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1、计算机辅助绘图本讲稿第一页，共三十二页课程教学设计教学目的及要求：u了解计算机图形学理论，与计算机绘图的实践结合，通过学习,在计算机理论与交互式图形软件设计之间架起一座桥梁，使学习者通过掌握理论,可以自如使用某种实用绘图软件实现领域内专业知识的计算机图形表达。教学安排：u课堂讲授16学时；上机16学时；共计32学时考试形式：开卷考核方式：u考试70%，上机20%，平时成绩出勤10%本讲稿第二页，共三十二页课程教学设计教材：杜忠友.计算机辅助设计与绘图技术AutoCAD教程.中国铁道出版社,2006年8月参考资料（含参考书、文献等）：1.和青芳.计算机图形学原理及算法教程清华大学出版社，2002
2、.2.朱方生.计算机图形学.武汉大学出版社.2005.83.刘衍聪.CAD技术基础。石油大学出版社。20054.中文AutoCAD2005经典实例百分百，西北工业大学出版社。20045.刘子建.现代CAD基础与应用技术，湖南大学出版社。6汪勇等.AutoCAD辅助工程绘图.西南交通大学出版社.20037.丁绪东.张桂青.AutoCAD2004实用教程本讲稿第三页，共三十二页绪论：CAD概念一）CAD概念计算机图形：用计算机生成、处理和显示图形的学科；由几何数据和几何模型，利用计算机进行显示并存储，并可以进行修改、完善以及有关操作的过程；图象处理：将客观世界中原来存在的物体影象处理成新的数字化图
3、象的相关技术；如CT扫描、X射线探伤等；模式识别：对所输入的图象进行分析和识别，找出其中蕴涵的内在联系或抽象模型；如邮政分检设备、地形地貌识别等；计算几何：研究几何模型和数据处理的学科，讨论几何形体的计算机表示、分析和综合，研究如何方便灵活、有效地建立几何形体的数学模型以及在计算机中更好地存贮和管理这些模型数据；本讲稿第四页，共三十二页计算机图形学课程内容图形学发展历史，研究内容，应用，图形软件标准化计算机绘图的硬件系统：显示处理器，显示器，绘图机，打印机基本图形元素的生成算法：生成直线的DDA算法生成直线的Bresenham算法绘圆弧的正负法本讲稿第五页，共三十二页二维图形的生成字符屏幕与图
4、形屏幕C语言图形函数：颜色控制，线型、绘图函数，屏幕、视区及图形管理二维图形裁剪：区域填充：多边形填充、种子填充、填充函数图形模式下的文本：u图形模式下字体的装入、文本设置、文本的调准，屏幕上输出文本，汉字文本的输出方法本讲稿第六页，共三十二页二维图形变换二维图形的矩阵方法：u矩阵和齐次坐标、平移，旋转比例，对称，错切，复合简单的动画程序设计u动画的种类和条件，移位动画，多重屏幕页本讲稿第七页，共三十二页图形交互技术常用函数：u坐标与字符串输出uDOS，BIOS中断调用接口窗口技术：窗口编制光标定位技术：u光标设置，移动，读取，步距，菜单技术：菜单选项的方法，编制鼠标使用本讲稿第八页，共三十二
5、页图形数据结构与三维形体构成平面图形数据结构三维形体数据结构三维形体构成三维形体的变换本讲稿第九页，共三十二页概念理解：图形，图像，人类视觉与机器感知；u图形，对象(客观实体，抽象概念）u图形模型图形显示u计算机图像处理改造、改进技术、分析uCAD资料整理分析、工程计算、结构模型分析、设计优化、经费预决算、绘制图形计算系统图形系统数据库思考题：给出几个自己了解的计算机绘图应用实例；了解AutoCAD；本讲稿第十页，共三十二页计算机图形的发展历史图形硬件设备：u计算机图形学起源于麻省理工学院50、60年代伺服机构实验室u1952年世界上第一台数控铣床的原型。1957年美国空军将第一批三坐标数控铣
