計(jì)算機(jī)輔助繪圖

計(jì)算機(jī)輔助繪圖第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五課程教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)目的及要求：了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論，與計(jì)算機(jī)繪圖的實(shí)踐結(jié)合，通過學(xué)習(xí),在計(jì)算機(jī)理論與交互式圖形軟件設(shè)計(jì)之間架起一座橋梁，使學(xué)習(xí)者通過掌握理論,可以自如使用某種實(shí)用繪圖軟件實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)知識的計(jì)算機(jī)圖形表達(dá)。

教學(xué)安排：課堂講授16學(xué)時(shí)；上機(jī)16學(xué)時(shí)；共計(jì)32學(xué)時(shí)考試形式：開卷考核方式：考試70%，上機(jī)20%，平時(shí)成績＋出勤10%第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五課程教學(xué)設(shè)計(jì)教材：杜忠友.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與繪圖技術(shù)AutoCAD教程.中國鐵道出版社,2006年8月參考資料（含參考書、文獻(xiàn)等）：1.和青芳.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理及算法教程清華大學(xué)出版社，2002.2.朱方生.計(jì)算機(jī)圖形學(xué).武漢大學(xué)出版社.2005.83.劉衍聰.CAD技術(shù)基礎(chǔ)。石油大學(xué)出版社。20054.中文AutoCAD2005經(jīng)典實(shí)例百分百，西北工業(yè)大學(xué)出版社。20045.劉子建.現(xiàn)代CAD基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)，湖南大學(xué)出版社。6．汪勇等.AutoCAD輔助工程繪圖.西南交通大學(xué)出版社.20037.丁緒東.張桂青.AutoCAD2004實(shí)用教程第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五

緒論：CAD概念一）CAD概念

計(jì)算機(jī)圖形：用計(jì)算機(jī)生成、處理和顯示圖形的學(xué)科；由幾何數(shù)據(jù)和幾何模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示并存儲，并可以進(jìn)行修改、完善以及有關(guān)操作的過程；圖象處理：將客觀世界中原來存在的物體影象處理成新的數(shù)字化圖象的相關(guān)技術(shù)；如CT掃描、X射線探傷等；模式識別：對所輸入的圖象進(jìn)行分析和識別，找出其中蘊(yùn)涵的內(nèi)在聯(lián)系或抽象模型；如郵政分檢設(shè)備、地形地貌識別等；計(jì)算幾何：研究幾何模型和數(shù)據(jù)處理的學(xué)科，討論幾何形體的計(jì)算機(jī)表示、分析和綜合，研究如何方便靈活、有效地建立幾何形體的數(shù)學(xué)模型以及在計(jì)算機(jī)中更好地存貯和管理這些模型數(shù)據(jù)；第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程內(nèi)容圖形學(xué)發(fā)展歷史，研究內(nèi)容，應(yīng)用，圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算機(jī)繪圖的硬件系統(tǒng)：顯示處理器，顯示器，繪圖機(jī)，打印機(jī)基本圖形元素的生成算法：生成直線的DDA算法生成直線的Bresenham算法繪圓弧的正負(fù)法第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五二維圖形的生成字符屏幕與圖形屏幕C語言圖形函數(shù)：顏色控制，線型、繪圖函數(shù)，屏幕、視區(qū)及圖形管理二維圖形裁剪：區(qū)域填充：多邊形填充、種子填充、填充函數(shù)圖形模式下的文本：圖形模式下字體的裝入、文本設(shè)置、文本的調(diào)準(zhǔn)，屏幕上輸出文本，漢字文本的輸出方法第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五二維圖形變換二維圖形的矩陣方法：矩陣和齊次坐標(biāo)、平移，旋轉(zhuǎn)比例，對稱，錯切，復(fù)合簡單的動畫程序設(shè)計(jì)動畫的種類和條件，移位動畫，多重屏幕頁第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五圖形交互技術(shù)常用函數(shù)：坐標(biāo)與字符串輸出DOS，BIOS中斷調(diào)用接口窗口技術(shù)：窗口編制光標(biāo)定位技術(shù)：光標(biāo)設(shè)置，移動，讀取，步距，菜單技術(shù)：菜單選項(xiàng)的方法，編制鼠標(biāo)使用第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與三維形體構(gòu)成平面圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三維形體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三維形體構(gòu)成三維形體的變換第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五概念理解：圖形，圖像，人類視覺與機(jī)器感知；圖形，對象(客觀實(shí)體，抽象概念）圖形模型－>圖形－>顯示計(jì)算機(jī)圖像處理改造、改進(jìn)技術(shù)、分析CAD資料整理分析、工程計(jì)算、結(jié)構(gòu)模型分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、經(jīng)費(fèi)預(yù)決算、繪制圖形計(jì)算系統(tǒng)／圖形系統(tǒng)／數(shù)據(jù)庫思考題：給出幾個自己了解的計(jì)算機(jī)繪圖應(yīng)用實(shí)例；了解AutoCAD；第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)圖形的發(fā)展歷史圖形硬件設(shè)備：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)起源于麻省理工學(xué)院50、60年代伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室1952年世界上第一臺數(shù)控銑床的原型。1957年美國空軍將第一批三坐標(biāo)數(shù)控銑床裝備了飛機(jī)工廠。大型精密數(shù)控繪圖機(jī)也同時(shí)誕生。APT數(shù)控加工自動編程語言

