. hosť. doc. Ing. Vincent Jakub, PhD.

Technický redaktor: Ing. Peter Blištan, PhD.

Skriptá neprešli jazykovou úpravou

ISBN

6

80 – 8073 – 249 - 3

Ing. Peter Blišťan, PhD.

ÚVOD DO POČÍTAČOVEJ GRAFIKY A CAD SYSTÉMOV

Edičné stredisko / AMS F BERG KOŠICE, 2004

7

8

OBSAH: ÚVOD 1. GRAFICKÉ PROSTRIEDKY POČÍTAČOV 1.1. Rozdelenie grafických zariadení 1.2. Vstupné grafické zariadenia 1.3. Výstupné grafické zariadenia 1.4. Ostatné grafické zariadenia

2. GRAFICKÉ SYSTÉMY 2.1. Základné geometrické objekty počítačovej grafiky 2.2. Grafické editory 2.3. Programové produkty počítačovej grafiky 2.4. Grafické formáty 2.4.1. Kompresia grafických dát 2.4.2. Bitmapové – rastrové formáty 2.4.3. Vektorové formáty 2.4.4. Meta formáty 2.4.5. Multimediálne a animačné formáty 2.5. Farby v počítačovej grafike 2.5.1. Farebné modely

3. CA SYSTÉMY – POČÍTAČOM PODPOROVANÉ SYSTÉMY 3.1. Rozdelenie CA systémov 3.2. Rozdelenie CAD software 3.3. Najznámejšie používané CAD systémy 3.4. Základné črty súčasných CAD systémov

4. ZÁKLADNÉ GRAFICKÉ OBJEKTY CAD SYSTÉMOV 4.1. Bod 4.2. Sled bodov (polymarker) 4.3. Úsečka 4.4. Sled úsečiek (polyline) 4.5. Kružnica 4.6. Elipsa 4.7. Kruhový (eliptický) výsek 4.8. Alias a antialiasing

5. POČÍTAČOVÉ MODELY A MODELOVANIE 5.1. Geometrické modely a modelovanie 5.2. Reprezentácia modelu pomocou hraníc 5.3. Reprezentácia modelu pomocou geometrických telies 5.4. Hybridný model 5.5. Feature modely a modelovanie 5.6. Využitie feature modelovania 5.7. Grafický modelár ako základná časť CAD systému 5.8. Modelovacie techniky 5.8.1. Vytvorenie prvotného modelu 5.8.2. Funkcie vykonávané na jednom modeli 5.8.3. Funkcie vykonávané medzi modelmi 5.8.4. Niektoré významné vlastnosti súčasných moderných CAD systémov 5.9. Realistické zobrazenie modelu v počítačovej grafike 5.9.1. Osvetľovanie 5.9.2. Tieňovanie 5.9.3. Fotorealistické zobrazovanie

5 7 7 8 11 16 17 17 19 20 21 22 23 25 28 29 30 30 35 35 38 39 41 43 43 43 44 45 45 46 47 48 49 49 51 51 52 52 53 53 54 54 56 58 58 60 60 61 63

LITERATÚRA

64

POUŽITÉ SKRATKY A TERMÍNY

65

9

10

ÚVOD Počítačová grafika je jednou z generačných premien vo výpočtovej technike. Jej rozvoj je natoľko búrlivý, že od drahých zariadení určených pre vojenské a špičkové priemyselné aplikácie sa behom necelých tridsiatich rokov rozšírila až do škôl a domácností ako výhodné informačné médium a prostriedok výučby i zábavy, zaplavila konštrukčné kancelárie, reklamné a filmové štúdiá, nemocnice a svoje uplatnenie si našla aj v móde, automobilizme, letectve a umení. Počítačová grafika je chápaná v očiach laickej verejnosti ako: - forma komunikácie s počítačom a používateľské rozhranie, - obaly v obchodoch, - design automobilov či výrobkov spotrebnej elektroniky, - projektovanie budov a interiérov, - noviny, časopisy, katalógy, - predpoveď počasia, - počítačové hry a zábava, - spracovanie hospodárskych či štatistických výsledkov, - film, video, reklama a pod.. Zásah počítačovej grafiky do nášho života je naozaj významný a dnes je už veľmi ťažké nájsť oblasť, v ktorej by využitie počítačovej grafiky nemalo zmysel, ak už nie kvôli samotnému spracovaniu napr. obrázkov, tak aspoň kvôli čoraz viac sa vyvíjajúcim grafickým používateľským prostrediam (viď. napr. Windows). V zásade je možné pozorovať približne tieto trendy použitia počítačovej grafiky (www.1): - počítačové hry, - manažérska grafika, - počítačom podporované kreslenie a konštruovanie, - vizuálna simulácia, - spracovanie obrazu, - fotorealistické zobrazovanie, - multimédiá a virtuálna realita. Počítačové hry tvoria samostatnú kapitolu. Dá sa povedať, že vlastne sprostredkovávajú prvý kontakt neznalejšieho človeka s počítačovou grafikou. Počítačové hry majú svoj základ už na prvých sálových počítačoch. Ich rozmach však nastal až po nástupe malých domácich (8-bitových) počítačov. Základné počítačové hry dosiahli svoj kulminačný bod práve na osobných počítačoch. Stále viac sa presadzuje dokonalejšia grafika a v posledných rokoch je možné hovoriť o prechode od trojrozmerných hier k virtuálnej realite. Manažérska grafika slúži na grafické znázornenie výsledkov napr. rôznych kalkulácií. Používateľ má obvykle možnosť výberu z niekoľkých typov diagramov napr. kruhové, stĺpcové a pod., alebo možnosť tzv. ikonickej grafiky (symbolické zobrazenia). Počítačom podporované kreslenie a konštruovanie (CAD - Computer Aided Design) našlo v počítačoch veľmi dobrú podporu. Prešlo od jednoduchých dvojrozmerných grafických editorov cez trojrozmerné až ku veľkým návrhovým komplexom. V súčasnosti je pokrytá už asi každá oblasť výroby príslušným CAD-ovským programom. Svoje prvotné uplatnenie mali tieto programy najmä v oblasti elektrotechniky, strojárenstva a stavebníctva.

5

Vizuálna simulácia je oblasť počítačovej grafiky, ktorá sa rozvíja najmä v dvoch smeroch. Prvým je vizualizácia výsledkov rôznych simulačných programov napr. priebehy napätí a prúdov v elektrických obvodoch. Druhým je simulácia reálnych udalostí na rôznych počítačových trenažéroch napr. leteckých alebo automobilových. Spracovanie obrazu je časťou počítačovej grafiky, do ktorej zasahujú aj iné odbory. V princípe sem môžeme zahrnúť najmä procesy spracovania farieb, detekcie hrán, vyhladzovanie obrazu a pod.. Vo veľkej miere sa tieto postupy používajú napr. v grafických editoroch, ale aj v náročných vojenských alebo vesmírnych projektoch, napr. na vylepšenie prichádzajúcich snímok alebo v procese rozpoznávania obsahu obrazu. Fotorealistické zobrazenie, multimédiá a virtuálna realita sú hitom dnešnej doby. U prvého ide, o čo najvernejšie zobrazenie priestorových scén a objektov vrátane osvetlenia a riešenia viditeľnosti. Dokonalé skĺbenie kvalitného obrazu a zvuku je doménou multimédií. Počítačom vygenerovať dokonalý obraz a preniesť ho na videopásku spoločne s počítačom generovanou hudbou príp. hovoreným slovom si vyžaduje kvalitné a rýchle technické, ale aj programové vybavenie. Ak sa ku kvalitnému programu pridá dostatočne výkonný počítač, ktorý umožňuje toto prepočítavanie v reálnom čase, je možné simulovať v danom čase neexistujúci svet (virtual reality), alebo prechádzať sa ešte v nepostavenom vlastnom dome.

6

1. GRAFICKÉ PROSTRIEDKY POČÍTAČOV Ako už bolo v úvode povedané, oblasti nasadenia grafických počítačových systémov sú veľmi rôzne. Z hľadiska toho, že počítačová grafika asi najviac využíva senzitívnosť človeka a tým pádom možnosť vysokej komunikatívnosti, sú grafické periférie počítača definované ako user friendly t.j. používateľsky priateľské.

1.1. Rozdelenie grafických zariadení Grafické zariadenia počítača môžeme rozdeliť z viacerých hľadísk, a to (www.1): a) Podľa smeru komunikácie s používateľom na: - vstupné, - výstupné, - ostatné. Vstupné zariadenia najčastejšie akceptujú ako vstupnú grafickú informáciu X-ové a Yové (niekedy aj Z-ové) súradnice zadaného bodu resp. zmenu X-ovej a Y-ovej súradnice, tieto prevedú do číselnej formy a poskytnú počítaču na ďalšie spracovanie. Výstupné zariadenia naopak zase graficky zobrazia polohu počítačom špecifikovaného bodu resp. grafického elementu, prípadne navyše jeho farbu alebo odtieň (súradnicové zapisovače alebo grafické monitory či tlačiarne). b) Podľa spôsobu vytvárania grafickej informácie na: - vektorové, - rastrové. Vektorové zariadenia sa používali hlavne na začiatku éry počítačovej grafiky. Na uchovanie grafickej informácie potrebujú kapacitne menšiu pamäť ako zariadenia rastrové. Zariadenia vektorového typu zobrazujú grafické entity tak, ako keby boli kreslené perom na papieri. Teda v podstate sa kreslí vektor, pretože kresliaca hlava (resp. elektrónový lúč) sa pohybuje od začiatku napr. úsečky do jej koncového bodu. Zobrazovacia plocha je síce reprezentovaná maticou bodov, avšak zobrazovanie je odlišné od rastrových displejov. Vychyľovanie lúča je riadené a preto lúč vysvieti presne želanú úsečku. Rastrové zariadenia sa začali používať neskôr, najmä kvôli svojim pamäťovým nárokom. Rastrové zobrazovače pracujú obdobným spôsobom ako televízor. Zobrazovacia plocha je daná maticou bodov (obrazových prvkov, pixelov). Vysvietenie, farba a jas každého z bodov sú pri zobrazovaní riadené rastrovým zariadením. Na uchovanie zobrazenej informácie sa používa obrazová pamäť (videopamäť). Podľa počtu farieb je každému pixelu priradený príslušný počet bitov. Postupným skladaním jednotlivých pixelov dostaneme výsledný obraz. Rastrové zariadenia dnes už dobyli svet. Dokážu zobrazovať celé plochy viacfarebne a tým zobrazovať obrazy vernejšie reálnemu svetu. Prvé rastrové displeje pracovali väčšinou čiernobielo alebo len s malým počtom farieb (max. 8) a s malou rozlišovacou schopnosťou. Postupným vývojom sa zväčšoval jednak počet zobrazovaných farieb a jednak rozlišovacia schopnosť. Súčasné rastrové displeje hravo dokážu zobraziť 1024x768 bodov v reálnych farbách. Špičkové zariadenia majú samozrejme ešte podstatne vyššiu rozlišovaciu schopnosť. Trend vylepšovania rastrových displejov stúpa a tak sa vektorové zobrazovače dostali do úzadia.

7

c) Podľa schopnosti spracovávať grafické informácie na: - aktívne, - pasívne. Aktívne grafické zariadenia majú schopnosť zobrazovať grafickú informáciu a zároveň aj akceptovať inú vstupnú grafickú informáciu, ktorá môže určitým spôsobom ovplyvniť zobrazenie želanej grafickej informácie (napr. grafické displeje s osovým krížom). Pasívne grafické zariadenia slúžia najčastejšie na uchovanie vytvorenej grafickej informácie. Medzi takéto zariadenia patria napr. súradnicový zapisovač alebo trysková tlačiareň. d) Podľa dĺžky uchovania grafickej informácie na: - zariadenia s dočasným záznamom, - zariadenia s trvalým záznamom. Zariadenia s dočasným záznamom grafickej informácie slúžia na pohotové, rýchle a dynamické zobrazenie grafickej informácie. Medzi takéto zariadenia patria najmä displeje. Záznam však nie je trvalý a napr. po vypnutí napájania sa stráca. Zariadenia s trvalým záznamom grafickej informácie síce nie sú určené na rýchle zobrazenie, ale na "hmatateľné" zobrazenie. Najčastejším médiom, na ktorý je grafická informácia prenesená je papier. Medzi takéto zariadenia patrí najmä trysková alebo laserová tlačiareň.

1.2. Vstupné grafické zariadenia Myš Patrí v súčasnej dobe už medzi základné vstupné zariadenia. V podstate sa do maximálnej miery v aplikačnom software obchádza už použitie klávesnice a využíva sa myš. Robí sa to najčastejšie výberom z ponúk na obrazovke a rýchlym pohybom kurzora (grafického ukazovateľa spojeného s pohybom myši, najčastejšie vo forme šípky) po obrazovke. Myš je v podstate malá krabička, s dvomi alebo tromi tlačidlami (obr.1). Na spodnej strane myši je gumová gulička, ktorá sa pri pohybe myši odvaľuje po podložke. Otáčanie guličky je v X-ovom a Y-ovom smere snímané a vysielané do počítača. Použitie myši a význam jej tlačidiel závisí od konkrétneho programu.

Obr. 1. Myš.

Obr. 2. Trackball.

Takto definovaná myš je klasická mechanická myš. Hitom posledných dvoch rokov je optická myš. U optickej myši je gulička nahradená dvojicou svetelného vysielača a prijímača

8

(najčastejšia na báze LED diód). Pohyb je snímaný zmenou odrazu vysielaného lúča od podložky. Všetky takto pracujúce myši sú vhodné na vstup dvojrozmernej informácie. V súčasnosti sa začínajú objavovať aj myši umožňujúce trojrozmerný vstup. Tretia súradnica je definovaná vzdialenosťou myši (jej zodvihnutím) od podložky. Myš sa najčastejšie pripája k počítaču pomocou kábla na PS/2 alebo USB port. Vyrábajú sa aj varianty s bezdrôtovým pripojením na báze infračervených lúčov alebo rádiových vĺn. Tieto sú však výrazne drahšie, aj keď sú elegantnejšie a hlavne praktickejšie. Ich relatívne vysoká cena zatiaľ bráni ich masovejšiemu rozšíreniu. Trackball Trackball je veľmi populárne vstupné polohovacie zariadenie najmä u prenosných počítačov. Z hľadiska riadenia polohy si môžeme trackball predstaviť ako obrátenú myš (obr.2). Tentoraz je ale na vrchnej strane trackball-u gulička, ktorou sa pohybuje prstami. Gulička sa odvaľuje a jej otáčanie je v x-ovom a y-ovom smere snímané a vysielané do počítača. Na vrchnej strane vpredu sú podobne ako u myši umiestnené dve alebo tri tlačidlá. Jeho použitie je podobné ako u klasickej myši. Touchpad (Trackpad) Jedná sa o ďalšie vstupné polohovanie zariadenie. Princíp je podobný ako u tabletu avšak spôsob snímania je odporový. Stačí sa po ploche touchpadu (jej veľkosť je približne plocha kreditnej karty) pohybovať prstom príp. špicatým predmetom a kurzor sleduje pohyb prstu. Dvojitým poklopaním na miesto sa vykoná potvrdenie. Toto zariadenie sa dnes už štandardne montuje do väčšiny notebookov. Trackpoint Trackpoint je polohovacie zariadenie používané v notebookoch namiesto trackpad-u alebo trackball-u. Jedná sa v princípe o malý joystick umiestnený medzi klávesmi klávesnice. Jeho vychyľovaním sa riadi kurzor. Joystick Joystick alebo tiež pákový krížový ovládač patril a aj patrí medzi obľúbený vstupný ovládací prvok najmä u domácich počítačov. Jeho obľuba a rozšírenie prišlo s rozvojom počítačových hier. Používateľ drží v jednej ruke ovládaciu páku joysticka a jej vychyľovaním príslušnom smere riadi grafický kurzor na obrazovke. Používanou obdobou joysticka sú tzv. gamepady, kde nie je páka, ale príslušný počet tlačidiel resp. riadiaci kríž. Joystick v podstate býva doplnený o jedno, dve alebo viac nezávislých potvrdzovacích tlačidiel. V súčasnosti sa začínajú čoraz častejšie objavovať joysticky pre priestorové ovládanie, najmä z dôvodu nových efektných 3D hier, ale aj nižších systémov virtuálnej reality. Pre pohyb v osiach x a y je zachovaná pôvodná koncepcia. V osi z sa pohybujeme zatláčaním resp. povyťahovaním ovládacej páky. Hitom poslednej doby sú joysticky so spätnou väzbou (feed-back joystick) t.j. napr. pri leteckých simulátoroch počítač generuje späť riadiacemu obvodu joysticka signály, na základe ktorých dochádza napr. k traseniu riadiacej páky, čo má za následok zvýšenie reality hry. Veľmi jednoduchým, ale sympatickým typom joystick-u je tzv. keystick. Jedná sa o jednoduché zariadenie v tvare joystick-u, ktoré sa upevní na klasickú klávesnicu nad klávesy s kurzorovými šípkami. Pri ovládaní sa potom vychyľuje riadiaca páčka, ktorej vychýlenie je prenášané priamo na klávesy, ako keby boli stláčané.

9

Tablet Patrí medzi vstupné zariadenia. Mobilná časť svojim výzorom pripomína myš a aj jej komunikácia s programami simuluje myš. Tablet dosahuje však vyššiu presnosť a rozlíšenie. Tablet sa skladá z troch súčastí: plochej snímacej podložky, pohyblivého snímacieho zariadenia (tvaru myši alebo pera) a riadiaceho elektronického obvodu (obr.3). Plochá snímacia podložka (tabuľa) je doska s hladkým povrchom, pod ktorým je umiestnený citlivý elektromagnetický obvod. Táto časť je nepohyblivá. Pohyblivé snímacie zariadenia, či už tvaru myši alebo pera, je vybavené snímačom elektrických signálov z elektromagnetického obvodu tabule. Riadiaci elektronický obvod je väčšinou umiestnený v tabuli, sníma impulzy z pohyblivej časti a detekuje jej polohu. Ak si predstavíme tabuľu ako obrazovku, sme schopní riadiť na nej kurzor pohybovaním pohyblivej časti. Častokrát je tablet používaný, po prekrytí príslušnou šablónou, ako riadiaci panel s menu pre program v počítači (veľmi často v CAD aplikáciách). Niekedy sa tablet zvykne tiež nazývať aj digitizér. Obr. 3. Tablet.

Scanner Je zariadenie na snímanie obrazov. K počítaču sa pripája: - pomocou zvláštnej karty, - pomocou rozhrania SCSI, - pomocou paralelného portu, - pomocou rozhrania USB. V princípe rozlišujeme scannery dvojakého typu: - ručné: lacnejšie, menej presné a s menšou rozlišovacou schopnosťou (150-300 dpi), čierno-biele aj farebné snímanie. - plošné (automatické): drahšie, presnejšie (pohyb snímacej hlavy nad predlohou je motorický) a s vyššou rozlišovacou schopnosťou (300-2400 dpi), umožňujúce čierno-biele aj farebné (aj Truecolor) snímanie. V poslednej dobe došlo k výraznému zníženiu cien jednoduchých plošných scannerov, schopných snímať predlohy do veľkosti formátu A4 (obr.4). Nové modely scannerov sú konštruované na snímať predlohy veľkosti A3. - valcové: sú najdrahšie a veľmi presné. Umožňujú čierno-biele aj farebné snímanie predlohy až do formátu A0. Každý scanner sa v súčasnosti dodáva aj so základným programovým vybavením, častokrát aj s grafickým editorom na úpravu nasnímaných obrazov. Pomocou zvláštneho programového vybavenia (OCR - Optical Character Recognition) je možné zosnímať graficky aj text a potom ho rozanalyzovať a prekonvertovať do znakovej formy. Obr. 4. Plošný scanner A4.

10

Absolútnym hitom posledných 2 rokov sú tzv. multifunkčné kancelárske zariadenia, ktoré vznikli „spojením“ tlačiarne, scannera a faxu. Umožňujú teda kopírovanie, scannovanie, tlač a faxovanie. „Módnym“ výstrelkom nedávnej minulosti boli aj súradnicové zapisovače alebo tlačiarne so scannovacou hlavou, čím dostaneme dve zariadenia v jednom. V CAD systémoch sa používajú na nasnímanie starých výkresov najprv do rastrovej formy. Potom pomocou programu sú tieto rastrové obrazce konvertované do vektorového formátu. Dnes sa však častejšie používajú klasické veľkoplošné scannery, keďže ich cena stále klesá (www.1).

1.3. Výstupné grafické zariadenia Tlačiareň Tlačiareň je dnes základným výstupným zariadením počítača, ktoré umožňuje výstup najčastejšie na papier. Počítač vysiela do tlačiarne jednak informácie (znaky), čo sa má tlačiť, ale aj informácie o tom, ako sa má tlačiť. Podľa typu tlače poznáme rôzne typy tlačiarní napr.: - maticové (ihličkové), - tryskové (InkJET), - piezoelektrické, - bublinové, - tepelné, - tlačiarne s typovým kolieskom, - sublimačné, - laserové alebo LED, - osvitové jednotky. Dôležitým pojmom, ktorý udáva kvalitu tlačiarne, je jej rozlišovacia schopnosť. Tá sa udáva v DPI (Dot Per Inch = bodov na palec). Najnižšiu rozlišovaciu schopnosť majú maticové tlačiarne (75-150 dpi), najvyššiu laserové tlačiarne (300-1200 dpi), aj keď v poslednej dobe ich už dobehli atramentové tlačiarne. Zvláštnym výstupným zariadením, ktoré v tejto publikácii zaradíme medzi tlačiarne, je osvitová jednotka. Používa sa na prípravu kvalitných predlôh najmä v tlačiarenskej praxi. Výstup je na špeciálny film a jej rozlišovacia schopnosť je až 3200 dpi a viac. Pri výbere tlačiarne je veľmi dôležité uvedomiť si, či je pri tlačení dokumentov požadovaná farebná tlač. Ak áno, cena tlačiarní hlavne laserových rastie geometrickým radom. Pri náročných požiadavkách možno využiť tlačiareň založenú na tzv. sublimačnej technológii. Tento druh tlačiarne sa od ostatných odlišuje rozdielnym spôsobom nanášania farby na papier. Pri všetkých ostatných typoch tlačiarní sa jednotlivé farebné odtiene dosahujú miešaním malých farebných bodov na papieri, kdežto pri sublimačnej technológii sa jednotlivé farebné zložky miešajú ešte pred nanesením na papier. Tým sa dosahujú veľmi kvalitné farebné prechody, porovnateľné s farebnou fotografiou. Maticové tlačiarne sú ešte stále najrozšírenejšie tlačiarne k osobným počítačom. Aj keď ich éra obľuby je za nami, ešte stále majú svoje miesto v dnešnom svete tlačiarní (napr. jednoduché tlačiarne pre registračné pokladnice). Sú to najlacnejšie tlačiarne aj vzhľadom na ich obstarávacie a prevádzkové náklady. Maticové tlačiarne rozdeľujeme podľa kvality na 9ihličkové a 24-ihličkové. Samozrejme, že 24-ihličkové poskytujú vyššiu kvalitu tlače ako tlačiarne 9-ihličkové. Z hľadiska tlače znakov rozlišuje tri kvality tlače:

11

- DRAFT - používa sa pri bežnej tlači. Je to najrýchlejší tlačový režim, ale aj najmenej kvalitný. - NLQ (Near Letter Quality) - je to kvalitnejšia, ale aj pomalšia tlač ako DRAFT. - LQ (Letter Quality) - je to najkvalitnejšia tlač na ihličkových tlačiarňach. Je dosiahnuteľná len na 24-ihličkových tlačiarňach a je aj najpomalšia. V maticových tlačiarňach sa používajú dva druhy papierov: - perforovaný skladaný pás papiera (tzv. traktor-papier), - samostatné listy kancelárskeho papiera. Tryskové tlačiarne predstavujú technologicky iný typ tlače ako tlačiarne maticové (obr.5). Kým u maticových je na papier otláčaná farbiaca páska (podobne ako pri písacích strojoch), pri tryskových sú na papier striekané malé kvapôčky špeciálneho atramentu. Preto sa týmto tlačiarňam hovorí často aj atramentové. Trysková hlava obsahuje niekoľko trysiek. Atrament je v tryskách pod tlakom a uzávery trysiek sú ovládané elektromagneticky. Písmo sa opäť skladá z bodov, kvalita tlače je však vyššia (300 DPI a viac). Tlačiarne tohto typu sa vyznačujú pomerne tichým chodom. V súčasnosti zaznamenali búrlivý rozvoj a ich cena prudko klesla. Výrazný pokrok dosiahla najmä farebná tlač, kde je za relatívne slušnú cenu možné získať fotorealistickú kvalitu.