6、床装备了飞机工厂。大型精密数控绘图机也同时诞生。APT数控加工自动编程语言1964年孔斯曲面成就现代计算机辅助几何设计技术u光笔交互式图形显示器1962年刷新式随机扫描图形终端IBM2250显示器1964年硬件输入设备u向量型图形输入设备有数字化板、鼠标器、光笔等u光栅扫描型图形输入设备有扫描仪和摄象机。常用的图形输出设备u向量型绘图机u光栅扫描型点阵式打印机、热敏印刷机、静电印刷机、喷墨印刷机以及激光打印机等等。本讲稿第十一页，共三十二页图形软件的发展系统软件或标准uGKS核心系统二维图形标准uANSGKS系统1983uCORE系统3DCORE图形软件标准图形软件层次结构u零级图形软件设备驱
7、动程序输入、输出面向系统u一级图形软件生成基本图形元素、设备管理u二级图形软件建立图形结构定义、修改、输出图形u三级图形软件解决某类应用问题本讲稿第十二页，共三十二页图形软件的发展基本（支撑）图形软件、应用图形软件u基本图形软件内容：系统管理、定义输出基本图素及复合图素图形、图形变换(几何变换、开窗、裁剪)、实时输入处理、交互处理u应用图形软件:VisualFoxPro,WinZip，Winrar，Word，Excel，FrontPage，HTML，PowerPoint，AutocAD，3dsmax，PhotoShop，3dsVIZ，SolidWorks，SolidEdge,CAXA，Inve
8、ntor,UGNX,ProtelDxp,Catia,Cordraw,等。图形系统的功能u计算、存储、对话、输入、输出常用的绘图工具软件u基于微机AutoCAD、CADKEY、SolidWorksu基于工作站UG、Pro/Engineering、I-DEAS本讲稿第十三页，共三十二页计算机软件绘图分类按系统的工作方式及功能检索式、自动、交互按基本的处理技术：一类是线条，如工程图、地图、曲线图表等；另一类是明暗图，与照片相似。为了生成图形，首先要有原始数据或数学模型，如工程人员构思的草图，地形航测的判读数据，飞机的总体方案模型，企业经营的月统计资料等等。这些数字化的输入经过计算机处理后变成图形输出
9、。本讲稿第十四页，共三十二页应用领域计算机辅助设计与制造（计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）u科学技术及事务管理科学技术及事务管理u地形地貌和自然资源图绘制地形地貌和自然资源图绘制u系统模拟计算机动画计算机动画u艺术商业艺术商业u作战指挥军事训练作战指挥军事训练u人体模型人体模型本讲稿第十五页，共三十二页CAD基础技术1计算机硬件和软件技术。例如：CPU，windows等。2图形技术。例如：图形学算法、图形软件等。3工程分析技术。例如：有限元分析、仿真、优化设计方法以及各行业的工程分析(如运动部件受力分析、暖通能耗分析、电力工程分析等)。4软件设计技术。5文字处理技术。6工程管理技术。7智
10、能技术。例如专家系统、知识工程和人工智能。8数据库技术。9多媒体技术。10网络技术。本讲稿第十六页，共三十二页CAD基本内容1建立模型。几何模型、数学模型、物理模型等。2计算分析。对模型进行静态和动态的强度、磨损、耗能、振动和热变形等方面的分析。3仿真。利用计算机构造与实际产品和系统相同的模型进行仿真，例如：汽车的运动模拟、连杆机构的干涉检查、桥梁的结构强度力学分析、暖通系统的能耗仿真分析等，从而发现工程中存在的问题，修正原始设计，缩短开发时间，降低设计成本，提高设计成功率。4绘图。形成图纸和技术文件。5数据处理和存储本讲稿第十七页，共三十二页CAD系统构成（硬件、软件）硬件系统包括运算器、控