1964年孔斯曲面成就現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)技術(shù)光筆交互式圖形顯示器1962年刷新式隨機(jī)掃描圖形終端IBM2250顯示器1964年硬件輸入設(shè)備向量型圖形輸入設(shè)備有數(shù)字化板、鼠標(biāo)器、光筆等光柵掃描型圖形輸入設(shè)備有掃描儀和攝象機(jī)。常用的圖形輸出設(shè)備向量型繪圖機(jī)光柵掃描型點(diǎn)陣式打印機(jī)、熱敏印刷機(jī)、靜電印刷機(jī)、噴墨印刷機(jī)以及激光打印機(jī)等等。第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五圖形軟件的發(fā)展系統(tǒng)軟件或標(biāo)準(zhǔn)GKS核心系統(tǒng)二維圖形標(biāo)準(zhǔn)ANS－GKS系統(tǒng)1983CORE系統(tǒng)3DCORE圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)圖形軟件層次結(jié)構(gòu)零級圖形軟件設(shè)備驅(qū)動程序輸入、輸出面向系統(tǒng)一級圖形軟件生成基本圖形元素、設(shè)備管理二級圖形軟件建立圖形結(jié)構(gòu)定義、修改、輸出圖形三級圖形軟件解決某類應(yīng)用問題第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五圖形軟件的發(fā)展基本（支撐）圖形軟件、應(yīng)用圖形軟件基本圖形軟件內(nèi)容：系統(tǒng)管理、定義輸出基本圖素及復(fù)合圖素圖形、圖形變換(幾何變換、開窗、裁剪)、實(shí)時(shí)輸入處理、交互處理應(yīng)用圖形軟件:VisualFoxPro,WinZip，Winrar，Word，Excel，F(xiàn)rontPage，HTML，PowerPoint，AutocAD，3dsmax，PhotoShop，3dsVIZ，SolidWorks，SolidEdge,CAXA，Inventor,UGNX,ProtelDxp,Catia,Cordraw,等。圖形系統(tǒng)的功能計(jì)算、存儲、對話、輸入、輸出常用的繪圖工具軟件基于微機(jī)AutoCAD、CADKEY、SolidWorks

基于工作站UG、Pro/Engineering、I-DEAS第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)軟件繪圖分類按系統(tǒng)的工作方式及功能檢索式、自動、交互按基本的處理技術(shù)：一類是線條，如工程圖、地圖、曲線圖表等；另一類是明暗圖，與照片相似。為了生成圖形，首先要有原始數(shù)據(jù)或數(shù)學(xué)模型，如工程人員構(gòu)思的草圖，地形航測的判讀數(shù)據(jù)，飛機(jī)的總體方案模型，企業(yè)經(jīng)營的月統(tǒng)計(jì)資料等等。這些數(shù)字化的輸入經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后變成圖形輸出。第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）科學(xué)技術(shù)及事務(wù)管理地形地貌和自然資源圖繪制系統(tǒng)模擬計(jì)算機(jī)動畫藝術(shù)商業(yè)作戰(zhàn)指揮軍事訓(xùn)練人體模型第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五CAD基礎(chǔ)技術(shù)1．計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)。例如：CPU，windows等。2．圖形技術(shù)。例如：圖形學(xué)算法、圖形軟件等。3．工程分析技術(shù)。 例如：有限元分析、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及各行業(yè)的工程分析(如運(yùn)動部件受力分析、暖通能耗分析、電力工程分析等)。4．軟件設(shè)計(jì)技術(shù)。5．文字處理技術(shù)。6．工程管理技術(shù)。7．智能技術(shù)。例如專家系統(tǒng)、知識工程和人工智能。8．?dāng)?shù)據(jù)庫技術(shù)。9．多媒體技術(shù)。10．網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五CAD基本內(nèi)容1．建立模型。幾何模型、數(shù)學(xué)模型、物理模型等。2．計(jì)算分析。對模型進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)的強(qiáng)度、磨損、耗能、振動和熱變形等方面的分析。3．仿真。利用計(jì)算機(jī)構(gòu)造與實(shí)際產(chǎn)品和系統(tǒng)相同的模型進(jìn)行仿真，例如：汽車的運(yùn)動模擬、連桿機(jī)構(gòu)的干涉檢查、橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度力學(xué)分析、暖通系統(tǒng)的能耗仿真分析等，從而發(fā)現(xiàn)工程中存在的問題，修正原始設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)成功率。4．繪圖。形成圖紙和技術(shù)文件。5．?dāng)?shù)據(jù)處理和存儲