Obr. 5. Trysková (atramentová) tlačiareň.

Obr. 6. Tryskový ploter.

Obr. 7. Princíp laserovej tlačiarne.

Laserové a LED tlačiarne predstavujú v súčasnosti najdokonalejšie tlačiarne. Oproti predchádzajúcim typom sa líšia najmä tým, že tlačia celé strany dokumentov naraz, kým u predchádzajúcich typov tlačiarní prebiehala tlač po znakoch. V laserovej tlačiarni sa najprv

12

celá strana pomocou lasera "pripraví" na fotocitlivý valec. V LED tlačiarni je laser nahradený lacnejšou maticou svietiacich LED diód. Potom sa fotocitlivý valec pritlačí k tonerovému valcu (toner je jemný čierny prášok a slúži ako farbivo). Následne sa posúva papier a naň je z tonerového valca otláčaný želaný obraz (obr.7). Na konci sa musí ešte papier s tonerom vytvrdiť v tzv. piecke, aby sa toner neotieral z papiera. Rýchlosť a kvalita takejto tlače je veľmi vysoká – pohybuje sa už dokonca v desiatkach strán za minútu. Technológia laserovej tlače umožňuje čierno-bielu aj farebnú tlač, prevláda však (najmä kvôli cene) čierno-biela tlač. Súradnicový zapisovač, ploter Je ďalším výstupným zariadením. Pomocou pera sa kreslia výstupy na vložený papier. Využíva sa najmä v oblasti počítačovej grafiky a CAD systémov. Súradnicové zapisovače môžeme rozdeliť z niekoľkých hľadísk. a) Podľa používaného pera na: - tušové, - fixové, - s guličkovým perom, - tryskové (obr.6). b) Podľa počtu používaných farieb na: - jednofarebné, - viacfarebné. c) Podľa spôsobu uloženia a pohybu papiera na: - stolové (hlava sa pohybuje nad papierom v obidvoch smeroch), - valcové (hlava sa pohybuje len v jednom smere a v druhom smere sa pohybuje celý papier). d) Podľa spôsobu riadenia na: - analógové, - digitálne (dnes už dominantne). Vývoj v oblasti triskovej tlače priniesol na trh novú generáciu tryskových plotrov, ktoré sú charakteristické vysokým výkonom a kvalitnou tlačou za rozumnú cenu. Tieto takmer úplne vytlačili staré „perové“ plotre. V súčasnosti sa miesto pera používa ostrý hrot, pomocou ktorého je do podložky vyrezaný želaný motív. Takto upravený súradnicový zapisovač sa nazýva aj cuter. Pomocou neho sú napr. vyrezávané reklamy zo samolepiacich fólií. Zobrazovače, monitory Najdôležitejšie výstupné zariadenie, na ktorom okamžite vidíme naše grafické výsledky, je monitor. Pretože ich vývoj v ničom nezaostáva môžeme konštatovať, že za rozumnú cenu dnes dostaneme kvalitný monitor. Napriek prudkému rozvoju a nárastu objemu výroby LCD obrazoviek (LCD z anglického Liquid Crystal Display) základným prvkom klasických monitorov zostáva katódová obrazovka (CRT). V minulosti boli vyrábané aj vektorové monitory, kde je vykresľovaná úsečka reprezentovaná súradnicami počiatočného a koncového bodu. Elektrónový lúč teda neprechádza cez celé tienidlo obrazovky, ale len cez úsečku. V súčasnosti sa však používajú práve monitory rastrového typu. Treba poznamenať,

13

že mnohé moderné zobrazovacie zariadenia sa z hľadiska programátora môžu javiť ako vektorové, konečný spôsob zobrazenia je však rastrový. Počítač môže byť vybavený ako monochromatickým monitorom, tak aj monitorom farebným. Monitor pracuje v dvoch režimoch. Sú to: - Textový mód - nastavuje implicitne. Vtedy sú na obrazovku vypisované texty resp. znaky. Na to, aby sa znak vypísal stačí poslať len jeho kód. Tvar znaku je uložený v tabuľke znakov. V textovom móde pracovali staré operačné systémy ako MS Dos a pod.. - Grafický mód - je ho nutné zapnúť. Využívajú ho moderné operačné systémy ako napr. Windows ale už aj Linux. Grafický mód je náročnejší, pretože počas tohto módu sa predávajú informácie o každom jednom bode, ktorý sa zobrazuje na monitore. Riadenie monitora pripojeného k počítaču je vykonávané prídavnou doskou (kartou), ktorá sa tiež nazýva grafický zobrazovací adaptér (obr.8). Typ adaptéra musí byť vybraný tak, aby bol schopný pracovať s príslušným typom monitora.

Obr. 8. Grafický zozbrazovací adaptér.

Z hľadiska zobrazovacích možností monitora je nutné rozlišovať veľkosť (uhlopriečku) samotnej obrazovky monitora. Jej veľkosť sa obyčajne udáva v palcoch (1 palec = 2,54 cm), pričom poznáme monitory od 1“ (majú ich napr. digitálne fotoaparáty), cez 15“ alebo 17“ (používané bežné ako domáce alebo kancelárske) až po 21“ a viac palcové používané pri práci s CAD systémami. Pre používanie monitorov platí pravidlo: ak budeme pracovať v grafickom rozhraní (Windows a pod.) je vhodné kúpiť si aspoň 17“ monitor, optimálne pre prácu s počítačovou grafikou, multimédiami, CAD systémami a programami pre sadzbu dokumentov (DTP) sa doporučuje monitor s väčšou uhlopriečkou aspoň 19“ optimálne až 21“. Katódové obrazovky (CRT - Catode Ray Tube) si udržiavajú dominantnú pozíciu medzi zobrazovačmi. Väčšina klasických zobrazovacích monitorov je založená práve na princípe katódovej obrazovky (obr.9). Táto obrazovka využíva princíp emitujúcej katódy a tienidla. Pri vytváraní obrazu emituje katóda prúd lúčov, ktorý prechádza cez zaostrovací systém a je vychyľovaný prostredníctvom elektromagnetického poľa na tienidlo obrazovky, kde emituje rýchlo slabnúce svetlo. Pre zachovanie kvalitného obrazu je potrebné jeho neustále obnovovanie. Nazývame ho obnovovacia frekvencia monitora. Vychyľovanie je realizované pomocou dvojice párových platní, ktoré vychyľujú elektróny v horizontálnom a vertikálnom smere. Na vytváranie farebného obrazu sa používajú tri katódy, špeciálna luminiscenčná vrstva a tieniaca maska. Na tienidle sú pravidelne rozložené trojice luminiscenčných bodov, ktoré reprezentujú jednotlivé zložky RGB. Tieto tri body sa pre ľudské oko javia ako jeden výsledný bod. Vychyľovacie platne štandardne používajú 90 stupňový vychyľovací uhol. Niektoré novšie modely používajú 100 stupňový uhol, ktorý umožňuje zmenšiť rozmery, ale na druhej strane kladie na zobrazovanie vyššie nároky. Na rozdiel od LCD monitorov, kde uvedená uhlopriečka skutočne deklaruje rozmer monitora pri klasických monitoroch uhlopriečka 17 palcového monitora len zriedka presiahne

14

16 palcov. 15 palcový monitor má v skutočnosti len okolo 13.8 až 14.1 palcov a „14-ka“ má cca 13.3 palcov. Na určenie obnovovacej frekvencie je dôležitá hodnota horizontálneho kmitočtu udávaného v KHz (kilo hertzoch). Udáva koľko riadkov za sekundu je schopný monitor vykresliť. Katódové obrazovky sú stále takmer nepostrádateľnou súčasťou zariadení na spracovanie údajov (najmä a v prvom rade počítačov), pretože majú stále najvýhodnejší pomer ceny k počtu a rýchlosti zobrazovaných informácií. Majú však pomerne veľkú spotrebu energie a hlavne sú pomerne hlboké, čím sa nehodia do prenosných zariadení, ktoré sú v súčasnosti mimoriadne populárne.

Obr. 9. Princíp katódovej obrazovky.

Zobrazovače z tekutých kryštálov (LCD) patria všeobecne k najperspektívnejšiemu typu plochého zobrazovača. S tekutými zobrazovačmi sa dnes možno stretnúť všade, najznámejšie sú ich aplikácie v náramkových hodinkách a kalkulačkách. Ich najväčšou a najpodstatnejšou výhodou, oproti iným typom, je mnohonásobne nižší príkon. Medzi ďalšie výhody patria najmä nízka hmotnosť, malá hrúbka, technologicky nenáročná a pritom vysoká produkcia výroby. Medzi nevýhody možno zaradiť nižší kontrast, malý uhol pozorovania, nevhodnosť na multiplexný režim zobrazovania, ale najmä ich pomerná pomalosť. Môžeme povedať, že ploché LCD monitory sa stali hitom poslednej doby. Tieto typy sa už štandardne používajú pri prenosných typoch počítačov a stále častejšie ich vidíme aj v kanceláriách či domácnostiach. Použitím LCD technológie v monitoroch sa výrazne znížila ich hmotnosť a vďaka ich malej hrúbke sme získali na stole väčší pracovný priestor. Plazmové zobrazovače sú ďalším typom zobrazovačov. S rozširovaním prenosných počítačov súvisia požiadavky na kvalitu ich zobrazovacích prvkov. Požiadavke tenších a ľahších zobrazovacích prvkov pre prenosné prístroje vyhovujú predovšetkým plazmové zobrazovače. Tieto sú dnes už vývojovo naplno zvládnuté (najmä v monochromatickej verzii), pričom majú priaznivé parametre hlavne z hľadiska počtu zobrazovaných informácií. Optické zobrazenie požadovanej informácie na plazmových zobrazovačoch vzniká privedením napätia na elektródy, ktoré sú hermeticky zatavené do skla. Vnútro zobrazovača je naplnené plynom (obyčajne neónom). Privedené napätie vyvolá svetielkovanie v tomto plyne. Plazmové zobrazovače (podobne ako elektrónkové obrazovky) patria medzi emisné typy zobrazovačov. Vyžarujú vlastné svetlo a tým sú energeticky náročnejšie ako LCD zobrazovače (www.1).

15

1.4. Ostatné grafické zariadenia Okrem už spomínaných vstupno/výstupných zariadení je možné k osobnému počítaču pripojiť ešte celú škálu rôznych iných špecializovaných zariadení slúžiacich na grafický vstup alebo výstup (digitálne fotoaparáty - obr.10, kamery a pod.). U týchto zariadení je najzaujímavejším parametrom hustota snímacieho rastra, ktorá sa udáva v megapixloch. Digitálna kamera a digitálny fotoaparát sú vybavené kontrolným LCD displejom, na ktorom je možné okamžite po zábere resp. po nasnímaní scény skontrolovať výsledok a ak sa záber nevydaril, vymazať ho a urobiť ďalší. Ako digitálna kamera, tak aj digitálny fotoaparát sú spravidla vybavené pamäťou RWM (RAM), ktorej kapacita je určujúca pre počet snímkov resp. minút záznamu. Tieto zariadenia, najmä digitálne kamery, majú ešte veľkokapacitné záznamové médium najčastejšie vo forme magnetickej pásky, pevného disku alebo iného záznamového média (pamäťové karty). Obe zariadenia sú vybavené ešte minimálne USB portom pre pripojenie k počítaču. Niektoré typy digitálnych fotoaparátov umožňujú priamo pripojiť aj malé špecializované tlačiarničky alebo modemy. Potom je možné fotografiu aj okamžite vytlačiť, poslať faxom alebo elektronickou poštou.

Obr. 10. Digitálny fotoaparát.

16

2. GRAFICKÉ SYSTÉMY 2.1 Základné geometrické objekty počítačovej grafiky Každý grafický systém pracuje s určitými množinami nástrojov, pomocou ktorých sa dosahuje výsledný grafický efekt. Základom každého grafického objektu je množina grafických elementov (prvkov, primitív, entít – obr.11). Množina týchto elementov môže byť v rôznych systémoch definovaná rôzne, napriek tomu je možné nájsť prvky vyskytujúce sa v každom systéme. Sú to (www.1): - bod, - krivka (špeciálne priamka, častokrát aj elipsa stojí samostatne), - lomená čiara (polyline), - text (t.j. grafický text), - plocha (špeciálne rovina), - vyplnená oblasť (fill area), - výplňový vzor definovaný aj ako pole bodov (pixel aray), - všeobecný grafický prvok (generalised drawing primitive).

Obr. 11. Množina základných grafických elementov.

Konečný tvar týchto primitív je možné upraviť ich atribútmi (obr.12). Medzi základné atribúty z pohľadu počítačovej grafiky zaraďujeme: - farba, - typ (napr. čiar, písma a pod.), - hrúbka (napr. čiar, písma a pod.), - poloha (napr. písma), - smer vykreslenia (napr. horizontálny, vertikálny atď.).

Obr. 12. Príklady rôznych atribútov čiar ako typ, hrúbka a farba.

17

Atribúty môžu byť jednotlivým elementom priradené: - konvenčne čiže pevne, čo vedie niekedy k nekompatibilite na rôznych zobrazovačoch, - symbolicky, najčastejšie formou kódu. Vtedy hovoríme o viazaných (bundled) atribútoch. Tieto sú vzhľadom na zobrazovač transparentné. Tak ako sa dajú rozdeliť výstupné grafické zariadenia podľa typu, tak isto je možné rozdeliť aj grafické objekty. V ich prípade rozoznávame: - vektorové, - rastrové. Grafické systémy delíme podľa toho, s akými dominantnými objektmi pracujú na vektorové alebo rastrové. Ak systém umožňuje pracovať súčasne s vektorovými aj s rastrovými typmi objektmi, hovoríme o kombinovanom (hybridnom) grafickom systéme. Rastrový grafický systém pracujúce z pohľadu základných grafických elementov len s bodom. Vektorový grafický systém pracuje pri vnútornej reprezentácii aj s inými grafických elementmi ako s bodom, napr. krivka, kružnica a pod.. Vektorový obrazec vzniká z množiny týchto elementov a akákoľvek transformácia obrazca sa vykonáva nad elementmi resp. ich atribútmi. Na nasledujúcom obrázku (obr.13) je možné vidieť rozdiel medzi vektorovým a rastrovým objektom.

a) Obr. 13. Rozdiel medzi vektorovým a rastrovým objektom: a) vektorové objekty, b) rastrové objekty.

b)

Hlavným rozdielom medzi vektorovým a rastrovým objektom je to, že pri výraznom zväčšení si vektorový objekt zachováva svoju kvalitu a tvar (obr.14), kdežto rastrový objekt pri výraznom zväčšení, síce nestráca svoju pôvodnú informáciu, ale stráca „hladkosť“ a tým pádom svoju kvalitu (obr.15). Niektoré z týchto chýb, je možné u rastrových objektov eliminovať pomocou špeciálnych funkcií rozptyľovania a vyhladzovania.

Obr. 14. Zväčšenie časti vektorového objektu.

18

Obr. 15. Zväčšenie časti rastrového objektu.

Aj tieto rozdiely naznačujú oblasti použitia jednotlivých typov grafických systémov. Vektorové typy sú vhodnejšie pre technickejšie kreslenie napr. na kreslenie vývojových diagramov, technických výkresov či obchodných grafov. Rastrové typy dominujú pri spracovaní obrazu, digitálnych fotografií a pri voľnej grafickej tvorbe. Ďalším dôležitým faktorom, ktorý dominuje pri spracovaní objektov v počítačovej grafike, je ich rozmer. Počítačová grafika pracuje predovšetkým s dvojrozmernými (2D – 2 Dimensional) a s trojrozmernými (3D – 3 Dimensional) objektmi. V prípade počítačovej animácie (animácia 3D scén) môžeme hovoriť o štvorrozmerných objektoch, kde štvrtým rozmerom je čas (zmena objektov v čase) .

2.2 Grafické editory Grafické editory sú programy, pomocou ktorých je možné vytvárať a upravovať grafické dokumenty. Sú teda prostriedkom pre rýchlu a relatívne jednoduchú tvorbu obrázkov, grafov, schém a pod.. Grafické editory sú mnohokrát súčasťou veľkých grafických programových systémov. Oblasti, v ktorých sa dajú využiť, je mnoho, záleží len na ich programovom vybavení. Tie jednoduchšie sú vhodné pre využitie v domácnosti napr. na kreslenie obrázkov na dopisný papier alebo blahoželania, tie zložitejšie si našli uplatnenie v umení, v móde pri návrhu textilných vzorov, v televízii pri návrhu reklám, v lekárstve pri spracovaní obrazu, v kartografii pri spracovaní fotografií. Ich uplatnenie je naozaj široké. Častokrát tieto programy používajú špecializované vstupné a výstupné zariadenia ako: Optické pero, Digitalizačný tablet, Joystick, 3D Scanner a pod.. Nasnímané obrázky sú potom ďalej upravované v grafických editoroch, prípadne ukladané v rôznych grafických formátoch pre následné využitie v publikačnej činnosti (DTP). Grafických editorov je mnoho, každý z nich má svoje klady aj zápory, mnohé z nich pracujú pod MS-Windows príp. na iných platformách, či už komerčných alebo nekomerčných (Linux a iné). Delenie grafických editorov je možné podľa rôznych hľadísk (www.1): a) Podľa typov spracovávaných objektov a spôsobu práce na: - vektorové, - rastrové. b) Podľa rozmeru spracovávanej grafickej informácie na: - 2D (rovinné, plošné) grafické editory, - 3D (priestorové) grafické editory. c) Podľa typu spracovania grafickej informácie na: - kresliace, - upravovacie. d) Podľa oblasti použitia na: - technické grafické editory (najčastejšie v CAD systémoch), - grafické editory pre voľnú tvorbu (napr. na maľovanie). e) Podľa rozsahu oblastí, v ktorých sa grafický editor používa na: - všeobecné grafické editory, - špecializované grafické editory.

19

Ako už bolo povedané, podľa spôsobu práce a typu spracovávaných grafických objektov delíme grafické editory na vektorové a rastrové. V princípe sa jedná o najtradičnejšie a najbežnejšie delenie. Rastrové (bitmapové) editory pracujú s kresbou ako s bitovou mapou t.j. každému bodu obrázku je priradený údaj s jeho základnými vlastnosťami. Rastrové editory umožňujú spracovanie každého bodu obrázku osobitne, čo sa však prejaví nižšou rýchlosťou spracovania a väčším súborom. Hlavné použitie rastrových editorov je v úprave obrázkov príp. fotografií a vo voľnej grafickej tvorbe. Vektorové editory ukladajú do súboru len "predpis" na vykresľovanie elementov obrazu - bodov, kriviek plôch príp. iných grafických objektov. Vektorový obrázok je reprezentovaný ako matica čísel - súradníc bodov, čiar a iných tzv. primitív. Akákoľvek transformácia sa potom vykonáva ako násobenie tejto matice (skalárom, vektorom alebo inou maticou, podľa druhu operácie) kombinované so sčítaním matíc. To spôsobuje, že práca v takomto editore je rýchlejšia a výstupné súbory relatívne malé. Vektorové editory častokrát umožňujú vložiť do kresby aj rastrový obrázok, ale v podstate okrem posunutia, zmenšenia/zväčšenia resp. rotácie ho nie sú schopné ďalej upravovať a s celou bitmapou pracujú ako s jedným objektom.

2.3. Programové produkty počítačovej grafiky Je všeobecne známe, že programov, ktoré súvisia nejakým spôsobom so spracovaním grafických dát je toľko, že nieje možné ich sledovať, nie to ešte preniknúť u viacerých produktov do hĺbky. Jedinou rozumnou cestou je užšia špecializácia na jednu oblasť, napríklad na programy pre sadzbu (DTP), čo zaručí profesionalitu užívateľa a teda maximálne využitie všetkých možností používaného produktu. Výrobcovia software doslova zaplavujú trh novými verziami týchto programov, takže užívateľ sotva zvládne poslednú zakúpenú verziu a je tu verzia nová. Táto skutočnosť tiež podporuje špecializáciu užívateľov na určitý typ produktu, pri ktorom je možné časté zmeny ľahšie zvládať. Podľa oblastí použitia je možné produkty počítačovej grafiky rozdeliť nasledujúcim spôsobom (Fribert, 1989): Návrh pomocou počítača (CAD) Prostriedky Computer Aided Design sú najstaršie a najdlhšie používané programy počítačovej grafiky. Konkrétne patria do tejto oblasti programy pre konštruktérov v strojárstve, elektrotechnike, stavebníctve, architektúre, chémii, a pod.. Najznámejším produktom v tejto oblasti je AutoCAD s jeho nadstavbami pre vymenované odbory. Okrem neho sú k dispozícii špecializované programy pre architektov a stavebných návrhárov, ako napr. MicroStation, 3D Studio Viz, Archicad a pod.. Programy grafickej komunikácie S týmito produktmi sa stretávame všetci. Jedná sa o produkty GUI (Graphic Users Interface - grafické užívateľské rozhranie). Sú to známe operačné systémy WINDOWS na počítačoch PC, MAC OS na počítačoch Apple Macintosh alebo X-WINDOWS pre počítače s operačným systémom UNIX (rep. Linux). Dnes väčšina užívateľských programov, vrátane textových editorov, tabuľkových procesorov, databázových systémov a produktov DTP používa vlastné grafické užívateľské rozhrania, ktoré sú však väčšinou odvodzované z prostredia Windows.