11、制器、存储器、输入设备和输出设备软件系统包括系统软件和应用软件。u系统软件:DOS，windows，UNIX,Linux等。u应用软件:VisualFoxPro，WinZip，Winrar，Word，Excel，FrontPage，HTML，PowerPoint，AutocAD，3dsmax，PhotoShop，3dsVIZ，SolidWorks，SolidEdge,CAXA,Inventor，UGNX，ProtelDxp，Catia，Cordraw等。本讲稿第十八页，共三十二页几何造型技术几何模型u是用数据结构以计算机能够理解和处理的形式，对物体的几何形状和属性(如颜色、纹理等)进行准确定义
12、形成的模型，是应用很广泛的一类模型。几何造型技术u定义、描述、生成几何模型并进行编辑修改的技术。uAutoCAD就是应用几何造型技术进行几何造型的软件系统。几何造型基本概念u点、边、面、环、体、体素、边界、几何信息、拓扑信息等。u几何信息是描述点、边、面、环、休、体素、边界的几何性质和度量关系的数据。u拓扑信息是描述上述元素连接关系的数据。u一个形体用点、边、面来定义，所以形体表面必须封闭、有向、非自交、有界并连接，这也是几何造型的要求。同时，形体还应该满足刚性要求、三维一致性、有限的描述表示和边界确定等要求。刚性要求是指形体的形状与形体的位置和方向无关；三维一致性是指形体没有悬面和孤立的边界
13、(悬边)。几何造型的3种模型u常用的是线框模型(wireframeModel)、表面模型SurfaceModel和实体模型(Solidmodel)。本讲稿第十九页，共三十二页实体造型技术及表示特征表示法：是用一组特征参数来定义一组类似的实体边界表示法:是一种把三维实体用其表面的边界（顶点、边和平面）来表示的方法延伸表示法（Sweep）:是将一个截面沿一个轨道扫过空间而形成实体的操作构造实体几何表示法（结构体素CSG树）:用基本几何造型体如立方体、球、圆柱等通过布尔运算来构造一个实体。空间分割表示法:是将实体分解成一组相邻的、互不相交的基本实体来表示。空间分割的方法有单元表示法、空间位置枚举法、
14、八叉树法等本讲稿第二十页，共三十二页基本图形生成技术（一）扫描转换概念：将顶点参数表示的图形转换为像素(点阵)表示的图形称为光栅图形的扫描转换。基本图形的光栅扫描转换也称为图元生成。图元的扫描转换分为确定与图元相关的像素集合和用颜色及其他属性对这些属性进行写操作两个步骤。（二）扫描转换直线：是计算出落在直线上或与它临近的一组像素，以一定的颜色用这组像素近似替代连续的没有宽度的笔直直线，并在屏幕上显示的过程。扫描转换直线有数值微分DDA，中点算法方法（三）扫描转换弧：中点算法，多边形迫近法，正负法椭圆弧生成的中点算法等（四）图元属性控制：线宽控制、线型控制本讲稿第二十一页，共三十二页基本图形生成
15、技术（五）填充：分为确定填充像素及颜色两个步骤。包括内容有矩形、多边形、图案填充（六）字符表示和输出：ASCII码及GB2312-80通信用汉字字符集及其交换码标准字符的图形有点阵字符和轮廓字形两种表示方法。（七）二维裁剪：把整个图形中的所需要的一部分放到屏幕显示区内舍弃图形的其他部分的过程为裁剪（clip）。图形在屏幕上显示的区域称做窗口，一般为矩形。裁剪算法的关键是确定图形中哪些点、线、多边线位于窗口之中或之外。直线裁剪有编码、中点分割算法、参数化算法，字符裁剪分为基于字符串、基于字符、基于构成字符的最小元素三种方法。直线与裁剪窗口的位置关系如下图：（八）三维裁剪经过投影后形成二维图形进行
16、裁剪本讲稿第二十二页，共三十二页反走样技术Aliasing/Antialiasing锯齿失真u在光栅图形中用离散量来显示连续量所带来的这种失真现象，称为走样(Aliasing)。用于消除或减轻这种失真的技术，称为反走样技术(Antialiasing)。反走样技术有两种，一种是提高显示器分辨率，二是使用不同的灰度来显示边缘的像素。后者双分为不加权的区域取样和加权的区域取样。（一）不加权区域取样步骤p1)将直线看成是具有定宽度的狭长的矩形。p2)直线与像素相交时，求出相交区域的面积3)根据此面积确定该像素的亮度。不足：覆盖面积与理想直线的距离不管有多大，取得的灰度值都相同本讲稿第二十三页，共三十二
