Пример организации интерактивного компьютерного процесса художественной фигурной проектировки

При профессиональном труде квалифицированный оператор–дизайнер занимается не рисованием на дисплее, а созданием модели проекта, и также заданием формы отображения модели на дисплее и способа автоматического исполнения проекта. Команды работы с графической программой различаются на позывные, влекущие выполнение требуемой подпрограммы, и размерно–оперативные, посредством указателя и вводимых чисел задающие дополнения и изменения проекта. Геометрический материал программы различается на командный, существующий лишь в ходе задания команды, и вещественный, составляющий объекты проекта. Размерно–оперативные команды содержатся в виде готовых подпрограмм в главной программе и вызываются оператором последовательно. Вызов команд осуществляется графически и с клавиатуры. Объекты построений, будучи командными, они являются посредниками между «мирами» воображения оператора и работы машины. Будучи вещественными, они составляют часть проекта, подчиняясь командным объектам, и связывают проект с моделью в машинной памяти. Размерно–оперативными командами оператор действует на командный геометрический материал, формирующий вещественный. Этим он создаёт, уничтожает материал и превращает его из командного в вещественный и обратно. Немаловажным составным объектом многих графических САПР являются так называемые «слои» – множества объектов, обрабатываемые, отображемые и взаимодействующие с соседними «слоями» по единому правилу.

В машинной графике к творческой работе близки различного рода «притягивания» свойств «безвольных», метрически или структурно свободных или неясных элементарных свойств эскиза к состояниям модели, математически наипростейшим из возможных. При этом может использоваться, например, огрубление подаваемой с «мыши» координаты точки до ближайшего целого значения этой координаты – реперная сетка. Обычно построительная подпрограмма позволяет по желанию «отлавливать» оптимальную вновь создаваемую или изменяемую величину, и округлять её до ясного соотнесения с величинами другими. Например, новая точка в соответствии с режимом построительной подпрограммы ложится точно на место другой ближайшей точки, или на ближайшую точку другой линии, или в точку падения на линию перпендикуляра из предыдущей заданной точки, и т. п. Весьма действенен метод замены «мыши» клавиатурой – то есть клавишного выбора графических параметров совместно с «мышиным» заданием координаты. Такой «устаревший метод» продолжается многими программными средствами путём применения целиком текстовых графических алгоритмов, содержащих построительные команды – так называемого «scripting». Но можно и применять и менее очевидные методы:

– упорядочение ведомого алгоритма построения по ведущим простым алгоритмам, содержащимся в уме оператора–проектанта;

– разбитие плана действий на ускоряющие работу группы одинаковых действий над различными составляющими проекта – и наоборот, группы различных действий над одной и той же составляющей;

– установление упрощающих работу связей между отдельными элементарными частями, и между группами элементарных частей;

– ручное сочетание реперов на разных координатных осях;

– построение вспомогательной «реперной картинки», не имеющей построительного значения после её употребления;

– последовательное употребление различных «реперных картинок», их наложение друг на друга и вывод одной из другой;

– сочетание структурной неоднородности и размерной однородности, или наоборот

– связь алгебраических свойств функциями;

– указательно–зрительный перебор до оптимума набора параметров в допустимой окрестности неточно заданной величины;

– размножение одинаковых составляющих проекта с установлением различий между ними, и наоборот – приведение имеющихся различных частей проекта к единому состоянию.

Таким образом, можно в разы сократить работу по имеющемуся расплывчатому эскизу, автор которого не придаст значения отклонению от поспешных набросков на бумаге. Вообще, здесь затрагивается граница между творческим методом – улучшающим результат, и методической вольностью – за которую не похвалят. [38]

В ходе построений возможно выделить среди фигур вспомогательные, нужные только для построений, и окончательные, не изменяемые после создания. Проект разделяется на части, выполняемые по отдельности и соединяемые в окончательные фигуры. Как и в материальном производстве, возможно каскадное ведение работы индуктивно – соединяя мелкие части, или дедуктивно – усложняя или разбивая имеющиеся большие. Чаще получается, что малочисленным индуктивным частям метода подчиняются многочисленные дедуктивные части.

