2. Исследовательская часть

Исследовательская часть дипломного проекта посвящена изучению и анализу возможных форматов и способов представления графической информации, произведен обзор технологий CALS.

2.1 Анализ возможных способов представления информации пользователям

2.1.1 Все на рабочем месте клиента

Это наиболее простой способ. На рабочее место пользователя ставиться программный комплекс и базы, необходимые для его функционирования. Пользователь лишен возможности вносить изменения в эти данные (в этом нет смысла – никто кроме него эти изменения не увидит и не сможет использовать).

Данный подход имеет только одно преимущество – простота.

2.1.2 Клиент-сервер с тонким клиентом

Данный подход подразумевает перенос основной вычислительной нагрузки на сервер. Требования к клиенту: наличие выхода в сеть с сервером и наличие современного веб-браузера. Необходимое программное обеспечение ставиться автоматически (в ряде случаев) или полуавтоматически. Пользователь получает доступ к глобальной базе и может работать с ней, в соответствии со своими правами. Также предусматривается использование мобильных устройств, с беспроводным доступом в сеть.

Недостатком данного метода является сложность серверной части. В рамках решаемой задачи мы считаем этот способ наиболее приемлемым.

2.1.3 Клиент-сервер с толстым клиентом

Нечто среднее между двумя предыдущими. Вся база храниться на сервере. Пользователю устанавливается специализированное программное обеспечение, которое работает с общей базой.

Данный подход может применяться, если тонкий клиент использовать нельзя.

2.2 Анализ способов предоставления конечному пользователю двумерной информации

2.2.1 Интерактивный растр

Данный способ представляет собой передачу пользователю результирующего изображения, в одном из распространенном формате и средств интерактивного изменения данного изображения. Основная идея заключается в следующем: На сервере находиться векторная модель и средство визуализации. Пользователь подключается к серверу и на сервере с данным пользователем ассоциируется набор данных, характеризующий положение виртуальной камеры и параметры отображения сцены. Далее, в соответствии с данными параметрами на сервере формируется растровое изображение и передается клиенту. Он может, используя соответствующие элементы управления, послать серверу запрос на изменения каких либо параметров и получить новое изображение. Таким образом, можно осуществить навигацию в трехмерном мире и базовую функциональность (скрытие/отображение слоев, реакцию на выделение объектов и так далее).

Данный способ наименее требователен к клиенту. На клиентском компьютере должен стоять только Web клиент. Данный способ очень хорошо подходит для мобильного использования. Из недостатков необходимо упомянуть то, что программное обеспечение серверной части сильно усложняется и то, что пользователь не работает в режиме реального времени (то есть, после щелчка по кнопке перемещения результат пользователь увидит с определенной задержкой).

В данном проекте данный способ пока реализован не был.

Хорошим примером реализации данного способа является ресурс Google Maps.

2.2.2 Векторный формат

Двумерную информацию можно также передавать в виде векторного формата данных. А дальнейшая работа будет осуществляться на клиентской стороне. В данном проекте были реализованы следующие способы: оригинальный формат с собственным клиентским программным обеспечением, клиенты основанные на технологиях Adobe Flash и SVG.

2.3 Анализ способов предоставления конечному пользователю трехмерной информации

2.3.1 Интерактивный растр

Далее, в соответствии с данными параметрами на сервере формируется растровое изображение и передается клиенту. Он может, используя соответствующие элементы управления, послать серверу запрос на изменения каких либо параметров и получить новое изображение. Таким образом, можно осуществить навигацию в трехмерном мире и базовую функциональность (скрытие/отображение слоев, реакцию на выделение объектов и так далее).

В данном проекте данный способ пока реализован не был.

2.3.2 Векторный формат

Векторный формат подразумевает передачу клиенту векторных данных. В этом случае в задачи сервера входит конвертация из внутреннего формата в формат, необходимый клиенту. Этот способ усложняет программное и аппаратное обеспечение сервера.

Похоже, давней мечте, воспетой не в одном фильме о компьютерном будущем, наконец, дано осуществиться, ведь ряд технологий трехмерной визуализации для Web подошёл к стадии своего коммерческого использования. В принципе, идея "добавить еще одно измерение в Интернет" не нова, и ведет свою историю, начиная с 1995 года, когда был создан консорциум VRML, призванный создать стандарт и программную базу для формирования нового подхода к отображению информации. В число основателей консорциума вошли Sony, Mitsubishi, Microsoft, IBM, Oracle, и даже MTV. Идея 3D Internet уже тогда понравилась очень многим, ведь могла стать прекрасной базой для развлечения, образования, научной визуализации, Интернет-торговли (такой многообещающей по тем временам), и так далее.

Однако через два года, ко времени финального представления новой технологии, консорциум не смог показать и половины того, чего ожидали от стандарта, подтвердив мнения скептиков. На то время трехмерный Интернет представлял собой лишь очень ограниченное число полигонов, чрезмерно длительную загрузку примитивных сцен и набор несовместимых одного с другим компонентов, реализующих те или иные визуальные эффекты.

Проблемы "первого блина" должен был решить VRML v2.0, основанный на движке MovingWorlds фирмы SGI, однако он лишь подлил масла в огонь жарких споров о возможности 3D Internet, как такового. VRML v2.0 потерпел фиаско, как и свой предшественник. Да, в новый стандарт были добавлены программные узлы, помогающие воспроизводить неровности почвы, панорамные фоны, туман, видео, аудио, возможность программирования движения объектов, проверка на пересечение - в принципе, очень неплохие материалы для формирования виртуальных миров, но на практике вторая версия VRML была еще менее жизнеспособной, чем первая.

Основной проблемой нового VRML стало то, что в 1997 году среднестатистические потребители компьютеров не могли себе позволить приобрести ПК, способный отображать 3D-миры с адекватной скоростью, да и модемы 14,4 Кбит/с были по тем временам стандартом. VRML v2.0 появился слишком рано.

К 1998 году идея трехмерного Интернета была все еще жива, однако в консорциум VRML уже никто не верил. Эта организация передала бразды правления новому формированию - консорциуму Web3D. Последний в своих разработках основывался на новом многообещающем формате - Extensible 3D (X3D), который интегрирует в себе VRML и XML. К весне 2000 года, консорциум Web3D завершил создание компилятора "VRML в X3D", и, по словам члена консорциума и вице-президента компании 3Dlabs Нейла Треветта, был готов к его интеграции в уже имеющиеся средства отображения виртуальной информации, или созданию своего оригинального 3D-браузера с открытым кодом.

Однако параллельно с официальной организацией (консорциумом Web3D) над созданием базы для виртуальных сетевых миров трудились еще несколько компаний. Например, на последней выставке SIGGRAPH, проходившей в Сан-Антонио, Техас было представлено порядка тридцати новых форматов. Каждый из них, несомненно, имеет свои достоинства и недостатки, однако о разобщенности форматов создания 3D Internet сайтов можно говорить уже сегодня, так как большая часть форматов концептуально не совместима между собой. Ниже мы попробуем разобраться в перспективах и положительных чертах наиболее примечательных из них, но для начала определимся с областями, в которых трехмерные страницы Интернета наиболее востребованы.

2.3.2.1 CAD 3-D Working Group

Идея создания программной базы для трехмерного Интернет на столько популярна, что разработки в этой области ведет теперь и компания Intel. Совсем не давно она сообщила о формировании рабочей группы CAD 3-D Working Group, целью которой станет выработка единого формата для представления трехмерных изображений в Web. Помимо самой Intel, в состав группы вошли компании 3Dlabs Inc., Actify Inc., Adobe Systems Inc., ATI Technologies Inc., The Boeing Company, Dassault Systems, i3Dimensions Inc., Lattice Technology Inc., Microsoft Corporation, mental images GmbH & Co. KG, Naval Postgraduate School, National Institute of Standards and Technology (NIST), Parallel Graphics Limited (ParallelGraphics), SGDL Systems Inc. и Tech Soft America/OpenHSF. Данная группа является частью консорциума Web3D, а в ее состав вошли представители различных сегментов индустрии систем обработки 3D-графики, в частности, поставщики и пользователи САПР, создатели цифрового содержимого и организации по стандартизации. По мнению участников проекта, внедрение единых стандартов для трехмерной графики в Internet позволит сократить временные и финансовые затраты, связанные с разработкой и публикацией информации в Сети. Кроме того, благодаря им в распоряжении пользователей САПР окажутся более эффективные средства совместной работы и обмена данными. Первый этап работ по разработке новых стандартов планируется завершить примерно в течение 18 месяцев.

2.3.2.2 Краткий обзор технологий ведущих поставщиков ПО

2.3.2.2.1 ParallelGraphics

Компания ParallelGraphics, уже очень давно специализирующаяся в области создания 3D Интернет-технологий, недавно объявила о выпуске новых программных средств для разработки 3D приложений - Internet Scene Assembler 1.0, Internet Character Animator 1.0, Cortona SDK 1.0 и VrmlPad 1.0. Как сообщается, этот новый инструментарий позволяет значительно упростить процесс создания интерактивного и динамичного 3D контента для Web. Стремительное развитие электронного бизнеса, в том числе и электронной коммерции, привело к повышению интереса к 3D в Интернете. До недавнего времени подобные технологий не могли получить широкого распространения из-за отсутствия простого и удобного инструментария. Компания ParallelGraphics считает, что ее 3D инструменты, доступные самому широкому кругу пользователей, способны коренным образом изменить состояние рынка 3D. Теперь разработчикам стал доступен полный набор инструментов для создания 3D-приложений для Web или интегрирования 3D в приложения, созданные с помощью C++, Visual Basic, PowerPoint, Access и пр. Разработанный инструментарий обеспечивает визуальную поддержку на всех этапах создания 3D-сцен. Internet Scene Assembler и Internet Character Animator дают возможность пользователям, не обладающим профессиональными навыками в программировании, самостоятельно создавать 3D-проекты для Web: сложные динамичные и интерактивные 3D сцены, модели, виртуальные миры и бизнес-презентации. По заявлению ParallelGraphics, уровень создаваемых 3D-приложений не уступает по сложности разработкам, реализованным в 3D Studio Max или Cosmo Worlds. ISA и ICA открывают широкие возможности в области 3D-технологий как разработчикам корпоративных Web-сайтов, так и создателям персональных Web-страниц.

При помощи этих инструментов можно легко создавать:
Трехмерные виртуальные пособия для дистанционного обучения или поддержки удаленных клиентов;
Трехмерные интерактивные презентации товаров для электронных магазинов и выставок;
Виртуальные презентации компаний и многое другое.

