《計算機圖形學基礎與CAD開發(fā)》課件-第1章 緒論

計算機圖形學基礎與CAD開發(fā)學時：24+16上機時間：

（1）2015.4.4（周五）14：00-18：00

205、207機房

（2）2015.4.17（周五）18：00-22：00

208機房（3）2015.4.24（周五）18：00-22：00

205機房（4）2015.5.15（周五）18：00-22：00

205機房

（5）2015.6.27（周六）14：00-18：00

207機房本課程的教學目標？為什么要學習該課程？如何學習該課程？課程概述

本課程的教學目標本課程使學生了解計算機圖形學系統(tǒng)的組成和軟硬件技術，了解計算機圖形學的發(fā)展、應用及當前的研究熱點；掌握計算機處理二、三維圖形的基本理論與算法；培養(yǎng)學生計算機繪圖的操作實踐能力、計算機圖形處理及軟件的二次開發(fā)能力，為今后從事計算機輔助設計、計算機圖形處理等方面的工作奠定必要的基礎。課程完成后，學生將具備以下知識和能力：1.掌握二、三維圖形的計算機生成和處理的基本理論與知識；

2.

熟悉和掌握具備二、三繪圖軟件的二次開發(fā)能力；3.了解計算機圖形學的發(fā)展和應用，具有不斷學習新技術、新方法的意識。學習目錄緒論—計算機圖形學與CAD的發(fā)展、組成、研究內容以及相關技術圖形輸入、輸出設備—重點光柵顯示器組成與工作原理二維圖形生成與圖形處理—重點直線生成算法、二維圖形基本變換、裁剪算法、填充算法等AutoCAD的參數化繪圖技術—

AutoLISP參數化繪圖技術、AutoLISP參數化繪圖應用學習目錄AutoCAD圖形庫管理系統(tǒng)設計與開發(fā)—圖形庫管理系統(tǒng)的組成、AutoCAD交互工作界面、對話框設計與驅動、AutoCAD圖形數據庫開發(fā)自由曲線與曲面—概述、三次參數樣條曲線、Bézier曲線、B樣條曲線、自由曲線曲面在AutoCAD的應用三維形體建模與圖形處理—重點三維形體建?；A、三維圖形基本變換三維CAD軟件的二次開發(fā)技術—Pro/TOOLKIT開發(fā)技術、Pro/E交互界面設計本課程的教學目標？為什么要學習該課程？如何學習該課程？課程概述為什么要學習該課程？設計制造數字化、智能化是產品設計發(fā)展的大趨勢。

其理論基礎就是傳統(tǒng)圖學、計算機圖形學、應用數學、計算機科學、網絡技術、通信技術。CAD是當前產品設計的主要技術和手段

計算機輔助繪圖、計算機輔助設計、計算機輔助管理在當前機械專業(yè)課程設置中，本科階段少數幾門相關CAD的課程。本課程的教學目標？為什么要學習該課程？如何學習該課程？課程概述

如何學習該課程？

課堂教學課后作業(yè)和上機實踐平時關注計算機圖形學及CAD的發(fā)展。

課程考核方式：

平時成績（60分）評價環(huán)節(jié)考核/評價細則課堂情況（10分）主要考核學生的紀律、學習態(tài)度等。平時作業(yè)（25分）主要考核學生對每堂課知識點的理解和掌握程度，計算全部作業(yè)的平均成績再按25%計入總成績。上機實踐（25分）主要考核學生對CAD二次開發(fā)內容的掌握程度，以及學生的動手實踐能力、知識的應用能力。期末大作業(yè)成績（40分）課程大作業(yè)（40分）綜合考核學生對計算機圖形學基礎理論知識以及CAD軟件二次開發(fā)的綜合掌握程度。學生根據任課教師提出的題目要求編寫課程學習大作業(yè)，最后評定課程大作業(yè)成績。教材：高等學校十三五規(guī)劃教材《計算機圖形學基礎與CAD開發(fā)》,杜淑幸主編，西安電子科技大學出版社，2018年9月。第1章緒論1.1計算機圖形學與CAD的發(fā)展1.2計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的組成1.3計算機圖形學與CAD的研究內容1.4其他相關技術

1.1.1計算機圖形學與CAD的發(fā)展平臺式繪圖機1950年1952年1959年顯示器數控銑床滾筒式繪圖機ComputerGraphics硬件設備（光柵掃描顯示器、數字化儀、繪圖機)圖形理論和軟件系統(tǒng)(曲線曲面、真實感生成等）1962年1970～198080年代后AutoCAD、PD、I-DEASPro/E

90年代博士論文：一個人機通信的圖學系統(tǒng)被動式交互式(CAD）20世紀90年代計算機圖形學的研究和發(fā)展主要特點:①圖形、圖像的研究日益結合。許多商品化的圖形處理系統(tǒng)同時具有圖形、圖像處理功能，這樣的系統(tǒng)適應性、實用性更強。(AutoCAD、SolidEdge、Richno）②特征造型理論和技術得到較快的發(fā)展，CAD/CAM系統(tǒng)的集成化程度提高。（PRO/E、I-DEAS、UG、CATIA)；