Среди текстово–графических команд можно выделить, во–первых, создание объектов по последовательно задаваемым командным точкам и в задаваемых отношениях с уже созданными объектами, и, во–вторых, изменение созданных частей проекта в задаваемых отношениях с другими частями и уничтожение ненужных или ошибочных частей. Также бывают команды управления проективными видами, запуска независимых от оператора инженерных расчётов и т. п. [13]

Важной характеристикой интерактивной работы является положение режима текущего взаимодействия человека-оператора с ЭВМ в методическом алгоритме самого человека. Это положение можно определить двумя независимыми «координатами»: объектной и процессной. Причём взаимодействие с ЭВМ сменяет чаще процессную координату, чем объектную. Поэтому можно выделить в процессе художественного проектирования и процессные разделы, образующие часть независимой от выбранного программного средства методики. Ввиду более частого перехода человека между единицами процессной классификации единицы эти немногочисленны и просто организованы. Существенная часть процессных команд отдаётся посредством появляющихся и убирающихся с дисплея «окон» подпрограмм. Однако эти «окошки» достаточно очевидно и единообразно устроены, и часто понятно надписаны. [30]

Указательные команды обычно используются сериями внутри элементарных подпрограмм. Они предназначены для принятия за текущий изменяемый объект какой–либо составляющей какой–либо модели. Этот выбор может тут же приниматься подпрограммой, или же оставаться на время следующих действий. Зрительно выбор осуществляется указанием «мышью» на одну ближайшую окрестность или площадь требуемого объекта, на несколько таковых, или же последовательным выбором нескольких требуемых имён в списке. Выбор отражается на дисплее отрисовкой выбранного объекта на том же месте, но в отличном от других объектов цвете, толщине, или же с миганием, или как–то ещё. Повторное указание на объект обычно снимает с него выбор. Указать можно и два объекта: начальный и конечный, если при перемещении указателя между ними держать «мышь» нажатой, а на конечном объекте отпустить её. Таким способом, в частности, упрощается до одного движения мышью исполнение элементарных подпрограмм «параллельный перенос», «вращение на угол», «свободный масштаб». Указуемыми и выбираемыми могут быть проекции объекта на проекционном виде. В таком случае в исполняемой построительной подпрограмме указанная точка или область модели принимается за один из параметров. Указываются мышью и составляющие интерфейса, а также поимённые отображения структурных единиц моделей. В случае текстового или числового поля мышью выбирается строка между конечной и начальной буквами, и её можно повторять в другие такие же поля командами «множить» и «внести»; эти команды представлены пунктами меню, выпадающего в месте нажатия правой клавиши «мыши». Такое «правое меню» называется контекстным; оно существенно облегчает задание команды применительно к любому выбранному объекту – потому что для каждого объекта в нём оказывается выбор многих применимых именно к этому объекту команд.