Новая версия VRML-клиента Cortona 2.1 позволяет сделать процесс установки различных компонент VRML-клиента незаметным для пользователя. Когда пользователь впервые открывает страницу с VRML-сценой, ядро размером в 500 Кбайт устанавливается автоматически. Дополнительные компоненты подгружаются и устанавливаются по мере необходимости. Как сообщается, благодаря новому методу установки Cortona VRML-клиента, проблем с просмотром 3D-контента не возникнет даже у пользователей с коммутируемым доступом к Интернету. Размер этой программы - всего лишь 1,8 Мбайт, и, по заявлению ParallelGraphics, она является самым быстрым VRML-клиентом в мире.

2.3.2.2.2 Cybelius Software

Американская компания-разработчик программного обеспечения для трехмерной графики Cybelius Software представляет платформу Conductor i3Di, позволяющей предоставить пользователям возможность просматривать и модифицировать 3D-модели по сети. Это - яркий пример реализации модели для создания виртуальных конструкторских бюро и сервисных центров.

В отличие от многих продуктов других поставщиков программных решений в сфере 3D, Conductor i3Di представляет собой базу данных, работающую на стороне сервера. Приложение способно "на лету" динамически прорисовывать запрашиваемый контент, пользуясь собственной библиотекой, импортировать его в html-файл и передавать в web-браузер клиента. Как заявил директор по развитию бизнеса Cybelius Джим Коннелли (Jim Connelley), компания рассчитывает на большой спрос со стороны производителей автомобилей, поставщиков медицинского оборудования и компаний-продавцов бытовой электроники. Ранее клиентами компании были Nokia и министерство обороны Финляндии.

2.3.2.2.3 Caligari Corporation

Компания Caligari Corporation, работающая в области 3D-технологий, представляет свой оригинальный продукт iSpace, позволяющий создавать трехмерные сайты даже неопытному пользователю, и просматривать их в существующих браузерах. Сейчас, кроме широких возможностей трехмерного моделирования, в пакет iSpace встроена поддержка ПО Macromedia Flash, а также произведена оптимизация компрессии файлов JPEG.

ПО iSpace - это набор для создания 3D web-графики и анимации, который позволяет пользователям создавать сайты на основе HTML с 3D, при этом на сайт разработчик может поместить все 3D-функции, используя всего лишь функцию копирования с помощью перетаскивания (drag-and-drop). Само написание HTML-кода при этом не требуется. Файл в формате HTML, полученный в iSpace, может быть легко отредактирован с помощью любого HTML-редактора.

Программа включает в себя множество стилей и шаблонов, которые могут быть легко настроены "под себя", а также панель библиотек с набором 3D-кнопок, границ, заливок, текста, материалов, объектов и анимации, причем все эти удовольствия, как и говорилось выше, могут быть перенесены с помощью мыши на создаваемую Web-страницу. Кроме того, дизайнеры могут импортировать и редактировать 3D-объекты из других пакетов 3D-графики, например, trueSpace.

iSpace поддерживает анимацию по ключевым кадрам и алгоритмическую анимацию. В новую версию программного пакета уже добавлены компоненты для поддержки Flash, что позволяет создавать сайты на основе наиболее прогрессивных технологий виртуальной визуализации. Эффективность сжатия JPEG-файлов увеличена в iSpace 1.5 на 30%.

Отрадно, что цены на весь набор ПО не высокие. Так, цена за отдельную версию продукта, включая основной пакет iSpace и базовые библиотеки 3D объектов, составит $99 с 30-дневной технической поддержкой. Дополнительные компоненты, как, например поддержка Flash или дополнительных библиотеки, будут продаваться отдельно. На данный момент пакет iSpace является наибольшим претендентом на широкое распространение, так как сочетает в себе все возможности 3D-визуализации с отсутствием необходимости загрузки дополнительного набора программного обеспечения. Сайт, сделанный в iSpace, может быть просмотрен на любом из существующих браузеров.

2.3.2.2.4 Adobe (Macromedia)

Средства разработки для создания интерактивного, мультимедийного и трехмерного наполнения для Web компании Macromedia курирует Intel. Macromedia Director 8.5 Shockwave Studio располагает поддержкой трехмерных объектов. В популярности нового формата сомневаться не приходиться, так как предыдущие версии Macromedia Flash являются на сегодня индустриальным стандартом де-факто в области создания сложных анимационных сцен.

Содружество с компанией Intel принесло Macromedia Director 8.5 Shockwave Studio поддержку скелетной анимации и анимации по ключевым кадрам, моделирование частиц, специальный не фотореалистичный рендеринг (стилизация под рисованное изображение), детектор коллизий, а также соблюдение законов физики на уровне проектного движка. Особенно, в свете узких полос пропускания большинства существующих пользовательских каналов связи, стоит отметить поддержку динамического количества полигонов.

Аналогичные алгоритмы поддерживаются и конкурентными форматами визуализации, но отличительная и, необходимо отметить, прогрессивная особенность формата Macromedia заключается в реализации так называемой обратной версии этого алгоритма. Это позволяет существенно уменьшить количество загружаемых данных, ведь в любой реалистичной сцене присутствует множество кривых и сложных поверхностей, которые требуют при своем описании задания большого количества координат и характеризующих данных.

Методика Subdiv позволяет решить проблему переизбытка данных, так как плеер, проигрывающий сцены, самостоятельно увеличивает количество полигонов там, где по мнению алгоритма их мало. Это позволяет создавать гладкие, реалистичные поверхности даже при минимуме заданных исходных параметров. С другой стороны, повышаются требования к вычислительным мощностям компьютера, однако это скорее положительная черта для маркетинга компании, создающей процессоры, которые "ускоряют Интернет".

В качестве скриптового языка Shockwave3D использует Lingo. В данный момент разработчиками ведутся переговоры с создателями пакетов профессиональной трехмерной визуализации Alias|Wavefront, Discreet, NxViev и другими о поддержке экспорта объектов из их программных продуктов в редактор Macromedia Director.

2.3.2.2.5 Viewpoint (ранее - Metastream)

Разработки компании Viewpoint в области создания программной базы для 3D Internet наиболее знамениты. Этому способствует и популярность ранее созданных ей профессиональных пакетов Bryce и Poser. Два года назад ее руководством был принят курс на создание 3D-технологий специально для электронной коммерции. На практике за прошедшее время имеющиеся программные продукты, разрабатываемые компанией, обросли таким числом новых функций, что могут помочь организовать не одно направление электронного бизнеса.

Viewpoint также выделила существенные ресурсы на развитие интеграции и дальнейшего развития технологий: сжатия видео, QTVR, iPix, и XML. Электронные развлечения теперь могут быть созданы на основе программных компонент с поддержкой Macromedia Flash или ZoomView. Последняя является ярким примером реализации MIP-текстурирования в двумерной графике. Технология подобна тайловой архитектуре, так как изображение разбивается на области, в каждый момент времени загружается только те из них, что необходимы на данном уровне детализации. Однако при увеличении картинки подгружаются и недостающие звенья сцены.

Другая технологическая новинка, разработанная Viewpoint и интегрированная ей в свои продукты - HyperView. Эта технология позволяет создать на XML объекты, выходящие за пределы окна отображения. Так, объект отображения может свободно выйти за рамки браузера и "пройтись" по рабочему столу Windows или тексту какого-нибудь редактора. Таким образом, HyperView представляет собой перспективнейший рекламный инструмент, ведь заинтересованный баннером пользователь может попасть мгновенно в мир рекламируемого, точнее рекламируемое может виртуально оказаться на его рабочем столе.

Особенно перспективной с точки зрения визуализации в продуктах компании Viewpoint является медицинская реклама. Фармацевтические специалисты также падки на красочные иллюстрации и перспективы - детальное разъяснение воздействия того или иного медикамента на человеческий организм дает препарату преимущество получить должное внимание к себе. Именно в качестве рекламного инструмента на данный момент позиционируется трехмерный Интернет компанией Viewpoint - как первая ступень к широкому распространению.

Уже сегодня разработчиками предлагаются унифицированные формы-шаблоны для медицинской рекламы. Имеются следующие модули: заготовленные образцы процедур и лекарств, подробности устройства с изменяемой перспективой (3D ZoomView), интерактивная сборка/разборка, визуальное отображение состояния пациента, мощный механизм сравнения лекарств, а также трехмерные схемы приема лекарств и использования препаратов.

Высокая перспективность разработок компании подтверждена именами компаний, являющимися ее клиентами. Среди последних: Christian Dior, Dell, Alpha Romeo, Volvo, HP, Nike и даже Playboy. С другой стороны, финансовая деятельность компании наводит на смутные размышления о перспективности 3D Internet. Не смотря на рост доходов (4,5 млн. долл. за первый квартал 2002 года против 2,8 млн. долл. за тот же квартал прошлого) компания является убыточной (2 млн. убытков у основных инвесторов).

2.3.2.2.6 Brilliant Digital Entertainment

То, что Macromedia и Intel лишь пытаются реализовать в своем продукте, уже имеется в b3d Studio 2.5 - пакете подготовки трехмерной графики Brilliant Digital Entertainment. Изюминка ПО b3d Studio 2.5 - поддержка форматов 3ds max и Maya.

В качестве исполняющей код части пользователям предлагается загрузить 3D-плеер b3d Project, который благодаря широкому по возможностям формату поддерживает мощный арсенал средств синхронизации, установки триггеров, а также модули импорта аудио и видео.

Изюминка пакета - реализация технологии движения губ гуманоидных моделей с реальной speech-системой. Принцип создания страниц в формате компании Brilliant Digital Entertainment - стандартный и предполагает размещение Flash-подобных объектов по стандартной HTML-странице. Показательным является пример распространения формата. Любому Web-дизайнеру предлагается разместить на его странице занимательные трехмерные ролики в соответствующем формате совершенно бесплатно. Таким образом, идет ознакомление с форматом не только дизайнеров, но и пользователей, которым при загрузке страницы, имеющей рекламный ролик, будет предложено загрузить проигрыватель для него.

2.3.2.2.7 2сe

Компания 2сe предлагает целый набор программ для создания трехмерных страниц. Подход компании кажется в меру революционным, так как хотя и не требует собственный браузер, однако вряд ли нетребователен к формату Web-страниц. Концепция браузера CubicEye заключается в осуществлении просмотра страниц на гранях куба, который, собственно, и представляет собой web-браузер. Рабочее пространство браузера состоит из шести граней, на каждой из которых может быть загружена Web-страница. Каждая грань куба, в свою очередь, может быть расширена до новой кубической комнаты. Пользователь без особых усилий может передвигаться из одной комнаты в другую с помощью несложной системы навигации.