③動畫技術和自然景物模擬技術的研究更深入，動畫軟件走俏。(3DSMAX、Flash)景物模擬—分形法自然景物模擬—粒子系統(tǒng)

④可視化技術、虛擬現實技術（環(huán)境模擬）的研究與應用更加廣泛。

可視化（Visualization）：是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。比如：

科學計算可視化（溫度場、應力應變可視化）；海量數據可視化（將借助航天航空、遙感、加速器、CT（計算機斷層掃描）、MRI（核磁共振）、計算機模擬（如核爆炸）等手段獲取的數據可視化。

虛擬現實技術：以圖形、圖像的可視化技術為依托的一門技術。如虛擬裝配與檢測；虛擬城市規(guī)劃；軍事的虛擬訓練；虛擬手術；虛擬設計等

全球溫度分布圖核醫(yī)學成像合成的螺旋星云可見光數據可視化虛擬現實技術數字化設計制造階段---

數字化設計制造就是在交叉、融和、應用計算機圖形學理論、計算機技術、網絡技術與管理科學的基礎上，實現制造企業(yè)、制造系統(tǒng)的全面數字化，其內涵包括三個層面：以設計為中心的數字化制造技術、以控制為中心的數字化制造技術、以管理為中心的數字化制造技術。

數字化設計制造是未來產品設計制造的必然趨勢。復雜度越高的產品，使用數字化設計制造的意義愈加重大，但是實現設計制造全數字化、建立數字化企業(yè)是一個相當復雜的系統(tǒng)工程。

1.1.1計算機圖形學的發(fā)展智能化設計與制造階段---

智能化設計與制造是由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，在設計制造過程中能開展分析、推理、判斷、構思和決策一系列智能活動。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在設計制造過程中的腦力勞動，使得設計制造擴展到柔性化、智能化和高度集成化。

比如專家系統(tǒng)技術可以用于工程設計、工藝設計、生產調度、故障診斷等。也可以將神經網絡和模糊控制技術等先進的計算機智能方法應用于產品配方、生產調度等，實現制造過程智能化。

人工智能技術尤其適合于解決特別復雜和不確定的問題。但是要實現設計與制造全過程的智能化，是一件非常復雜艱難的工程，還需要很長的路去探索。

1.1.1計算機圖形學的發(fā)展初始階段（20世紀50年代）研制實驗階段（20世紀60年代）技術商品化階段（20世紀70年代）高速發(fā)展階段（20世紀80年代）全面普及階段（20世紀90年代）數字化設計制造（21世紀）智能化設計與制造（21世紀）

1.1.1計算機圖形學與CAD的發(fā)展第1章緒論1.1計算機圖形學與CAD的發(fā)展1.2計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的組成1.3計算機圖形學與CAD的研究內容1.4其他相關技術1.2計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的組成

計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的功能

計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的配置1.2.1計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的功能

計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的功能

.輸入功能

計算功能

存儲功能

交互功能

輸出功能

通信功能

1.輸入功能

通過鍵盤、鼠標掃描儀、圖形輸入板等輸入設備能將圖形的形狀、尺寸以及必要的參數等送給計算機進行處理。

2.計算功能除了數值計算外，還包括圖形設計與分析的程序庫以及描述圖形的圖形數據庫。在圖形數據庫中，應有坐標的幾何變換、曲線曲面的形成、圖形的交點計算等功能。

3.存儲功能在計算機的內、外存儲器中能存放圖形數據及其相互關系，便于有關信息的檢索以及圖形的變更、增加、刪除等處理。

4.交互功能設計人員能通過顯示器觀看設計的結果和圖形，對不滿意的地方，能用圖形輸入設備以人機對話方式進行修改。

5.輸出功能用于記錄和保存設計結果，包括源程序、計算結果、設計圖形等。根據需要，可以通過打印機、繪圖機等輸出結果，便于永久性保存；也可以通過磁盤、光盤等以文件形式輸出，這種輸出靈活性大，使用較廣。

6.通信功能

信息共享，實現設計制造的網絡化、智能化

計算機圖形學與CAD系統(tǒng)

硬件配置

軟件配置

1.2.2計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的配置計算機圖形學與CAD系統(tǒng)硬件配置外存儲器主機圖形輸出設備圖形輸入設備網絡通信設備

1.主機主要由CPU（中央處理器）和主存儲器組成。

CPU控制器運算器負責對指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個操作的控制信號負責執(zhí)行定點或浮點算術運算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址運算和轉換

1.主機主要由CPU（中央處理器）和主存儲器組成。

現代計算機為了提高性能，又兼顧造價，采用多級存儲體系，即包括存儲容量小、存取速度高的高速緩沖存儲器以及存儲容量和存取速度適中的主存儲器。主存儲器容量的大小對運算速度有一定的影響。

繪圖系統(tǒng)中的主機有大型機、中型機、小型機以及微型機。

目前微型機在運行速度、計算精度、存儲容量等方面都能滿足計算機圖形學與CAD需求，價格便宜。目前微型機有32位和64位機操作系統(tǒng)兩種。32位可以尋址2的32次方個字節(jié)的內存范圍，64位則可尋址2的64次方個字節(jié)的內存范圍。