第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五CAD系統(tǒng)構(gòu)成（硬件、軟件）硬件系統(tǒng)包括運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件:DOS，windows，UNIX,Linux等。

應(yīng)用軟件:VisualFoxPro，WinZip，Winrar，Word，Excel，F(xiàn)rontPage，HTML，PowerPoint，AutocAD，3dsmax，PhotoShop，3dsVIZ，SolidWorks，SolidEdge,CAXA,Inventor，UGNX，ProtelDxp，Catia，Cordraw等。第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五幾何造型技術(shù)幾何模型是用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以計(jì)算機(jī)能夠理解和處理的形式，對物體的幾何形狀和屬性(如顏色、紋理等)進(jìn)行準(zhǔn)確定義形成的模型，是應(yīng)用很廣泛的一類模型。幾何造型技術(shù)定義、描述、生成幾何模型并進(jìn)行編輯修改的技術(shù)。AutoCAD就是應(yīng)用幾何造型技術(shù)進(jìn)行幾何造型的軟件系統(tǒng)。幾何造型基本概念．點(diǎn)、邊、面、環(huán)、體、體素、邊界、幾何信息、拓?fù)湫畔⒌取缀涡畔⑹敲枋鳇c(diǎn)、邊、面、環(huán)、休、體素、邊界的幾何性質(zhì)和度量關(guān)系的數(shù)據(jù)。拓?fù)湫畔⑹敲枋錾鲜鲈剡B接關(guān)系的數(shù)據(jù)。一個形體用點(diǎn)、邊、面來定義，所以形體表面必須封閉、有向、非自交、有界并連接，這也是幾何造型的要求。同時(shí)，形體還應(yīng)該滿足剛性要求、三維一致性、有限的描述表示和邊界確定等要求。剛性要求是指形體的形狀與形體的位置和方向無關(guān)；三維一致性是指形體沒有懸面和孤立的邊界(懸邊)。幾何造型的3種模型常用的是線框模型(wireframeModel)、表面模型SurfaceModel和實(shí)體模型(Solidmodel)。第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五實(shí)體造型技術(shù)及表示特征表示法：是用一組特征參數(shù)來定義一組類似的實(shí)體邊界表示法:是一種把三維實(shí)體用其表面的邊界（頂點(diǎn)、邊和平面）來表示的方法延伸表示法（Sweep）:是將一個截面沿一個軌道掃過空間而形成實(shí)體的操作構(gòu)造實(shí)體幾何表示法（結(jié)構(gòu)體素CSG樹）:用基本幾何造型體如立方體、球、圓柱等通過布爾運(yùn)算來構(gòu)造一個實(shí)體?？臻g分割表示法:是將實(shí)體分解成一組相鄰的、互不相交的基本實(shí)體來表示?？臻g分割的方法有單元表示法、空間位置枚舉法、八叉樹法等第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五基本圖形生成技術(shù)（一）掃描轉(zhuǎn)換概念：將頂點(diǎn)參數(shù)表示的圖形轉(zhuǎn)換為像素(點(diǎn)陣)表示的圖形稱為光柵圖形的掃描轉(zhuǎn)換?；緢D形的光柵掃描轉(zhuǎn)換也稱為圖元生成。圖元的掃描轉(zhuǎn)換分為確定與圖元相關(guān)的像素集合和用顏色及其他屬性對這些屬性進(jìn)行寫操作兩個步驟。（二）掃描轉(zhuǎn)換直線：是計(jì)算出落在直線上或與它臨近的一組像素，以一定的顏色用這組像素近似替代連續(xù)的沒有寬度的筆直直線，并在屏幕上顯示的過程。掃描轉(zhuǎn)換直線有數(shù)值微分DDA，中點(diǎn)算法方法（三）掃描轉(zhuǎn)換弧：中點(diǎn)算法，多邊形迫近法，正負(fù)法橢圓弧生成的中點(diǎn)算法等（四）圖元屬性控制：線寬控制、線型控制第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五基本圖形生成技術(shù)（五）填充：分為確定填充像素及顏色兩個步驟。包括內(nèi)容有矩形、多邊形、圖案填充（六）字符表示和輸出：ASCII碼及GB2312-80《通信用漢字字符集及其交換碼標(biāo)準(zhǔn)》