Одновременно может быть загружено до 725 web-страниц для параллельного просмотра. Ссылки на каждой грани куба являются активными, за счет чего можно работать со всеми страницами одновременно. Страницу, находящуюся напротив наблюдателя, можно увеличить или приблизить. Всего предусмотрено пять уровней увеличения: каждый раз на четверть размера. Выбор загружаемой страницы происходит с помощью выбора грани куба на панели обозревателя. Таким образом, могут быть закружены как классические HTML-страницы, так и созданные специально трехмерные комнаты под нужды CubicEye.

В качестве среды разработки предлагаются следующие продукты. CubicEye Web Builder - ПО, позволяющее оптимизировать Web-страницы сайтов для их просмотра в CubicEye. Трехмерные изображения по понятным причинам грузятся в любом формате довольно долго, тогда как их проекции не требуют долгих загрузок. С помощью CubicEye можно одновременно загрузить несколько изображений одного и того же предмета, только под разными углами просмотра в разных окнах, каждое из которых будет доступно в любой момент.

CubicEye App Builder - среда разработки, позволяющая оптимизировать любые приложения для их отображения в кубическом виде. Это может быть любой офисный или графический пакет, который сможет реализовать функции, доступные ранее только пользователям нескольких мониторов. Основная проблема существующей версии браузера CubicEye является поддержка только 16-битного цвета и достаточно высокие системные ресурсы, которые становятся еще более высокими при введении на web-страницу flash-анимации.

2.3.2.2.8 Pulse3D

Компания Pulse начиналась много лет назад как разработчик для индустрии развлечений. Первоначально ей создавались компьютерные игры, но со временем Pulse переориентировалась на игровую 3D Web индустрию, где успешно применила свой опыт создания игр.

Опыт создания игр и глубокие знания 3D позволяют Pulse на данный момент доминировать на Web рынке 3D развлечений. С инвестициями от компаний Discreet и Entertaindom в размере 30 млн. долларов это преобладание, вероятно, только окрепнет. Однако компания не стоит на месте, и уже сейчас работает над несколькими проектами для электронной торговли. Новое программное обеспечение Pulse Creator улучшило экспортные возможности и технологии автоматизации, разработанные для уменьшения сложности создания и содержания Web-ресурсов. В данный момент Pulse обслуживает более 100 развлекательных сайтов. Уже сейчас имеется поддержка QuickTime и RealPlayer, что может еще больше упрочить позиции компании.

2.3.2.2.9 VRML

Новая спецификация VRML, изданная консорциумом Web3D, "пришлась по вкусу" двум компаниям: blaxxun и Shout3D. Так как новая спецификация предполагает модульную структуру, поддерживающую, в том числе и старые компоненты визуализации, схема проигрывателя VRML не требует никаких надстроек к программе браузинга или подключения plug-in. Механизм визуализации реализован как набор Java-модулей, которые автоматически загружаются на клиентский ПК вместе с проигрываемой сценой. Форму и комплектацию модуля определяет создатель сцены с помощью инструментов среды разработки. К сожалению, обе указанные компании в своих продуктах не полностью реализовали соответствие спецификациям Web3D для Extensible 3D (X3D), однако в обоих форматах имеется возможность дописать собственный скрипт и подключить его к общему набору эффектов визуализации.

Компания Sun в своих разработках трехмерных средств для Интернет отталкивается от хорошо известного многим программистам Java. Java3D - это графооринтированное расширение для одноименного языка. Так как в концепцию построения схем на Java3D заложена идея связанных объектов, его можно смело считать развитием VRML. С другой стороны, "логика объектных связей", которая требуется в Java3D, создает эффект снежного кома, который впоследствии может серьезно тормозить работу даже простых сцен. Лишние (не отображаемые) элементы все равно будут подгружаться, и обсчитываться, снижая общий КПД вычислений.

2.3.2.2.10 Выводы

Как отмечалось в начале этой статьи, растущая мощь настольных ПК и расширение Интернет-каналов стимулирует интерес индустрии к обсуждаемой теме. Однако с другой стороны, перспективы большого прорыва трехмерной визуализации в Интернет - сумрачны, так как существует серьезная проблема совместимости форматов. Для того, чтобы 3D Internet стал повседневностью, мало понятия индустрии о его необходимости. В данном случае требуется возврат к первоначальному этапу формирования единого стандарта централизованно, на виду у всей ИТ-отрасли. Не стоит думать, что в настоящее время подход, не увенчавшийся успехом ранее, будет вновь обречен на неудачу. В 1997 году не было ни соответствующей аппаратной базы, ни должного программного обеспечения, что и во многом привело к краху надежд. Обзор технологий, приведенный выше, показывает, что сегодня выбор имеется, причем некоторые стандарты достаточно интересны и перспективны.

Свой вклад в развитие трехмерной визуализации в Интернет может внести CAD 3-D Working Group в числе организаторов которого находятся компании, являющиеся своеобразными векторами индустрии - Intel и Microsoft.

Особого внимания заслуживают стандарты, не требующие новой программной базы для реализации своих эффектов. Стоит отметить подход компании 2сe как популяризирующий идеи 3D Internet, при этом не предполагая концептуальных нововведений.

Однако основной причиной малого распространения трехмерной виртуальной визуализации может стать её дороговизна. По настоящему интересные и качественные разработки для той же электронной торговли сегодня могут себе позволить лишь очень богатые компании (вспомните список клиентов Viewpoint). В самом деле, разработать трехмерный мир не так просто, как создать рекламный баннер в Adobe Photoshop, поэтому потребуется некоторое время на подготовку критического числа специалистов, способных широко применять свои знания по 3D-моделированию в Интернет.

Неплохим подспорьем в решении этого вопроса может стать продвигаемая многими создателями Интернет 3D-форматов концепция организации целых виртуальных миров, где пользователи программируют и себя в этих мирах, и, собственно, миры. Ярким примером являются www.activeworlds.com (которая предполагает собственный набор инструментов создания трехмерных активных образов), www.wildtangent.com (представляющий собой мультипользовательскую систему проектирования) и www.flatland.com (пример массового движения идейных Web3D мастеров).

2.3.2.3 Оригинальный формат

Осуществляется передача клиенту данных в оригинальном формате. Данный способ имеет основным преимуществом то, что мы можем легко реализовать необходимую нам функциональность. Но данный подход требует разработки, как серверной части, так и клиентской.

Данный подход, в рамках данного проекта, находиться в стадии реализации.

2.3.2.4 Adobe Director

Приложение предоставляет практически неограниченные возможности в области обработки мультимедийных материалов и поддерживает большинство популярных форматов видеоматериала, звука, растровой графики, объемных моделей и векторных рисунков. В распоряжении пользователей — два языка написания сценариев, поддержка формата DVD-Video, средства публикации материалов на различных платформах. Кроме того, предлагаемое решение тесно интегрируется с пакетом Flash MX 2004.

Новая версия дополнена поддержкой воспроизведения видеороликов в формате DVD и возможностью выполнения сценариев на языке JavaScript. Director теперь полностью поддерживает обновленный формат Flash MX 2004, содержит набор компонентов Flash MX 2004 и позволяет запускать и редактировать материалы в форматах Flash и Fireworks. Flash-контент может быть интегрирован в проекты Director с лучшей совместимостью и точностью и с большей скоростью, чем в ранних версиях. С помощью встроенного языка Lingo можно неограниченно управлять сценарием, рисовать и создавать визуальные эффекты любой сложности, встраивать в проект потоковый звук и видео, а также оптимизировать процесс разработки за счет новых функций языка.

Macromedia Director MX позволяет создавать яркие, содержательные web-сайты и мультимедийные продукты, в том числе презентации с использованием аудио- и видеоданных, растровой и векторной графики, текстовых и анимационных материалов. Средства управления аудио- и видеоданными Director MX поддерживают потоковые форматы RealMedia. Вы можете использовать эту возможность для настройки панорамирования и громкости потоковых аудиоматериалов в формате RealMedia или, например, создавать с помощью языка Lingo уникальные видеоэффекты, значительно превосходящие возможности технологии RealVideo.

Средства динамической анимации и создания геометрических фигур обеспечивают контроль положения, угла поворота и масштаба моделей, освещения, группировки, расстановки камер, текстур и отдельных заготовок для сценариев. Инструмент Particle Systems Effects обеспечивает создание зрелищных, быстро загружаемых спецэффектов, таких как туман, пламя, вода, дождь и т.п. Технология Multi-Resolution Mesh позволяет управлять количеством полигонов, используемых при показе объекта, в зависимости от загруженного объема данных, расстоянием до камеры, частотой смены кадров и иными условиями. Интерактивные физические эффекты, реализованные в модуле Havok Rigid Body Dynamics Xtra, обеспечивают высокую реалистичность при моделировании движений и механических взаимодействий.

Разработчикам предлагаются удобные визуальные инструменты и мощные средства тестирования и отладки. Создаваемые проекты могут быть записаны на компакт-диск или сохранены в сжатом формате для размещения в Интернете, где они будут доступны пользователям проигрывателя Shockwave Player.

Преимущества: Director позволяет создавать впечатляющий веб-контент (интерактивное взаимодействие нескольких пользователей, потрясающая объемная графика), а популярный плеер Shockwave делает его общедоступным.

Недостатки: организация рабочего процесса ("театральный" интерфейс, линейный подход) устарела. Вы можете достичь впечатляющих результатов, но для этого придется порядком потрудиться, да и без серьзных навыков программирования на Lingo не обойтись.

Общая оценка: Director - очень ресурсоемкая программа, но результаты говорят сами за себя. Это лучший вариант, если вас интересует прежде всего оформление сайта.

2.3.2.5 X3D (VRML)

Современные приложения 3D графики в Сети могут быть достаточно прозаичными и далекими от научной фантастики. С помощью трехмерных моделей архитектор может изобразить внешний вид своего проекта, химик – нарисовать сложную молекулу для обучения студентов, владелец электронного магазина – сделать оригинальную витрину, и т. п.

X3D (Extensible 3D) – расширяемый язык описания трехмерных сцен, предназначенный для создания трехмерной графики в интернете. Рабочий проект X3D был впервые представлен на Седьмой международной конференции трехмерных веб-технологий "3D Web Technology" в США в феврале 2002 года. Сейчас он серьезно рассматривается как преемник VRML (Virtual Reality Markup Language), так и не сумевшего широко внедриться в повседневную жизнь.

Проблемы внедрения VRML были обусловлены объективными причинами – ограниченными возможностями каналов и аппаратных мощностей компьютеров. Сейчас ситуация меняется, и 3D-технологии постепенно становятся вполне реализуемыми и востребованными.

Extensible 3D тесно интегрирован с XML, более компактен, чем VRML, и имеет модульную конструкцию. Такие известные компании, как Macromedia и Adobe Systems, сразу высказались в поддержку нового стандарта. Авторы рабочего проекта считают, что X3D позволит наконец широко внедрять объемные веб-интерфейсы, сетевые игры и другие приложения.

