包裝計算機輔助設計課件

1、包裝計算機輔助設計1Packaging CAD教學要求了解圖形系統(tǒng)的框架及其涉及的軟件、硬件技術； 了解和掌握圖形學的基本問題、基本概念、基本方法與算法，具有一定實踐體會和初步的編程能力； 掌握一個通用軟件AutoCAD。了解一個專業(yè)軟件ArtiosCAD（紙包裝CAD）。 2Packaging CAD教學參考書包裝計算機輔助設計，輕工出版社Donald Hearn, M. Pauline Baker ,“Computer Graphics (C Version)”, Prentice Hall , 1997. 中文：計算機圖形學（第二版）蔡士杰等譯，電子工業(yè)出版社。潘云鶴：CAD系統(tǒng)與方法，

2、浙江大學出版社。孫家廣：計算機圖形學（第三版），清華大學出版社，1999。龍曉苑：數(shù)字化藝術，北京大學出版社，1999.12任何一本關于繪圖程序設計的書籍(VC+、C或其他語言)任何一本關于AutoCAD應用的書籍3Packaging CAD內 容 提 要第一部分 綜述第二部分 計算機圖形學基礎第三部分 AutoCAD 2006第四部分 ArtiosCAD 6. 025Packaging CAD CAD是什么 CAD的發(fā)展 CAD的應用 怎樣學好CAD第一章 綜述1.1 關于CAD6Packaging CAD CG= Computer Graphics CAD= Computer Aided

3、Design CAD= Computer Aided Drawing CAM= Computer Aided Manufacturing CAPP= Computer Aided Process Planing1.1.1 What is CAD1.1 關于CADAcronyms / Vocabulary7Packaging CADDesign ProcessConventional design processRecognition of needProblem definition(initial design)Generation or SynthesisAnalysis and Opti

4、mizationEvaluationManufacturing Serviceability PresentationInitialtes design activities (form: discovery of a dysfunctional system need for new products)Specification of entities which will be designed Physical and functional characteristics of the product Operating principle and service lifeConcept

5、ion phase Generation of alternative designsImprovement of designs based on the analysis constraints Evaluation of designs (non-violation of the established constraints at the problem definition stage)Engineering documents(direct to process planning)1.1 關于CAD1.1.1 What is CAD8Packaging CADThe Role of

6、 Computer in the Design ProcessProblem definitionSuggest an existing design Search for standard components and manufacturing processesGeometric modelingComputable mathematical description of an objectDisplay the objects image Animate the object to show its operating charateristicsEngineering analysi

7、sFinite element modeling Calculations to determine dynamic performance of the designPower consumption, heat transfer, wear, etc.Design evaluationAutomated drafting1.1 關于CAD1.1.1 What is CAD10Packaging CAD圖形及構成圖形的要素圖形：計算機圖形學的研究對象能在人的視覺系統(tǒng)中產生視覺印象的客觀對象包括自然景物、拍攝到的圖片、用數(shù)學方法描述的圖形等等構成圖形的要素幾何要素：刻畫對象的輪廓、形狀等非幾何

8、要素：刻畫對象的顏色、材質等1.1 關于CAD1.1.1 What is CAD12Packaging CAD計算機圖形學的研究內容如何在計算機中表示圖形、以及利用計算機進 行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法，構成了計算機圖形學的主要研究內容。圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計算與顯示算法，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。1.1 關于CAD1.1.1 What is CAD14Packaging CAD與相關學科的關系數(shù)字圖像數(shù)據(jù)模型圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提取（計算機視覺，模式識別）模型變換（計

9、算幾何）圖像變換（圖像處理）發(fā)展特點: 交叉、界線模糊、相互滲透1.1 關于CAD1.1.1 What is CAD15Packaging CADCAD（Computer Aided Design）幾何形體在計算機中的表示分析、研究怎樣靈活方便地建立幾何形體的數(shù)學模型，提高算法效率，在計算機內更好地存儲和管理這些模型等。研究曲線、曲面的表示、生成、拼接、數(shù)據(jù)擬合。 1.1 關于CAD1.1.1 What is CADCAGD（Computer Aided Geometric Design）16Packaging CADAdvantages of CAD Quality - high Revis

10、ions - easy Speed - quick Information database - complete Enables analysis - power1.1 關于CAD1.1.1 What is CAD17Packaging CAD圖象處理研究如何對一幅連續(xù)圖像取樣、量化以產生數(shù)字圖像，如何對數(shù)字圖像做各種變換以方便處理，如何濾去圖像中的無用噪聲，如何壓縮圖像數(shù)據(jù)以便存儲和傳輸，圖像邊緣提取，特征增強和提取。 1.1 關于CAD1.1.1 What is CAD18Packaging CAD歷史追溯硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形輸入設備的發(fā)展圖形軟件及軟件標準的發(fā)展1.1.2