20

Programy prezentačnej grafiky Jedná sa o spracovanie grafov, diagramov, máp, alebo rôznych geografických dát a pod.. Z obecných programových produktov sú v tejto oblasti najznámejšie tabuľkové procesory s veľmi silnou podporou grafickej reprezentácie dát (patria sem MS Excel, Lotus 1-2-3, Quattro-Pro a ine) a programy s rozšírenými prezentačnými vlastnosťami (Freelance Graphics, Harward Graphics, MS Power Point a iné). Okrem uvedených programov je prezentačná grafika súčasťou veľkých vedeckých programových balíkov, z ktorých sú asi najznámejšie Mathematica alebo MatLab. Multimediálne programy Jedná sa o súbor rôznych výkonných grafických systémov, ktoré sa používajú v oblasti multimédií pre 2D grafiku, 3D modelovanie a animáciu. Tieto systémy umožňujú vytvárať a spracovávať texty, 2D i 3D grafiku, animácie, video, zvuk a vytvárať tak rôzne objekty, scény a zlučovať ich v špeciálnych programoch do výslednej multimediálnej prezentácie. Známymi produktmi z tejto oblasti sú 3D Studio Max, Lightwave, Cinema pre 3D grafiku a animácie, Adobe Premiere pre strih videa, Macromedia Director, Macromedia Flash pre vytváranie multimediálnych prezentácií. Tieto produkty budú hrať významnú úlohu v budúcnosti, kedy sa ešte výraznejšie rozšíri technológia elektronického publikovania a integrácie všetkých typov médií do jedného výsledného multimediálneho produktu. Programy pre prípravu tlačených publikácií V tomto prípade sa jedná o oblasť DTP (ale aj Computer Publishing), do ktorej patria programy na kreslenie 2D grafiky, farebné a iné úpravy rastrových obrázkov, programy pre sadzbu, kontrolné programy dátových súborov a pod.. Najznámejšími programami pre kresbu grafiky sú Corel Draw pre platformu PC a Adobe Illustrator pre počítače Apple Macintosh. Najznámejšími programami pre úpravu obrazu v oblasti DTP sú Adobe Photoshop a Corel PhotoPaint. Existujú samozrejme ešte ďalšie programy pre túto činnosť, predovšetkým v oblasti High-End systémov. Príkladom môže byť LinoColor dodávaný so scannermi firmy Heidelberg alebo Silver-Fast so scannermi firmy Microtek. Najviac rozšírenými programami pre sadzbu (zalamovanie stránky, stránková montáž) sú v oblasti DTP QuarkXpress od firmy Quark, Adobe InDesign firmy Adobe a Corel Ventura od firmy Corel. Programy sadzby v oblasti DTP sú charakteristické tým, že sa v nich tlačové objekty nevytvárajú, ale sú do nich exportované z iných produktov. V programoch pre sadzbu sa vykonáva tzv. zlom stránky, čo je v podstate úprava jednotlivých stránok publikácie do rovnakého formátu (typy písma, štýly odstavcov, vkladanie grafických objektov atd.). Niektoré sadzbové programy umožňujú sádzať aj matematické vzorce a vytvárať jednoduché tabuľky. Dnešné sadzbové programy umožňujú na slušnej úrovni aj prácu s farbami. Môžu pracovať s priamymi aj procesnými farbami. Veľmi dôležitou vlastnosťou je možnosť prevodu výstupov do rôznych formátov tak, ako si to vyžaduje následné spracovanie (PostScript, kompozitný PostScript, PDF formát).

2.4. Grafické formáty Na kódovanie grafických dát existuje množstvo grafických formátov. V 2D grafike sú najpoužívanejšie JPEG, MPEG, GIF, TIF, TGA, PCX, PNG, PIC, BMP, WMF, CDR, IFF, IMG, WPG, EPS a iné. Pre 3D sú to DGN, DWG, DXF, TSX a iné. Jednotlivé typy súborov sa

21

líšia hlavne štruktúrou (bitmapový, vektorový a pod.), s čím súvisí aj účel ich použitia, ďalej sa líšia typom kompresie, hĺbkou farieb a pod.. V oblasti počítačovej grafiky rozoznávame nasledujúce typy formátov grafických súborov: - rastrové (TIFF, BMP, GIF, JPG a iné), - vektorové (DXF, CDR, AI a iné), - metafile súbory (RTF, EPS, PDF, WMF, PICT a iné), - hypertextové (HTML, XML a iné), - animačné (FLI, FLA, MPEG a iné), - multimediálne (MOV, MPEG, AVI, WAV a iné). 2.4.1. Kompresia grafických dát Kompresia je proces, ktorý redukuje fyzickú veľkosť dátového súboru. Napriek tomu, že pri kompresii a dekompresii dochádza pri niektorých metódach k určitej strate dát, nesmie dôjsť k viditeľnej deformácii grafických objektov v súbore. Kompresné algoritmy sa používajú na všetky typy grafických dát a preto bolo vytvorených aj viacero kompresných metód. K najznámejším kompresným metódam patria nasledujúce metódy (Fribert, 1989): RLE kódovanie (Run-Length Encoding) Prúdové kódovanie RLE využíva väčšina súborov s rastrovým formátom (TIFF, BMP, PCX). Táto kompresia pracuje na princípe opakujúcich sa reťazcov dát. Reťazec sa do súboru zapíše ako dvojbytová hodnota, kedy prvý byte je počet opakovaní a druhý vlastná hodnota znaku. Napríklad reťazec AAAAAAAAA sa zapíše ako 9A. Toto číslo 9A sa nazýva RLE paket. Existuje niekoľko variantov prúdového kódovania. Výhodou tejto bezstratovej metódy je jednoduchosť a rýchlosť, nevýhodou nižšie kompresné pomery v porovnaní s inými metódami. LZW (Lempel-Ziv-Welchova) kompresia Táto kompresia je založená na slovníkovom kódovaní. Algoritmus pracuje tak, že za chodu kompresného programu buduje dátový slovník fráz reťazcov dát nekomprimovaného súboru. Pokiaľ sa určitý podreťazec v slovníku nevyskytuje, zapíše sa nová kódová fráza do slovníka a potom je táto fráza zapísaná do komprimovaného výstupného súboru. Pokiaľ sa daný podreťazec v slovníku už vyskytuje, zapíše sa jeho fráza hneď do výstupu. Kompresia je dosiahnutá vtedy, pokiaľ má fráza menšiu veľkosť, ako pôvodný podreťazec. Dekódovanie súboru je opačný proces. Táto metóda je bezstratová. Vyskytuje sa bežne v archivačných programoch PKZIP, ARJ, LHA. Je použiteľná pre všetky typy grafických formátov. CCITT (Consultative Commitee for International Telegraphy and Telephony) kódovanie CCITT kompresia je nestratová kompresná metóda, používaná pôvodne na prenos čiernobielych predlôh. Dnes je najviac používaný typ tejto kompresie nazývaný Group 4. Princíp kódovania spočíva vo vytváraní prúdov bielych a čiernych pixelov s rôznou dĺžkou, ktorým sa na výstupe kóderu pridelia kódové slová dĺžky príslušného prúdu. Kódové slová sú preddefinované v tabuľke. Pretože výstupné kódové slová sú kratšie než vstupné prúdy, dochádza ku kompresii. JPEG kompresia JPEG je skratka názvu komisie, ktorá vypracovala komprimačný štandard pre kompresiu obrázkov s 24 bitovými dátami (farebné fotografie so spojitými tónmi). JPEG je stratová

22

kompresná metóda, využívajúca diskrétnu kosínusovú transformáciu (DCT), komprimujúcu grafické predlohy so spojitými tónmi rýchlo a spoľahlivo (lepšie než RLE a LZW). Kompresný pomer môže dosahovať vysoké hodnoty, bežne 10 a užívateľ ho môže ovplyvniť zadaním parametra nízkej, strednej alebo vysokej kvality dekomprimovanej grafiky. Väčšina programov pre spracovanie grafiky ponúka možnosť kompresie grafických dát pomocou tejto metódy. Princíp kompresie JPEG je možné popísať nasledujúcimi krokmi: - transformácia predlohy do optimálneho farebného priestoru (obvykle do YUV), - podvzorkovanie farebných zložiek U, V priemerovaním skupín pixelov 2 x 2 (50% úspora v dátach), - použitie DCT (Diskrete Cosine Transformation) na informačné bloky 8 x 8 pixelov. Tak získame frekvenčné koeficienty blokov. Dáta s vysokou frekvenciou (rýchle zmeny v obraze) sa delením kvantizačnými koeficientmi transformujú po zaokrúhlení na nulové hodnoty (koľko ich bude nulových, o tom rozhoduje parameter kvality kompresie, ktorý zadáva užívateľ), - kódovanie výsledných koeficientov pomocou CCITT kompresie, - po prenose sa potom vykonáva spätná diskrétna kosínusová transformácia späť do priestorovej oblasti. 2.4.2. Bitmapové – rastrové formáty Obrázok je uložený vo forme bitovej – rastrovej mapy (mozaiky alebo tiež rastra) zloženej z malých bodov nazvaných pixely. Každý bitmapový obrázok je charakterizovaný dvoma parametrami: - Rozmery obrázku – šírka (anglicky width) a výška (height) vyjadrené v pixeloch. S rozmerom obrázku priamo súvisí tzv. rozlíšenie, ktoré sa udáva v DPI - Dot Per Inch (počet obrazovkových bodov na palec). Čím väčšie je rozlíšenie, tým menšie detaily sme schopní pozorovať a zaznamenať. Rozlíšenie v oblasti grafiky sa udáva ako dvojrozmerná veličina, napr. 600 x 1200 dpi. V takom prípade prvá hodnota určuje hustotu bodov v riadku a druhá hustotu bodov v stĺpci. Často sa s týmto zápisom stretávame práve u tlačiarní alebo scannerov (napr. scanner XY má rozlíšenie 2400 x 1200 dpi). V prípade, že sa udáva iba jedna hodnota, napr. 1200 dpi, je hodnota rozlíšenia v oboch smeroch rovnaká, teda 1200 dpi = 1200 x 1200 dpi. V prípade monitoru závisí jeho rozlíšenie na jeho fyzickej veľkosti a nastavení. Pri súboroch rastrovej grafiky sa pod pojmom rozlíšenie rozumie rozmer matice pixelov, z ktorých sa obrázok skladá napr. 1600 x 1200, 1024 x 768. - Farebná (bitová) hĺbka – každému bodu je priradený určitý počet bitov, podľa toho potom môže byť v obrázku použitých viac či menej farieb. Pre čiernobiely obrázok (každý bod je buď čierny alebo biely) stačí k vyjadreniu farby bodu jediný bit (0 – čierna, 1 – biela). Pre vyjadrenie 16 farieb už potrebujeme 4 bity (24 = 16), pri farebnej hĺbke 8 bitov je možné použiť 256 (= 28) rôznych farebných odtieňov. Vzhľadom k tomu, že základná počítačová pamäťová jednotka je 1 bajt (byte), ktorý obsahuje 8 bitov, stretávame sa najčastejšie s farebnou hĺbkou 8, 16 alebo 24 (niekedy tiež 32) bitov. Pri 16 bitovej hĺbke (nazývanej High Color) je možné v obrázku použiť 65 536 (216) farebných odtieňov, 24 bitová hĺbka (True Color) ponúka dokonca 16 777 216 (224) farieb. Často sa môžeme stretnúť s „čiernobielymi obrázkami“, ktoré okrem bielej a čiernej farby obsahujú tiež odtiene šedej farby. V tomto prípade hovoríme o škále s 256 odtieňmi šedej.

23

Bitmapový obrázok môžeme vytvoriť v bitmapovom grafickom editore (ako príklad je možné uviesť editor Malování známe z operačného systému MS Windows), môžeme ho získať „skopírovaním“ obrazovky, scannovaním alebo tiež pomocou digitálneho fotoaparátu. Bitmapový obrázok má niekoľko nevýhod: pri opakovanom zväčšovaní sa prejavujú „zuby“ v mozaike, vyžaduje si náročnú úpravu a zaberá na disku (i v pamäti) veľa miesta. BMP Windows Bitmap. Je to hardwarovo nezávislý formát s relatívne jednoduchou štruktúrou bez komprimácie. Bol zavedený vo Windows 3.0 a stal sa jeho štandardným formátom. Grafika v tomto formáte môže byť od čiernobielej až po 16,7 miliónov farieb. Nevýhodou týchto súborov je ich značná veľkosť. Obrázok s rozmermi 800 × 600 bodov pri farebnej hĺbke 24 bitov má veľkosť cez 1,4 MB. PCX Formát PCX vyvinula firma Zsoft pre úsporné ukladanie grafiky kresliaceho programu Paintbrush. Spoločne s programom sa rozšíril aj formát PCX, ktorý sa stal štandardom pre bitmapovú grafiku. Tento formát podporuje veľká väčšina grafických programov, textových editorov i DTP programov. Rozsah farebných hĺbok je rovnaký ako u BMP formátu. Ponúka možnosť bezstratovej komprimácie (zmenšenie veľkosti súboru). Upravovať a spracovávať sa dá snáď vo všetkých grafických programoch. Zaujímavosťou je, že nedokonalá komprimačná metóda často spôsobuje pri farebnej hĺbke 24 bitov opačný efekt: výsledný súbor zaberá viac miesta než nekomprimovaná verzia. GIF Graphics Interchange Format je grafický formát s využitím kompresie LZW (LempelZiv-Welch). Podporuje maximálne 8-bitové obrázky (256 farieb alebo 256 odtieňov šedej). Má dve verzie: 0.87 a 0.89a. GIF umožňuje ukladať animované gify, čiže jednotlivé obrázky zobrazované v určitých intervaloch. Tento formát sa veľmi rozšíril aj vďaka internetu, pretože umožňoval postupné zobrazovanie obrázka už po načítaní 1/8 dát, zatiaľ čo iné formáty potrebovali na zobrazenie načítať celý súbor. Postupom času však tento formát zostarol a bolo treba vymyslieť nový (PNG). PNG Portable Network Graphics. Tento formát je jediným oficiálnym formátom pre bitmapovú grafiku na internete. Často býva označovaný ako nástupca formátu GIF. Konzorcium W3C vydalo jeho špecifikáciu v roku 1996. V porovnaní s formátom GIF má lepšiu podporu farieb (až 16,7 miliónov farieb), preto ho môžeme použiť aj na ukladanie fotografií, má lepšiu podporu transparencie obrázkov, viac typov prekladania, možnosť postupného zobrazenia a iné. Formát PNG tiež implementuje celý rad metód pre lepšie zobrazovanie obrázkov, napríklad automatickú detekciu poškodenia a pod.. Animované obrázky však v tomto formáte nie je možné vytvoriť. Formát využíva bezstratovú kompresiu, ktorá sa vykonáva veľmi rýchlo – rýchlejšie ako u formátu GIF. JPEG Joint Photographic Experts Groups je formát, vytvorený pre ukladanie fotorealistických obrázkov. Pracuje s plnou farebnou informáciou - 16 mil. farieb (24 bitov), prípadne s 8 bitovou šedou škálou. Jeho špecialitou je, že použitá komprimácia je stratová (obrázok pri ukladaní mierne pozmení, aby sa uložil čo najúspornejšie, ale aby to užívateľ nepocítil). Pri ukladaní súboru do tohoto formátu je možné nastaviť stupeň komprimácie obrázku a veľkosť výsledného súboru (čím menšia je veľkosť súboru, tým horšia je kvalita obrázku).

24

Vďaka malej veľkosti je JPEG formát ideálny pre použitie v oblasti digitálnej fotografie či webových stránok. TIF (TIFF) Tagged Image File Format je jedným z najznámejších a najkomplexnejších grafických formátov. Je obľúbený hlavne v súvislosti so scannovaním a digitalizáciou obrazu. Firma Aldus ho predstavila prvýkrát v roku 1986. Existuje v celej rade verzií od monochromatických obrázkov až po True Color. Pre svoju univerzálnosť sa často používa na prenos medzi rôznymi platformami (napr. PC a Apple) a tiež na prenos medzi rôznymi programami, pretože ho vie čítať takmer každá aplikácia pracujúca pod Windows. Je však veľmi problémový kvôli svojím početným verziám a rôznym technikám komprimácie a preto sa často musí vykonávať konverzia z jednej verzie TIFF formátu do inej. ICO Windows Icon je určený na ukladanie ikón, malých identifikačných obrázkov, pre prostredie MS-Windows. Tieto obrázky, ikony (ang. ICONS) sú používané grafickým prostredím MS-Windows na označovanie objektov. Obrázky, ikony, môžu mať rozlíšenie od 8×8 po 64×64 a od čiernobielych až po farebné s maximálne 256 farbami. CLP Windows Clipboard. Formát pre uloženie bitmapovej grafiky zo schránky (Clipboard) vo Windows. Do schránky je možné skopírovať aj vektorovú grafiku, z ktorej sa tak vytvorí bitmapa. Tento špeciálny formát neobsahuje len obrázky, ale môže obsahovať aj zvuk, text, animácie, ikonu a pod.. 2.4.3. Vektorové formáty Obrázok je zložený z matematicky popísaných objektov – priamok, kriviek a zložitejších geometrických útvarov (kružníc, elíps, obdĺžníkov a pod.). Každý objekt má priradené určité parametre: okrem polohy, tvaru a veľkosti, je to napríklad jeho farba, hrúbka a štýl čiary. K týmto objektom je možné pridať aj ďalšie atribúty (záleží na programe, v ktorom pracujeme). Môže to byť priehľadnosť, tieň objektu, farebný prechod v jeho výplni a pod.. Pripraviť kvalitný vektorový obrázok nie je príliš jednoduché. Výhodou však je, že vo výslednom obrázku môžeme kedykoľvek editovať ktorýkoľvek objekt, obrázok je možné ľubovolne zväčšovať a zmenšovať bez vzniku zubatých okrajov čiar. Veľkosť výsledných súborov v porovnaní napr. s fotografiou vo forme bitmapy je omnoho menší. Medzi vektorové grafické programy patrí napr. Corel Draw, AutoCAD, MicroStation a iné. DGN DGN je základným formátom výkresov v produktoch firmy Bentley Systems. Názov DGN je skratka z anglického slova Design. V súčasnej dobe sa môžeme stretnúť s dvoma verziami tohoto formátu - DGN V7 a DGN V8. Základné vlastnosti formátu DGN sú nasledovné: . - DGN je dátový formát pre uloženie technickej dokumentácie - výkresov, máp, schém, 3D modelov a pod.. Je to primárne vektorový formát, aj keď v ňom môžu byť uložené aj rastrové alebo popisné dáta. - Existujú dve verzie formátu - DGN V7 a DGN V8. S výkresmi vo formáte DGN V7 je možné pracovať vo všetkých verziách MicroStationu, s výkresmi vo formáte DGN V8 je možné pracovať vo verziách MicroStation 8.0 a vyšších verziách.

25

- Výkres môže byť buď 2D alebo 3D. - Charakteristikou formátu je, že niektoré definície nutné pre správne zobrazenie dát sú uložené externe (mimo súbor), konkrétne sú to písma ,štýl (druh) čar a pod.. DGN V7 Formát DGN V7 používa MicroStation od svojej prvej verzie z polovice osemdesiatych rokov minulého storočia. Označenie DGN V7 je možno trochu zavádzajúce. V minulosti bol tento formát označovaný iba ako DGN a prívlastok V7 získal až s uvedením novej generácie MicroStation V8 a nového formátu DGN V8. Formát DGN V7 vznikol na základe formátu ISFF (Intergraph Standard File Format), čo bol formát systému IGDS (Intergraph's Interactive Graphics Design System) pracujúceho na minisystémoch VAX. Tvorcom systému IGDS bola firma Intergraph, ktorá bola do roku 1995 taktiež výhradným distribútorom MicroStationu. Vzhľadom k tomu, že MicroStation vznikol ako grafický systém pracujúci s dátami v tomto formáte na platforme PC, bola spočiatku špecifikácia formátu DGN a ISFF totožná. S novšími verziami MicroStationu sa Vlastnosť Presnosť súradníc prvkov Maximálna veľkosť výkresového súboru alebo knižnice značiek Komprimácia súboru Modely (viac nezávislých výkresov v jednom súbore) Počet vrstiev Maximálny počet pripojených referenčných súborov Možnosť pripojenia výkresu DWG Možnosť pripojenia 3D k 2D Názov značky Maximálny počet vrcholov v lomenej čiare a útvare Atribúty podľa vrstvy Rôzne atribúty písma v jednom riadku textu TrueType písma

Tab. 1. Stručná charakteristika formátov DGN V7 a DGN V8 (www.2). DGN V7 DGN V8 32 bitové celé číslo, od verzie MicroStation SE voliteľne zvýšená presnosť - 48 bitové celé číslo

číslo s plávajúcou rádovou čiarkou podľa IEEE

nie

viac ako 4 GB (dané obmedzením operačného systému) áno

nie (1 model)

áno

pevný (63)

variabilný (viac ako 4 miliardy)

255

neobmedzené

nie

áno

nie 6 znakov (len veľké písmená, číslice, _, $)

áno

32 MB

512 znakov

101

5000

nie

áno

nie

áno

nie

áno

nie

Textové, kótovacie a multičiarové štýly

nie

áno (od verzie 2004) externe (RSC) alebo vo výkresovom súbore áno (multičiarové od verzie 2004)

Knižnice výkresov DGNLIB

nie

áno

História zmien vo výkrese

nie

áno

Mierka popisov Definícia užívateľských štýlov čiar

vždy externe

Digitálne podpisy

nie

áno (od verzie 8.1)

Oprávnenia (prehliadať, tlač, editácia)

nie

áno (od verzie 8.1)

Pomenované skupiny

nie

áno (od verzie 8.1)

Skupiny pohľadov

nie

áno

Náhľad pred otvorením

nie

áno

Dostupná špecifikácia formátu Maximálna veľkosť jedného prvku Maximálna veľkosť značky alebo iného komplexného prvku Maximálny počet grafických skupín

26

čiastočne - iba ISFF

áno

768 B

65535 B

128 kB

neobmedzené

65535

viac než 4 miliardy

postupne objavovali ďalšie rozšírenia - MicroStation 4.0 priniesol multičiary a zdieľané bunky, MicroStation 5.0 užívateľské štýly (druhy) čiar, asociativitu prvkov a štítky, MicroStation SE (5.7) zvýšenú 48bitovou presnosť súradníc. Je teda možné povedať, že ISFF je podmnožinou formátu DGN V7. Vo formáte DGN sú vo väčšine prípadov uložené dáta „dlhodobého“ charakteru, dáta trvalej hodnoty, dáta, ktoré si vymieňa veľké množstvo subjektov z rôznych odborov. Firma Bentley Systems si bola vždy vedomá kľúčového významu týchto dát pre firmy a organizácie, a preto po dobu viac ako 15 rokov zostala základná štruktúra formátu DGN v podstate nezmenená. Aj keď došlo k niekoľkým čiastočným rozšíreniam, stále však zostávala zachovaná spätná kompatibilita dát. To je princíp, kedy je možné dáta vytvorené v novších verziách softwaru otvoriť aj v staršej verzii, okrem vlastností novšej verzie softwaru, ktoré sú ignorované. Napríklad pokiaľ by ste otvorili dáta s užívateľskými štýlmi (druhy) čiar v MicroStation 4.0, ktorý ešte tieto atribúty nepodporoval, prvky by sa zobrazili plnou čiarou. Vďaka spätnej kompatibilite môžu byť dodávatelia a odberatelia dát vybavení rôznymi verziami softwaru a napriek tomu si môžu dáta bez problémov predávať – stačí, keď si dohodnú pravidla predávania napr. vo forme smernice. Spoločnosť Bentley Systems predpokladá, že dáta vo formáte DGN V7 budú v digitálnych archívoch firiem uložené ešte niekoľko rokov. Pokiaľ sa k ním užívatelia budú chcieť vrátiť (aby vykonali nejaké úpravy a pod.), nemusia použiť staršiu verziu MicroStationu alebo prevádzať dáta v novšej verzii softwaru do formátu DGN V8. V štandardnej konfigurácii ponúka MicroStation V8.0 (a vyššie verzie) pri otvorení výkresu vo formáte DGN V7 buď prevod do formátu DGN V8 alebo jeho otvorenie v režime "read only", v ktorom súbor zostane nezmenený. Je však možné nastaviť režim, v ktorom je možné výkresy DGN V7 otvoriť pre editáciu bez toho, aby museli byť prevedené do formátu DGN V8. V tomto režime sú však pochopiteľne zakázané niektoré funkcie softwaru, ktoré vyžadujú formát DGN V8, napr. vytvorenie novej vrstvy, True Type písma, história výkresu a pod. (www.2). DGN V8 Nemennosť formátu má svoje jednoznačné výhody, na druhej strane má tento prístup aj svoje nevýhody v tom, že niektoré požiadavky na rozšírenie funkčnosti MicroStationu zo strany užívateľov museli byť odsúvané práve z dôvodu nemožnosti realizovať ich bez zásahu do dátového formátu. K zásadnej zmene sa spoločnosť Bentley Systems odhodlala až v roku 2001, kedy bol súčasne s novou verziou MicroStation V8 uvedený aj nový formát DGN V8. Autorskému týmu v čele s Keith Bentleyem sa pri jeho návrhu podarilo splniť tieto hlavné ciele: - boli odstránené všetky známe obmedzenia formátu DGN V7 ako je maximálny počet vrstiev, maximálna veľkosť súboru a pod.. - štandardné entity prvkov a ich atribúty sú nadmnožinou entít vo formátoch DGN V7 a DWG - napr. pri importe dát z DWG nedochádza k strate informácií resp. presnejšie, nedochádza k náhrade komplexnejších prvkov jednoduchšími , - formát je ľahko rozšíriteľný, umožňuje väčšiu flexibilitu v tom, čo môže byť v súbore uložené - v súbore je napríklad možné ukladať i popisné dáta vo formáte XML, - formát umožňuje úplne nové vlastnosti, napr. sledovať históriu zmien vo výkrese, ukladať viac nezávislých modelov v jednom súbore a pod., - celkovo bol nový formát DGN navrhnutý tak, aby jeho základnú štruktúru nebolo nutné meniť po dobu minimálne ďalších 15 až 20 rokov. Nezávislá asociácia OpenDesign (predtým OpenDWG), ktorá sa snaží propagovať otvorenosť CAD formátov, označuje formát DGN V8 ako jeden z najlepšie navrhnutých CAD formátov v histórii (www.2).