2.3.3 Сравнение технологий X3D и VRML97

2.3.3.1 Структурные изменения

Существуют как глобальные так и незначительные различия между двумя стандартами. X3D использует все возможности VRML97 и устраняет все белые пятна в предшествующей спецификации, которые открыты за годы использования. Это послужило основной предпосылкой для расширения формата с целью обеспечения большей гибкости. Глобальные изменения включают разделение общей спецификации на три отдельные спецификации, имеющими дело с абстрактными понятиями, кодированием формата файла и языка программирования. Другие модификации включают более точные модели освещения, модели событий, и изменяют имена некоторых полей для согласованности.

Глобальные изменения:

Расширенные возможности графа сцены.
Проверенный и унифицированный API .
Несколько способов кодирования файла.
Модульная архитектура.
Расширенная структура спецификации.

Граф сцены X3D - сердце приложения X3D - почти идентичен графу сцены VRML97. Структура оригинальной сцены VRML97 и типов узлов базировалась на уже установленных методах диалоговой графики. VRML97 прослужил многие годы и прошел тест временем. Изменения в графе сцены X3D были внесены для использования преимуществ аппаратных средств коммерческой графически. Для этого были введены дополнительные узлы и поля данных. Дополнительные незначительные изменения были связаны с созданием более точных моделей освещения, дополнительных моделей событий и обеспечением доступа к альфа каналу цветовых полей.

X3D имеет единственный унифицированный прикладной интерфейс программиста (API). В отличие от VRML97, который имел внутренний и внешний API. Такая унификация API решает несколько проблем, которые существовали в VRML97, что позволяет создавать более надежные приложения. В X3D определена работа с ECMAScript и связь с Java.

X3D поддерживает несколько способов кодирования файла, а именно: кодирование на основе VRML97, XML-кодирование и сжатый двоичный код. XML-кодирование допускает плавную интеграцию с web сервисами и независимую от платформы передача данных между приложениями. Сжатый двоичный формат - к настоящему времени находится в разработке. Он значительно повысит производительность. Каждая кодировка имеет преимущества в конкретном случае использования.

X3D применяет модульную архитектуру для обеспечения большей расширяемости и гибкости. Многие предметные области не требуют всех характеристик X3D, как и не все платформы поддерживают весь спектр функциональности определенной в спецификации. Характеристики X3D сгруппированы в компоненты, которые могут поддерживаться реализациями в различных сочетаниях, для соответствия конкретным платформам и предметным областям.

X3D также вводит понятие профилей - преопределенные наборы компонентов обычно используемые в определенных предметных областях, платформах, или сценариях использования.

В отличие от VRML97, который требовал полную поддержку для всех характеристик, X3D допускает различную степень поддержки стандарта, для удовлетворения многообразия потребностей. Компонентный механизм X3D также позволяет создавать свои собственные расширения согласно строгому набору правил.

Наконец, сама спецификация X3D перестроена, обеспечивая более гибкий жизненный цикл, для приспособления к эволюции стандарта. Стандарт X3D подразделен на три отдельные спецификации, имеющими дело с абстрактными понятиями, кодированием формата файла и языка программирования. Этот метод позволяет спецификациям, изменяться в разных графиках и облегчает принятие через ISO для специфических частей спецификации.

2.3.3.2 Функциональные изменения

Файлы теперь структурированы, чтобы определять необходимые возможности в заголовке. Это требует обязательного определение профиля (profile) и любых дополнительных компонентов
Externprotos определяет теперь только внешнее содержимое X3D файла. Они не могут быть использованы, для обеспечения механизмов расширения в браузере.
Имена функций доступа к полям изменены с eventIn, eventOut, exposedField, на inputOnly, outputOnly, initializeOnly и inputOutput, соответственно.
Скрипты могут иметь поля inputOutput
Имя DEF теперь не может быть использовано многократно.
Используется принцип «ленивой» загрузки. Так теперь нет необходимости полной загрузки всех используемых ресурсов до запуска приложения. В X3D сначала запускается основной файл, а далее в необходимый момент идет подгруздка внешних ресурсов (скрипты, текстуры, звуковые файлы, встроенные файлы, внешние прототипы).
Строго определенный набор определений абстрактных типов для узлов.

2.3.3.3 Компоненты и профили

Компонент - определяет специфический набор узлов. Обычно этот набор имеет общую функциональность - например NURBS структуры или средства текстурирования. Компонент состоит из определения узла и набора уровней, которые обеспечивают широкий спектр требований реализации. Нижний уровень требует только несколько узлов и небольшой набор поддерживаемых полей, тогда как верхние уровни требуют все узлы более низких уровней, плюс более сложные узлы и требования поддержки. Например, уровень 1 NURBS требует только основные 2D маршруты и поверхности, тогда как уровень 4 требует trimming, blending и поверхности вращения.

Достоинства компонентизации:

Небольшое, легкое ядро - VRML 97 является большим и сложным стандартом. Разбиение VRML на небольшие функциональные наборы существенно упрощает реализацию X3D для разработчиков. С уменьшением сложности реализации растет ремонтопригодность формата.
Расширяемость - Через понятие расширений и профилей, возможно построить дополнительную функциональность, легко добавлять новые характеристики, или заменять существующие.

Профиль - набор компонент на специфических уровнях поддержки. Профиль не может содержать другой профиль, хотя он может содержать все те же компоненты и комбинации уровней, плюс другие. Все файлы X3D требуют определение используемого профиля, который может быть дополнен компонентами пользователя, как на более высоких уровнях чем те что предусмотрены профилем, так и на уже определенных.

Обзор профилей X3D:

Interchange (Взаимообмен) – основной профиль. Он поддерживает геометрию, текстурирование, базовое освещение и анимацию.
Interactive (Интерактивный) – добавляет различные сенсорные узлы (PlanseSensor, TouchSensor, и т.д.), дополнительные источники света (Spotlight, PointLight) и дополнительные группирующие узлы такие как Switch и Anchor.
Extensible (Расширенный) – расширенный набор профиля Interchange с добавлением узлов Script, и PROTO (EXTERNPROTO)
Base VRML97 (Базовый VRML97) – включает все возможности VRML97. Но не включает новых узлов, некоторые из которых находятся в профиле Extensible например KeySensor
Full0x – включает все определенные узлы, как например компоненты Nurbs и GeoSpatial

2.3.3.4 Конвертация

Для конвертации из VRML97 в X3D сравнительно простых файлов, не содержащих скрипты или узлы externproto достаточно отредактировать текст заголовка и включить информацию об используемом профайле. Кроме того существует целый ряд стандартных средств для конвертации например:

VRML to X3D Translator

Это - автономный программный пакет базирующийся на Java для перевода файлов VRML97 в файл X3d, использующий схему "x3d-3.0.dtd" и преобразование стилей "X3dToVrml97.xsl". Условия распространения: Freeware. Поддерживаемые платформы: Java.

2.3.3.5 Отображение файлов VRML97 и X3D

Файлы VRML97 и X3D имеют множества синтаксических различий в спецификации, это приводит к их несовместимости. Поэтому чистый X3D браузер не способен прочитать файлы VRML97. Тем не менее, большинство браузеров, которые поддерживает стандарт X3D также поддерживают VRML97.

Недостатком X3D на данный момент является отсутствие качественного бесплатного просмотрщика, реализующего полнофункциональный набор средств управления поведением и отображением сцены, а так же осуществляющего корректный рендеринг сцены. Для отображения и работы с VRML вполне подходит браузер Cortona VRML Client 4.2 единственным недостатком которого является то, что SDK для него распространяется только на коммерческих основах.

Группа разработчиков формата X3D создала браузер X3D с открытым исходным кодом написанный на Java названный Xj3D (www.xj3d.org/default.htm). Рабочее приложение протестировано под Linux, Solaris, и Win32. К настоящему времени браузер наиболее полно поддерживает спецификация X3D, но все еще не соответствует спецификации 1.0.

Есть и другие браузеры с открытым исходным кодом VRML97, которые можно использовать как основу для браузера X3D, например, проект OpenVRML (www.openvrml.org/default.htm)

Есть и другие браузеры с открытым исходным кодом VRML97, которые можно использовать как основу для браузера X3D, например, проект OpenVRML (www.openvrml.org/default.htm).

2.3.3.6 Различные приложения для работы с X3D и VRML97

На сайте www.parallelgraphics.com/products/ можно найти следующие программы:

Cortona VRML Client 4.2 - браузер для отображения VRML сцены. Распространяется бесплатно, имеет наиболее полнофункциональный набор элементов управления сценой. Cortona SDK 4.1 – руководство для расширения возможностей Cortona браузера. Бесплатно доступна лишь демонстрационная версия, дающая представление о возможностях программирования, но без примеров.

VrmlPad 2.0 – текстовый редактор VRML сцен, позволяющий проводить динамическую проверку правильности построения сцены, отладку скриптов, редактирование графа сцены в пиктограмном режиме и еще некоторые полезные вещи. При отсутствии лицензии имеет ограничение на размер сцены.

Extrusion Editor 1.0 – редактор позволяющий строить 3D модели выдавливания на основании 2D контуров, что существенно снижает вес модели, сохраняя ее визуальный вид

Internet Model Optimizer 1.5 - позволяет значительно уменьшать размер сложных 3D моделей САПРа, сохраняя их визуальное качество.

Pocket Cortona for Pocket PC – первый в 3D браузер для просмотра VRML сцен на беспроводных устройствах. Можно использовать для создания эффективных мобильных решений для быстро ростущего рынка мобильных устройств.

X3D and VRML Plugin Detector (cic.nist.gov\vrml\vbdetect.html) Программа позволяет определить какие X3D и VRML плагины установлены на вашем web браузере.
X3D ToolKit (artis.imag.fr\Members\Yannick.Legoc\X3D\default.htm) – пакет разработчика С++ для загрузки, отображения и исполнения X3D моделей
Xj3D X3D Developer ToolKit (www.xj3d.org\default.htm) - руководство для импортирования X3D содержимого в произвольное приложение, или для создания полноценного интеллектуального X3D браузера
CyberX3D for C++ (www.cybergarage.org\vrml\cx3d\cx3dcc\index.html) ,

CyberX3D for Java (www.cybergarage.org\vrml\cx3d\cx3djava\index.html) - библиотеки разработки для X3D/VRML приложений на С++ и Java. Позволяют писать и читать X3D файлы, задавать и получать информацию о графе сцены, отображать геометрию и запускать сценарии.