字符的圖形有點(diǎn)陣字符和輪廓字形兩種表示方法。（七）二維裁剪：把整個圖形中的所需要的一部分放到屏幕顯示區(qū)內(nèi)舍棄圖形的其他部分的過程為裁剪（clip）。圖形在屏幕上顯示的區(qū)域稱做窗口，一般為矩形。裁剪算法的關(guān)鍵是確定圖形中哪些點(diǎn)、線、多邊線位于窗口之中或之外。直線裁剪有編碼、中點(diǎn)分割算法、參數(shù)化算法，字符裁剪分為基于字符串、基于字符、基于構(gòu)成字符的最小元素三種方法。直線與裁剪窗口的位置關(guān)系如下圖：（八）三維裁剪經(jīng)過投影后形成二維圖形進(jìn)行裁剪第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五反走樣技術(shù)Aliasing/Antialiasing鋸齒失真在光柵圖形中用離散量來顯示連續(xù)量所帶來的這種失真現(xiàn)象，稱為走樣(Aliasing)。用于消除或減輕這種失真的技術(shù)，稱為反走樣技術(shù)(Antialiasing)。

反走樣技術(shù)有兩種，一種是提高顯示器分辨率，二是使用不同的灰度來顯示邊緣的像素。后者雙分為不加權(quán)的區(qū)域取樣和加權(quán)的區(qū)域取樣。（一）不加權(quán)區(qū)域取樣步驟1)將直線看成是具有—定寬度的狹長的矩形。2)直線與像素相交時(shí)，求出相交區(qū)域的面積3)根據(jù)此面積確定該像素的亮度。不足：覆蓋面積與理想直線的距離不管有多大，取得的灰度值都相同第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五（二）加權(quán)區(qū)域取樣灰度值和覆蓋面積，理想直線間的距離有關(guān)．加權(quán)的區(qū)域取樣第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五圖形變換技術(shù)和三維投影

圖形變換基本原理：通過圖形變換可實(shí)現(xiàn)大小、位置、方向等的變化，可實(shí)現(xiàn)投影透視，甚至可生成復(fù)雜的圖形。齊次坐標(biāo)表示法：n維微量的變換是在n+1維的空間是進(jìn)行，變換后n維結(jié)果返回到特定的n維空間圖形基本變換：比例、對稱、旋轉(zhuǎn)、平移、錯切第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五圖形變換技術(shù)和三維投影第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五三維投影：目的為了將三維圖形表示在二維平面上，需要投影變換。投影變換有平行投影和透視投影。滅點(diǎn)：對于三維空間中任意一組平行線來說，如果它們平行于投影平面，那么它們的透視投影仍然保持平行；如果他們不平行于投影平面，那么它們的透視投影不再保持平行，并且會匯聚到一個點(diǎn)，該點(diǎn)稱為滅點(diǎn)（VanishingPoint）；平行于坐標(biāo)軸的一組平行線形成的滅點(diǎn)稱為主滅點(diǎn)（PrincipalVanishingPoint）或軸滅點(diǎn)（AxisVanishingPoint）。第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五透視主滅點(diǎn)透視投影的主滅點(diǎn)的數(shù)目等于與投影平面相交的坐標(biāo)軸的數(shù)目，而三維空間中的任意投影平面最少與一個坐標(biāo)軸相交，最多與x,y,z三個坐標(biāo)軸都相交，所以主滅點(diǎn)的數(shù)目最少為1個，最多為3個。根據(jù)主滅點(diǎn)的數(shù)目，我們可以將透視投影分為三類，即一點(diǎn)透視、二點(diǎn)透視和三點(diǎn)透視。第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五投影分類第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期五顏色模型：有（無）源物體如CRT電視機(jī)使用紅、綠、藍(lán)三基色相加混色形成特定顏色作為顯示顏色的方法。物理光學(xué)描述參數(shù)色彩，飽和度，亮度（光的強(qiáng)度），主波長，純度，明度；可見光，400-700nm,紫，藍(lán)青，綠，黃，橙，紅。條件等色：不同的光譜分布的光可能產(chǎn)生相同的視覺效果。顏色模型面向硬件：三基色RGB模型[紅（580nm）,綠（545