Позывными командами являются почти все вызовы подпрограмм по интерфейсному «ярлычку». Обычно с этих команд начинается работа «программного инструмента» – исполнение ЭВМ и оператором элементарного раздела зрительно–указательного методического алгоритма. Особо следует отметить типичные для «Windows» команды «отменить последнее воздействие» (клавиши Ctrl и Z), «абзац» (клавиша «Enter») «к следующему\\предыдущему элементу интерфейса» (клавиша Tab\\клавиши Shift и Tab), «закрыть исполнение программы» (диагональный крестик), «сохранить файл» (ярлычок–дискетка), «множить выбранное» (клавиши Ctrl и C), «вынести выбранное» (клавиши Ctrl и X), «внести после курсора» (клавиши Ctrl и V), «устранить выбранное» (клавиша Del), «справка» (группа меню «Help» или клавиша F–1). Названия перечисленных команд умышленно даны автором работы в собственном переводе, так как существующий официальный их перевод бездумен, малограмотен и отвратительно влияет на психику оператора. Так, оператор может вести перебор различных «ветвящихся» вариантов методического алгоритма – то есть, в каждом случае ошибки возвращать модели в предыдущее состояние, и снова вести алгоритмическую ветвь уже верным путём. Более того: записывая доведённую до различных этапов одну и ту же работу в отдельные проектные файлы, можно надстроить ещё один «страховочный каскад». Тогда можно позволить себе перебирать до успешности из одного и того же файла целые «гроздья» фрагментов работы «отменой». Нажатие клавиши «абзац» равнозначно завершению отдельно–оконного отрезка подпрограммы. Нажатие клавиши «пробел» при выбранной «кнопке или флажке» равнозначно указанию этого элемента. Выбранный геометрический объект на проективном виде можно «выносить на ум» из модели, а его бесчисленные копии – «вносить из ума» в неё. «Устранение» работает для самых различных выбранных составляющих модели. Общепризнанна бесценной – хотя она и бесплатна – команда «справка», вызывающая электронный справочник по каждой из элементарных подпрограмм. Подобные справочники–«help» чрезвычайно детальны, но не могут заменить полное методическое руководство или обще–компьютерную грамотность, так как исчерпывающий инструктаж обычно стоит отдельных денег. Однако в сочетании с инструктажем «help» позволяет сильно облегчить эксплуатацию любого программного средства. [30]

Геометро–построительные команды непосредственного изменения выбранного геометрического свойства модели выполняются в ходе исполнения ряда геометро–построительных подпрограмм указанием «мышью» очередной нужной составляющей (обычно точки или отрезка) модели. Геометро–построительные команды разнообразны, но для изобразительного воображения легки и единообразны. Важнейшими элементарными командами этой группы являются создающие, прибавительные, убавительные, изменяющие, сообщительные и устраняющие команды. Сущность этих команд интуитивно понятна из включающей их подпрограммы. Чрезвычайно удобно совмещение клавиатурного указания метрико–числовых или структурно–числовых параметров со зрительным указанием метрико–координатных или структурно–координатных параметров. Одновременное указание «мышью» на объект построительной команды при зажатии регистровых клавиш обычно даёт команду, отличную от даваемой только указанием «мышью» на тот же объект.

Отобразительными командами указательным путём осуществляется управление чертёжным и живописным проекционными видами. Для каждого режима отображения принят свой способ выбора отображаемой области моделей, состоящий в указании центральных или граничных координат и далее – любой из составляющих моделей по назначенному ей имени. Отобразительными также являются команды активации–деактивации отрисовки отдельных составляющих модели, синхронной с проектировочной работой. Наверное, самой впечатляющей командой программы трёхмерного проектирования является запуск для созданного проекта автоматической фотореалистичной прорисовки, выполняющейся, в отличие от прочих, от нескольких секунд до нескольких суток. Команда эта связана со сложнейшими подпрограммами расчёта оптических явлений в проекте – так называемым «рендерингом» – и приводит к созданию изображения, ещё более естественного, чем изображения в проекционных видах и часто неотличимого от фотографии материального мира. Некоторые программы предоставляют помимо возможности построения твёрдых статических объектов и фотореалистичных их изображений также построение мультипликационных рядов с перемещением, деформацией, превращениями, разъединением и соединением объектов. На основе самых зрительно броских работ с ПЭВМ сформировались и развиваются целые течения современного маргинального искусства – трёхмерные машинные живопись и мультипликация. [13]

Многое изложенное для технологически независимых САПР справедливо и для АСТПП, продолжающих вывод цифрового проекта на управляющую электронику ЧПУ-оборудования. Главное назначение АСТПП – по технологически независимой модели в соответствии с технологическими указаниями оператора ЧПУ записать технологически корректную и совместимую с конкретным оборудованием управляющую программу. Иными словами, АСТПП – программа, пишущая технологически–зависимый управляющий код в соответствии с технологически независимой программой. АСТПП обычно обладают минимумом творческой гибкости и конструкторской свободы, но компенсируют это однозначностью работы с моделью реальной производственной системы. На рис. 3.2.2 приведен вид экрана работы с типичной машиностроительной АСТПП. [30]