Octagon Player – (www.octaga.com\default.htm) - бесплатный X3D браузер поддерживающий все профили X3D спецификации, но имеющий серьезные проблемы при визуализации сцены.
Open Worlds Horizon-X3D (www.openworlds.com\default.htm) - бесплатный, настраиваемый, расширяемый X3D браузер, поддерживающий также расширение для наложения теней в реальном времени, карты отражения, зеркальные отражения, и NURBS. Существует возможность разрабатывать на С++ собственные встроенные узлы, чтобы расширять основные возможности браузера см. SDK.
X3D Edit (www.web3d.org\x3d\content\README.X3D-Edit.html) - графический редактор для X3D осуществляющий проверку корректности кода. Содержит встроенный конвертор из X3D в VRML97 и HTML.
Кроме перечисленных редакторов VRML и X3D сцены можно получить из различных сред графического моделирования. Большинство инструментальных средств моделирования, как например 3DSMax, Maya или САПР программы (AutoCAD, Microstation …), имеют встроенные VRML97 или X3D экспортеры. Многие из этих экспортеров все еще основаны на ранних версиях X3D и VRML97или конвертируют не совсем корректно. На данный момент разработчики из Source Working Group работают над созданием экспортеров для наиболее популярных пакетов моделирования.

2.3.3.7 Области применения X3D и VRML

X3D широко используется в САПР

Миллиарды долларов инвестируются в САПР и ИПИ. Но 3D данные созданные САПР приложениями трудно распространять между различными пользователями в рамках предприятия. Внедрение 3D данных инженерных файлов САПР в другие приложения например для маркетинга и рекламы или тренировки персонала – достаточно сложно и занимает огромное время.

Использование стандарта X3D в САПР предоставит клиентам доступ и управление 3D проектами и техническими данными и позволит полностью внедрить их в другие настольные приложения на предприятии. Профессионалы вне САПРа и инженерии получат доступ к этим графическим данным, например для просмотра анимации, изменения материалов и текстур, интерактивной работы с проектом.

Это позволит увеличить производительность, снизить расходы и генерировать новые доходные потоки. Это увеличивает ценность данных САПРа и уменьшает издержки в других областях. Приложения включают визуальное наблюдение и контроль клиента, разрабатывают взаимосвязь, тренировку, техническую документацию, продажи и маркетинг, и поддержку клиента.

Так же X3D используется в медицине для визуализации и связи графических данных в реальном времени. Существует приспособленный стандарт MedX3D для прикладных приложений в медицинской области. Medical Working Group разрабатывает открытый стандарт взаимодействия для представления человеческой анатомии основанной на данных полученных с приборов снятия геометрии и формирования изображения.

Эта информация может использоваться как врачами так и студентами в их настольных компьютерах. Радиологи и врачи могут дать пациентам CD-ROMы с их снимками которые они могут рассмотреть приватно в своих домах. Исследователи могут получать экспортируемые данные из различных типов оборудования и объединить их в когерентные 3D модели, что может использоваться как для обучения пациентов, диагностики так и для хирургической подготовки.

MedX3D сфокусирован на медицинских приложениях. Эти приложений включают медицинское моделирование и моделирование для исследования и образования; 3D модели для планирования и руководства хирургическими и ядерными процедурами; объединение 2D графических данных полученных с медицинских установок друг с другом или с существующими 3D моделями анатомии пациента.

2.3.3.8 Выводы

Мной, в рамках данной работы, было отдано предпочтение формату X3D.

2.4 Анализ CALS технологий

CALS (Continuous Acquisition and Life-cycle Support) - постоянный сбор данных и поддержка в течение всего жизненного цикла.

2.4.1 Концепция, стратегия и технологии CALS

2.4.1.1 Основные проблемы

В настоящее время на мировом рынке наукоемких промышленных изделий отчетливо наблюдаются три основные тенденции:

Повышение сложности и ресурсоемкости изделий;
Повышение конкуренции на рынке;
Развитие кооперации между участниками жизненного цикла (ЖЦ) изделия (в т.ч., создание «виртуальных предприятий»).

Основной проблемой, стоящей сейчас перед отечественной промышленностью, является повышение конкурентоспособности выпускаемых изделий с учетом перечисленных тенденций. Добиться повышения конкурентоспособности изделия можно за счет:

Повышения степени удовлетворения требований заказчика;
Сокращения сроков создания изделия;
Сокращения материальных затрат на создание изделия.

Основным способом повышения конкурентоспособности изделия является повышение эффективности процессов его ЖЦ, т.е. повышение эффективности управления ресурсами, используемыми при выполнении этих процессов. В настоящее время существует большое количество методик, предназначенных для повышения эффективности управления ресурсами разного типа: материальными, финансовыми, кадровыми или информационными.

2.4.1.2 Концепция CALS

Основой концепции CALS является повышение эффективности процессов ЖЦ изделия за счет повышения эффективности управления информацией об изделии. Задачей CALS является преобразование ЖЦ изделия в высокоавтоматизированный процесс путем реструктуризации (реинжиниринга) входящих в него бизнес-процессов.

CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support) переводится как «непрерывное развитие и поддержка ЖЦ» и символизирует две основные идеи, реализующие задачу CALS. Первая часть термина «CALS» (Continuous Acquisition) означает постоянное повышение эффективности (развитие) как самого изделия, так и процессов взаимодействия между поставщиком и потребителем изделия в течение его ЖЦ.

Вторая часть термина «CALS» (Life cycle Support) обозначает путь такого развития: внедрение новых организационных методик разработки изделия, например, параллельного проектирования или междисциплинарных рабочих групп. Это приведет к увеличению инвестиций на этапах создания и модернизации изделия, но позволит более полно учесть потребности заказчика и условия эксплуатации, что, в свою очередь, приведет к снижению затрат на этапах эксплуатации и обслуживания изделия и, в конечном итоге, к сокращению затрат на весь ЖЦ изделия.

Можно выделить две основные проблемы, стоящие на пути повышения эффективности управления информацией. Во-первых, с увеличением сложности изделий и применением для их разработки современных компьютерных систем, значительно увеличивается объем данных об изделии.

При этом прежние методы работы с данными уже не позволяют обеспечивать их точность, целостность и актуальность при сохранении приемлемых временных и материальных затрат. Во-вторых, увеличение количества участников проекта по разработке изделия (особенно в случае виртуального предприятия) приводит к возникновению серьезных проблем при обмене информацией между участниками из-за наличия между ними коммуникационных барьеров (например, из-за несовместимости компьютерных систем).

2.4.1.3 Стратегия CALS

Путь реализации концепции CALS содержится в стратегии CALS, предполагающей создание единого информационного пространства (ЕИП) для всех участников ЖЦ изделия (в том числе, эксплуатирующих организаций). ЕИП должно обладать следующими свойствами:

Вся информация представлена в электронном виде;
ЕИП охватывает всю информацию, созданную об изделии;
ЕИП является единственным источником данных об изделии (прямой обмен данными между участниками ЖЦ исключен);
ЕИП строится только на основе международных, государственных и отраслевых информационных стандартов;
Для создания ЕИП используются программно-аппаратные средства, уже имеющиеся у участников ЖЦ;
ЕИП постоянно развивается.

Стратегия CALS предусматривает двухэтапный план создания ЕИП:

Автоматизация отдельных процессов (или этапов) ЖЦ изделия и представление данных на них в электронном виде;
Интеграция автоматизированных процессов и относящихся к ним данных, уже представленных в электронном виде, в рамках ЕИП.

Основными преимуществами ЕИП являются:

Обеспечение целостности данных;
Возможность организации доступа к данным географически удаленных участников ЖЦ изделия;
Отсутствие потерь данных при переходе между этапами ЖЦ изделия;
Изменения данных доступны сразу всем участникам ЖЦ изделия;
Повышение скорости поиска данных и доступа к ним по сравнению с бумажной документацией;
Возможность использования различных компьютерных систем для работы с данными.

ЕИП может быть создано для организационных структур разного уровня: от отдельного подразделения до виртуального предприятия или корпорации. При этом различается и эффект, получаемый от создания ЕИП.

Организационная структура	Повышение эффективности управления процессами	Повышение эффективности управления данными	Повышение эффективности обмена данными внутри структуры
Подразделение предприятия	Среднее	Высокое	Низкое
Отдельное предприятие	Высокое	Высокое	Среднее
Виртуальное предприятие (корпорация)	Высокое	Высокое	Высокое
Эксплуатирующая организация	Среднее	Высокое	Среднее

2.4.1.4 CALS-технологии

При реализации стратегии CALS должны использоваться три группы методов, называемых CALS-технологиями:

Технологии анализа и реинжиниринга бизнес-процессов – набор организационных методов реструктуризации способа функционирования предприятия с целью повышения его эффективности. Эти технологии нужны для того, чтобы корректно перейти от бумажного к электронному документообороту и внедрить новые методы разработки изделия;
Технологии представления данных об изделии в электронном виде – набор методов для представления в электронном виде данных об изделии, относящихся к отдельным процессам ЖЦ изделия. Эти технологии предназначены для автоматизации отдельных процессов ЖЦ (первый этап создания ЕИП);
Технологии интеграции данных об изделии – набор методов для интеграции автоматизированных процессов ЖЦ и относящихся к ним данных, представленным в электронном виде, в рамках ЕИП. Эти технологии относятся ко второму этапу создания ЕИП

При автоматизации отдельных процессов ЖЦ изделия используются существующие прикладные программные средства (САПР, АСУП и т.п.), однако к ним предъявляется важное требование – наличие стандартного интерфейса к представляемым им данным. При интеграции всех данных об изделии в рамках ЕИП применяются специализированные программные средства – системы управления данными об изделии (PDM – Product Data Management). Задачей PDM-системы является аккумулирование всей информации об изделии, создаваемой прикладными системами, в единую логическую модель. Процесс взаимодействия PDM-системы и прикладных систем строится на основе стандартных интерфейсов.

Стандартные интерфейсы взаимодействия компьютерных систем можно разделить на четыре группы:

Функциональные стандарты. Задают организационную процедуру взаимодействия компьютерных систем; пример: IDEF0;
Стандарты на программную архитектуру. Задают архитектуру программных систем, необходимую для организации их взаимодействия без участия человека; пример: CORBA;
Информационные стандарты. Задают модель данных об изделии, используемую всеми участниками ЖЦ;
Коммуникационные стандарты. Задают способ физической передачи данных по локальным и глобальным сетям; пример: Internet-стандарты.

Поскольку потребитель тоже является полноправным участником ЖЦ изделия, необходимо обеспечение для него доступа в ЕИП. Однако использование для этих целей PDM-системы нецелесообразно в силу ее большой стоимости и значительного срока внедрения и освоения. К тому же, если потребитель эксплуатирует изделия от разных поставщиков, ему придется иметь дело с разными ЕИП и, соответственно, разными PDM-системами.