27

Formát DGN V8 už nie je spätne kompatibilný so staršími verziami MicroStationu. Pokiaľ sa pokúsite otvoriť takýto výkres v MicroStation/J, SE alebo v staršej verzii, zobrazí sa chybové hlásenie. S príchodom novších verzií MicroStationu sa postupne objavilo niekoľko rozšírení (tab.1). V MicroStation 8.1 bola pridaná podpora pre ochranu intelektuálneho vlastníctva v dátach, a to pomocou dvoch technológií - digitálnych podpisov a oprávnení. Ďalej bola pridaná podpora pre pomenované skupiny prvkov. Od verzie MicroStation 2004 Edition je možné využiť mierky popisov a multičiarových štýlov. DWG Formát DWG je interný binárny formát programov od najväčšieho výrobcu programov CAD, a to spoločnosti AutoDesk. Podobne ako u formátov DXF sa tento formát stal štandardom pre rysovanie počítačových projektov v najrôznejších oboroch. Ide o nezverejnený vektorový formát, ktorý sa vyvíjal s každou ďalšou verziou. Existujú rôzne konvertory medzi verziami formátu DWG. Dáta uložené vo formáte DWG je možné otvoriť napr. v programu Corel Draw, alebo Adobe Illustrator. Pre výmenu dát s inými aplikáciami by ale mal slúžiť formát DXF. DXF Data eXchange File je formát vyvinutý firmou Autodesk pre prevod 2D výkresov. Pomocou DXF je možné preniesť aj 3D drôtové modely. Vďaka svojej jednoduchej štruktúre dosiahol tento formát veľké rozšírenie a dnes je podporovaný takmer každým CAD systémom. S formátom DXF dokážu pracovať i iné programy ako CAD systémy alebo konverzné utility pre CAD. Formát DXF existuje v množstve verzií, najčastejšie sa stretávame s verziou DXF odpovedajúcemu exportu z AutoCADu R12. PLT (HPGL) HPGL (Hewlett Packard Graphic Language) je formát pôvodne vyvinutý firmou HP pre obsluhu plotrov. Stal sa vektorovým štandardom mnohých programov, v ktorých sa predpokladá možný výstup na ploter. Príkazy jazyka riadi posun skutočného alebo fiktívneho pera, jeho voľbu (farbu), zdvihnutie, spustenie, presun atď. Obyčajný užívateľ sa s ním stretáva na Internete len veľmi zriedka. CDR CDR (Corel Draw) sa na svete objavil spolu s programom Corel Draw. Jedná sa o interný binárny vektorový formát, ktorý sa vyvíjal s každou ďalšou verziou aplikácie. Od Corelu verzie 9 je súbor v tomto formáte výrazne komprimovaný. Môže obsahovať aj bitmapu. ZMF Zoner Metafile. Formát súboru programu Zoner Callisto. 2.4.4. Meta formáty Meta formáty obsahujú bitmapy, vektory, obrázky aj texty. Obyčajne sa jedná o vektorový formát doplnený o možnosť ukladať rastrové dáta. Väčšina typov metasúborov sa od seba líši tak, že je zbytočné pokúšať sa o nejaký obecný hierarchický popis.

28

EPS EPS (Encapsulated PostScript) je tlačový súbor pre tlačiarne, osvitové jednotky a pod., ktoré sú schopné interpretovať jazyk PostScript. Mnohé aplikácie ho vedia vytvárať, ale nie sú schopné ho čítať. Používa sa hlavne v DTP. RTF RTF (Microsoft Rich Text Format) je formát vytvorený na kódovanie textu a grafiky, určených pre výmenu súborov medzi rôznymi aplikáciami. Vyznačuje sa dobrou kompatibilitou s mnohými programami. Dáta v súbore sú usporiadané prúdovo a súbor je zložený z polí premenlivej dĺžky nasledujúcich typov: - riadiace slová, - riadiace symboly, - skupiny. Každý z týchto typov začína spätným lomítkom nasledovaným ASCII znakmi. Skupina je potom súhrn riadiacich slov, riadiacich symbolov a dát (textových alebo grafických) v zložených zátvorkách. WMF Windows Metafile. V tomto formáte sú krivky rozbité na malé úsečky. Tento formát je však veľmi obľúbený pre jednoduchosť jeho načítavania a taktiež pre jeho štandardizáciu vo Windows. Väčšina vektorových klipartov (napr. z MS Office) sa dodáva práve v tomto formáte. EMF Enhanced Metafile. Tento variant dovoľuje na rozdiel od WMF ukladať aj krivky. 2.4.5. Multimediálne a animačné formáty MPEG V roku 1988 začala skupina ISO Moving Pictures Experts Group (MPEG) robiť štandard MPEG na kódovanie celoobrazového videa, audia a ich synchronizáciu. Vysoký kompresný pomer sa dosahuje jednak tým, že sa využíva podobnosť susedných pixelov (tie sú vysoko korelovateľné), redundancia dvoch po sebe idúcich obrázkov a obmedzená schopnosť ľudského oka na detekciu detailov v pohybe videosekvencie. MPEG má tri časti : MPEG - Video, MPEG - Audio a MPEG - Systém. MPEG - Video komprimuje postupnosť rastrových obrázkov, MPEG - Audio komprimuje postupnosť tónov a MPEG - Systém integruje tieto časti do výslednej videosekvencie. AVI Tento formát na kódovanie animovaných sekvencií a zvuku pochádza od firmy Microsoft. Na kódovanie obrazu používa rôzne typy kompresie, pričom základnou je postupnosť nekomprimovaných snímkou až po kompresie blížiace sa svojou účinnosťou k MPEG kompresnému pomeru. Výhodou nekomprimovaných AVI súborov je ich veľmi rýchle vytváranie, napr. pri nahrávaní z televíznej karty, nevýhodou je pomerne veľká veľkosť takéhoto súboru. FLI FLI je súbor Animatoru firmy Autodesk. Je určený pre uloženie animovanej sekvencie v rozlíšení 320×200 pri 256 farbách. Novšie verzie FLI dokážu pracovať aj s väčším

29

rozlíšením (640×480 a viac). Každý jednotlivý snímok (frame) môže mať vlastnú paletu. Pre dosiahnutie väčšej kompresie súboru sa používa tzv. delta kompresia, ktorá slúži na kódovanie rozdielov dvoch po sebe idúcich snímkou. Táto metóda je efektívna na málo dynamické zmeny (ak sú malé zmeny v postupnosti obrázkov). V prípade, že ďalší snímok je výrazne odlišný, môže byť kódovaný rozdiel väčší ako samotný snímok. V takom prípade sa uloží nekomprimovaný snímok. Nakoniec sa ešte snímky zakódujú RLE kompresiou.

2.5. Farby v počítačovej grafike Keďže jedným a takmer dominantným atribútom, ktorý sa používa pri spracovaní obrazov či pri práci s grafickými formátmi, je farba obrazu resp. farba základného spracovávaného objektu (u rastrových je to pixel), pohovorme si teda najprv o farbách. Aby sme však mohli hovoriť o farbách, musíme najprv povedať niečo o svetle. Z fyzikálneho hľadiska je svetlo chápané ako elektromagnetické vlnenie v oblasti 108 Hz. Z hľadiska farieb zodpovedá každá farba určitej frekvencii. Rozsah farieb je od červenej (4.3x108Hz, mimo viditeľného spektra pokračuje do infračervenej oblasti) po fialovú (7-5x108Hz, mimo viditeľného spektra pokračuje do ultrafialovej oblasti). V rámci viditeľného spektra je človek schopný rozlíšiť viac ako 4x105 rôznych farieb a ich odtieňov. Podľa frekvencie, ktorú vysiela svetelný zdroj je možné svetlo rozdeliť na: - achromatické svetlo. Tomuto svetlu sa hovorí tiež biele svetlo a obsahuje všetky farby (typický zdroj je slnko). Kombinácia frekvencií odrazených od telies vytvára v podstate farbu telies. Ak prevláda frekvencia z určitej oblasti spektra, hovoríme o dominantnej frekvencii. - monochromatické svetlo. Je svetlo len jednej farby napr. červenej. Svetlo je charakterizované niekoľkými svojimi atribútmi: - farba, je základným atribútom svetla a závisí od už spomínaj frekvencie (resp. vlnovej dĺžky), - jas zodpovedá vlastne intenzite svetla. Jasnosť zdroja svetla je v priamej úmere s intenzitou. - sýtosť farby uvádza jej čistotu. Čím vyššia je sýtosť, tým užšie je spektrum frekvencií obsiahnutých vo svetle. - svetlosť je vlastne veľkosť achromatickej zložky vo svetle s určitou dominantnou frekvenciou. Dôležitým faktorom je skladanie farieb. Je otázne, či existujú určité základné farby, pomocou skladania ktorých by sa vytvorili všetky ostatné. Existujú však tzv. komplementárne farby, ktorých kombináciou získame biele svetlo. Pre skladanie viacerých farieb bol vytvorený štandard vo forme chromatického diagramu. Avšak spomínaný chromatický diagram neurčuje z akých bázických farieb sa ostatné budú skladať ani ich pomer. Toto určujú farebné modely, ktorým sa budeme venovať v nasledujúcej kapitole. 2.5.1. Farebné modely Ako už bolo povedané skôr, pri práci s farbami sú dôležité dve základné činnosti. Prvou je určenie základnej množiny farieb, s ktorou sa bude pracovať. Druhou činnosťou je určenie spôsobu, ako sa budú kombinovať. Farbocit je značne subjektívna záležitosť a zmiešaním dvoch alebo viacerých farieb môže vzniknúť rôzna predstava novej farby u rôznych ľudí. Poznáme dva základné spôsoby kombinácie (miešania) farieb:

30

- aditívne miešanie (každým pridaním určitej zložky vznikne svetlejšia farba. Pridaním všetkých vznikne biela, typický model RGB). - subtraktívne miešanie (každým pridaním určitej zložky vznikne tmavšia farba. Pridaním všetkých vznikne čierna, typický model CMY). Na základe tohto hovoríme o farebných modeloch. Tie sú charakterizované: - množinou základných farieb, - spôsobom ich miešania, - pravidlami menenia farebných charakteristík. V súčasnosti existuje niekoľko farebných modelov. Medzi základné patria: model RGB, model CMY(K), model HSB, model HLS a z hľadiska vnímania model UWB.

Obr. 16. Model RGB (Žára a kol. 1998).

Obr. 17. Model CMY (Žára a kol. 1998).

Model RGB V tomto modely sú farby vytvárané aditívnym spôsobom. Základné zložky sú (obr.16): R - (Red) červená, G - (Green) zelená, B - (Blue) modrá. Pre tieto farby je charakteristické práve to, že ľudské oko má najlepšiu citlivosť práve pre ich vlnové dĺžky (630nm, 530nm a 450nm). Intenzita základných farieb sa v tomto 31

modely pohybuje v intervale <0,1>. Pri technickej implementácii je tento rozsah prevádzaný do digitálnej formy. Najčastejšie je kódovaný na 8-bitov (t.j. 256 dielov). Pre ľudské oko by postačovalo aj delenie na 100 dielov. Pri praktickom nastavovaní sa preto používa percentuálne nastavenie jednotlivých zložiek. Farebný model RGB sa svojim rozsahom najčastejšie reprezentuje ako jednotková kocka (obr.16) umiestnená v osiach R,G,B. Z toho vyplýva, že množina základných farieb predstavuje 8 farieb. Vrchol [0,0,0] (t.j. stred súradnicového systému) zodpovedá čiernej farbe (Black). Naproti tomu vrchol [1,1,1] zodpovedá bielej farbe (White). Farby ležiace na diagonále medzi týmito vrcholmi zodpovedajú odtieňom šedej (Gray). Záverom dodajme, že daný model je oproti iným modelom, najviac technicky orientovaný. Na základe uvedeného je možné zostaviť tabuľku množiny základných farieb modelu RGB s príspevkami jednotlivých farebných zložiek (tab.2). Tab. 2. Tabuľka základných kombinácií RGB. zložka R(ed) G(reen) B(lue) farba červená zelená modrá 0 0 0 čierna 0 0 1 modrá 0 1 0 zelená 0 1 1 tyrkysová 1 0 0 červená 1 0 1 fialová 1 1 0 žltá 1 1 1 biela

Tab. 3. Tabuľka základných kombinácií CMY. zložka C(yan) M(agenta) Y(ellow) farba tyrkysová fialová žltá 0 0 0 biela 0 0 1 žltá 0 1 0 fialová 0 1 1 červená 1 0 0 tyrkysová 1 0 1 zelená 1 1 0 modrá 1 1 1 čierna

Model CMY V tomto modely sú farby vytvárané subtraktívnym spôsobom. Základné zložky sú (obr.17): C - (Cyan) tyrkysová, M - (Magenta) fialová, Y - (Yellow) žltá. Pre tieto farby je príznačné práve to, že ľudská skúsenosť s miešaním farieb, najmä u maliarov, vychádza práve zo subtraktívneho miešania farieb. Preto je tento spôsob prirodzenejší. Tento model sa využíva aj v polygrafii pre reprodukciu farebných obrazcov (aj fotografií). Výsledný farebný obraz dostaneme ako sútlač troch obrazov na báze jednotlivých zložiek. Pri tomto modeli sa ešte pridáva čierna zložka (blacK). Je to z dôvodu, že ak technologicky vznikne čierna zmiešaním všetkých troch zložiek, nedosahuje spravidla potrebnú kvalitu a preto sa čierne oblasti pretlačia zvlášť technologickou čiernou. Takýto model sa preto uvádza aj ako model CMYK. Moderné grafické systémy majú prostriedky na separáciu jednotlivých farebných zložiek obrazu na tvorbu spomínaných obrazov pre sútlač. Farebný model CMY sa svojim rozsahom najčastejšie reprezentuje ako jednotková kocka umiestnená v osiach C,M,Y. Z toho vyplýva aj skutočnosť, že množina základných farieb opäť obsahuje 8 farieb. Vrchol [0,0,0] (t.j. stred súradnicového systému) zodpovedá bielej farbe. Naproti tomu vrchol [1,1,1] zodpovedá čiernej farbe. Farby ležiace na diagonále medzi týmito vrcholmi, podobne ako u modelu RGB, zodpovedajú odtieňom šedej s narastaním v opačnom smere. Obrázok 17 ukazuje jednotkovú kocku modelu CMY. Podobne ako u modelu RGB je možné zostaviť tabuľku množiny základných farieb modelu CMY s príspevkami jednotlivých farebných zložiek (tab.3).

32

Model HSB Tento model oproti predchádzajúcim, ktoré boli skôr technické, je najbližší ľudskému chápaniu svetla, pretože zachytáva tie charakteristiky farby, ktoré sú bližšie k intuitívnemu popisu farieb človekom. Základné zložky sú (obr.18): H - (Hue) farebný tón, S - (Saturation) saturácia alebo tiež sýtosť, B - (Brightness) hodnota jasu. Farebný model HSB (niektoré zdroje ho udávajú ako HSV, kde V (Value) je hodnota jasu) sa reprezentuje ako šesťboký ihlan, ktorého vrchol leží v počiatku súradnicovej sústavy. Súradnice B a S sa podobne ako u RGB (CMY) modelu menia od 0 do 1. Súradnica H je však uhlová z intervalu <0°,360°>. Vrchol ihlanu v bode [0,0,0] predstavuje čiernu farbu. Biela farba je v strede podstavy ihlanu. Jas klesá od podstavy k vrcholu. Sýtosť je daná vzdialenosťou od osi ihlana. Určitý nedostatok tohto modelu spočíva v tom, že pri konštantnej hodnote S, sa pri zmene farebného tónu (H) musíme pohybovať po šesťuholníkovej dráhe a nie po kruhovej, ktorá by bola prirodzená. Čisté farby (červená, žltá, zelená, tyrkysová, modrá a fialová) ležia na obvode podstavy ihlana v príslušných vrcholoch šesťuholníka. Z daného vyplýva aj poloha dominantných farieb na plášti ihlanu. Grafické znázornenie HSB modelu je na obrázku 18.

Obr. 18. Model HSB (HSV) (Žára a kol. 1998).

Obr. 19. Model HLS (Žára a kol. 1998).

Model HLS Niektoré nedostatky predchádzajúceho modelu odstránil práve HLS model. V tomto modely je šesťboký ihlan nahradený dvojicou kužeľov. Základné zložky sú (obr.19): H - (Hue) farebný tón, L - (Lightness) svetlosť, S - (Saturation) saturácia alebo tiež sýtosť. Farebný model HLS je reprezentovaný, ako už bolo spomenuté, dvojicou kuželov, ktoré majú spoločnú podstavu. Súradnice L a S sa podobne ako u RGB (CMY) modelu menia od 0 do 1. Súradnica H je opäť uhlová z intervalu <0°,360°>. Vrchol jedného kužeľa v bode [0,0,0] predstavuje čiernu farbu. Biela farba je naopak zase vo vrchole druhého kužeľa. Tento model najviac zodpovedá skutočnosti, lebo najviac farieb je vnímaných práve pri strednej svetlosti (poloha spoločnej postavy kužeľov, kde L=0.5) a vnímavosť klesá tak pri veľkom presvetlení ako aj stmavení. Príslušné bázické farby (červená, žltá, zelená, tyrkysová, modrá 33

a fialová) ležia opäť na obvode spoločnej podstavy kužeľov, kde S=1 a L=0.5. Výhoda kruhovej podstavy spočíva v obiehaní okolo osi, kde už nie je nutný prechod po šesťuholníku ako u HSB, ale po ľahšej a prirodzenejšej kružnici. Obidva posledne definované modely umožňujú meniť jednotlivé farebné charakteristiky pri zachovaní ostatných typických vlastností farieb. Gama-korekcia Monitor je spravidla najčastejšie používané primárne výstupné zariadenie počítača. Príkladom je CRT monitor, ktorý zobrazuje farby najčastejšie pomocou svetielkovania fosforu, vybudeného tokom elektrónov. V ideálnom prípade by mala byť závislosť hodnoty pixelu a jeho jasu (intenzita) lineárna. V praxi je to však nedosiahnuteľné a na monitore sa objavuje určitá nelinearita v správaní sa fosforu pri jeho vybudení elektrónovým lúčom. Túto skutočnosť je nutné brať do úvahy a podľa možnosti potom korigovať odchýlku hodnoty pixelu od skutočného jasu pixelu na monitore. Tejto odchýlkovej hodnote sa hovorí gamma faktor a snahe o jej korigovanie potom gamma korekcia. Samozrejme, že všetky monitory nie sú rovnaké a preto napr. pre počítačové monitory je iná hodnota gamma korekcie aká je napr. pre klasické televízne obrazovky. Niektoré grafické systémy obsahujú funkciu na nastavenie gama korekcie. Rozptyľovanie a poltónovanie Znížením počtu farieb obrazu často dochádza k významnému zhoršeniu vizuálnej kvality výsledného obrazu. Zobrazované farebné odtiene je síce možné vybrať z niekoľko tisíc farebných odtieňov, ale súčasne ich môže byť zvolených len obmedzený počet. Úplným extrémom sú konverzie obrazov na čierno-biele (napríklad kvôli výstupu na čierno-bielu tlačiareň). Aby bolo možné aj pri takýchto obmedzeniach reprodukovať obrazy obsahujúce mnoho farebných odtieňov, boli vyvinuté metódy, ktoré sa snažia preklenúť rozdiel medzi požadovanou kvalitou výsledných obrazov a obmedzenými možnosťami. Metódy, ktoré dokážu z niekoľkých farieb vytvoriť ilúziu bohatej farebnej palety sa nazývajú rozptyľovanie (dithering) a poltónovanie (halftoning). Rozptyľovacie metódy využívajú tú vlastnosť ľudského oka, ktorá z farieb niekoľkých blízkych bodov vytvára farebný dojem jediného bodu, ktorého farba je daná aditívnym zlúčením farieb pôvodných bodov. Napríklad ak zariadenie nemá možnosť zobraziť oranžovú, týmto postupom ju nahradíme napr. optickým zmiešaním červenej a žltej pomocou matice v tvare dominovej päťky. Pri poltónovaní, dochádza k náhrade jedného bodu (pixelu) pôvodného obrazu (spravidla s väčším počtom farieb) za maticu bodov výsledného obrazu (s monochromatickým výstupom) najčastejšie pomocou určitej nahradzovacej masky. Je jasné, že dôjde k nadvzorkovaniu, tzn. že výsledný obraz bude väčší ako pôvodný. Techniky poltónovania boli vlastne vyvinuté pre transformáciu z obrazu s viac úrovňami šedi na čierno-bielu paletu, pričom je po transformácii požadovaný približne rovnaký vnem. Existuje niekoľko techník poltónovania. Najčastejšie sa však používa priama metóda náhrady pomocou spomínaných nahradzovacích masiek. S poltónovaním sa stretávame napr. pri výstupe na monochromatickú maticovú tlačiareň alebo laserovú tlačiareň, proste všade tam, kde máme k dispozícii len jednu farbu.

