V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Мир заполонили автоматизированные устройства, которые взаимодействуют между собой. Для их корректной работы необходимо, чтобы у различных программ и устройств было определенное программное обеспечение. Появилась необходимость в стандартизации.

Стандартизация в машинной графике направлена на обеспечение применимости прикладных программ, возможность взаимодействия с графическими устройствами и обеспечение возможности обмена графической информацией между различными подсистемами. Использование стандартов позволяет сократить сроки разработки графических систем и увеличить их жизненный цикл. Сегодня в практике использования средств машинной графики применяется большое количество стандартов, различающихся по назначению и функциональным возможностям. Они имеют разную степень официальности - от фактических до международных стандартов. В данной статье рассматриваются международные стандарты Graphical Kernel System (GKS), Initial Graphics Exchange Specification (IGES), OSI 10303 (STEP).

GKS - стандарт ISO на базисную графическую систему класса 2D. Впервые опубликован в 1982 году. Принят в качестве международного стандарта в 1985 году. С учетом стандарта GKS разработано большое количество графических систем, например GKS-3D и PHIGS.

В GKS определены 2 ортогональные шкалы. Первая – уровень сложности вывода 0,1,2. Вторая – уровень сложности ввода a,b,c.

Система GKS содержит 6 графических примитивов:

1) Ломаная линия, которая представляет собой плоскую ломаную линию с конечным числом узлов.

2) Полимаркер – множество точек, помеченное одним и тем же маркером.

3) Текст – строка текста, состоящая из букв одного и того же шрифта, размера, цвета.

4) Многоугольник – плоский многоугольник с конечным числом вершин, возможно заполненный цветом/штрихом.

5) Массив ячеек – прямоугольная решетка, часть ячеек которой может быть заполнена цветом.

6) Обобщенный графический примитив, который зависит от специализации рабочей станции (примитив разработчика).

Примитив записывается как функция с параметрами. Атрибуты примитива – параметры, определяющие его вид при появлении на рабочей станции. Примитив можно принимать и как процедуру, тогда атрибуты – параметры процедуры. Каждый конкретный примитив определяется в практических ситуациях большим числом параметров., например, ломаная (количество узлов, координаты узлов, цвет, толщина, тип линии, идентификатор указки). Часть этих параметров задается с помощью функции установки. Например, цвет линии можно установить заранее и тогда все последующие обращения к примитиву «ломаная» будут использовать это установленное значение.

Примитивами подсистемы ввода служат классы логических устройств ввода, которых в GKS шесть. Например,

А) Селектор, который вводит номер ветви выбора;

Б) Строка – вводит строку символов;

В) Вальюатор – вводит вещественное число;

Г) Локатор – вводит позицию в мировых координатах и номер преобразования нормализации;

Д) Штрих – вводит последовательность позиций в мировых координатах и номер преобразования нормализации;

Е) Указка – выводит имя указываемого сегмента и идентификатор, связанный с тем примитива, на который смотрит указка;

Локатор, штрих, указка являются графическими классами. В GKS определены 3 системы координат:

1 – мировые координаты,

2 – нормализованные координаты (учитываются масштабные преобразования),

3 – физические координаты (координаты устройств, например, принтера)

Преобразование 1-2 – преобразование нормализации, 2-3 – преобразование рабочих станций. Оба этих преобразования задаются парой прямоугольных окон, стороны которых параллельны осям координат GKS является языком высокого уровня. Языки низкого уровня – графический метафайл и графический интерфейс.

Характеристики GKS:

• Функции управления обеспечивают работу с несколькими логическими рабочими станциями ввода/вывода. Одной из категорий рабочих станций является метафайл. Поддерживается таблица состояния системы, а также таблицы конфигурации и состояния рабочих станций. Имеется более 100 функций опроса возможностей и текущего состояния системы.

• Функции вывода поддерживают шесть примитивов - ломаная линия, набор маркеров, заполненная область, текст, массив ячеек и обобщенный графический примитив. Более 30 функций управления атрибутами (линий, маркеров, заполнения и текста) обеспечивают индивидуальное изменение атрибутов и объединение их в группы, связанные с рабочими станциями. Преобразование координат двухступенчатое - нормализация и преобразование рабочей станции.