ИЭТР разрабатывается поставщиком, обеспечивает доступ потребителя к эксплуатационной информации об изделии в ЕИП и имеет стандартный интерфейс пользователя (например, согласно MIL-M-87268), что позволяет сотрудникам эксплуатирующей организации одновременно обслуживать изделия от разных поставщиков.

2.4.2 Технология управления данными об изделии

2.4.2.1 PDM-технология

Среди CALS-технологий интеграции данных об изделии, ключевой является технология управления данными об изделии (Product Data Management).

PDM-технология предназначена для управления всеми данными об изделии и информационными процессами ЖЦ изделия, создающими и использующими эти данные. Данные об изделии состоят из идентификационных данных (например, данных о составе или конфигурации изделия) и данных или документов, которые используются для описания изделия или процессов его проектирования, производства или эксплуатации (при этом все данные обязательно представлены в электронном виде).

Управление информационными процессами ЖЦ представляет собой поддержку различных процедур, создающих и использующих данные об изделии (например, процедуры изменения изделия), т.е. фактически поддержку электронного документооборота, например, конструкторского документооборота.

Основной идеей PDM-технологии является повышение эффективности управления информацией за счет повышения доступности данных об изделии, требующихся для информационных процессов ЖЦ.

Повышение доступности данных об изделии достигается за счет интеграции всех данных об изделии в логически единую модель. Существует много задач, которые можно решить за счет применения PDM-технологии, среди которых можно выделить наиболее распространенные:

Создание ЕИП для всех участников ЖЦ изделия;
Автоматизация управления конфигурацией изделия;
Построение системы качества продукции согласно международным стандартам качества серии ISO 9000 (здесь PDM-технология играет роль вспомогательного средства);
Создание электронного архива чертежей и прочей технической документации (наиболее простой способ применения PDM-технологии).

2.4.2.2 PDM-система

Для реализации PDM-технологии существуют специализированные программные средства, называемые PDM-системами (т.е. системами управления данными об изделии; другое название – системы управления проектами).

PDM-система должна контролировать все связанные с изделием информационные процессы (в первую очередь, проектирование изделия) и всю информацию об изделии, включая: состав и структуру изделия, геометрические данные, чертежи, планы проектирования и производства, нормативные документы, программы для станков с ЧПУ, результаты анализа, корреспонденцию, данные о партиях изделия и отдельных экземплярах изделия и многое другое.

При создании ЕИП для всех участников ЖЦ изделия, PDM-система выступает в качестве средства интеграции всего множества используемых прикладных компьютерных систем (САПР, АСУП и т.п.) путем аккумулирования поступающих от них данных в логически единую модель на основе стандартных интерфейсов взаимодействия.

Пользователями PDM-системы выступают все сотрудники всех предприятий-участников ЖЦ изделия: конструкторы, технологи, работники технического архива, а также сотрудники, работающие в других предметных областях: сбыт, маркетинг, снабжение, финансы, сервис, эксплуатация и т.п. Главной задачей PDM-системы является предоставление соответствующему сотруднику нужной ему информации в нужное время в удобной форме (в соответствии с правами доступа).

2.4.2.3 Функции PDM-системы

Все функции полноценной PDM-системы можно четко разделить на несколько групп:
Управление хранением данных и документов. Все данные и документы в PDM-системе хранятся в специальной подсистеме – хранилище данных, которая обеспечивает их целостность, организует доступ к ним в соответствии с правами доступа и позволяет осуществлять поиск данных разными способами. При этом документы, хранящиеся в системе, являются электронными документами, т.е., например, обладают электронной подписью.
Управление процессами. PDM-система выступает в качестве рабочей среды пользователей и отслеживает все их действия, в т.ч. следит за версиями создаваемых ими данных. Кроме того, PDM-система управляет потоком работ (например, в процессе проектирования изделия) и занимается протоколированием действий пользователей и изменений данных.
Управление составом изделия. PDM-система содержит информацию о составе изделия, его исполнениях и конфигурациях. Важной особенностью является наличие нескольких представлений состава изделия для различных предметных областей (конструкторский состав, технологический состав, маркетинговый состав и т.д.), а также управление применяемостью компонентов изделия.
Классификация. PDM-система позволяет производить распределение изделий и документов в соответствии с различными классификаторами. Это может быть использовано при автоматизации поиска изделий с нужными характеристиками с целью их повторного использования или для автоматизации присваивания обозначений компонентов изделия.
Календарное планирование. PDM-система содержит функции формирования календарного плана работ, распределения ресурсов по отдельным задачам и контроля выполнения задач со стороны руководства.
Вспомогательные функции, обеспечивающие взаимодействие PDM-системы с другими программными средствами, с пользователями, а также взаимодействие пользователей друг с другом.

2.4.2.4 Выгоды от использования PDM-системы

Основной выгодой от использования на предприятии PDM-системы является сокращение времени разработки изделия, т.е. сокращение времени выхода изделия на рынок и повышение качества изделия.

Сокращение времени выхода на рынок достигается в первую очередь за счет повышения эффективности процесса проектирования изделия, которое характеризуется четыре аспекта:
Избавление конструктора от непроизводительных затрат своего времени, связанных с поиском, копированием и архивированием данных, что, при работе с бумажными данными, составляет 25-30% его времени;
Улучшение взаимодействия между конструкторами, технологами и другими участниками ЖЦ изделия за счет поддержки методики параллельного проектирования, что приводит к сокращению количества изменений изделия;
Значительное сокращение срока проведения изменения конструкции изделия или технологии его производства за счет улучшения контроля за потоком работ в проекте;
Резкое увеличение доли заимствованных или слегка измененных компонентов в изделии (до 80%) за счет предоставления возможности поиска компонента с необходимыми характеристиками.

2.4.3 Интерактивные электронные технические руководства

Понятие Единого Информационного Пространства (ЕИП) является ключевым понятием CALS-технологий. Потребитель является полноправным участником ЖЦ на этапе эксплуатации изделия и ему необходимо обеспечить доступ в ЕИП. Однако использование для этих целей PDM-системы нецелесообразно в силу ее большой стоимости и значительного срока внедрения и освоения.

Учитывая это, а также то, что потребителю необходимы только эксплуатационные данные об изделии, в качестве средства доступа к ЕИП он будет использовать не PDM-систему, а интерактивные электронные технические руководства (ИЭТР) Интерактивное Электронное Техническое Руководство (ИЭТР) - это техническое руководство, предоставляемое заказчику в электронной форме на мобильном носителе (CD), либо при помощи Интернет.

ИЭТР предоставляет пользователю следующие возможности:

Отображение информации в удобном для пользователя виде (техническое руководство, каталог деталей, информация для заказа запчастей и т.д.);
Возможность обновления информации об изделии в связи с ремонтом, модификацией, применением особых, новых материалов при обслуживании;
Возможность использования встроенных в систему документации поисковых и диагностических систем.

С точки зрения концепции CALS, предусматривающей преемственность в передаче информации на всех стадиях жизненного цикла, ИЭТР - это документ, формируемый в значительной степени автоматически на основе конструкторского описания изделия.

Если в подразделении, в котором создается ИЭТР, используется PDM-система, то все исходные материалы - текстовые, графические, звуковые и т.д. - берутся из нее в готовом виде. Информационное наполнение ИЭТР происходит главным образом на стадиях разработки и производства изделия, а применение ИЭТР на стадии эксплуатации и утилизации.

Можно выделить несколько классов ИЭТР, каждый из которых характеризуется определенной функциональностью и стоимостью реализации:

Класс 1 - Бумажно-ориентированные электронные документы. Отсканированные страницы бумажных руководств. Электронный документ - копия бумажного руководства.

Преимущества: большие объемы бумажной документации заменяет компактный электронный носитель.

Недостатки: не добавляет никаких новых функций по сравнению с бумажными руководствами.

Класс 2 - Неструктурированные документы. Текстовые электронные документы.

Преимущества: возможность использования аудио- и видеофрагментов, графических изображений и возможность осуществлять поиск по тексту документа.

Недостатки: ограниченные возможности обработки информации.

Класс 3 - Структурированные документы. Начиная с класса 3, руководства представляют собой документы, имеющие три компонента: структура, оформление и содержание. Кроме того, начиная с класса 3, ИЭТР имеют стандартизированный интерфейс пользователя.

Преимущества: существует возможность стандартизировать структуру, оформление и пользовательский интерфейс руководств (например, в соответствии с отраслевыми стандартами на эксплуатационную документацию), стандартизированный интерфейс пользователя позволяет облегчить работу с ИЭТР.

Недостатки: при создании руководств к сложным промышленным изделиям появляются проблемы управления большим объемом информации.

Класс 4 - Интерактивные базы данных. Руководства данного класса используют для хранения информации СУБД.

Преимущества: можно создавать технические руководства большого объема.

Недостатки: отсутствие системы диагностики изделия.

Класс 5 - Интегрированные базы данных. Дают возможность прямого взаимодействия с электронными модулями диагностики изделий, что существенно облегчает обслуживание и ремонт изделия. Преимущества: возможность проведения диагностики изделия.
Недостатки: очень высокая стоимость создания. Вариант использования конкретного класса ИЭТР, в общем случае, зависит от сложности изделия, от финансовых и технических возможностей пользователя.

Использование ИЭТР дает следующие преимущества по сравнению с традиционными бумажными техническими руководствами:

Сокращение на 20 - 25 процентов сроков освоения новых изделий потребителем.
В интегрированном ИЭТР организовать обновление информации гораздо проще, чем в бумажных руководствах.
В ИЭТР высокого уровня встраивается система диагностики неисправностей.

2.5 Анализ способов использования имеющейся проектной документации

2.5.1 Преимущества электронных документов над бумажными

Реализация электронного архива

Сканирование чертежей и коррекция полученных растровых изображений – это первый этап внедрения новой технологии, но уже он дает реальную экономию средств. Реализация управляемого электронного архива сканированной документации приводит к тому, что проблемы хранения, поиска и распределения документов остаются в прошлом. Использование электронных изображений обеспечивает более эффективное и широкое применение технической документации во всех сферах деятельности предприятия.

Использование средств автоматизированного проектирования для внесения изменений

Применение средств гибридного редактирования для обработки архивированной растровой графики позволяет реализовать все преимущества технологии САПР для сканированных изображений. Электронные чертежи могут быть просмотрены, изменены и выведены на печать за время значительно меньшее чем то, что требуется на внесение даже простых изменений в бумажный проект. Процесс проектирования становится рациональным, обеспечивая значительное снижение стоимости и высокое качество разработки, сокращая время выхода изделия на рынок.