Рисунок 3.2.16. Экран работы с АСТПП-модулем программного комплекса «SolidWorks»

В данной работе в качестве примера художественно–технологического проекта рассмотрен проект архитектурного украшения–розетты умеренно трудной формы: она и не примитивно однородна, но и не изобилует сложными органико–природными особенностями (рис. 3.2.3).

Рисунок 3.2.17. Проект архитектурно–декоративного изделия в порядке организации

Такая декоративно–растительная форма прекрасно передаётся негибридным с прямой оцифровкой, «чистым» методом пересечения и касания плавных математических поверхностей. Этот метод давно приспособлен к художественному конструированию. Результат проведённой работы по интерпретации гипсового прототипа приведён в приложении 1.

Один из известнейших готовых программных продуктов, реализующий творческую среду посредством этого метода – универсальное двумерно–трёхмерное программное средство «Rhinoceros NURBS 3D» разработки американского товарищества Роберта МакНила. Сообщество цифровых моделлеров дало ему краткое название «Rhino». Типичный вид интерфейсного экрана «Rhino» дан в приложении 5.

«Rhino» – система геометрографического, алгоритмического, числового и расчетного моделирования. Процесс работы с ней – трудное ремесло, постигаемое новичком после краткого инструктажа за долгие годы выполнения учебных или прикладных задач. Работа с «Рино» состоит в алгоритмически продуманном описании уже известной оператору формы с помощью сочетания в пространстве взаимосвязанных геометрографических законов. В настоящее время наиболее совершенными в «Rhino» являются методы построения не параметрических фигур. Однако непрерывно развиваются – от версии к версии – и методы анимационно–параметрических работ. Необходимый для этого переход от двумерных и трехмерных фигур к многомерным, труднопредставимым в зрительном воображении, по сравнению с построением статических фигур может считаться вершиной компьютерного моделинга.

Самое пугающее квалификационное знание начинающего "Rhino"–работника состоит в осознании косвенности связи его действий с развивающемся на дисплее объектом. Косвенность эта такова, что действия оператора передаются вовсе не хранящему фигуры дисплею. Всё эти действия вначале изменяют состояние и содержание программно–аппаратной среды, а уже сама эта среда отражает их промежуточный результат на дисплее. Действительно, иллюзия «рисования» в какой–то мере соблюдена – но лишь для наглядности, а не как принципиальное решение.

Работа с «Rhino», как со множеством других САПР, сильно напоминает осознанное сновидение, галлюцинацию. Зрение работающего оператора полностью сливается с дисплеем, руки вливаются внутрь искусственной жизни, алгоритмо–числовой фантазии. Фантазия эта имеет отчасти постоянное, а отчасти и переменное устройство. Постоянная часть её состоит из:

– «непечатных полей» экрана с картинками – символами построительных программ, нажатие указателя на которые считается командой,

– точки–указателя, движимой «мышью» или «цифровым пером»,

– области текстовой консоли, принимающей алфавитно-цифровые команды оператора и показывающей усвоение их программой,

– рабочего пространства, размеченного системой координат,

– нескольких проекционных видов на это пространство,

– реперной «миллиметровки», ведущей указатель по координатам и

– набора «прицельных правил», помещающих указатель точно на особые части фигур и построений проекта.

Команды работы с программой различаются на:

– позывные различных построительных подпрограмм и

– указательные, задающие подпрограмме свойства проекта.

Подпрограммы вызываются оператором в определённом им самим и проектировочной программой порядке. Среди них можно выделить:

– создание объектов по последовательно задаваемым точкам и в задаваемых отношениях с уже созданными объектами,

– изменение созданных частей проекта в задаваемых отношениях с другими частями,

– уничтожение ненужных или ошибочных частей,

– управления проекционными видами,

– запуска независимых от оператора инженерных расчётов и т. д.