11、發(fā)展歷史1.1 關于CAD20Packaging CAD歷史追溯50年代1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學院（MIT）旋風I號（Whirlwind I）計算機的附件誕生了1958年，美國Calcomp公司由聯(lián)機的數(shù)字記錄儀發(fā)展成滾筒式繪圖儀，GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成為平板式繪圖儀50年代末期，MIT的林肯實驗室在“旋風”計算機上開發(fā)SAGE空中防御體系1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史21Packaging CAD70年代光柵圖形學迅速發(fā)展區(qū)域填充、裁剪、消隱等基本圖形概念、及其相應算法紛紛誕生圖形軟件標準化1974年，ACM SIGGRAPH的與“與機器無關的圖形技術

12、”的工作會議ACM成立圖形標準化委員會，制定“核心圖形系統(tǒng)”（Core Graphics System）ISO發(fā)布CGI、CGM、GKS、PHIGS1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史歷史追溯23Packaging CAD真實感圖形學1970年，Bouknight提出了第一個光反射模型1971年Gourand提出“漫反射模型插值”的思想，被稱為Gourand明暗處理1975年，Phong提出了著名的簡單光照模型- Phong模型實體造型技術英國劍橋大學CAD小組的Build系統(tǒng)美國羅徹斯特大學的PADL-1系統(tǒng)1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史歷史追溯24Packaging CAD90年

13、代：微機和軟件系統(tǒng)的普及使得圖形學的應用領域日益廣泛。標準化、集成化、智能化多媒體技術、人工智能、科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實三維造型技術1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史歷史追溯26Packaging CAD硬件發(fā)展 圖形顯示器的發(fā)展 圖形顯示器是計算機圖形學中關鍵的設備1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史 60年代中期：畫線顯示器（亦稱矢量顯示器） 需要刷新。設備昂貴，限制普及 60年代后期：存儲管式顯示器 不需刷新，價格較低，缺點是不具有動態(tài) 修改圖形功能，不適合交互式。27Packaging CAD70年代初，刷新式光柵掃描顯示器出現(xiàn)，大大地推動了交互式圖形技術的發(fā)展。 以點陣形式表

14、示圖形，使用專用的緩沖區(qū)存放點陣，由視頻控制器負責刷新掃描。1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史硬件發(fā)展28Packaging CAD第一階段：控制開關、穿孔紙等等第二階段：鍵盤第三階段：二維定位設備，如鼠標、光筆、圖形輸入板、觸摸屏等等，語音第四階段：三維輸入設備（如空間球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣），用戶的手勢、表情等等第五階段：用戶的思維1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史硬件發(fā)展圖形輸入設備的發(fā)展30Packaging CAD31Packaging CAD圖形軟件發(fā)展及軟件標準形成三種類型的計算機圖形軟件系統(tǒng)： (1)用某種語言寫成的子程序包 GKS (Graphics Kernel Sy

15、stem計算機圖形核心系統(tǒng)) PHIGS(Programmers Herarchical Interactive Graphics system 程序員層次交互式圖形系統(tǒng)) GL(Graphics Library) 便于移植和推廣、但執(zhí)行速度相對較慢，效率低 (2)擴充計算機語言，使其具有圖形生成和處理的功能 如：Turbo Pascal、Turbo C、VC+、AutoLisp等。 簡練、緊湊、執(zhí)行速度快，但可移植性差 (3)專用圖形系統(tǒng) 效率高，但系統(tǒng)開發(fā)量大，可移植性差。1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史32Packaging CAD發(fā)展歷程諸侯割據(jù)標準討論標準形成圖形軟件發(fā)展及軟件

16、標準的形成1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史33Packaging CAD通用的、與設備無關的圖形包，圖形標準GKS (第一個官方標準，1977)PHIGS一些非官方圖形軟件，廣泛應用于工業(yè)界，成為事實上的標準DirectX (MS)Xlib(X-Window系統(tǒng))OpenGL(SGI)Adobe公司Postscript開放式、高效率的發(fā)展趨勢圖形軟件發(fā)展及軟件標準的形成1.1 關于CAD1.1.2 發(fā)展歷史34Packaging CAD1.1.3 CAD的應用計算機輔助設計與制造（CAD/CAM） 計算機圖形學在工業(yè)界最廣泛、最活躍的應用領域飛機、汽車、船舶的外形的設計發(fā)電廠、化工廠等的