34

3. CA SYSTÉMY – POČÍTAČOM PODPOROVANÉ SYSTÉMY V súčasnej dobe sa veľmi často hovorí o počítačových a informačných systémoch, o komputerizácií všetkých odvetví hospodárstva a o informačnej spoločnosti. Výhody a ekonomické prínosy rôznych počítačových systémov sú nesporné. Posledné roky zaujímajú významné miesto v mnohých odvetviach priemyslu a služieb počítačom podporované systémy – CA systémy. Často sa tento pojem skloňuje v odbornej ale aj populárnej literatúre. Popularita a pozornosť, ktorá je venovaná CA systémom, je daná predovšetkým ekonomickými prínosmi po zavedení takýchto systémov do praxe. Dnes je možné stretnúť sa s veľkým počtom rôznych CA systémov, s rôznym stupňom komplexnosti, v rôznych cenových reláciách, od zahraničných ale aj našich vývojových pracovníkov. Často sa pohľad na tieto systémy zjednodušuje, mnohí si predstavujú takýto systém len vo forme samostatne pracujúceho počítača s príslušným softwarom, pričom výstup je redukovaný na pekne namodelovanú súčiastku, scénu, schému, mapu, zobrazenú na monitore počítača. Taktiež mnohí po zakúpení počítačového systému očakávajú okamžité ekonomické prínosy a vyriešenie problémov, ktorých príčiny sú obyčajne niekde inde. Eufória, ktorá vládla ešte pred pár rokmi, je minulosťou. Počítačom podporovaný systém je nástroj, ktorý môže výrazne zvýšiť konkurencie schopnosť podniku. Pred jeho zavedením je potrebné uskutočniť celý rad analýz a rozhodnúť sa pre taký systém, ktorý je určený pre konkrétne potreby daného podniku, pričom jeho zavedenie musí zohľadňovať požiadavky existujúcich podnikových systémov. CA systémy sú počítačové systémy určené predovšetkým na podporu činností v oblasti projektovania a tvorby grafických výstupov. Asi najväčšie rozšírenie majú v strojárskom priemysle, kde sa uplatňujú vo všetkých etapách výroby – od navrhovania súčiastky, cez plánovanie výroby, výrobu až po samotnú montáž, skladovanie a expedíciu. V súčasnosti sa používajú aj v rôznych iných odvetviach priemyslu a na rôznych stupňoch riadenia. Umožňujú urýchliť a zjednodušiť predovšetkým tzv. inžinierske činnosti ako kreslenie, konštruovanie, dimenzovanie, projektovanie, ale aj rôzne administratívne činnosti ako archivovanie, vyhľadávanie, reprodukovanie a pod.. K najznámejším počítačom podporovaným systémom patria CAD a CAD/CAM systémy. Okrem nich existuje ešte celý rad CA systémov, o ktorých sa síce menej hovorí a píše, ale predstavujú dôležitý nástroj pre zvyšovanie produktivity, efektivity a racionalizácie práce ako i zvyšovanie presnosti a znižovanie nákladov na výrobu. Význam CA systémov stúpa, ak sú tieto počítačové systémy v podniku navzájom dátovo integrované a prostredníctvom zdieľania dát vytvárajú integrované vyššie celky počítačových systémov. Výhodné je, ak sú automatizované aj systémy skladovania, operačnej a medzioperačnej manipulácie, transportu, monitoringu výroby. Výsledkom vzájomnej integrácie rôznych automatizovaných systémov vo výrobe spolu s CA systémami je podnik s vysokým stupňom flexibility. Vyvrcholením tejto snahy sú výkonné podnikové informačné systémy. Vybudovať počítačom integrovaný systém v podniku je komplexná úloha, ktorá vyžaduje vyriešiť celý rad problémov z oblasti automatizačnej techniky ako i z oblasti komunikačných a informačných technológií. Zaviesť takýto flexibilný systém je v súčasných náročných konkurenčných podmienkach nutnosťou. Integrovaný informačný systém sa potom stáva nosnou platformou pre uplatnenie výrobkov na trhu čo zaistí „prežitie“ podniku.

3.1. Rozdelenie CA systémov Skratka CA (Computer Aided) naznačuje, že činnosť, metóda, technika alebo systém je podporovaný počítačom. V minulosti bola skôr chápaná ako počítačová asistencia respektíve

35

počítačová pomoc (computer assisted), v súčasnosti sa chápe ako synonymum pre computer aided a ich význam je totožný. Aj keď existuje veľké množstvo počítačom podporovaných (CA) systémov, spomenuté budú len najznámejšie z nich, ktoré prevažnou mierou vplývajú na racionalizáciu inžinierských činností. CAD CAD (Computer Aided Design) systémy predstavujú počítačový návrh resp. počítačom podporovaný návrh súčiastky, počítačovú podporu tvorby modelov alebo počítačovú podporu tvorby konštrukčnej dokumentácie. Jedná sa o programové vybavenie pre geometrické a matematické modelovanie telies (súčiastok) a ich vlastností. Patria sem úlohy interaktívneho modelovania a konštruovania, vytváranie grafických modelov objektov, manipulácia s modelmi a transformácia týchto modelov do digitálnej formy. Okrem grafických činností CAD systémy umožňujú realizovať aj inžinierske výpočty a rôzne inžinierske analýzy. Počítačová technika sa pri konštrukčnom návrhu zo začiatku využívala len na racionalizáciu práce pri kreslení. Prvé systémy boli skôr ”elektronické rysovacie dosky”. Postupne umožňovali modelovať aj fyzikálne vlastnosti, analyzovať a simulovať navrhnuté vlastnosti. Postupom času nastal prechod od dvojrozmerného (2D) modelovania na objemové (3D) a parametrické modelovanie. CAPP CAPP (Computer Aided Process Planning) – reprezentuje počítačovú podporu pri návrhu a tvorbe technologickej dokumentácie. Ich hlavné uplatnenie je v strojárstve, kde na základe konštrukčnej dokumentácie pomáhajú navrhovať a vytvárať technologickú dokumentáciu. V technologickej dokumentácií sú informácie, ktoré určujú ČO sa ide vyrábať, AKO (aké výrobné metódy), KDE (na akom strojnom zariadení), ČÍM (akými nástrojmi, pri akom upnutí a pod.) a za AKÝCH podmienok (technologické podmienky). CAPP systémy umožňujú vytvárať rôzne formy technologickej dokumentácie (slovné, obrázkové technologické postupy, NC programy a pod.). NC programy sú určené väčšinou pre rôzne typy číslicovo riadených strojov (obrábacie, tvárniace stroje, drôtové rezačky a pod.) ako i pre priemyselné roboty. Výstupom CAPP systémov je technologická dokumentácia, ktorá slúži okrem samotnej výroby aj pre operatívne plánovanie a riadenie výroby. CAPP systémy sú väčšinou vytvárané v databázových systémoch. CAPP systémy tvoria dôležité prepojenie medzi CAD a CAM systémami. CAM CAM (Computer Aided Manufacturing) – označenie pre oblasť výroby podporovanú počítačom. CAM systémy zahŕňajú počítačové číslicové riadenie (CNC) výrobnej techniky, robotov, medzioperačnej dopravy výrobkov, polotovarov, náradia a pod.. Patrí sem počítačové operatívne riadenie výroby na dielenskej úrovni, číslicovo riadené výrobné systémy, automatizované dopravníky, automatizované sklady a pod.. CAM je možné chápať v dvoch úrovniach – ako nejaký konkrétny systém (CNC riadenie a NC stroj) alebo ako určitý komplexný pohľad na počítačovú podporu vo výrobe. Pod CAM si môžeme predstaviť aj široký komplex strojného, manipulačného, transportného, meracieho, kontrolného a pomocného zariadenia, ktoré je počas výroby súčiastky riadené počítačom. CAM ako software slúži na prípravu CAD dát vo výrobnom procese a na uskutočnenie simulácií výrobného procesu. Zo širšieho hľadiska je CAM použitie počítačov hocikde priamo vo výrobnom procese.

36

CAD/CAM CAD/CAM - (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing) – je počítačom podporovaný systémy s integrovanou podporou návrhu a súčasne aj výroby súčiastky. Zriedkavo sa používa aj skratka CADM (Computer Aided Design and Manufacturing). Postupne s vývojom CAD, CAPP a CAM systémov sa začali vyvíjať systémy, ktoré by integrovali túto reťaz činnosti – návrh súčiastky – návrh technológie – výroba, do jedného systému. Systémy CAD/CAM integrujú modelovanie súčiastky a jeho konštrukčný návrh, návrh technologickej dokumentácie vo forme NC programov a operatívne riadenie výroby do jedného počítačového systému. CAD/CAM systémy sú v súčasnosti veľmi populárne a prežívajú svoj ”boom”. Výhodou týchto integrovaných systémov je ich schopnosť riešiť komplexné a zložité úlohy. Integrujúcou časťou CAD/CAM systémov je model výrobku a vnútorná databáza systému. CAE CAE (Computer Aided Engineering) – počítačom podporované inžinierstvo – tento pojem je skôr známy ako automatizácia inžinierskych prác (AIP), resp. počítačom podporované inžinierske práce. Jedná sa napr. o súbor inžinierskych činností, ktoré sa uskutočňujú v predvýrobných etapách realizácie súčiastky. Často sa týmto pojmom komplexne označuje počítačová podpora inžinierskych prác v predvýrobných etapách a zahŕňa systémy ako CAD, CAD/CAM a CAPP. Myslia sa tým všetky činnosti vo vývojovo-návrhovej etape, keď je súčiastka podrobovaná mnohým analýzam, testujú sa rôzne varianty, optimalizuje sa návrh a pod.. Je to komplexné pomenovanie počítačovej podpory návrhovej etapy počas realizácie súčiastky. CAPE CAPE (Computer Aided of Production Engineering) je subsystémom počítačom integrovanej výroby (CIM) a zahŕňa počítačovú podporu všetkých činností spojených s realizáciou samotnej výroby výrobku (programovanie výrobnej techniky, obslužných, dopravných a skladovacích zariadení, meranie, skúšanie a diagnostiku súčiastok, a zhotoveného výrobku). Táto etapa počítačovej podpory plynulo nadväzuje na aplikáciu počítačovej podpory v technickej (konštrukčnej a technologickej) príprave výroby a je nevyhnutná pre zabezpečenie podmienok súbežného inžinierstva (Concurrent Engineering). CAPE je širšie pomenovanie CA systémov podporujúcich technicko-realizačnú etapu. Preto sa CAPE chápe ako počítačová podpora výrobného inžinierstva. CIM CIM (Computer Integrated Manufacturing) nepredstavuje systém, ale integráciu systémov, zúčastňujúcich sa priamo alebo nepriamo na realizácií výrobku. CIM teda môžeme vnímať ako komplex navzájom integrovaných systémov, ktoré sa zúčastňujú na realizácií výrobku. Je to pohľad na integráciu počítačom podporovaných systémov v predvýrobných a výrobných etapách. Ako základ pre širšiu integráciu CA systémov v podniku sa uvažujú systémy CAD, CAD/CAM, CAM, CAPP, CAQ a PPS systémy.

Veľkú úlohu pri zavádzaní počítačových systémov v priemyselnej praxi má ich vzájomná komunikácia, celkový efekt z jednotlivých CA systémov a predovšetkým efekt z integrácie všetkých CA systémov v podniku do jedného celku. Prax potvrdila, že význam a efektivita jednotlivých CA systémov sa stráca, ak nie sú navzájom integrovateľné do vyšších celkov. Ideálnym riešením je teda zaistenie plnej kompatibility a dátovej integrovateľnosti všetkých existujúcich počítačových systémov v podniku.

37

Integrácia CA systémov si vyžaduje nový pohľad na organizáciu v podniku a predovšetkým na zmenu mnohých kompetencií a právomocí zodpovedných pracovníkov. Pozitívnymi črtami takéhoto riešenia sú: - sprehľadnenie chodu technickej dokumentácie v podniku, - vyššia efektivita inžinierskych prác, - skracovanie priebežných časov, - flexibilita na zmeny vo výrobe a na zmeny vyžiadané zákazníkom. Proti pozitívam stojí na druhej strane: - neochota pracovníkov čokoľvek meniť, - vyššie obstarávacie náklady, - očakávanie okamžitých prínosov a s tým spojená nedôvera v takéto riešenia, - vyššia miera zodpovednosti, - sústavné vzdelávanie ľudí a pod.. Sú to dva pohľady na integráciu CA systémov, presadenie nového riešenia závisí na ľuďoch a na ochote prijať nový konspekt riadenia výroby (www.3).

3.2. Rozdelenie CAD software Súčasný CAD software možno rozdeliť podľa rozsahu a účelu do nasledovných skupín: - malé CAD software, - stredné CAD software, - veľké CAD software. Malé CAD software Malé CAD software sú relatívne lacné software, riešiace úplné skicovanie a kreslenie, (tvorba náčrtov) ale nie sú určené pre konštruktérov. Hovoríme, že ide o programy, ktoré nezachádzajú za hranicu 2D. Sú to software typu EasyCAD, DesignCAD, Autosketch, Corell Draw, AutoCAD LT a mnoho iných. Cenovo sú najlacnejšie a ich cena predstavuje len zlomok obstarávacej ceny stredných alebo veľkých CAD software. Stredné CAD software Do skupiny stredných CAD software možno zaradiť také software, ktoré podporujú úplný 2D a čiastočný 3D design napr. MicroStation, FastCAD ale i AutoCAD (od v. 12 vyššie) a pod.. Pracujú v rovine a majú na vysokej úrovni prepracované 2D (Dimension rozmer) kresliace nástroje (bod, úsečka, oblúk, kružnica, prsteň, elipsa, mnohouholník, krivka, dvojitá čiara a pod.), uchytávacie režimy (stred, koncový bod, tangenta, kolmica, priesečník a kvadrant), editovacie nástroje (pole, kópia, zrkadlenie, zaoblenie, skosenie, posun, orezávanie, predĺženie, mierka, natiahnutie, otočenie), možnosť práce v hladinách, veľké množstvo typov čiar a farieb. Sú doplnené o niektoré 3D nástroje ako napr. vytvorenie 3D modelu z tvoriacej krivky rotáciou či posunutím, prácu s B-spline krivkami a plochami, premietnutie krivky na určenú rovinu, konštrukciu špirálovej plochy a iné. S možnosťami týchto software rastú aj ich nároky na hardware a zvyšuje sa samozrejme aj ich cena. Veľké CAD software Pod veľkým CAD software rozumieme software pracujúci v priestore t.j. v 3D. Majú analogické kresliace a uchytávacie nástroje, editovacie režimy ako predchádzajúce, s tým rozdielom, že sú to nástroje pracujúce plne v 3D priestore. Príkladom môže byť software

38

PowerShape, Solidworks a iné. Veľké CAD software disponujú najprepracovanejšími a najvýkonnejšími modelovacími technikami resp. ako sa zvykne zjednodušene hovoriť výkonnými modelármi, ktoré dovoľujú skutočné počítačové modelovanie. Mnohé výkonné CAD software sú tiež súčasťou veľkých CAD/CAM software. Hlavným znakom týchto CADov sú nasledovné typické vlastnosti: - 3D parametrizácia, - associativita. Výkonné veľké CAD software pracujú najmä na platforme operačných systémov UNIX a Windows NT za pomoci výkonného hardware (pracovných staníc HP, SG, Sun IBM).

3.3. Najznámejšie používané CAD systémy AutoCAD a Mechanical Desktop AutoCAD je nástroj pre 2D koncepty, detailnú prácu a 3D výkresy, využívaný projektantmi viac ako ktorýkoľvek iný CAD software. Zaisťuje prirodzenú DWG kompatibilitu, naviac ho môžete upraviť podľa Vašich osobným požiadaviek alebo pridať doplňujúcu aplikáciu, ktorá splní Vaše špecifické požiadavky. Najnovšie verzie AutoCAD teraz ponúkajú novú a vylepšenú produktívnu sadu nástrojov, grafické návrhy, CAD štandardy a mnoho ďalšieho pre rýchlejšie vytváranie grafických dát a ich pohodlnejšie zdieľanie. AutoCAD sa stáva špičkou medzi softwarom, určeným na rysovanie hlavne vďaka nadstavbám. Autodesk Mechanical Desktop je silným a flexibilným systémom pre 3D modelovanie pevných telies, postaveným na základoch AutoCADu 2002. Autodesk Mechanical Desktop je známy schopnosťou spájať 2D a 3D návrhy v rámci základov AutoCADu. Ponúka 2D a 3D drôtové modely alebo modelovanie 3D povrchov a parametrických pevných telies. MicroStation MicroStation je moderným CAD systémom spoločnosti Bentley Systems, určeným pre architektúru, stavebné inžinierstvo, dopravu, spracovateľský priemysel, výrobné zariadenia, štátnu správu a samosprávu a inžinierske a telekomunikačné siete. Predchodcom MicroStation bol produkt nazvaný PseudoStation, ktorý pracoval na počítačoch VAX a MicroVAX firmy DEC a ktorý sa od roku 1984 predával ako lacnejšia alternatíva k ponuke firmy Intergraph pre editáciu IGDS (DGN) súborov. Pre ilustráciiu pracovná stanica InterACT (iba hardware) firmy Intergraph v tej dobe stála okolo 100 000 dolárov. PseudoStation si pre svoju prácu vyžadoval grafický terminál, neskôr existovala možnosť práce na PC prostredníctvom produktu PseudoTerm, ktorý terminál emuloval. V dobe, keď začali byť počítače na báze procesorov Intel dostatočne výkonné pre beh grafických aplikácií (od éry počítačov triedy 386), bol produkt preprogramovaný a predstavený ako MicroStation. Jadro systému sa vyvíja kontinuálne, a tak sa môže stať, že nová verzia funkčne jednoduchšieho produktu obsahuje vlastnosti, ktoré neobsahuje MicroStation. Napríklad pri prvom uvedení programu MicroStation PowerDraft sa tento produkt označoval ako "rozšírená podmnožina" (enhanced subset) MicroStation, pretože obsahoval niektoré novinky, ktoré sa objavili až v MicroStation 95 (AccuDraw, SmartLine, BASIC a pod.). Základné odlišnosti jednotlivých programov sú nasledovné: - MicroStation - plná funkčnosť v 2D i 3D, s MicroStationom sa naviac dodáva jedna z profesionálnych nadstavieb podľa voľby užívateľa (napr. GeoGraphics, TriForma, CivilPAK a Plant).

39

- Bentley PowerDraft - primárne určený pre rutinné kreslenie (drafting), bez databázy a bez pokročilých 3D funkcií. - Bentley PowerMap - funkčnosť ako Bentley PowerDraft, ale rozšírená o databázové rozhranie a podmnožinu funkčnosti MicroStation Geographics (bez exportu do SHP, E00 [ASCII] a MIF/MID a bez zápisu do Oracle Spatial), umožňuje však iba prácu s 2D výkresmi. - MicroStation GeoOutlook - prehliadanie, kreslenie do poznámkových výkresov, obsahuje vybrané funkcie z programu MicroStation Geographics (prehliadanie GIS projektov), vrátane databáz - iba do verzie 7.1, v generácii V8 je jeho následníkom Bentley PowerMap. - Bentley Redline - prehliadanie, kreslenie do poznámkových výkresov, iba grafika (vektor i raster), bez podpory databázy, neumožňuje spúšťať nadstavbové aplikácie (iba BASIC). - Bentley View - prehliadanie, iba grafika (vektor i raster), bez databázy, neumožňuje spúšťať nadstavbové aplikácie (ani BASIC). Všetky základné produkty Bentley Systems, tj. MicroStation, Bentley PowerDraft, MicroStation GeoOutlook, Bentley Redline a Bentley View vychádzajú zo spoločného jadra. Inými slovami, jednoduchšie produkty vznikajú odvodením z funkčne najrozsiahlejšieho systému, tj. z produktu MicroStation. Všetky produkty sú 100% dátovo kompatibilné, odpovedajú hlavnej verzii majú rovnaké ovládanie, spoločné vlastnosti a verzie jednotlivých komponentov. CAD systém MicroStation umožňuje vytvárať 3D modely objektov a budov. Tieto modely a ich jednotlivé časti sú elektronickou simuláciou reálnych objektov a obsahujú všetky informácie o ich parametroch. Tieto parametre ale aj celé časti modelov sa prispôsobujú jednotlivým fázam životného cyklu objektu (návrh, projektovanie, výstavba, prevádzka), čo zjednodušuje vedenie projektu a zefektívňuje prevádzku objektu. Nová verzia MicroStation nazvaná MicroStation V8 je výnimočná predovšetkým v nasledujúcich oblastiach: - Výmena dát, ich opakované použitie a schopnosť spolupráce nad týmito dátami. - Podpora pracovných postupov a užívateľských požiadaviek. - Vytvorenie robustnej platformy pre širokú škálu aplikácií. MechSoft MechSoft zahŕňa strojárske výpočty, správcu väzieb, optimalizáciu, modul pre pripojenie externých databáz a normalizované súčasti, ktoré vo svojom celku umožňujú užívateľovi vytvárať, simulovať, ovládať a zaznamenávať strojársky správne návrhy. Významnou súčasťou tohto riešenia sú sprievodcovia, s ktorými sa ľahko a automaticky vytvárajú súčiastky iba voľbou v ponuke niekoľkých jednoduchých, či zložitých atribútov MechSoftu. MechSoft však nie je iba súbor účinných funkcií a vzťahov, umožňuje tiež ľahko nadväzovať funkčné väzby pomocou "uchop a ťahaj" pre okamžitú zmenu návrhu, pevnostnú kontrolu, rozhodovaciu analýzu alebo koncepčné navrhovanie. Pro Engineer Pro/Engineer je plne parametrický a asociatívny 3D CAD systém zahŕňajúci viac ako 90 špecializovaných softwarových modulov podporujúcich celý proces vývoja nového výrobku od fázy návrhu konceptu až po prípravu výrobných dát a dátový management. Asociativita a parametrický popis geometrie zásadne redukujú náklady na realizáciu zmien. V koncepčnej fáze je tak možné paralelne rozpracovať a vyhodnotiť viacero variantov tej istej konštrukcie.