Машине удаётся мгновенно отображать на дисплее любые изменения задаваемых фигур в любых проекциях. Проектное пространство дискретно, но шаг его различимых точек намного меньше шага реперной сетки. Поэтому можно считать фигуры проекта подвижными, а пространство – одновременно и непрерывным, и содержащим лишь точные координаты. Ориентирование в проектном пространстве, наблюдаемым через различные проекционные виды, осуществляется масштабно–координатным способом. Обычно работа ведётся попеременно на разных видах.

Проект создаётся из вымышленного «математического материала», возникающего, перемещающегося и исчезающего по командам оператора, и состоящего из математических точек. Материал этот различается на:

– командный, существующий и составляющий фигуры лишь в ходе работы построительной подпрограммы, и

– обычный, составляющий построенные фигуры проекта.

Командные фигуры связывают «миры» воображения оператора и машинной материи, существуют недолго и изменяются быстро. Обычные фигуры изменяются меньше и существуют дольше или застывают готовыми. Фигуры общего, свободного вида задаются лишь растровым или многогранным способом. Плавные же задаются упорядоченным множеством точек, через которые они проводятся по сплайновому математическому закону. Сложные фигуры смешанного строения могут быть составлены из простых «лоскутов» непременно клетчато-тканого устройства (это – фундамент глубинных программных кодов «Рино»), соединённых линиями, в которых они пересекаются друг с другом или касаются друг друга плавно или не плавно.

Технологическое мастерство здесь – не только в искусной прокладке этих лоскутов по ведущим линиям и другим лоскутам, но и в бережном отношении к математическому аппарату хранения и обработки ваших фигур компьютером. То есть, посторонние люди не увидят вашего старания в продукте – зато коды «Rhinoceros» будут тогда «послушнее» и предсказуемее в сложной работе.

Особенность «Rhino» – разноуровневая организация представления модели. Сплайновый уровень, доступный оператору, представлен:

математически плавными поверхностями – соединёнными с собой и другими или свободными по контуру – частично-смешанно или полностью;

линиями в общем пространстве или пространстве поверхности,

двумя накрест проложенными слитными потоками линий поверхности, и крайними линиями поверхности – сложенными ими же, или иными линиями,

ведущими, собственными и оконечными точками плавных линий, и

свободными точками. Этот же уровень применён и для хранения модели в энергонезависимой памяти магнитных дисков и флеш-микросхем. Гранный же уровень для оператора доступен лишь через сплайновый уровень: к плавно–заострённостной сплайновой модели компьютер автоматически хордовым путём приближает гранную модель. Гранная модель хранит границы плавности лишь в форме логических отношений соседних граней. Точность приближения гранной модели к плавной задаётся числовыми параметрами. Эта «приблизительная разгранка» применяется для тонировочной имитации материального воплощения модели, но чаще – для получения по модели прототипа послойным ращением. Прототипные аппараты совершенно безразличны к любым поверхностям в принципе, так как их исполняемый объект – примитивная прямоугольная матрица миллиардов и более одинаковых независимых кубических вокселей, слагающих также независимые слои.

Однако, в производственное оборудование режущего действия «Rhino»-модели желательно вводить на сплайновом уровне с помощью сторонних АСТПП наподобие «PowerMill» – дорогостоящего титанического и сложнейшего в изучении труда программистов английской фирмы «DelCAM». Этот метод позволяет при чистовой обработке направить рабочий орган автоматической механики точно вдоль и в упор поверхности модели в каждой точке этой модели. Это особенно важно для полировки. В примитивном же случае – при использовании «разграночного» уровня и исполнения фигуры по равноотстоящим секущим профилям – отработка станком граничных линий и крутых изгибов модели может оказаться сильно затратной и медленной, либо весьма грубой и неадекватной потенциальному совершенству фигуры. [32]