17、布局土木工程、建筑物的設計電子線路、電子器件的設計設計結果直接送至后續(xù)工藝進行加工處理，如波音777飛機的設計和加工過程1.1 關于CAD35Packaging CAD奧迪效果圖和線框圖36Packaging CAD 1.1.3 CAD應用基于工程圖紙的三維形體重建定義：從二維信息中提取三維信息，通過對這些信息進行分類、綜合等一系列處理，在三維空間中重新構造出二維信息所對應的三維形體，恢復形體的點、線、面及其拓撲關系，從而實現(xiàn)形體的重建優(yōu)勢：可以做裝配件的干涉檢查、以及有限元分析、仿真、加工等后續(xù)操作，代表CAD技術的發(fā)展方向1.1 關于CAD計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)37Pack

18、aging CAD工程圖及其三維重建結果11.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)38Packaging CAD工程圖及其三維重建結果2計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用39Packaging CADCurve and Surface Modelingin Computer-Aided Design (CAD)12345678/SiliconValley/Lakes/2057/nurbs.html1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用40Packaging CADPhotorealistic Illumi

19、nation Models 1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用41Packaging CADFractal Systems/fractals.htm1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用42Packaging CADInformation VisualizationVisible Decisions SeeIT()1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用43Packaging CAD可視化科學計算可視化(Scientific Visualization)海量的數(shù)據(jù)使得人們對數(shù)據(jù)的分析和處理變得越來越難，用圖形來表示數(shù)據(jù)的迫切性與日俱增1986年，美國科學基金會（NSF）專門召開了

20、一次研討會，會上提出了“科學計算可視化（Visualization in Scientific Computing）”科學計算可視化廣泛應用于醫(yī)學、流體力學、有限元分析、氣象分析當中1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用44Packaging CAD在醫(yī)學領域，可視化有著廣闊的發(fā)展前途是機械手術和遠程手術的基礎將醫(yī)用CT掃描的數(shù)據(jù)轉化為三維圖象，幫助醫(yī)生判別病人體內的患處由CT數(shù)據(jù)產生在人體內漫游的圖象可視化的前沿與難點可視化硬件的研究實時的三維體繪制體內組織的識別分割Segmentation1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用45Packaging CAD真實感圖形實時繪制與自然景

21、物仿真計算機中重現(xiàn)真實世界的場景叫做真實感繪制真實感繪制的主要任務是模擬真實物體的物理屬性，簡單的說就是物體的形狀，光學性質，表面的紋理和粗糙程度，以及物體間的相對位置，遮擋關系等等1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用46Packaging CAD真實感圖形實時繪制與自然景物仿真光照模型簡單光照模型局部光照模型整體光照模型繪制方法光線跟蹤輻射度加速算法包圍體樹、自適應八叉樹等等1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用47Packaging CAD地理信息系統(tǒng)（GIS）建立在地理圖形之上的關于各種資源的綜合信息管理系統(tǒng)數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)作為載體，（70）全球信息化.軍事，政府決策，旅游，

22、資源調查。 1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用48Packaging CAD數(shù)字地球：1998年1月31日美國副總統(tǒng)戈爾在洛杉機加利福尼亞科學中心召開的地理信息系統(tǒng)年會上提出了這一設想。 比如，可以設想一個小孩來到地方博物館的一個數(shù)字地球陳列室，當他戴上頭盔顯示器，她將看到就象是出現(xiàn)在空中的地球。使用“數(shù)據(jù)手套”，她開始放大景物，伴隨越來越高的分辨率，她會看到大洲，隨之是區(qū)域、國家、城市、最后是房屋、樹木以及其它各種自然和人造物體。在發(fā)現(xiàn)自己特別感興趣的某地塊時，她可乘上“魔毯”，即通過地面三維圖象顯示去深入查看。當然，地塊信息只是她可以了解的多種信息中的一種。使用數(shù)字地球系統(tǒng)的聲音識

23、別裝置，小孩還可以詢問有關的土地覆蓋、植物和動物種類的分布、實時的氣候、道路、行政區(qū)線，以及人口等方面的信息。在這里，她還可以看到自己以及世界各地的學生們?yōu)椤叭蝽椖俊笔占沫h(huán)境信息。這些信息可以無縫地融入數(shù)字地圖或地面數(shù)據(jù)里。用數(shù)據(jù)手套向超連接部分敲擊，她還可以獲得更多的有關她所見物體的信息。比如，為了準備全家去國家黃石公園渡假，她策劃一個完美的步行旅游，去觀看剛從書中讀到的噴泉、北美野牛和巨角巖羊。甚至在離開她家鄉(xiāng)的地方博物館之前，她就可以把要去步行旅游的地方從頭到尾地瀏覽一遍。1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用49Packaging CAD娛樂電腦游戲實時性逼實性蘊含了先進的圖形