40

Solid Edge Solid Edge - 3D CAD systém, určený pre návrh a modelovanie dielov a zostáv. Má k dispozícii nástroje, ktoré umožňujú reálne pracovať s veľmi rozsiahlymi zostavami, obsahujúcimi tisíce komponentov. Disponuje veľmi výkonnými funkciami pre tvorbu 3D modelov dielov a zostáv vrátane vytvárania výkresovej dokumentácie. Vyniká vysokou produktivitou pri zachovaní neuveriteľne jednoduchej obsluhy. VariCAD VariCAD je profesionálny CAD systém pre strojárstvo. Medzi štandardné moduly VariCADu patrí 3D modelovanie, 2D kreslenie, asociatívne kótovanie, knižnice strojných súčiastok, knižnice symbolov a blokov, rozviny plechových dielov, výpočty a početné nástroje pre prácu s negrafickými informáciami (archív, razítka, kusovníky, správa súborov výkresov, atď.). Tieto a ďalšie nástroje umožňujú konštruktérom veľmi rýchlo vytvárať, analyzovať a neobmedzene upravovať koncepty návrhov. Unigraphics Unigraphics je komplexný CAD/CAM/CAE systém, zahŕňajúci podporu pre široké spektrum činností v konštrukcii a výrobe - od prvého ideového návrhu cez výpočty, modelovanie, tvorbu dokumentácie, programovanie NC obrábacích a meracích strojov a simuláciu obrábania až po kontrolu kvality, správu dát a projektov a integráciu do podnikového informačného systému. Unigraphics je komplexný produkt ako z hľadiska pokrytia procesov v strojárstve, tak aj z hľadiska plnosti a kvality funkcií. Vďaka svojej modulárnej stavbe ponúka riešenie pre špičkové priemyselné aplikácie od bežnej strojárskej výroby až po letecký a automobilový priemysel. SolidWorks SolidWorks je vynikajúci parametrický objemový modelár pre oblasť strojárstva. Umožňuje 2D aj 3D zobrazenie, fotorealistický rendering a animáciu. Pomocou Visual Basicu, alebo C++ ho môžeme rozširovať o ďalšie funkcie. Základné moduly systému umožňujú parametricky modelovať diely, vytvárať výkresy a automatické kusovníky, zostavy, variantné rady a pod.. SolidWorks udržuje asociativitu medzi rozvinom a zloženým tvarom s možnosťou úprav v jednom alebo v druhom režime. Umožňuje riešiť kinematiku, vytvárať formy, ponúka export/import filtre, základnú knižnicu dielov a prvkov. SolidWorks má tri základné režimy práce - Part - pre tvorbu samostatného dielu, - Assembly - pre tvorbu zostavy jednotlivých dielov, - Drawing.

3.4. Základné črty súčasných CAD systémov Doposiaľ CAD systémy predstavovali len nástroje na tvorbu výkresovej dokumentácie. Umožňovali na základe zásad technického kreslenia a deskriptívnej geometrie vytvárať výkresy v jednotlivých pohľadoch. Dôsledkom toho bolo, že najdôležitejšiu časť CAD systému tvoril grafický modelár. Architektúru moderných systémov tvorí sústava modulov, z ktorých je možné poskladať celkovú konfiguráciu systému presne podľa potrieb užívateľa. Súčasné CAD systémy sú charakteristické nasledujúcimi črtami: - oproti klasickým formám programovania týchto systémov (Fortran, C jazyk a pod.) sa používajú nové formy programovej implementácie – objektovo orientovaný prístup (C++ a pod.),

41

- systémy majú modulárnu štruktúru, - používajú sa prevažne 3D modelovacie techniky, - úlohy pri modelovaní, konštruovaní, testovaní, simuláciách a rôznych analýzach prebiehajú paralelne (Concurrent Engineering), skracuje sa tým cyklus vývoja a výroby súčiastky, - aplikačný software sa správa ako Plug-in, narába iba s dátami, existuje tzv. súborovo orientovaný prístup, - dáta obsahujúce nielen geometrické ale aj technologické informácie, sú počas celého procesu vývoja súčiastky jednoznačné, kompletné a prístupné pre všetky aplikácie typu Plug-in, - pre výmenu dát sa používa nový štandard STEP – ISO, ktorý obsahuje geometrické a technologické informácie, - objektovo orientovaný prístup je založený na súčasných štandardoch OLE pre MS Windows a Cobra pre Unix, - dynamická výmena dát, výmena dát medzi subjektami a vo vnútri subjektu, - otvorenosť systému z hľadiska rozširovania modulov ako aj prístupu k dátam, používanie systémov v rámci Internetu, Intranetu a Extranetu, - nezávislosť na hardwarových platformách, architektúra typu Client/Server, - najčastejšie používaná platforma – Unix a MS Windows NT.

42

4. ZÁKLADNÉ GRAFICKÉ OBJEKTY CAD SYSTÉMOV V nasledujúcich podkapitolách je uvedený popis základných grafických objektov z pohľadu ich implementácie v počítačovej grafike. 4.1. Bod Bod je elementárnym objektom v počítačovej grafike vôbec. Základnými atribútmi bodu z pohľadu počítačovej grafiky, sú jeho poloha a farba príp. čas. V počítačovej grafike sú používané „viaceré typy“ bodov. Základným používaným bodom je pixel. Jedná sa o obrazový bod, ktorý je charakterizovaný dvomi súradnicami polohy a svojou farbou. Ďalším „typom“ bodu je voxel, tiež nazývaný aj objemový bod. V počítačovej grafike sa používa pri objemovom modelovaní objektov. Jeho základnými atribútmi sú tri súradnice polohy a farba. Pri vyplňovaní a textúrovaní sa používa bod výplne resp. textúry nazývaný texel, čo je skratka z texture pixel. Tento okrem polohy v rámci určitej súradnicovej sústavy má ešte definovanú aj polohu v rámci výplňového vzoru (textúry) a reláciu svojho priradenia vypĺňanej oblasti. Tejto relácii hovoríme aj mapovanie výplňového vzoru (textúry). Posledným zo zaujímavých „typov“ bodov je tixel, čo je skratka z time pixel. Tento „typ“ bodu má navyše aj časový atribút a používa sa napr. v animačných grafických systémoch. S bodom, ako základným typom grafického prvku, pracujú všetky rastrové grafické systémy resp. zariadenia (www.1). 4.2. Sled bodov (polymarker) Je rozširujúcim prvkom a priamo nadväzuje na objekt bod. Polymarker definuje logicky zviazanú množinu bodov na základe určitej relácie medzi prislúchajúcimi atribútmi týchto bodov. Akákoľvek operácia (napr. presúvanie) sa vykonáva na všetkých bodoch spolu. Relácia medzi atribútmi bodov polymarkra môže byť definovaná homogénne alebo heterogénne. Homogénna relácia je relácia definovaná medzi rovnakými atribútmi jednotlivých bodov polymarkra, napr. medzi atribútmi polohy. Heterogénna relácia je definovaná medzi rôznymi atribútmi jednotlivých bodov polymarkra, napr. farba niektorého bodu je závislá od polohy druhého. Polymarker sa používa napr. v grafických editoroch na operáciu kreslenia voľnou rukou (angl. freehand). V rastrových editoroch sa táto operácia vykoná tak, že na okamžitú pozíciu kurzora sa vykreslí bod so svojimi atribútmi (obr.20). Jediné, čo je potrebné dodržať, je obmedzenie rýchlosti posunu kurzora po kresliacej ploche, lebo inak by mohlo dôjsť k opticky nekontinuálnej kresbe. Po uložení bodov je možné k nim pristupovať ako k polymarkeru, ale aj ako k samostatným bodom, čo je vyslovene záležitosťou tvorcu editora. Vo vektorových editoroch sa implementuje mierne iným spôsobom. Pohyb kurzora sa vzorkuje a kreslenie voľnou rukou nie je implementované bodmi, ale najčastejšie sa vykonáva lineárna interpolácia medzi jednotlivými bodmi (obr.20) (www.1).

Obr. 20. Ukážky implementácie kreslenia voľnou rukou v rastrovom aj vektorovom editore.

43

4.3. Úsečka Úsečka je definovaná ako najkratšia spojnica dvoch bodov. V počítačovej grafike je veľmi často používaným objektom. Princíp jej zobrazenia na rastrovom displeji je jednoduchý, stačí určiť ktoré body budú rozsvietené a ktoré nie. Poloha bodov úsečky sa určí na základe rovnice priamky, ktorej časťou je daná úsečka. Výsledkom výpočtu je množina bodov, ktorá sa svojim tvarom najviac približuje danej úsečke (tzv. alias úsečky). Vykreslená úsečka bude na displeji kostrbatá. Tento jav je prirodzený a je možné ho odstrániť použitím displeja s vyšším rozlíšením prípadne metódami na vyhladzovanie čiar (antialiasing). Všeobecná rovnica úsečky v smernicovom tvare je: y=k.x+c kde:

y - súradnica bodu na osi y, x - súradnica bodu na osi x, k - smernica priamky, na ktorej leží úsečka, c - posun na osi y.

Ak máme dva body A[xA, yA] a B[xB, yB], ktoré sú koncovými bodmi úsečky, potom základné koeficienty vypočítame nasledovne: (x y − x A y B ) . y − yA k= B a c= B A (x B − x A ) xB − x A V počítačovej grafike môžeme nakresliť úsečku použitím viacerých algoritmamov (www.1): Algoritmus založený na výpočte oboch súradníc je postavený na tom, že z počiatočného bodu kreslíme čiaru na základe výpočtu dvojice súradníc nasledujúceho bodu úsečky podľa smernice. Tento spôsob je jednoduchý, výpočtovo však veľmi náročný, čo sa prejaví malou rýchlosťou kreslenia úsečky. Z toho dôvodu sa v praxi takmer nepoužíva. Algoritmus DDA alebo tiež prírastkový algoritmus (DDA - digital differential analyzer) je založený na postupnom pripočítavaní konštantných prírastkov k obom súradniciam x a y. Rozlišujeme výpočet pre priamku so smernicou k menšou ako 1 a so smernicou k väčšou ako 1. Prvým krokom je výpočet diferencií (rozdielov) medzi jednotlivými súradnicami, čím sa určí smernica k. To, či je k>1 alebo k<1, určujú veľkosti diferencií jednotlivých súradníc. Počet krokov definuje väčšia diferencia. Prírastky v jednotlivých osiach (px, py) sa potom definujú ako podiely diferencií jednotlivých súradníc a počtu krokov. Matematicky to možné zapísať nasledovne: dx dx = x B − x A počet _ krokov ⇒ počet _ krokov = max (dx, dy ) ⇒ dy dy = y B − y A py = počet _ krokov px =

Pre smernicu menšiu ako 1 budeme meniť súradnicu na osi x o jednotku, pretože px=1 (táto os sa potom nazýva riadiaca os) a výpočtom určíme súradnicu na osi y. yi+1=yi+py Pre smernicu väčšiu ako 1 je postup analogický, ale riadiaca os bude os y. xi+1=xi+px Toto pripočítavanie sa deje potom v cykle pre celkový počet krokov.

44

DDA algoritmus je citlivý na presnosť výpočtu a pri dlhších úsečkách môže dôjsť ku kumulácii zaokrúhľovacej chyby pri definovaní prírastkov (www.1). Bresenhamov algoritmus pre kreslenie úsečky je veľmi efektívny algoritmus generovania bodov na úsečke. Nachádza body ležiace najbližšie k danej skutočnej úsečke a to na základe hodnoty predikčného chybového člena (Error diferential). Rovnako ako pri DDA aj tu sa uvažuje s úsečkou, ktorej smernica je menšia ako 1 alebo naopak väčšia ako 1. Takisto sa vyberie súradnica s väčším prírastkom t.j. s väčšou diferenciou súradníc a tým sa vyberie aj riadiaca os. V smere riadiacej osi sa potom opäť budú súradnice inkrementovať o 1. V smere druhej súradnice sa určuje daný predikčný chybový člen a podľa neho sa volí bližší bod (pixel) k úsečke. Predikčný chybový člen tak zachytáva vzdialenosť medzi ideálnou (skutočnou) úsečkou a zobrazovaným bodom. Táto vzdialenosť je meraná kolmo na smer rýchlejšieho rozvoja. Ak je táto chyba menšia ako polovica jednotky rastra, volí sa inkrementácia len v smere riadiacej osi. Ak je chyba väčšia ako polovica jednotky rastra, volí sa inkrementácia v obidvoch smeroch. Ak sa chybový člen vhodne inicializuje, stačí postaviť algoritmus iba na testovaní znamienka chybového člena a potom celý algoritmus upraviť na tvar, v ktorom sa požíva len celočíselná aritmetika. Navyše algoritmus používa len operáciu sčítania a násobenie dvomi, čím je v porovnaní s predchádzajúcimi algoritmami podstatne efektívnejší (www.1).

4.4. Sled úsečiek (polyline) Je obdobou zoskupenia úsečiek ako u polymarkera. Navyše však môžeme hovoriť o otvorených alebo uzavretých sledoch. Existujú používané špeciálne prípady sledov úsečiek ako trojuholník, štvorec, obdĺžnik, lichobežník, rovnobežník, šesťuholník, osemuholník a podobne.

4.5. Kružnica Kružnica je definovaná ako množina bodov rovnako vzdialených od stredového bodu. Najčastejšie je vyjadrená pomocou stredového bodu S[xS,yS] a polomeru r (prípadne bodu, ktorý na nej leží) (obr.21). Rovnicu kružnice môžeme matematicky vyjadriť takto: y = y s ± r 2 − (x − x s )

2

Algoritmov kreslenia kružnice je niekoľko (www.1): Algoritmus kreslenia kružnice na základe parametrického vyjadrenia vykonáva kreslenie kružnice tak, že ju nahradíme kreslením mnohouholníka, pričom jeho stred je identický so stredom kružnice a polohy bodov určíme parametricky na základe parametra u v intervale <0,2π>: x = x s + r. cos(u ) a y = y s + r. sin(u ) Tento spôsob je výpočtovo náročný pretože pracuje s funkciami reálnych čísel a nevyužíva symetrické body kružnice. Algoritmus kreslenia kružnice podľa predikcie chyby vychádza z rovnakých princípov ako kreslenie úsečky Bresenhamovým algoritmom. Vypočítava sa predikčný chybový člen a podľa neho sa určí súradnica y nasledujúceho bodu. Súradnica nasledujúceho bodu x je zvýšená o jednotku. 45

Počiatočné body: xi = 0 a y i = r Poloha bodu: xi +1 = xi + 1 y i +1 sa stanoví predikciou chyby Ei+1 Počiatočná predikcia chyby: E1 = 1 – r , potom: Ei<0 ⇒ Ei+1=Ei+2.xi+3 Ei≥0 ⇒ Ei+1=Ei+2.xi+5-2.yi Výpočet budeme robiť pre jednu osminu kružnice a celú kružnicu vykreslíme pomocou funkcie na základe symetrie kružnice. Výpočet sa tým zníži na minimálnu hodnotu. Tento algoritmus je vďaka použitiu len celočíselných operácií jedným z najrýchlejších algoritmov na vykreslenie kružnice.

Obr. 21. Grafické vyjadrenie kružnice so stredom v bode S a polomerom r.

Obr. 22. Grafické vyjadrenie elipsy so stredom v bode S a poloosami a, b.

4.6. Elipsa Je definovaná ako množina bodov, ktorých súčet vzdialeností od dvoch bodov (ohnísk) je konštantný. Rovnica elipsy zadanej stredom S[xS,yS] a poloosami a, b (obr.22) rovnobežnými so súradnicovými osami je:

(x − x s )2 + ( y + y s )2 a2

b2

=1

Princíp vykreslenia elipsy sa používa aj na vykreslenie kružnice na zobrazovacie zariadenie (monitor), ktoré nemá pomery strán zobrazovacieho priestoru 1:1. Algoritmy kreslenia elipsy sú (www.1): Algoritmus kreslenia elipsy na základe parametrického vyjadrenia je kreslenie, kedy ju nahradíme kreslením mnohouholníka, pričom jeho stred je identický so stredom elipsy a polohy bodov určíme parametricky na základe parametra u v intervale <0,2π>: x = x s + a. cos(u ) a y = y s + b. sin (u ) Použijeme funkciu na vykreslenie úsečky medzi jednotlivými bodmi. Tento spôsob je výpočtovo náročný, pretože pracuje s funkciami reálnych čísel a nevyužíva symetrické body elipsy.

46

Algoritmus kreslenia elipsy na základe predikcie chyby umožňuje použiť algoritmus, ktorý umožňuje robiť výpočty polohy jednotlivých bodov v celočíselnej aritmetike. Výpočet bude podobný ako v prípade kružnice, s výnimkou niekoľkých základných rozdielov: - pomocou symetrie určíme pre jeden vypočítaný bod 4 body na elipse, - počítame časť s riadiacou osou x aj časť s riadiacou osou y. Pre počiatočné body platí: xi = 0 a y i = a Poloha bodu: xi +1 = xi + 1 y i +1 sa stanoví predikciou chyby Ei+1 Počiatočná predikcia chyby: E1 = 1 – r , potom: Ei<0 ⇒ Ei+1=Ei+b2.(2.xi+1) Ei≥0 ⇒ Ei+1=Ei+ b2.(2.xi+1)-2.a2.yi Výpočet budeme robiť pre jednu štvrtinu elipsy a celú elipsu vykreslíme pomocou funkcie na základe symetrie elipsy. Náročnosť výpočtu sa tým podstatne zníži. Tento algoritmus je vďaka použitiu len celočíselných operácií jedným z najrýchlejších algoritmov na vykreslenie elipsy.

4.7. Kruhový (eliptický) výsek Kruhový resp. aj eliptický výsek býva častokrát samostatným prvkom v grafických systémoch. Niektoré zdroje ho uvádzajú ako jeden zo základných prvkov (oblúk, arc), iné ako prvok odvodený z kružnice resp. elipsy. V našom ponímaní budeme uvedené prvky chápať ako odvodené objekty. Podľa toho, ako sa potom definovaný objekt vykreslí, resp. ktoré jeho riadiace body sa chápu ako významové, dostávame v princípe až tri druhy objektov (www.1) (obr.23): - výsek, - oblúk, - odsek. Po stránke algoritmickej sa v princípe vychádza z vyššie uvedených vzťahov. Až na to, že oproti kružnici resp. elipse, uhol nie je definovaný z intervalu <0,2π>, ale z určitého definovaného intervalu (α1,α2), čím sa vlastne definuje veľkosť uhla výseku, ako rozdiel týchto hraničných uhlov intervalu.

a)

b)

c)

Obr. 23. Príklady kruhového (eliptického): a) výseku, b) oblúku, c) odseku (www.1).

47

4.8. Alias a antialiasing Slovo alias v grafike znamená neželaný optický jav, kaz obrazu. Stretávame sa s ním napríklad pri kreslení úsečiek do rastra (rasterizácii). Antialiasing (vyhladzovanie) je metóda používaná na odstránenie alebo zmiernenie nežiadúceho skreslenia kresby na rastrových zariadeniach - teda k odstráneniu aliasu (obr.24). V počítačovej grafike sa alias môže objaviť v rôznych prípadoch: 1. Schodovité zobrazovanie priamych rovných čiar a hraníc polygónov na rastrových displejoch. 2. Ak je zobrazovaný objekt menší ako veľkosť pixelu (obrazového bodu) alebo pri veľmi tenkých čiarach. Malé objekty potom nie sú vôbec zobrazené alebo napr. tenké čiary nie sú opticky hladké resp. ucelené (sú zobrazené ako nepravidelná postupnosť bodov). 3. Pri zobrazení zložitejšej scény s blízkymi detailmi (napr. pri generovaní základných obrázkov z raytracingu). Tieto detaily sú buď potlačené alebo skreslené tak, že nie je možné rozoznať ich pôvodný tvar.

Obr. 24. Alias dvoch úsečiek (vľavo) a jeho odstránenie antialiasingom (vpravo).

Alias sa prejavuje výrazne aj pri animačných sekvenciách alebo pri interaktívnej práci (napr. pri premiestňovaní, alebo iných transformáciách objektov v grafických editoroch), kde môže aj obyčajná úsečka vykázať nepríjemné skreslenie napr. pri rotácii. Ak je úsečka príliš malá, môže sa dokonca striedavo objavovať a miznúť. Základná idea antialiasingu spočíva v tom, že pixel sa nepovažuje za ideálny bod, ale pracuje sa s ním ako s plochou, ktorá je súčasťou scény. Každý objekt v scéne následne ovplyvňuje hodnotu minimálne jedného pixelu. Informáciu, strácajúcu sa pri prevode do rastra, prevedieme na jasovú (pri odtieňoch šedej) alebo na farebnú hodnotu pixelu (obr.24). Intenzitu (farbu) každého pixelu určíme ako súčet (funkciu) intenzít (farieb) všetkých objektov, ktoré sú zobrazené v danom pixely. Časová náročnosť funkcie antialiasing je pomerne veľká, a preto túto funkciu mnohé aplikácie pri vykresľovaní nepoužívajú. Jej povolenie (zapnutie) alebo zakázanie (vypnutie) je teda obyčajne na užívateľovi aplikácie.

48

5. POČÍTAČOVÉ MODELY A MODELOVANIE Vývojom počítačov a hlavne ich cenovou dostupnosťou sa preniesla práca spojená s tvorbou modelov na počítače. Ako už bolo spomenuté, spočiatku boli počítače využívané ako elektronické rysovacie dosky a CAD systémy pracovali len v 2D zobrazení. Postupom času vznikali 3D CAD systémy, ktoré umožnili 3D modelovanie. Počítačové modelovanie ponúka dnes inžinierom obrovské možnosti. Výsledkom ich tvorivej práce v profesionálnom CAD systéme je obyčajne počítačový model súčiastky, mapa, schéma a pod.. Podľa prístupov užívateľa k tvorbe počítačového modelu môžeme modelovanie rozdeliť na: - geometrické modelovanie, - feature modelovanie.

5.1. Geometrické modely a modelovanie Tradičným spôsobom ukladania informácií o tvare objektov sú technické výkresy. Pretože výkresy sú dvojrozmerné, sú potrebné tri ortogonálne pohľady a niektoré špeciálne pohľady na vyjasnenie významných detailov. Hlavným problémom technických výkresov je, že výkresy zvyčajne neudávajú trojrozmerný objekt jednoznačne. Pre potrebu 3D zobrazenia bol v počiatkoch 3D modelovania koncipovaný 3D drôtový model, ktorý ale neobsahoval informácie o tvaroch jednotlivých plôch modelu. Plošné modelovanie (surface modelling) umožňuje už definíciu a analyzovanie plôch a tvarových elementov modelu. Vývoj plošného modelovania bol iniciovaný predovšetkým leteckým a automobilovým priemyslom. Za ním nasledoval koncept 3D objemového modelovania (solid modelling). Vzhľadom na kompletnosť a jednoznačnosť reprezentácie 3D objektov je objemové modelovanie považované za najperspektívnejší a najpoužívanejší prostriedok opisu každého objektu (ľubovolné teleso, súčiastka). V 3D grafickom systéme sú teda tri druhy reprezentácie priestorového modelu. Pri geometrickom modelovaní z pohľadu geometrických prvkov, z ktorých sa 3D model vytvára hovoríme o modeloch: - drôtových, - plošných, - objemových.

a)

b)

c)

Obr. 25. 3D modely: a) drôtový, b) plošný, c) objemový.