17、页（二）加权区域取样灰度值和覆盖面积，理想直线间的距离有关加权的区域取样本讲稿第二十四页，共三十二页图形变换技术和三维投影图形变换基本原理：通过图形变换可实现大小、位置、方向等的变化，可实现投影透视，甚至可生成复杂的图形。齐次坐标表示法：n维微量的变换是在n+1维的空间是进行，变换后n维结果返回到特定的n维空间图形基本变换：比例、对称、旋转、平移、错切本讲稿第二十五页，共三十二页图形变换技术和三维投影本讲稿第二十六页，共三十二页三维投影：目的u为了将三维图形表示在二维平面上，需要投影变换。u投影变换有平行投影和透视投影。灭点灭点：对于三维空间中任意一组平行线来说，如果它们平行于投影平面，那么它
18、们的透视投影仍然保持平行；如果他们不平行于投影平面，那么它们的透视投影不再保持平行，并且会汇聚到一个点，该点称为灭点灭点（VanishingPoint）；平行于坐标轴的一组平行线形成的灭点灭点称为主灭点灭点（PrincipalVanishingPoint）或轴灭点灭点（AxisVanishingPoint）。本讲稿第二十七页，共三十二页透视主灭点透视投影的主灭点灭点的数目等于与投影平面相交的坐标轴的数目，而三维空间中的任意投影平面最少与一个坐标轴相交，最多与x,y,z三个坐标轴都相交，所以主灭点灭点的数目最少为1个，最多为3个。根据主灭点灭点的数目，我们可以将透视投影分为三类，即一点透视、二点
19、透视和三点透视。本讲稿第二十八页，共三十二页投影分类本讲稿第二十九页，共三十二页颜色模型：有（无）源物体如CRT电视机使用红、绿、蓝三基色相加混色形成特定颜色作为显示颜色的方法。物理光学描述参数u色彩，饱和度，亮度（光的强度），主波长，纯度，明度；u可见光，400-700nm,紫，蓝青，绿，黄，橙，红。u条件等色：不同的光谱分布的光可能产生相同的视觉效果。颜色模型u面向硬件：三基色RGB模型红（580nm）,绿（545nm）,蓝（440nm）。彩色打印机使用CMY颜色模型，属于相减混色（青cyan,品红magenta,黄yellow）彩色电视机使用YUV颜色模型（亮度Y，色差UV：UV是构成彩
20、色的两个分量）或YIQ颜色模型（亮度Y，包含主波长和纯度信息的色差信号I，Q，将亮度和色度分开）。u面向用户的颜色模型是HSV颜色模型，又称为HSB颜色模型。HSV：色彩hue,饱和度saturation,明度value或亮度Brightness本讲稿第三十页，共三十二页消隐技术:消去隐藏线和面，消隐算法：物体空间算法（可见），图像空间算法（对图像中的每个像素，决定哪个物体上的该像素最靠近观测点，然后用此物体上相应像素的颜色画出此像素。画家算法：按视点至物体各面的距离，把构成物体的各多边形面按从远到近的顺序依次画出，由于后画出的多边形面覆盖了先画出的多边形面，很像画家作画先画远景后用近景覆盖远景的过程，这种算法的步骤：u1按各多边形最远点的Z坐标排序，形成列表u2若在排序中出现多边形互相贯穿等情况则将多边形在贯穿处分割u3根据Zmin排序的顺序从远到近地画出各多边形；缓冲区算法；扫描线算法；区域分割算法）本讲稿第三十一页，共三十二页真实感图形建立各种模型来模拟真实物体的光照，明暗，阴影，透明，纹理。光照模型分简单与全局模型，全局考虑直接反射光及周围环境光对物体的表面光亮的影响，它可模拟出镜面映像透明等较细微的光照效果。本讲稿第三十二页，共三十二页