• Поддерживается сегментация. Атрибуты сегментов - видимость, укайуемость, выделенность, приоритет, преобразование. Сегменты могут копироваться на рабочую станцию, удаляться, включаться в другие сегменты.

• Растровые функции отсутствуют. Используемая цветовая модель - индексированная таблица RGB (Red-Green-Blue).

• Функции ввода поддерживают логические устройства ввода координат, линий, чисел, текстовых строк, а также устройства выбора и указания. Устройства ввода могут работать в режимах запроса, опроса и обработки событий.

IGES был первым стандартным форматом обмена данными, разработанным для нужд передачи данных технических требований между различными САПР. Ран­ние версии IGES были неявным образом ориентированы на CAD/CAM-системы 1970-х и начала 1980-х гг., то есть главным образом на обмен чертежами. В более поздних версиях спектр типов данных, подлежащих обмену, был расширен. На­пример, версия 2.0 поддерживала обмен данными анализа по методу конечных элементов и данными печатных плат, в версии 3.0 были расширены возможности пользовательских макрокоманд, играющих важную роль при обмене стандарт­ными библиотеками деталей, в версии 4.0 была введена поддержка дерева CSG, а в версии 5.0 появилась обработка данных структуры B-Rep.

Форматы файла

Фиксированный формат

Начиная с первого символа, файл состоит из 80 символьных строк. Строки сгруппированный в разделы. Каждая строка содержит специфичное для раздела поле(я) данных в столбцах (символах на позиции) 1-72,идентификационного алфавитного кода в столбце 73, и возрастающего порядкового номера в столбцах 74-80. В пределах каждого раздела порядковый номер начинается с 1 и постепенно увеличивается на 1 для каждой последующей строки. Порядковые номера выровнены по правому знаку в своем поле с заполнением оставшегося пространства пробелами или нулями.

Разделы в фиксированном формате должны располагаться в следующем порядке:

Название секции.	Алфавитный код в столбце 73
Start
Global	G
Directory Entry	D
Parameter Data
Terminate	T

Набор полей данных каждого объекта в пределах раздела (появляющийся на одной или более строках) называют записью.

Неупорядоченные строки (то есть, абсолютно пустые строки) не должны появляться до раздела Terminate, ни после него. Неупорядоченные строки могут появиться после раздела Terminate, когда у файловой структуры передающей системы есть блоки, больше чем 80 байтов и количество записей в файле не является кратным числу размера блока. Постпроцессоры должны игнорировать все строки, появляющиеся после раздела Terminate.

Сжатый формат

Данный формат мало где реализован. Сжатие файла фиксированного формата сторонним программным обеспечением, позволяет уменьшить его размер более эффективно.

Типы данных

1. Integer (fixed point)

2. Real (floating point)

3. String

4. Pointer

5. Language statement

6. Logical

• Правила для формирования и интерпретации свободно-форматированных данных:

Данные в нескольких разделах файлов появляются в “свободном формате” в пределах указанных диапазонов столбцов. При использовании свободного формата применяются следующие правила:

• Разделитель параметра (Global Parameter 1) разделяет параметры.

• Разделитель записи (Global Parameter 2) заканчивает запись (то есть, он завершает список параметров).

• Если два разделителя параметра, или разделитель параметра, сопровождаемый разделителем записи, появляются последовательно или разделяются только пробелами, поле, которое они разграничивают, “пусто” (то есть, принимает значение по умолчанию”). Постпроцессоры должны присвоить явные или неявные значения по умолчанию согласно типу данных.

• Когда разделитель записи появится перед концом списка параметров, все необходимые, фиксированные поля должны быть определены, и все остающиеся поля допускающие значения по умолчанию должны быть инициализированы значениями по умолчанию согласно типу данных.

• Последний столбец данных на свободной отформатированной строке (то есть, столбец 72 в Global Section и столбец 64 в Parameter Data Section) не заменяет разделитель параметра или разделитель записи. Числовое поле должно закончится, по крайней мере, за один столбец до последнего столбца данных, таким образом, его символ конца разделителя полей будет на той же самой строке.

• Разделители параметров и записей обрабатываются как текст, а не как разделители, когда они появляются в строковом поле.