49

Drôtový model Priestorový drôtový model, nazývaný aj Wireframe model, je tvorený bodmi, spojenými do kriviek (obr.25a). Ide teda o opis bodov a kriviek spojených do jedného modelu. Takto vytvorený priestorový model má však veľa obmedzení a nevýhod. Tie sú dané tým, že v drôtovom modeli chýbajú údaje o stenách medzi krivkami a o priestore (objeme) ohraničenom stenami. Aj napriek týmto nedostatkom existuje veľa aplikácií, pre ktoré je tento model vyhovujúci. Najznámejším z týchto prípadov je priestorový pohyb objektu, simulovaný napr. na displeji počítača. Často používaný je aj na rýchle a výpočtovo nenáročné priestorové zobrazenie objektov. Plošný model Vzhľadom na to, že drôtový model je pre mnoho aplikácií nevhodný, boli vyvinuté systémy dokonalejšie, ale zároveň aj zložitejšie. Ide o 3D grafické systémy pracujúce s plošnými priestorovými modelmi. Tieto systémy, ktoré modelujú telesá pomocou plôch (obr.25b)., vznikli z potreby vytvárať a spracovávať zložité inžinierske plochy. Potreba vzniku plošných systémov sa prejavila predovšetkým v oblastiach leteckého, lodiarskeho a automobilového priemyslu, kde sú na spracovanie zložitých plôch kladené veľké nároky. Systémy pracujúce s plošnými modelmi umožňujú konštrukciu plôch. Postup konštruovania je totožný ako pri drôtových modeloch. Teda začíname vytvárať vrcholy, hrany a nakoniec definujeme plochu. Je možný aj opačný postup cez preddefinované plochy tzv. primitíva je možné vytvoriť napr. plášť valca, kužeľa a pod.. Oproti drôtovému modelu vieme získať plošný obsah modelu, ale na druhej strane nám chýbajú informácie ako sú objem, hmotové vlastnosti (moment zotrvačnosti, poloha ťažiska a pod.). Plošný geometrický model je tvorený bodmi (vrcholmi), hranami a stenami. Rozdiel drôtovej a plošnej reprezentácie je nielen v technikách modelovania, ale aj v tom, že plošné 3D grafické systémy umožňujú vykonávať niektoré výpočty telies napr.: - výpočet plošného obsahu výslednej plochy, - výpočet objemu telesa uzatvoreného plochou, - poskytuje možnosť automatického vytvorenia inštrukcií pre NC (Numerical Control počítačom riadený) obrábanie vytvorenej plochy, - poskytuje vytvorenie siete konečných prvkov alebo hraničných prvkov na ploche. Plošné modelovanie je medzičlánkom vo vývoji počítačových modelovacích techník k 3D objemovému modelovaniu. Objemový model Dôležitým pokrokom pri opise tvaru 3D objektov bolo v 80-tych rokoch zavedenie systémov objemového modelovania na vytvorenie objemového modelu (obr.25c)., ktoré jednoznačne určujú tvar objektu formou ukladania dôležitých informácií o 3D geometrii a topológii objektu. V roku 1973 boli prezentované dva nezávislé koncepty objemového modelovania: - B-rep (Boundary representation) model, - CSG (Constructive Solid Geometry) model. Obidve koncepcie sú založené na modelovaní súčiastok pomocou základných geometrických objektov (entitami, primitívami), na počítačovej transformácii a na využívaní booleanovských operácií. Mnoho CAD systémov používa obidve reprezentácie súčiastok súčasne.

50

5.2. Reprezentácia modelu pomocou hraníc Reprezentácia modelu pomocou hraníc sa označuje ako B-rep model (Boundary representation) (obr.26 a 27) a je založená na plošnom modelovaní 3D objektov. Model je vyjadriteľný tabuľkou hraníc. Týmito hranicami modelu sú steny - plochy, hranicami stien sú hrany - krivky a hranice u hrán predstavujú body. V špeciálnej dátovej štruktúre sú tieto geometrické objekty vzájomne prepojené. Prepojenie jednotlivých objektov je urobené podľa vzájomného geometrického vzťahu dvoch útvarov, pri ktorom jeden obsahuje druhý alebo má s druhým nejakú spoločnú časť alebo prvok. V dátovej štruktúre môžeme oddeliť údaje topologické a geometrické (napr. rozmery, poloha). Výhody B-rep modelu oproti CSG modelu spočívajú napr. v jednoduchšom spracovaní informácií o súčiastke potrebných pre generovanie dráhy nástroja (www.3).

Obr. 26. B-rep model a dátová štruktúra.

Obr. 27. B-rep model zostrojený zo 6 plôch.

Obr. 28. CSG modelovanie.

5.3. Reprezentácia modelu pomocou geometrických telies Táto reprezentácia je označovaná ako CSG (Constructive Solid Geometry) reprezentácia. Využíva množinové operácie a to sčítanie, rozdiel alebo prienik. Teleso sa vytvára pomocou stromu množinových operácií aplikovaných na primitíva (obr.28). CSG model je potom možné graficky znázorniť na základe stromovej štruktúry (obr.29). Okrem množinových operácií sú v tomto strome obsiahnuté tiež operácie, ktorými sú tieto primitíva upravované ešte pred použitím množinových operácií. Sú to geometrické operácie typu posunutie, rotácia, zrkadlenie a pod.. Využitie objemového modelovania možno vo všeobecnosti charakterizovať nasledovne: 1. V objemovom modelári je možné vytvárať modely zložitých telies a získať ich priemety a rezy - využitie v bežnej konštrukčnej praxi. 2. Ďalším prípadom použitia objemového modelovania je tvorba modelu a výpočtov s ním súvisiacich (napr. pre zlepšenie priestorovej predstavivosti konštruktéra). Okrem samotnej tvorby modelu ide o výpočty objemov, rôznych momentov, plôch 51

a pod.. Objemové modely sú vhodným podkladom automatickej tvorby priestorovej siete pre metódu konečných prvkov (MKP). 3. Treťou aplikáciou objemového modelovania je simulácia priestorového obrábania na displeji počítača, ale aj automatické generovanie dráhy nástroja pre NC obrábanie danej súčiastky. 4. Štvrtým prípadom použitia je kontrola vzájomnej priestorovej polohy telies, čo výrazným spôsobom podporuje priestorovú predstavivosť konštruktéra. Pomocou tejto kontroly je možné predchádzať mnohým možným kolíznym situáciám. Použitie objemového modelovania má svoje nezastupiteľné miesto napríklad pri konštrukcii potrubných systémov, v ergonomických štúdiách alebo pri príprave a kontrole programov pre riadenie NC-strojov a robotov v automatizovaných výrobách. Pri príprave programov sa široko uplatňuje počítačová simulácia a objemové modelovanie, ktoré sa stáva základom databáz strojárskych súčiastok. V súčasnej dobe existuje okrem spomenutých ešte veľké množstvo reprezentácií modelu telesa (napr. sieť MKP, octree, sweep a iné). Každá reprezentácia je svojím spôsobom špecifická a preto aj vhodná len pre určité oblasti použitia, alebo jednotlivé reprezentácie modelu sú výhodné pre rôzne úlohy (www.3). Obr. 29. CSG model a modelovanie.

5.4. Hybridný model CSG modely a B-rep modely majú svoje výhody a tiež obmedzenia. Žiadny z nich nie je vhodný pre všetky aplikácie. Riešením je ich spojenie. V takom prípade hovoríme o tzv. hybridných modeloch a modelároch. Hybridný modelár používa viac simultánne reprezentácie najmä CSG a B-rep ale i iné. Základom hybridných modelárov je tzv. konverzný algoritmus, kde CSG model môže byť konvertovaný na B-rep model v reálnom čase a tento potom použitý pre vhodnú aplikáciu. Nevýhodou zostáva, že takýto B-rep model nie je možné konvertovať do CSG modelu. Práca s hybridným modelom je možná teda dvomi cestami: - vytvoriť CSG model ako primárny a ten konvertovať do B-rep modelu, - vytvoriť B-rep model ako primárny.

5.5. Feature modely a modelovanie V predchádzajúcich modelovacích technikách boli základnými stavebnými prvkami abstraktné geometrické a matematické termíny ako kváder, valec a boolovské operácie s týmito telesami. Hlavnou myšlienkou moderných modelovacích techník, nazývaných ako feature modelovanie (Feature modelling alebo Feature based modelling) je komunikácia užívateľa s CAD-software prostredníctvom pojmov z technickej praxe tzv. prvkov (Features). Jednotlivé pojmy reprezentujú odpovedajúce konštrukčné a technologické prvky, z ktorých je model postavený napr. profil, diera, drážka, pretiahnutie, odrezanie, zaoblenie, zrazenie, príruba, rebro a pod.. Tento prístup urýchľuje konštrukciu a úpravy modelu.

52

Prvok, ako základná stavebná a konštrukčná modelovacia entita súčiastky, je definovaný nasledovným spôsobom: “feature je fyzikálny prvok súčiastky, ktorý má určitý špecifický inžiniersky význam”. Prvok musí spĺňať nasledovné podmienky: - je základnou stavebnou časťou súčiastky, - má inžiniersky (konštrukčný, technologický) význam, - má predpovedateľné vlastnosti. Prvok má vlastnú geometriu a musí byť asociovaný (viazaný) s atribútmi (vlastnosťami) prvku. Je to geometricky nezávislá entita. Atribúty môžu byť: rozmery, tolerancie a pod.. Druh opisovaných informácií závisí od aplikácie. Na základe aplikačného použitia sú prvky: - konštrukčné (Design Features), - výrobné (Manufacturing Features). Medzi konštrukčné prvky patrí napríklad: otvor, zaoblenie, drážka obr.30, závit a pod.. Výrobné prvky sú takisto otvor, drážka. Mnohé konštrukčné a výrobné prvky sú identické (napr. drážka). Modelovanie alebo návrh súčiastky na základe prvkov má aj niekoľko nevýhod. Vo všeobecnosti súčiastka nemôže byť navrhnutá len zo základných stavebných prvkov. Musí obsahovať aj prechodné plochy či objemy na spojenie jednotlivých prvkov. Namodelovať jednoduché súčiastky pomocou prvkov nie je obtiažne. Pre komplexné súčiastky je situácia podstatne komplikovanejšia. Obr. 30. Rôzne príklady feature-ov. Feature model súčiastky obsahuje geometrické, topologické, kvalitatívne a relačné informácie. Základné prvky súčiastky závisia od typu súčiastky a sortimentu výroby. Výhoda feature modelovania spočíva aj v spoločnej sémantike prvkov, čím sa dosahuje jednoduchšia manipulácia so základnými entitami (www.3).

5.6. Využitie feature modelovania Feature modelovanie je relatívne nová, rýchlo sa uplatňujúca, oblasť v CAD systémoch. Podstata feature modelovania spočíva v tom, že okrem informácií o tvare objektu geometrický model, ukladáme taktiež ďalšie informácie nazývané ako product model. Tieto informácie môžu byť rôzne a závisia od druhu práce s modelom. Podľa toho budú aj prvky pre feature modelovanie rôzneho charakteru. Predpokladá sa, že okrem súčasného využívania feature modelovania v CAD systémoch (najmä oblasť 3D konštruovania) alebo počítačovej grafike (animácia, reklama) dôjde k jeho väčšiemu uplatneniu aj v oblasti CAA - počítačom podporovaná montáž.

5.7. Grafický modelár ako základná časť CAD systému Grafická informácia je najnázornejším a najjednoduchším výrazovým prostriedkom pre opísanie geometrických vlastností súčiastky. Geometrická informácia, ktorá opisuje tvar, rozmery a topológiu prvkov, je najcharakteristickejšou a prvotnou informáciou o súčiastke. Z tohto dôvodu sa základom CAD systému stal grafický modelár. S grafickými systémami sa na dnešnom trhu môžeme stretnúť na rôznych úrovniach. Jedným z hľadísk pre posúdenie

53

úrovne grafického CAD systému je jeho schopnosť modelovať zložité geometrické modely. Podľa tejto zložitosti sa nám ponúka rozdelenie na 2D, 2.5D a 3D systémy, umožňujúce vytvárať 2D, 2.5D a 3D grafické modely. 2D grafický model 2D grafický model je vytvorený obecnou lomenou čiarou, ktorá predstavuje postupnosť vrcholov spojených hranami. Model je tvorený rôznymi entitami (priamkou, kruhovým oblúkom, parabolou a pod.). Jednotlivým hranám je možné priraďovať rôzne atribúty, ako napríklad farbu, typ čiary, jej hrúbku, typ značky vrcholov, doprovodný text, kóty. Každá entita v 2D modely reprezentuje určitú plochu. 2.5D grafický model 2.5D grafický model je vhodný pri modelovaní doskových alebo rotačných súčiastok, ktoré je možné definovať rovinným útvarom. Takýto model má tú výhodu, že pomocou operácie sweeping – t.j. transláciou alebo rotáciou rovinného plošného útvaru okolo osi sa vytvorí priestorový model súčiastky. 2.5D model sa tiež vytvorí skladaním, tzn. ”navliekaním” rotačných telies na spoločnú os (valec, kužeľ, guľa, zápich, drážka a pod.). 3D grafický model 3D grafický model – môže byť reprezentovaný drôtovo, plošne alebo objemovo. Priestorový model zhotovený ako drôtový (wire-frame) model je tvorený bodmi, ktoré sú spojené krivkami. Jedná sa o opis bodov a kriviek spájajúcich tieto body. Model vzniknutý v tejto reprezentácií dáva dostatočnú predstavu o priestorovom rozložení jednotlivých plôch. Plošný (surface) geometrický model je tvorený vrcholmi, hranami a stenami. Pri konštruovaní sú k dispozícií elementárne analytické plochy. Pojem "elementárna analytická plocha" zahŕňa plochy ako rovinná, kužeľová, valcová a iné. Objemový (solid) model je tvorený geometrickými telesami, zaberajúcimi v priestore určitý objem. Jednotlivé telesá je možné skladať pomocou operácií typu prienik a pod..

5.8. Modelovacie techniky Modelovacími technikami rozumieme postup, popísaný v jednotlivých krokoch, ktoré nám umožnia vytvoriť počítačový model, dovolia nám s týmto modelom pracovať t.j. meniť ho podľa našich predstáv a tak isto vytvárať interakcie medzi viacerými existujúcimi modelmi. Základom pre 3D modelovanie je vytvorenie prvotného modelu. K dosiahnutiu potrebného 3D tvaru modelu zložitej súčiastky nevystačíme len s technikami pre vytvorenie prvotného modelu, ale po vytvorení prvotných-základných modelov nastupuje druhá fáza samotné modelovanie. V zásade môžeme povedať, že všetky CAD software majú modelovacie techniky rozdelené do nasledovných skupín: - techniky pre vytvorenie prvotného modelu, - techniky (funkcie) vykonávané na jednom modeli, - techniky (funkcie) vykonávané medzi dvomi a viacerými modelmi súčasne. 5.8.1. Vytvorenie prvotného modelu Základom pre modelovanie a ďalšiu prácu je vytvorenie prvotného modelu. Modelom budeme rozumieť buď objemové teleso alebo plochu. Model môžeme vytvoriť týmito základnými spôsobmi: - ako primitíva,

54

- z tvoriacej krivky, - z troch kriviek, - zo skupiny kriviek. Primitíva Primitívami nazývame základné preddefinované geometrické telesá (valec, rovina, kužeľ, guľa a iné) alebo plochy (plášť valca, plášť kužeľa a iné). Zvyčajne sa vyberie prislúchajúca ikona z ponuky menu pre primitíva (napr. obr. 31) a vyplnia sa parametre v okne pre vytvorenie vybraného modelu. Táto možnosť je u objemových aj plošných CAD modelárov (software pre tvorbu počítačových modelov) v princípe totožná (www.3).

Obr. 31. Príklad menu ikón pre primitíva.

Tvoriaca krivka Tvoriacou krivkou nazývame krivku (najčastejšie je to 2D krivka ale môže to byť aj 3D krivka), ktorá tvorí východisko pre vytvorenie 3D modelu buď jej rotáciou (vo zvolenej osi súradnicového súradného systému) obr. 32 alebo jej posunutím (v jednom alebo súčasne vo viacerých smeroch súradnicového systému). Na obr. 33 je ukážka vytvorenia 3D modelu posunutím tvoriacej krivky pozdĺž jednej osi súradnicového systému (www3).

a) b) Obr. 32. Vytvorenie 3D modelu rotáciou tvoriacej krivky: a) príklad tvoriacej krivky, b) 3D model.

a) b) Obr. 34. Vytvorenie modelu z troch kriviek: a) prvotné usporiadanie troch kriviek, b) 3D model.

a) b) Obr. 33. Vytvorenie 3D modelu posunutím: a) príklad tvoriacej krivky, b) 3D model.

a) b) Obr. 35. Model vytvorený posunutím tvoriacej krivky: a) prvotné usporiadanie štyroch kriviek, b) 3D model.

55

Model z troch kriviek V tomto prípade sa model vytvára z troch samostatne nakreslených kriviek. Jedinou podmienkou je vhodné prvotné vzájomné usporiadanie všetkých troch kriviek. Na obr. 34a je príklad prvotného usporiadania troch kriviek, kde kružnicu nazývame štartovacou krivkou (profilom), štvorec - konečnou krivkou (profilom) a krivku tvaru ”S” nazývame vodičom. Výsledkom je model na obr. 34b. Model zo skupiny kriviek Tento prípad vytvorenia modelu je analogický predchádzajúcemu spôsobu. Opäť je potrebné dodržať prvotné vzájomné usporiadanie všetkých štyroch kriviek. Na obr. 35a je príklad prvotného usporiadania štyroch kriviek a to dvoch protiľahlých priamok, polkružnice a otvoreného obrysu štvorca (obr. 35b – výsledok modelovania). 5.8.2. Funkcie vykonávané na jednom modeli Tieto funkcie môžeme rozdeliť na: - funkcie štandardné, - funkcie špeciálne. Štandardné funkcie Sú potrebné pre bežné modelovanie a sú obsiahnuté vo všetkých CAD systémoch napr. transformačné funkcie (otáčanie, zrkadlenie, zväčšovanie a zmenšovanie), kopírovanie, rozdelenie, mazanie, narovnanie obr. 36, prerezanie obr. 37 a mnohé iné.

a) b) Obr. 36. Funkcia narovnanie 3D modelu: a) narovnaná jedna podstava, b) narovnaný model.

a) b) Obr. 37. Funkcia prerezanie modelu smerovým vektorom: a) smerový vektor a parametrická krivka, b) prerezaný model.

Geometrické transformácie sú skupinou najčastejšie používaných základných procesov, aplikovaných v počítačovej grafike. Patria sem predovšetkým: - posunutie, - otočenie, - zmena mierky, - skosenie, - zrkadlenie. Posunutie Posunutie je transformácia, ktorá mení polohu objektu. Predpokladajme bod so súradnicami x, y, ktorý je súčasťou nejakého plošného objektu. Nové súradnice bodu sú po posunutí X, Y (obr.38). Matematicky vyjadrené: X=x+Tx a Y=y+Ty kde: Tx a Ty sú hodnoty posunutia. 56

Rastrové objekty posúvame bod po bode. U objektov kreslených vektorovou grafikou môžeme posunúť iba definičné body a potom vykresliť objekt podľa definičnej rovnice. Otočenie Otočenie bodu so súradnicami x, y vzhľadom k počiatku o uhol α (obr.39) je realizované podľa nasledujúcich vzťahov: X=y.cosα - sinα a Y=y.sinα + cosα Opäť môžeme objekt otáčať bod po bode, alebo otočiť iba definičné body a potom objekt vykresliť podľa definičnej rovnice (obr.39). Otočenie okolo obecného bodu je možné realizovať posunutím tohto bodu do počiatku, potom otočením a spätným posunutím do pôvodného bodu otáčania.

Obr. 38. Posunutie bodu.

Obr. 39. Otočenie bodu.

Zmena mierky Zmenou mierky sa mení veľkosť objektu v jednom alebo v oboch smeroch: X=x.Mx a Y=y.My kde: Mx, My sú mierky v smeroch x, y a sú to reálne čísla. Pri zmene mierky sa mení aj poloha objektu. Aby sme tomu zabránili, volíme tzv. vzťažný bod (napr. stred objektu) a k nemu vykonáme zmenu mierky. Transformáciu môžeme vykonať pre každý bod objektu. Pre základné grafické prvky ako úsečka, kružnica sa transformujú iba definičné body a potom sa obrázok znovu vykreslí. Skosenie Skosenie môže byť vzhľadom k osi x alebo vzhľadom k y. Pre os y platia transformačné vzťahy (obr. 40). X=x+y.Sy a Y=y kde: Sy je koeficient skosenia.

Obr. 40. Skosenie úsečky a obdĺžnika vzhľadom k osi y.

Pri skosení dochádza pri obecnej polohe k posunu objektu. Aby k tomu nedochádzalo, posunie sa objekt na stred súradnicového systému, potom sa vykoná skosenie a nakoniec spätný posun na pôvodné miesto.

57

Zrkadlenie Zrkadlové objekty môžeme vytvárať vzhľadom k niektorej z osí alebo vzhľadom k počiatku (obr. 41). Pre zrkadlenie vzhľadom k osi x platí: X=x a Y=y vzhľadom k osi y: X=x a Y=y vzhľadom k počiatku: X=x a Y=y

Obr. 41. Rôzne druhy zrkadlenia.

Špeciálne funkcie Tieto funkcie nie sú potrebné pre bežné modelovanie a obyčajne nie sú obsiahnuté vo všetkých CAD systémoch. Príkladom môže byť funkcia ”nájdenie deliacej roviny”. Je potrebná napr. u CAD systémoch zameraných do oblasti výroby foriem a zlievarenských modelov. Ak máme 3D tvarovo zložitý komplikovaný model, tak hľadanie deliacej roviny bez využitia tejto funkcie je prakticky nemožné. 5.8.3. Funkcie vykonávané medzi modelmi Pod funkciami, vykonávanými medzi modelmi budeme rozumieť vykonávanie určitých matematických operácií vytvárajúcich vzťahy, interakcie medzi predpripravenými modelmi. Pre použitie týchto funkcií je potrebné mať predpripravené vždy dva modely v určitej vzájomnej polohe. Charakter prípravy modelov bude závisieť od zvolenej funkcie. Napr. funkcia pretnutie sa môže úspešne vykonať len vtedy, ak sú modely usporiadané tak, že sa pretínajú alebo naopak funkcia prepojenie vyžaduje, aby sa prvotné modely nepretínali (obr.42).

Obr. 42. Výsledok použitia zaoblovacej funkcie prepojenie medzi valcom a rovinou.