Интеграция в систему управления документами

Как только документы переводятся в электронный формат, их можно использовать в системах управления технической документацией. Это увеличивает эффективность их использования и повышает производительность.

Простейшие системы могут быть реализованы на базе обычной файловой структуры с ограниченными средствами отслеживания изменений, более сложные надежно управляют просмотром, изменением и распределением всей связанной с проектированием информации.
Многим организациям требуется выполнять стандарты и правила, которые фактически требуют внедрения системы электронного управления документами. Согласно данных Британского Института Стандартов (British Standards Institute), 47 % отказов в сертификации по стандартам ISO происходит из-за недостатков в контроле технической документации. Затраты денег и времени на получение сертификатов можно снизить используя системы документооборота сертифицированные по стандартам ISO 9000.

Внедрение средств маршрутизации документов и заданий

Инструментальные средства маршрутизации документов и заданий (Workflow) обеспечивают конечное решение безбумажной технологии документооборота. Интеграция сканированной технической документации в систему Workflow дает гораздо больший эффект, чем тот, что обеспечиваются средствами системы управления инженерной документацией. Системы маршрутизации документов и заданий, в которых используются средства гибридного редактирования и векторизации обеспечивает максимально эффективное использование сканированных изображений в рамках всей организации.

Скрытая стоимость бумаги

Сканированные бумажные чертежи можно эффективно использовать в современных автоматизированных системах – это, несомненно, является самым главным преимуществом новой технологии. Но не стоит забывать и другие немаловажные аспекты проблемы. Традиционные методы управления, обработки, хранения и сопровождения бумажных чертежей отнимают много времени и средств.

Вот некоторые из наиболее очевидных проблем поддержки бумажного архива, которые можно решить, используя современные технологии:

Бумажные чертежи “стареют” и портятся при хранении – электронные изображения “вечны”, срок их жизни практически не ограничен
Тиражирование бумажных чертежей трудоемкая и не дешевая операция – за время, затраченное на копирование одного бумажного чертежа, можно разослать по сети много бесплатных копий электронных чертежей
Бумажные чертежи занимают много места, их хранение плохо систематизируется, часто очень трудно найти нужную информацию в бумажном хранилище. Электронные чертежи не требуют помещений для хранения, их поиск эффективнее и быстрее
Бумага ограничивает возможности представления данных, графика и текст – вот и все, в то время как электронные документы могут содержать гиперссылки на связанные с ними материалы, звук, видео и т.п.
Бумажные чертежи теряются. По экспертной оценке, от пяти до семи процентов технических материалов не могут использоваться, – они потеряны или разукомплектованы. Резервное копирование содержимого электронного архива и введение автоматизированной дисциплины доступа к информации избавляет от подобных проблем
Не секрет, что многие организации не хотят делится своей интеллектуальной собственностью и передавать смежникам оригиналы документации, которые хранятся в электронных файлах САПР, а бумажные копии многие, особенно иностранные компании, уже не принимают. Растровая копия векторного чертежа САПР позволит решить эту задачу

2.5.2 Коррекция растровых документов

Сканированные чертежи можно сразу включить в систему электронного документооборота, и использовать как справочную документацию. Однако, для эффективного редактирования растровых изображений и их полноценного использования в САПР необходимо специализированное программное обеспечение. Это обусловлено принципиальными различиями между получаемыми при сканировании растровыми файлами и векторными рисунками, которые создаются и используются в автоматизированных системах черчения и проектирования.

Даже самый совершенный сканер не может компенсировать все недостатки бумажных оригиналов. Полученный при сканировании растровый файл приходится корректировать, используя специализированные программные средства.

Специфика обработки сканированных технических материалов связана прежде всего с тем, что они могут быть очень большого размера (для современных сканеров формат А0 – далеко не предел). Кроме того, следует учесть высокие требования к точности геометрии объектов изображения. Это особенно важно, если растр нужно использовать для векторизации. Поэтому в программах-корректорах используются специальные процедуры и средства, не применяемые в обычных растровых редакторах.

Предварительным этапом при векторизации является обработка получаемых растровых изображений с целью устранения основных дефектов. Данные дефекты можно классифицировать по следующим категориям:

Растровый мусор - шум, фон, небольшие отверстия в линиях, зазубренность краев растровых объектов. Подобные дефекты устраняются с помощью процедуры, которая называется фильтрацией. Суть ее в том, что все изображение, или выбранная область, обрабатывается по определенному алгоритму (фильтру). Наиболее удобными являются фильтры, которые не требуют настройки, они автоматические вычисляют параметры своей работы, так как такую автоматическую фильтрацию можно использовать в пакетном режиме.
Рыхлая графика (см. рисунок 8.2) – в некоторых случаях (особенно если сканируется чертеж, выполненный карандашом на ватмане) линии на чертеже получаются не сплошные, а в виде мелких точек, которые при очистке чертежа с помощью фильтра удаляются вместе с «мусором». Для объединения точек в сплошные линии перед удалением «мусора» нужно применить режим сглаживания.

Возникновение рыхлой графики зачастую является результатом неумелого использования или злоупотребления одной из функций, присутствующих в профессиональных широкоформатных сканерах: функцией компенсации неоднородного фона (Adaptive Area Tresholding - AAT). AAT служит для автоматического удаления растрового мусора на аппаратном уровне при сканировании с синек и других не слишком качественных оригиналов, однако при неправильном использовании эта полезная функция может стать источником серьезных сложностей.

Проблема потерянных линий – так же чаще всего возникает при попытке получить как можно меньше растрового мусора посредством изменения яркости и/или контрастности изображения. Обычно такие методы применяются при сканировании синек на "бытовых" сканерах (в которых, естественно, функция AAT отсутствует). Ни к чему хорошему в большинстве случаев это не приводит да к тому же усложняет дальнейшую работу с отсканированным таким образом чертежом.

Дело в том, что при сканировании чертежей необходимо добиваться отнюдь не полного отсутствия растрового мусора, а прежде всего неразрывности, цельности растровых линий. Разумеется, такое возможно далеко не всегда, однако необходимо все-таки соблюдать этот принцип, так как он является залогом успешной работы со сканированным документом в дальнейшем.
Наличие мусора на сканированном изображении не относится к очень серьезным проблемам, так как с ним можно успешно справиться при помощи специального программного обеспечения, предназначенного для работы со сканированной графикой.

Проблема слипшихся линий. Данную проблему можно решить повышением оптического разрешения сканера (dpi). Однако, необходимо помнить, что увеличение dpi приводит к увеличению размера файла и времени на его обработку. Поэтому нужно находить такой режим, который обеспечит оптимальное соотношение размера файла и его качества.
Геометрические искажения всего изображения – перекос (бумагу вставили в сканер с небольшим угловым отклонением), неправильная ориентация (“боком” или “вверх ногами”), нестандартный формат (отсканированный с перекосом чертеж будет иметь нестандартные размеры) и т.п. Некоторые из этих процедур также могут быть автоматизированы, например, устранение перекоса или приведение размеров изображения к ближайшему стандартному форматуПроизвольные, нелинейные искажения, вызванные короблением бумаги при длительном или неправильном хранении являются самым “трудноизлечимым” дефектом сканированных изображений. Это особенно актуально для технических изображений больших форматов. Такие искажения невозможно исправить при сканировании.

Для исправления нелинейных деформаций растра используется процедура калибровки. Сначала указываются опорные точки, которые задают теоретически известные координаты характерных точек растра, например, реперные точки на карте, которые должны располагаться в узлах прямоугольной сетки с заданным шагом.

На деформированном изображении реальное расположение опорных точек отличается от теоретического, поэтому на втором этапе пользователь указывает текущее положение заданных точек на растре. Таким образом, получается набор пар точек: первая точка пары показывает, например, где теоретически должен быть узел растровой сетки, а вторая – то, где он находится сейчас на искаженном растровом изображении.

При калибровке происходит трансформация всего изображения таким образом, чтобы заданные точки заняли правильное положение. Такое преобразование может быть осуществлено различными способами. Поэтому, обычно, предоставляется набор алгоритмов трансформации, что дает возможность подобрать оптимальную стратегию коррекции в зависимости от характера искажений, заданной точности преобразования и конфигурации опорных точек.

Все описанные процедуры могут применяться не только к черно-белым растровым изображениям, которые до сих пор, в основном, использовались для хранения технической графики. В последнее время возникла необходимость в специализированных средствах обработки цветного растра, полученного при сканировании цветных и полутоновых карт, схем, чертежей и т.п. Современные средства растровой коррекции умеют работать и с цветными, и с полутоновыми, и с монохромными изображениями.

В этих программных продуктах реализованы также специализированные процедуры, позволяющие преобразовывать цветные и полутоновые изображения в наборы монохромных слоев. Расслоение производится по цвету – пикселы похожих цветов переносятся на отдельные монохромные слои. Во первых это приводит к уменьшению объема изображения – несколько монохромных слоев занимают на диске во много раз меньше места, чем файл исходного полноцветного изображения, а во вторых, эти средства дают возможность подготовить цветное изображение к обработке в гибридном редакторе или векторизаторе. Известно, что практически все такие программы умеют работать только с монохромными изображениями.

Средства растровой коррекции могут исправить глобальные дефекты сканированных изображений, но если в сканированный чертеж нужно внести изменения, или возникает потребность использовать его для расчетов, то приходится прибегать к другим методам – векторизации и гибридному редактированию.

2.5.3 Работа со сводной растровой подосновой

Кроме устранения дефектов растровых изображений встает вопрос работы с несколькими растровыми изображениями одновременно, а именно «сшивка», совмещение и взаимное выравнивание растровых изображений, работа с изображениями разных масштабов. В разрабатываемой методике такая задача актуальна в контексте работы с геоподосновой и генпланом.

Нередки случаи, когда геоподоснова содержится в нескольких сканированных участках изображения, которые, будучи вставленными в чертеж, должны быть корректно сшиты. Необходимым условием совмещения пары участков является их взаимное перекрывание на некотором участке. Каждая пара должна быть обработана отдельно от других ранее описанными методами с целью исправления геометрических искажений. Кроме того, одну подоснову нужно окончательно отмасштабировать и сориентировать. Кресты сетки чертежа, если они попадают в область совмещения, должны использоваться для поочередного совмещения с этим участком подосновы остальных участков.

Если в область совмещения не попадают кресты, придется использовать другие повторяющиеся объекты (колодцы сетей, отдельные деревья и иные подобные объекты) для совмещения участков «на глаз», хотя точность такого совмещения будет ниже. Если это возможно, в подобной ситуации следует продолжить массив объектов привязки с помощью дополнительных построений на один-два шага в нужную сторону для того, чтобы воспользоваться преимуществами объектных привязок.