Эволюция STEP можно разделить на четыре фазы выпуска. Развитие STEP началось в 1984 году в качестве преемника IGES , SET и VDA-FS. Цель международного стандарта ISO 10303 (STEP) для компьютерного представления и обмена данными о продукте - дать нейтральный механизм описания данных о продукте на всех стадиях его жизненного цикла (ЖЦ), не зависящий от конкретной системы. Природа такого описания делает его подходящим не только для нейтрального файла обмена, но и в качестве базиса для реализации и распространения баз данных о продукте, а также для архивирования.

STEP – это стандарт, который предназначен для хранения данных об изделии, в том числе состава изделия, структуры, геометрических моделей, свойств и характеристик и т.д. Созданная однажды модель изделия используется многократно. В нее вносятся дополнения и изменения, она служит отправной точкой при модернизации изделия. Модель изделия в соответствии с этим стандартом включает: геометрические данные, информацию о конфигурации изделия, данные об изменениях, согласованиях и утверждениях.

Стандарт ISO 10303 построен таким образом, что помимо базовых элементов (интегрированных ресурсов) в его состав входят так называемые прикладные протоколы, определяющие конкретную структуру информационной модели для различных предметных областей (автомобилестроение, судостроение, строительство, электроника и т. д.). Все прикладные протоколы (прикладные информационные модели) базируются на стандартизованных интегрированных ресурсах. Таким образом, при создании нового прикладного протокола обеспечивается преемственность с уже существующими решениями.

Стандартный способ представления конструкторско-технологических данных позволяет решить проблему обмена информацией между различными подразделениями предприятия, а также участниками кооперации, оснащенными разнородными системами проектирования. Использование международных стандартов обеспечивает корректную интерпретацию хранимой информации, возможность оперативной передачи функций одного подрядчика другому, который, в свою очередь, может воспользоваться результатами уже проделанной работы. Это особенно важно для изделий с длительным ЖЦ, когда необходимо обеспечить преемственность информационной поддержки продукта, независимо от складывающейся рыночной или политической ситуации.

Стандарт STEP регламентирует: логическую структуру базы данных (БД), номенклатуру информационных объектов, хранимых в БД, их связи и атрибуты. Типовые информационные объекты, такие как данные о составе изделия, материалах, геометрии изделия, независимые от характера описания изделия, называются в стандарте "интегрированными ресурсами", на основе которых строятся схемы баз данных об изделии для разных предметных областей: автомобилестроения, судостроения, аэрокосмической промышленности и т.д. Готовые схемы баз данных называются в стандарте "протоколами (правилами) применения" и представляют собой типовые решения. Стандарт также предусматривает способы взаимодействия с хранилищем данных - с помощью текстового обменного файла (ISO 10303-21) и через стандартный программный интерфейс ( Standard Data Access Interface - SDAI - ISO 10303-22).

На основе стандартов семейства STEP:

• создается структурированное электронное хранилище конструкторских данных об изделии, интегрирующего процессы разработки и получаемые результаты в единое целое;

• подготавливается лицензионная документация, при продаже лицензии и передаче ее в электронном виде;

• производится обмен данными между предприятиями, применяющими разнородные системы автоматизированного проектирования.

Применение программных модулей и основные этапы работы:

Процесс построения и проверки модели в виде обменного файла STEP

Рис.2 Функциональная модель процесса создания и проверки обменного файла

В данной статье рассматриваются международные стандарты Graphical Kernel System (GKS), Initial Graphics Exchange Specification (IGES), OSI 10303 (STEP). Стандарты регламентируют базовые средства связи системы машинной графики, наиболее часто используемые при решении различных задач. Поэтому применение данных стандартов наиболее целесообразно при разработке программных идей, предоставляющих графические средства прикладным программам более высокого уровня. Они поддерживают широкий спектр графических устройств вывода, включая такие, как принтеры, плоттеры, векторная графика устройств, растровые дисплеи и т.д. Спецификации GKS разработаны для языков С, Fortran, Pascal, Ada. Спецификации IGES ориентированы на CAD/CAM-системы. Спецификации STEP разработаны для языков C, C + +, Java и API.

Графические стандарты, упомянутые в данной статье, отражают процесс развития машинной графики от векторных систем к системам генерации реалистичных изображений. Следующее поколение стандартов будет связано уже с развитием систем мультимедиа, гипермедиа и виртуальной реальности, в которых графическая информация объединяется с любой другой.

Код для цитирования: Скопировать