5.8.4. Niektoré významné vlastnosti súčasných moderných CAD systémov Vývoj moderných CAD systémov sa uberá smerom k výkonným, ale zároveň pre užívateľa pohodlným a priateľským softwarom. V tejto súvislosti je možné spomenúť niektoré významné vlastnosti, ktorými sa vyznačujú najlepšie súčasné CAD systémy. Inteligentné uchopovanie Pod týmto názvom rozumieme inteligentný výber entity priamo v grafickom okne. Užívateľovi, ktorý pohybuje kurzorom myšky v grafickom okne, sa pri jeho priblížení k entite na obrazovke objaví jej názov alebo sa zvýrazní jej farba, čo znamená, že je pripravená pre potvrdenie pre výber. Vo väčšine CAD software to zabezpečuje tzv. “lokátor a navigátor”. Tento vyhodnocuje entity vo výkrese a dynamicky ponúka dôležité body ako 58

priesečník, koncový bod, stred, tangentu a podobne. Dokáže vo výkrese dynamicky zobrazovať pomocné konštrukčné čiary pre presné konštruovanie. Jednoduchým ukázaním na objekt (entita, kóta, strojná súčiastka a pod.) možno rýchlo meniť jeho vlastnosti alebo pridávať nové. Grafické 3D nástroje Pre väčšinu veľkých CAD software je samozrejmosťou, že ponúkajú tzv. grafické 3D nástroje. Tie dovoľujú nastaviť modelár pre rôzne režimy práce napr.: - zobrazovanie skrytých hrán, čo pri komplikovaných modeloch vedie k sprehľadneniu, - automatizácia opakujúcich sa úloh, napr. viacnásobné zrkadlenia pre sériu niektorých entít, - zaoblenie 3D rohu buď konštantným rádiusom alebo rôznymi rádiusmi, - skicovanie na ploche modelovaného telesa. Existuje ešte mnoho iných 3D nástrojov, špecifických pre konkrétny CAD systém. Parametrizácia Pod pojmom parametrizácia rozumieme tzv. parametrické modelovanie. Ide o vytvorenie modelu, riadeného parametrami (kótami), ktoré možno ľahko modifikovať. Takto dochádza k rýchlej úprave návrhu a vytváraniu celého radu možností, z ktorých je možné ľahko vybrať optimálne riešenie. Užívateľ môže súčasne stanoviť relácie (vzťahy) medzi jednotlivými rozmermi modelu a špecifikovať svoje požiadavky pomocou matematických výrazov a vzťahov. Ak sú relácie vhodne definované, je možné jednoduchou zmenou niekoľkých hlavných parametrov upraviť celý model pri zachovaní všetkých podstatných požiadaviek a charakteristík konštrukčného zámeru. V zásade rozoznávame nasledujúce dva druhy parametrizácie: - 2D jednoduchá parametrizácia, - 3D úplná parametrizácia. 2D jednoduchá parametrizácia pracuje iba v rovine. Typickým príkladom pre vysvetlenie parametrického konštruovania a modelovania je matematická úloha pre nakreslenie obdĺžnika o stranách kratšia=a dlhšia=b, so zachovaním relácie b=1,5xa. Takto definované parametre (v tomto prípade strany obdĺžnika a, b) poskytujú možnosti úprav obdĺžnika, pričom sa formálne zachová jeho tvar. Dosadením konkrétnej hodnoty pre hlavný parameter a (strana obdĺžnika a) meníme jeho veľkosť. Najkvalitnejšie modelovacie systémy poznajú pri parametrizácii aj tretiu súradnicu t.j. pracujú v 3D priestore. Asociativita Asociativita je vlastnosť, ktorou disponujú najmä veľké CAD/CAM systémy. Pod asociativitou v tejto súvislosti rozumie priame prepojenie modulu CAD na CAM alebo CAE modul. Asociativita zaručuje, že zmeny počítačového modelu, urobené v ktorejkoľvek fáze návrhu (vývoja) sa automaticky premietnu do všetkých ostatných oblastí projektu (do iných modulov). V súčasnosti môžeme hovoriť o dvoch typoch asociativity: - jednosmerná, - obojsmerná. Ak asociativita je v smere od modelu k aplikácii hovoríme o jednosmernej asociativite. To znamená, že zmeny, ktoré užívateľ urobí na modely sa premietnu napr. v module pre

59

kreslenie technických výkresov a pod.. V druhom prípade - ak je asociativita funkčná od modelu k aplikácii, ale i od aplikácie k modelu, hovoríme o obojsmernej asociativite. To znamená, že napr. zmena v module výkresu sa premietne spätne na modely. Pri využívaní tejto vlastnosti je zaručený stav, že úpravy v jednej oblasti spôsobia aktuálnosť ostatných častí projektu. Výsledkom je: - podstatné skrátenie vývojového cyklu (návrhu, výrobku, projektu), - väčšia možnosť optimalizácie návrhu, - zvýšenie kvality počítačovej práce.

5.9. Realistické zobrazenie modelu v počítačovej grafike 5.9.1. Osvetľovanie Geometrické modely potrebujeme nejakým spôsobom realisticky zobraziť. Aby to bolo možné, musí mať povrch modelu priradené určité optické vlastnosti, ku ktorým sa v počítačovej grafike používajú dva základné spôsoby. Prvý je priame priradenie farieb určitým častiam modelu – napríklad každá strana kocky môže mať inú farbu, alebo guľa môže byť zafarbená rôznymi farebnými pásikmi. Druhým spôsobom je určiť vlastnosti materiálu, z ktorého je objekt vytvorený a na objekt zasvietiť. Spôsob výpočtu osvetlenia sa nazýva osvetľovací model. Profesionálne CAD systémy ponúkajú napríklad možnosť definovať parametre osvetlenia - zdroj svetla, typ svetla, ak sa jedná o prirodzené (slnečné svetlo) aj časové pásmo, dátum a čas, pre ktorý sa simuluje osvetlenie (obr.43). Obr. 43. Definovanie parametrov osvetlenia v prostredí CAD systému MicroStation.

Každý osvetľovací model vychádza z princípu, že po dopade svetelného lúča do bodu na povrchu telesa dochádza k jeho odrazu a následnému rozptýleniu do všetkých smerov. Matematická funkcia, ktorá vyjadruje intenzitu lúča rozptýleného svetla v závislosti od jeho smeru, intenzity a vlnovej dĺžky dopadajúceho lúča sa nazýva odrazová funkcia a je základom osvetľovacích modelov. Nimi môžeme určovať také vlastnosti ako je farba, či lesklosť objektu. Svetlo pri odraze mení svoje farebné zloženie, a tým dáva informáciu o danom povrchu objektu. Počítačom simulovaný obrázok modelu priestorového objektu musí zohľadňovať všetky fyzikálne a optické vlastnosti povrchu, ktoré sú pri určovaní výslednej realistickosti rozhodujúce. Na obrázku 44 svetelný lúč zo zdroja IL dopadá do bodu P a po odraze sa svetlo rozptyľuje do všetkých smerov. Jednotkový vektor N kolmý na povrch v bode P nazývame normálou N. Smerové jednotkové vektory L, R, V a N ležia na priamkach: dopadajúceho lúča (L), smeru odrazu (R), smeru pohľadu (V) a normály povrchu (N). Povrch telesa nie je

60

dokonalý. Je tvorený drobnými plôškami, ktorých veľkosti a tvar sú dané zložením konkrétneho materiálu.

Obr. 44. Princíp osvetľovania – osvetľovací model (Žára a kol., 1998).

Keby sme sa zamerali na jeden bod na povrchu, vnímali by sme veľké množstvo dopadajúcich lúčov, ktoré majú rôzne trajektórie, pričom už pred dopadom do nami sledovaného bodu sa mohli niekoľkokrát lámať a odrážať. Intenzitu odrazeného svetla vyjadrujeme ako súčet dvoch zložiek Iv = Is + Id . Zložka Is sa nazýva zrkadlová (s - specular) a jej hlavnou vlastnosťou je smerovosť. Smerovosť je tým vyššia, čím je povrch telesa hladší. Túto zložku má len svetlo odrazené od dokonalého zrkadla. Zrkadlová zložka je príčinou vzniku odleskov na telesách, pričom odlesk môže mať inú farbu ako má povrch telesa. Zložka Id sa nazýva difúzna (d - diffuse).Táto zložka je všesmerová a pravdepodobnosť nového smeru lúča je rovnaká pre všetky smery. Veľkosť tejto zložky závisí len od kosínusu uhla dopadu. Difúzne svetlo určuje farbu povrchu (Žára a kol., 1998). 5.9.2. Tieňovanie Pri práci v trojrozmernom priestore a s trojrozmernými objektmi je pre reálnosť vnemu vhodné odlíšiť aj určité zaoblenia resp. krivosti plôch. Samotné tieňovanie nerieši viditeľnosť, jeho úlohou je vykresľovanie farebných objektov rôznymi odtieňmi farieb. Pri týchto technikách sa častokrát používajú rozptyľovacie techniky ako polotónovanie a rozptyľovanie. Pomocou týchto techník dokážeme použitím niekoľkých farieb vytvoriť dojem bohatej farebnej škály. Ako už bolo spomenuté, tieňovanie nerieši viditeľnosť, ale napomáha dosiahnuť očakávaný priestorový vnem. Pre realistický vnem sa zavádzajú tzv. modely svetelného odrazu, ktoré rozkladajú svetlo v každom bode viditeľného povrchu telies do troch oblastí. Výpočet odrazu svetla je časovo veľmi náročný. Z tohto dôvodu sa hľadali postupy ako určovať odraz svetla rýchlejšie, napr. pre celé plôšky (segmenty) riešených objektov. Konštantné tieňovanie Konštantné tieňovanie (flat-shading) je najjednoduchšie a zároveň najrýchlejšie. Používa sa na zobrazovanie rovinných plôch alebo plôch, ktoré sú aproximované pomocou rovinných záplat (obr.45a). Princíp je veľmi jednoduchý. Určí sa hodnota odrazeného svetla v jednom ľubovoľnom bode skúmanej plochy daného objektu. Na základe tejto hodnoty sa vyfarbí celá plocha (platí aj pre úrovne šedi). Spôsob určovania hodnoty odrazeného svetla je jednoduchý. Môže sa na to použiť napr. princíp Freeman-Loutrelovho algoritmu. Rozdiel je v tom, že do zdroja svetla sa "akože" umiestni pozorovateľ. Plochy zistené ako viditeľné sa potom vyfarbia svetlejšou farbou a plochy potencionálne viditeľné tmavšou farbou. Pre zvýšenie realistickosti je potrebné poznať aj veľkosť uhla medzi zdrojom svetla a plochou. Podľa tohto uhla sa potom nastaví intenzita farby (www.1).

61

Tento typ tieňovania je vhodný na rýchle zobrazovanie telies (preview) aproximovaných pomocou plôšok, ale pre kvalitné zobrazovanie všeobecných telies už nevyhovuje, pretože sa pri ňom viditeľne prejavuje efekt, že oblý povrch vytvorených objektov je aproximovaný pomocou malých plôšok. Gouraudovo tieňovanie Gouraudovo tieňovanie (Gouraud shading) je vhodné na tieňovanie telies, ktorých povrch je tvorený množinou mnohouholníkov. Táto metóda je aproximatívna, ale veľmi rýchla a používa sa v aplikáciách, vyžadujúcich okamžitú (real-timeovú) odozvu. Tejto metóde tieňovania hovoríme aj kontinuálne tieňovanie alebo tiež tieňovanie interpoláciou farby (obr.45b). Oproti konštantnému tieňovaniu sa tu uvažuje s javom, že zrakový vnem osvetlených objektov nie je na ich hranách celkom skokový. V okolí hrán je odraz v závislosti od okolia buď svetlejší alebo tmavší. Samotný výpočet osvetlenia stien je odvodzovaný z výpočtu osvetlenia hrán a vrcholov objektu. Riešenie pozostáva z niekoľkých krokov: - v prvom kroku sa určia "normály" riešených hrán pomocou výslednice normál stien, vytvárajú danú hranu, - v druhom kroku sa určí to isté, ale pre riešené vrcholy. Pomocou určených normál sa určí osvetlenie hrán. - tretím krokom je určenie osvetlenia jednotlivých bodov steny. Toto je vypočítané už v priemete. Výpočet je interpoláciou medzi príslušnými známymi hodnotami osvetlenia hrán pozdĺž jednej zo súradníc (www.1).

a) b) c) Obr. 45. Zobrazenie objektov pri použití tieňovania: a) konštantného, b) Gouraudovho, c) Phongovho.

a) b) c) Obr. 46. Fotorealistické zobrazenie 3D scény: a) vytvorená 3D scéna, b) definovanie zdrojov svetla, c) výsledok vyzualizácie.

62

Phongovo tieňovanie Tento algoritmus patrí medzi najviac používané algoritmy, určené na plynulé tieňovanie telies. Je podobný Gouraudovmu algoritmu, s tým rozdielom, že hodnota osvetlenia bodu plôšky sa nevypočítava interpoláciou medzi dvomi bodmi. Postup je nasledovný: najskôr sa určia normály riešených hrán a vrcholov. Po ich určení je interpoláciou určovaná normála jednotlivých bodov plochy. Táto normála je určená ako výslednica normál hrán (obr.45c). Tento výpočet je omnoho zložitejší a časovo náročnejší, avšak umožní zobrazenie aj možného zakrivenia plochy (napr. pri guli) (www.1). 5.9.3. Fotorealistické zobrazovanie Okrem skôr popísaných základných metód tieňovania 3D scén sa v súčasnosti presadzujú najmä metódy umožňujúce fotorealistické zobrazenie 3D scén (obr.46). V princípe existujú dve možné metódy ako dosiahnuť želaný výsledok (www.1): - metóda sledovania lúča (raytracing) – je lepšie algoritmizovateľná, ale nevychádza celkom z fyzikálnej podstaty šírenia svetla, - vyžarovacia metóda (radiosity) je síce fyzikálne dobre podporená, avšak sa ťažšie algoritmizuje. Metóda sledovania lúča je založená na hľadaní svetelných lúčov, ktoré prechádzajú vytvorenou scénou. Výsledná intenzita bodu na obrazovke je daná veľkosťou intenzity lúčov, prechádzajúcich daným bodom a následne okom pozorovateľa. Pre získanie realistického výstupu treba do výpočtu scény integrovať aj skryté plochy, výpočet tieňa a lom lúča. Pri výpočte sa pre každý pixel uskutočňujú dva základné kroky: 1. vytvoríme strom odrazených a lomených lúčov, 2. podľa osvetlovacieho modelu vyhodnotíme výslednú intenzitu od listov ku koreňu stromu. Pretože algoritmus na sledovanie lúča je časovo veľmi náročný vzniklo viacero metód na jeho urýchľovanie. Nevýhodou metódy sledovania lúča je skutočnosť, že negeneruje všetky lúče vychádzajúce zo zdroja, ale len ich konečný počet. Pretože metóda ray-tracing nezohľadňuje fyzikálne zákony, nemôžme s ňou dosiahnuť niektoré efekty, ako napríklad zmenu farby tieňa objektu vplyvom svetla odrazeného od iného objektu. Vyžarovacia metóda je založená na fyzikálnych základoch šírenia svetla ako nositeľa energie. Pri popise metódy uvažujeme o uzavretej scéne, rozdelenej na malé plôšky (patches). Tieto plôšky pôsobia ako svetelný zdroj a zároveň aj ako odrážajúce plochy. Každá plôška môže svetlo difúzne odrážať a emitovať. Nás bude zaujímať šírenie svetla zo zdroja k plôškam. Každej plôške pritom môžeme priradiť energiu, ktorú vyžiari (emituje) a energiu, ktorú odrazí. Radiosity je jednou z metód, určených na výrobu príťažlivých a realistických obrázkov. Pôvodne bola vyvinutá na výpočet prestupov tepla vnútri uzavretého prostredia, ale neskorší výskum na Cornellovej Univerzite ju prispôsobil aj na modelovanie šírenia svetla.

63

LITERATÚRA Fribert, M. (1989): Počítačová grafika v předtiskových operacích. Vydala UNIVERZITA PARDUBICE. 56 s. Žára, J., Beneš, B. a Felker, P. (1998): Moderní počítačová grafika. Computer Press, Praha. 448 s. WWW.1: http://hornad.fei.tuke.sk/predmety/pg/ WWW.2: http://www.gisoft.cz/dgn.htm WWW.3: http://fstroj.utc.sk/web/kma/student/ca.htm

64

POUŽITÉ SKRATKY A TERMÍNY 2D - 2 Dimensional - dvojrozmerné zobrazenie 3D - 3 Dimensional - trojrozmerné zobrazenie Aditívne miešanie - každým pridaním určitej zložky vznikne svetlejšia farba, pridaním všetkých vznikne biela Achromatické svetlo - biele svetlo, obsahuje všetky farby Algoritmus DDA - Digital Differential Analyzer - prírastkový algoritmus kreslenia úsečky Alias úsečky - množina bodov, ktorá sa svojim tvarom najviac približuje úsečke, v podstate sa jedná o optický jav - kaz obrazu Antialiasing - metóda používaná na odstránenie alebo zmiernenie nežiadúceho skreslenia kresby na rastrových zariadeniach, odstráneniu aliasu AVI - formát na kódovanie animovaných sekvencií a zvuku BMP - Windows Bitmap - rastrový grafický formát B-rep - Boundary representation model - reprezentácia modelu pomocou hraníc Bresenhamov algoritmus - algoritmus generovania bodov na úsečke CA - Computer Aided - počítačom podporované systémy CAD - Computer Aided Design - počítačom podporované kreslenie a konštruovanie CAD/CAM - Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing - počítačom podporovaný systémy s integrovanou podporou návrhu a súčasne aj výroby súčiastky CAE - Computer Aided Engineering - počítačom podporované inžinierstvo CAM - Computer Aided Manufacturing - počítačom podporovaná výroba CAPE - Computer Aided of Production Engineering - počítačová podpora výrobného inžinierstva CAPP - Computer Aided Process Planning - počítačová podpora pri návrhu a tvorbe technologickej dokumentácie CCITT - Consultative Commitee for International Telegraphy and Telephony - typ kódovania CDR - Corel Draw - formát používaný programom Corel Draw CIM - Computer Integrated Manufacturing - počítačová integrácia systémov, zúčastňujúcich sa priamo alebo nepriamo na realizácií výrobku CLP - Windows Clipboard - rastrový grafický formát CRT - Catode Ray Tube - katódové obrazovky CSG - Constructive Solid Geometry model - reprezentácia modelu pomocou geometrických telies DCT - Diskrete Cosine Transformation - diskrétna kosínusová transformácia DGN - Design file - základný formát výkresov v produktoch firmy Bentley Systems Diffuse - difúzna zložka- všesmerová zložka, jej veľkosť závisí len od kosínusu uhla dopadu DPI - Dot Per Inch - bodov na palec DRAFT - najrýchlejší tlačový režim, ale aj najmenej kvalitný DTP - Desk Top Publishing - oblasť počítačovej grafiky zameraná na tvorbu tlačených publikácií

65

DWG - interný binárny formát výkresov v produktoch spoločnosti AutoDesk DXF - Data eXchange File - výmenný vektorový formát EMF - Enhanced Metafile - metaformát, dovoľuje na rozdiel od WMF ukladať aj krivky EPS - Encapsulated PostScript - tlačový súbor pre tlačiarne, osvitové jednotky, ktoré sú schopné interpretovať jazyk PostScript Feature - prvok Feature modelling - Feature modelovanie - komunikácia užívateľa s CAD-software prostredníctvom pojmov z technickej praxe Flat-shading - konštantné tieňovanie - najjednoduchšia a zároveň najrýchlejšia metóda FLI - súbor Animatoru firmy AutoDesk určený pre uloženie animovanej sekvencie GIF - Graphics Interchange Format - rastrový grafický formát Gouraud shading - Gouraudovo tieňovanie - veľmi rýchla metóda na tieňovanie telies, ktorých povrch je tvorený množinou mnohouholníkov GUI - Graphic Users Interface - grafické užívateľské rozhranie ICO - Windows Icon - rastrový grafický formát JPEG - Joint Photographic Experts Groups - rastrový grafický formát JPEG - Joint Photographic Experts Groups - kompresia používajúca diskrétnu kosínusovú transformáciu LCD - Liquid Crystal Display - zobrazovače z tekutých kryštálov LED tlačiarne - tlačiarne na báze diód emitujúcich svetlo LQ - Letter Quality - najkvalitnejšia tlač na ihličkových tlačiarňach. LZW - Lempel-Ziv-Welchova - typ kompresie MKP - metóda konečných prvkov Model CMY - farebný model s subtraktívnym miešaním zložiek. Základné zložky sú C (Cyan) tyrkysová, M - (Magenta) fialová,Y - (Yellow) žltá Model CMYK - farebný model s subtraktívnym miešaním zložiek. Pri tomto modeli sa ešte pridáva čierna zložka (blacK) Model HLSV - farebný model v tvare dvojice kužeľov so základnými zložkami H - (Hue) farebný tón, L - (Lightness) svetlosť, S - (Saturation) saturácia alebo tiež sýtosť Model HSB - farebný model v tvare šesťbokého ihlana so základnými zložkami H - (Hue) farebný tón, S - (Saturation) saturácia alebo tiež sýtosť, B - (Brightness) hodnota jasu Model RGB - farebný model s aditívnym miešaním zložiek. Základné zložky sú R - (Red) červená, G - (Green) zelená, B - (Blue) modrá Monochromatické svetlo - svetlo len jednej farby MPEG - Moving Pictures Experts Group - multimediálny formát na kódovanie videa a audia NC - Numerical Control - počítačom riadený NLQ - Near Letter Quality - kvalitnejšia, ale aj pomalšia tlač ako DRAFT OCR - Optical Character Recognition - optické rozpoznanie textu PCX - rastrový grafický formát vyvinutý firmou Zsoft Phong shading - Phongovo tieňovanie - zložitejší a časovo náročnejší algoritmus používaný na plynulé tieňovanie telies 66

PLT (HPGL) - Hewlett Packard Graphic Language - formát pôvodne vyvinutý firmou Hewlett-Packard PNG - Portable Network Graphics - rastrový grafický formát Polymarker - sled bodov Radiosity - vyžarovacia metóda - metóda tieňovania 3D scén Raytracing - metóda sledovania lúča - metóda tieňovania 3D scén RLE - Run-Length Encoding - typ kódovania RTF - Microsoft Rich Text Format - univerzálny formát vytvorený na kódovanie textu a grafiky SCSI - Small Computer System Interface - rozhranie pre malé počítačové zostavy Solid modelling - 3D objemové modelovanie Specular - zrkadlová zložka - túto zložku má len svetlo odrazené od dokonalého zrkadla. Subtraktívne miešanie - pridaním určitej zložky vznikne tmavšia farba, pridaním všetkých vznikne čierna Surface modelling - plošné modelovanie TIF (TIFF) - Tagged Image File Format - rastrový grafický formát USB - Universal Serial Bus - univerzálna sériová zbernica (druh komunikačného portu) Wireframe model - drôtový model WMF - Windows Metafile - metaformát, krivky rozbíja na malé úsečky ZMF - Zoner Metafile - formát používaný programom Zoner Callisto

67

Ing. Peter Blišťan, PhD. Úvod do počítačovej grafiky a CAD systémov Vydavateľstvo: Edičné stredisko 1. vydanie, 2004 Náklad: 50 Počet strán: 67

ISBN 80 - 8073 - 249 - 3

68

/ AMS - F BERG

69

ISBN 80 – 8073 – 249 - 3 70