2.5.4 Векторизация растровых документов

Для работы в системах инженерного моделирования и анализа используются чертежи с самой высокой степенью информативности. Программные средства, использующие графику для расчетов, умеют работать только с векторными изображениями. Поэтому, чтобы использовать для таких целей сканированные изображения, их необходимо переводить в векторный формат.

Вот некоторые примеры: предприятие должно разработать трехмерную модель изделия по старым чертежам и выполнить по этой модели расчет прочности; или при планировании новой застройки необходимо использовать трехмерную модель ландшафта, которую нужно создать, используя имеющиеся бумажные карты. В обоих случаях требуются векторные модели и, следовательно, растровые изображения приходится преобразовывать в векторные рисунки.

Процесс преобразования сканированного изображения в чертеж САПР называется векторизацией. Растровое изображение можно векторизовать, не используя программных средств. Но гораздо более эффективными являются программные методы обработки растра: автоматическая, пакетная векторизация и трассировка – полуавтоматический, управляемый оператором, процесс выборочной векторизации.

2.5.4.1 Методы векторизации

2.5.4.1.1 Ручная сколка

Часто называется оцифровкой. Сканированное изображение загружается в программу как фон, поверх него оператор рисует векторные объекты. Это очень похоже на сколку с использованием дигитайзера – трудоемкая, утомительная, и отнимающее много времени процедура. Но, в тоже время, находит применение при работе с низкокачественными или очень сложными изображениями. При выполнении такой работы большую помощь могут оказать средства объектной растровой привязки.

2.5.4.1.2 Автоматическая векторизация

При автоматической векторизации нужно только задать параметры и запустить процедуру. Программа сама определит, какие растровые линии нужно аппроксимировать отрезками прямых, дугами, а что является растровым текстом.

Профессиональные пакеты автоматической векторизации, например программы Vectory, Spotlight Pro, RasterDesk Pro, распознают типы линий, размерные стрелки, штриховки, тексты. Они проводят коррекцию полученного векторного рисунка: сводят концы векторных объектов, выравнивают их по ортогональным направлениям и т.д. Некоторые пакеты имеют встроенные модули распознавания текста, другие только локализуют текстовые строки, и предоставляют интерактивные средства ручной замены.

Если изображения высокого качества, то можно получить очень хорошие результаты. Такой метод векторизации используется для пакетной обработки набора растровых файлов, что дает возможность провести обработку большого объема материалов без участия оператора, например, в нерабочее, ночное время. Но, как правило, программное обеспечение не может на сто процентов правильно векторизовать растровое изображение. Эту процедуру лучше всего использовать как компонент процесса преобразования, а не как общее решение. Для получения качественного векторного изображения требуется достаточно большая доработка.

2.5.4.1.3 Интерактивная векторизация (трассировка)

Один из наиболее перспективных методов преобразования. При трассировке оператор указывает растровые линии на экране, и они преобразуются в векторные объекты. Этот метод позволяет совместить интуитивное знание пользователя с автоматизированным процессом преобразования. Средства трассировки позволяют оператору разделить объекты растрового изображения по значению и преобразовать только то, что нужно.

Вот пример использования такой технологии. При обработке растрового изображения топографической карты сначала превращаем растровые изолинии в векторные полилинии. Оператор указывает точку на растровой линии, а программа прослеживает эту линию до ближайшего пересечения или разрыва и создает аппроксимирующую векторную ломаную – полилинию. Затем процесс повторяется. После этого, каждой полилинии можно присвоить значение высоты и получить трехмерную модель поверхности для ГИС.

2.5.4.1.4 Гибридная технология

Гибридная технология сочетает возможности растрового и векторного редактирования и предоставляет средства преобразования растра в вектора и векторных объектов в растр. Изображения, с которыми работают гибридные редакторы, состоят из графики двух видов: полученных при сканировании растровых данных и векторных объектов.

Симбиоз растрового и векторного подходов к редактированию графики дал качественно новые возможности обработки сканированных изображений. Например, нам необходимо изменить радиус растровой окружности. Указываем ее курсором, и она превращается в векторную окружность, – так работают средства интерактивной векторизации гибридного редактора Spotlight. Меняем радиус векторной окружности. Затем окружность можно растеризовать. Радиус окружности изменен, чертеж остался полностью растровым.

Если же не растеризовать векторный объект, то чертеж можно сохранить как гибридный (растрово-векторный) файл. При следующем редактировании пользователь заменит еще несколько растровых объектов на векторные. Пройдя несколько стадий редактирования, чертеж постепенно становится векторным. В конечном итоге, его можно доработать и получить чисто векторное изображение. Такой естественный, последовательный процесс векторизации, которая происходит как бы сама по себе, возможен именно благодаря гибридной технологии.

Гибридная технология стала возможна в результате того, что были разработаны алгоритмы локального распознавания геометрических примитивов. С их помощью программа с высокой скоростью, не проводя анализа большого участка изображения, идентифицирует растровую линию как отрезок, дугу, окружность. Это дает возможность реализовать интерактивные операции, которые проводятся без ощутимых задержек. Подобные алгоритмы используются и при работе средств интеллектуального растрового редактирования.

В программах Spotlight и Spotlight Pro реализован, пожалуй, самый полный набор интеллектуальных, “объектных”, средств работы с растром: выбор растра, аналогичный выбору векторных объектов в САПР, объектные операции трансформации растра, “умные” средства коррекции формы и стирания растровых линий, привязка к характерным точкам растровых объектов.

Механизм работы интеллектуальных средств в упрощенном виде можно проиллюстрировать на примере выполнения операции выбора и удаления растровой окружности. Чтобы произвести такую операцию, пользователь указывает курсором окружность, и она выбирается вся, несмотря на то, что пересечена другими растровыми линиями. При этом средства объектного выбора не только выделяют растровые точки, которые составляют окружность, но и дублируют все ее пересечения с другими объектами. Поэтому при стирании растровые линии, пересекавшиеся окружностью, не будут разорваны. Таким образом достигается полная аналогия с операциями выбора и удаления векторной окружности в САПР. Процесс выбора можно представить себе как перенос всех точек растровой окружности на отдельный слой с восстановлением пресеченных объектов.

На основе выбора одного растрового объекта реализуются методы группового выбора – выбор растровых объектов, лежащих внутри рамки, пересеченных ломаной и т.п. Использование средств объектного выбора в комбинации с операциями переноса, вращения, масштабирования, копирования позволяет вносить изменения в растровый чертеж с легкостью, ранее доступной только для векторного редактирования.

По такой же объектной схеме работают и другие интеллектуальные операции. Например, вам нужно провести линию от центра растровой дуги; вы включаете соответствующий режим привязки, указываете точку на растровой линии, программа виртуально преобразует ее в векторную дугу и начинает рисовать линию от центра этой дуги. На словах все это выглядит довольно просто, но для обеспечения этой легкости используется сложный математический аппарат. Именно поэтому очень немногие программы обладают полным набором интеллектуальных возможностей. Использование возможностей гибридного редактирования для предварительной обработки растрового изображения значительно повышает эффективность векторизации.

Анализ стоимости различных методов внесения изменений

Когда векторизация производится сразу для всего изображения, то это создает необходимость распознавать все типы растровых объектов, что приводит к снижению качества результатов. Особенно, если изображение содержит сложные графические объекты: размеры, тексты, штриховки. В некоторых программах возможности интеллектуального растрового выбора дополняются средствами создания растровых слоев. Это позволяет не только легко выбрать растровые объекты, но и физически расслоить одно изображение на несколько более простых по структуре. Раздельная векторизация растровых слоев дает гораздо более правильные результаты.

Например, на один слой можно перенести тексты, на другой размеры, на третий рамку и штамп. На исходном изображении останется чертеж детали – отрезки, дуги, штриховки, но без текста, размерных, выносных линий и прочих элементов оформления. После этого можно векторизовать каждый слой с оптимальным для него набором параметров. Некоторые слои можно оставить в растровой форме. Например, для математического моделирования нужен только контур детали – только его и следует векторизовать.

Гибридная технология дает возможность использовать сканированные чертежи почти сразу, и вносить изменения с минимальными затратами времени. Повышение качества и исправление деформаций растра, интеллектуальный выбор, замена текстов, других деталей растрового чертежа на векторные объекты – это тот набор операций, который, в подавляющем большинстве случаев, решает главную практическую задачу – выпуск новой версии технической документации. Причем эти операции может произвести даже специалист не очень высокой квалификации, и последующая проверка его работы минимальна – ведь большая часть сканированного чертежа остается неизменной.

2.5.4.2 Коррекция результатов векторизации

Результаты векторизации могут быть откорректированы при помощи автоматической (объединение фрагментов, восстановление пересечений, удаление малоразмерных векторов, выравнивание линий и т. д.) и интерактивных (объединение указанных фрагментов) процедур.

2.5.5 Анализ эффективности внедрения новой технологии

Прибыль от внедрения электронной технологии работы с архивом, становится понятна, если произвести подсчет средств, сэкономленных как при модификации чертежей, так и за счет улучшения механизмов управления и получения информации.

Стоимость работ, связанных с изменением чертежей зависит от используемого решения. Три основных автоматизированных метода, включают: оцифровку (сколку), гибридную технологию, и полную автоматическую векторизацию. Ручное перечерчивание выступает как альтернатива этих методов.

Издержки включают стоимость, связанную с переводом документа в цифровую форму, к которым добавляются стоимости внесения каждого нового изменения. Следовательно, полная стоимость вычисляется как средства, затраченные на каждое обновление, умноженные на количество обновлений, плюс расходы на сканирование и векторизацию.

В статье, опубликованной в журнале Document Management, сравнивались затраты, необходимые для перерисовки и изменения сложного чертежа с использованием каждого из приведенных методов. В анализе учитывались затраты на внесение изменений в чертеж и затраты на перевод данных в цифровой формат, если он производился, а также последующую проверку, после автоматической векторизации.

В первом случае (ручная обработка) стоимость нескольких циклов внесения изменений будет пропорциональна количеству циклов. Во втором случае первоначально необходимо затратить много времени на перевод в векторный формат, но уже вторая модификация занимает гораздо меньше времени и дает выигрыш по сравнению с ручной обработкой.

Анализ стоимости разных методов внесения изменения

Гибридная технология растр + САПР, не требующая ни полной векторизации, ни процедуры проверки, дает самую большую непосредственную экономию денег, как при первой модификации, так и при следующих. Однако, чертежи, необходимые для математического инженерного моделирования в САПР, все-таки лучше всего обрабатывать с помощью автоматических векторизаторов, поскольку необходим чисто векторный, а не гибридный формат.

« Предыдущая Следующая »