2.圖形輸入、輸出設備圖形輸入設備：鍵盤、鼠標器、數字化儀、圖形輸入板等。圖形輸出設備：顯示器、打印機、繪圖機等。

3.外存儲器外存儲器用來存儲暫時不用或等待調用的程序、數據等信息，包括硬磁盤存儲器（簡稱硬盤）、光盤存儲器、U盤等。外存儲器通常容量大，但相比主存儲器（內存），其存取速度慢。U盤是使用USB接口的無需物理驅動器的微型高容量移動存儲產品，即插即用，也被稱為“閃盤”。USB2.0情況下，正常的U盤寫速度在5M-10M之間，讀速度在15M-30M左右。部分高級U盤能達到寫入20M，讀取30M的速度。4.網絡通信設備返回配置網絡通信設備網絡適配器網絡收發(fā)器網絡接口卡（網卡),將計算機連到其他網絡設備上，網絡適配器中一般只實現網絡物理層和數據連路層的功能網絡媒體轉換中斷器路由器網關是網絡適配器和傳輸媒體的接口設備，提供信號電平轉換和信號的隔離是網絡中不同傳輸媒體間的轉換設備，如雙絞線和光纖等延伸傳輸媒體的距離，利用中斷器可以連接不同的以太網網段以構成一個以太網是工作在網絡層的多個網絡間的互連設備，它可在網絡間提供路徑選擇的功能是多個網絡間互連設備的統(tǒng)稱，一般指在運輸層以上實現多個網絡互連的設備計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的軟件配置1.系統(tǒng)軟件（一級軟件）。它包括：

各種操作系統(tǒng)（如DOS、UNIX、Windows98、Windows2000系列、WindowsXP、WindowsNT等）；窗口系統(tǒng)（也稱第二操作系統(tǒng)，是由窗口、菜單、按鈕、圖標等圖形對象組成的圖形用戶界面(GUI)）

各種高級語言系統(tǒng)（如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C、JAVA、Lisp(AutoLisp、VisualLisp)、Delphi、Powerbuilder等）；

數據庫管理系統(tǒng)（如FoxBASE、PARADOX、FoxPro、Oracle等）；

網絡系統(tǒng)（如Novell、WindowsNTServer等）。

2.支撐軟件支撐軟件也稱為二級軟件，它是軟件公司、高級軟件技術人員利用一級軟件開發(fā)出來的，如繪圖軟件、動畫軟件、幾何造型系統(tǒng)、有限元分析軟件、熱分析軟件、各種軟件平臺等。

3.應用軟件應用軟件也稱為三級軟件，它是專業(yè)技術人員或軟件公司利用一級、二級軟件開發(fā)出來的各類應用軟件，如汽車CAD軟件、各類模具CAD軟件、建筑CAD軟件、服裝CAD軟件及課程CAI軟件等。返回配置第1章緒論1.1計算機圖形學與CAD的發(fā)展1.2計算機圖形學與CAD系統(tǒng)的組成1.3計算機圖形學與CAD的研究內容1.4其他相關技術

（1）硬件配置：各類硬件的結構、工作原理及性能。

（光柵掃描顯示器、液晶顯示器、繪圖機）

（2）CAD/CAM軟件的設計與應用、軟件的二次開發(fā)技術、圖形軟件的標準化。（AutoCAD參數化設計與應用、AutoCAD與PRO/E二次開發(fā)技術）（3）計算機圖形學理論和算法。主要內容有:

1.3計算機圖形學與CAD的研究內容

①基于圖形設備的基本圖形元素的生成算法，如直線、字符、圓弧二次曲線、圖案填充等。②圖形變換，即對二維、三維圖形進行比例、平移、旋轉、錯切、反射變換和對物體進行投影變換。

③圖形裁剪與填充，包括二維開窗裁剪填充、三維裁剪。④自由曲線和曲面的插值、逼近、拼接、分解、過渡、光順、整體和局部修改等。（Bezier、B-spline曲線與曲面）

⑤三維圖形中隱藏線、隱藏面的消除。

⑥二維面素拼合構圖（解決二維圖形的并、交、差運算）、三維實體造型（研究體素的形成，體素間的并、交、差運算局部造型等）、特征造型。⑦真實感圖形（即逼真圖像）的生成。⑧自然景物（如山、花、草、樹、水、火、煙、云、霧等）的模擬生成和虛擬現實環(huán)境的生成算法研究。⑨科學計算可視化的研究（如溫度、壓力、電荷等標量場的可視表示和應力場、電場、磁場等矢量場的可視表示）。⑩實時動畫與多媒體技術，研究實現高速動畫的各種硬軟件實現技術，如開發(fā)工具、動畫語言及多媒體技術等

（4）自由曲線、曲面的造型技術

包括自由曲線與曲面的定義、擬合、拼接、分解、光順、修改、反算等技術。（5）圖形數據結構及數