24、處理技術電視廣告，節(jié)目片頭，科教演示（CAI） Quake III，“古墓麗影”，“侏羅紀公園”、“皇帝的新衣”、完美風暴 MAYA, 3D-MAX, SOFTIMAGE1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用50Packaging CAD多媒體 在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現(xiàn)、存儲、通信、或集成的信息系統(tǒng)，其中媒體至少應包括一種“連續(xù)媒體”及一種“離散媒體”計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統(tǒng)的集成性CAI， 教學娛樂。1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用51Packaging CADVirtual

25、Reality（虛擬現(xiàn)實、靈境）Virtual Reality 或稱虛擬環(huán)境（Virtual Environment)是用計算機技術來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界客體進行瀏覽和交互考察。1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用52Packaging CAD當前研究熱點當前研究熱點真實感圖形實時繪制物體網格模型的面片簡化：對網格面片表示的模型，在一定誤差的精度范圍內，刪除點、邊、面，從而簡化所繪制場景的復雜層度，加快圖形繪制速度基于圖象的繪制(IBR，Image Based Rendering)：完

26、全摒棄傳統(tǒng)的先建模，然后確定光源的繪制的方法。它直接從一系列已知的圖象中生成未知視角的圖象，適用于野外極其復雜場景的生成和漫游1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用53Packaging CAD野外自然景物的模擬野外場景遠遠復雜于室內場景，繪制難度更大，方法更趨多樣化主要繪制山、水、云、樹、草、火等等繪制火的粒子系統(tǒng)（Particle System），基于生理模型的繪制植物的方法，繪制云的細胞自動機方法等1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用54Packaging CAD由清華大學自然景物平臺生成的野外場景1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用55Packaging CAD日本Yo

27、shinori Dobashi等人繪制的真實感云1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用56Packaging CADXfrog3.0生成的挪威云杉1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用57Packaging CAD與計算機網絡技術的緊密結合遠程醫(yī)療與診斷遠程導航與維修遠程教育1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用58Packaging CAD計算機動畫計算機動畫計算機動畫近十多年來取得了很大的發(fā)展，已滲透到人們生活的各個角落商業(yè)廣告、影視特技/片頭、動畫片教育、軍事、飛行模擬等分類二維動畫圖象變形形狀混合三維動畫關鍵幀動畫變形物體的動畫過程動畫關節(jié)動畫與人體動畫1.1 關于CAD

28、1.1.3 CAD應用59Packaging CAD基于特征的圖象變形（貓變虎）1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用60Packaging CAD 我國第一部利用計算機輔助攝制的動畫片是咪咪釣魚，1991年由北方工業(yè)大學和北京電視臺合作制作，以二維動畫為主。用386微機和C語言編程，利用數(shù)字化儀和攝象機產生關鍵幀，再由計算機在相鄰兩幅關鍵幀之間內插生成中間幀，并自動跟蹤上色。多層畫面疊加在一起，形成完整的畫面。10分鐘的片子，5人小組花了10個月時間。1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用61Packaging CAD計算機藝術計算機藝術用計算機軟件從事藝術創(chuàng)作二維平面的畫筆程序（如

29、CorelDraw，Photoshop，PaintShop）圖表繪制軟件（如Visio）三維建模和渲染軟件包（如3DMAX，Maya）、以及一些專門生成動畫的軟件（如Alias，Softimage）1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用62Packaging CAD優(yōu)點：提供多種風格的畫筆畫刷提供多種多樣的紋理貼圖，甚至能對圖象進行霧化，變形等操作可以任意修改，取消敗筆不足：無法達到傳統(tǒng)繪畫中風格化的 藝術效果很難得到有素描效果、油畫效果的藝術品1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用63Packaging CAD1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用64Packaging CAD1

30、.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用65Packaging CAD非真實感繪制（NPR，Non-Photorealistic Rendering）用于模擬藝術效果，研究方法有別于真實感圖形學鋼筆素描的生成鋼筆素描產生于中世紀，從19世紀開始成為一門藝術20世紀90年代開始研究用計算機模擬中國國畫與書法的生成1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用66Packaging CADGeorges Winkenb1ach繪制的壺和碗(Siggraph96)1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用67Packaging CADSalisbury繪制的茶壺(Siggraph97)1.1 關于CAD

31、 1.1.3 CAD應用68Packaging CADSalisbury繪制的熊(Siggraph97)1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用69Packaging CADOliver Deussen繪制的素描樹(Siggraph2000)1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用70Packaging CADShrek, 2001 PDI/Dreamworks1.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用71Packaging CADReal-time RenderingMovie Example 1Movie Example 21.1 關于CAD 1.1.3 CAD應用72Packaging CADDevelopment of CAD -HighlightsMost significant development 1962 - 1963 Ph.D Thesis “sketchpad, a Man Machine Graphical Communication System” 1982 AutoC