《計算機輔助設(shè)計與制造》課件第3章

第3章計算機輔助圖形處理技術(shù)3.1計算機輔助圖形處理的基本知識3.2交互式繪圖3.3參數(shù)化、變量化繪圖

3.1計算機輔助圖形處理的基本知識

3.1.1圖形處理的基本概念

1.計算機輔助圖形處理的含義及作用

計算機輔助圖形處理就是利用計算機存儲、生成、處理和顯示圖形，把過去由人工一筆一劃完成的繪圖工作由自動繪圖機等圖形輸出設(shè)備來完成。

圖3-1為計算機繪圖系統(tǒng)的工作原理。圖3-1計算機繪圖系統(tǒng)

2.計算機繪圖系統(tǒng)的類型

計算機繪圖系統(tǒng)按其工作方式，可分為靜態(tài)自動繪圖系統(tǒng)和動態(tài)交互式繪圖系統(tǒng)兩種類型。靜態(tài)自動繪圖系統(tǒng)是將要繪制的圖形編成繪圖程序的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在繪圖過程中不允許人工干預(yù)和修改，如果所繪圖形不符合要求，則需手工在圖紙上改動或修改繪圖程序。

3.計算機繪圖系統(tǒng)的組成

計算機繪圖系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件部分由計算機主機、外存儲器(硬盤、光盤、U盤等)、輸入設(shè)備(鍵盤、數(shù)字化儀、鼠標(biāo)等)和輸出設(shè)備(圖形顯示器、繪圖機、打印機等)組成；而軟件部分則由圖形軟件、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫、圖形庫、應(yīng)用程序組成。3.1.2圖形軟件

1.圖形軟件的類型

根據(jù)圖形軟件的功能和使用情況，歸納起來，圖形軟件可分為基本繪圖指令軟件、圖形支撐軟件、專用圖形軟件三類。

2.圖形軟件的功能

對于不同的圖形軟件系統(tǒng)，其功能也不盡相同，但作為一個圖形支撐環(huán)境應(yīng)具有如下基本功能：

(1)定義窗口與視區(qū)。

(2)圖形描述。

(3)圖形編輯與變換。

(4)圖形控制。

(5)圖形文件處理。

(6)交互處理功能。

3.圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)

CAD/CAM技術(shù)的不斷發(fā)展對計算機圖形處理的要求越來越高，使圖形應(yīng)用軟件的開發(fā)難度增大、成本提高。為此，軟件開發(fā)人員更應(yīng)遵循圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)，使圖形應(yīng)用軟件開發(fā)直接在面向應(yīng)用的高層次上進(jìn)行，而不要再在基本圖形技術(shù)和接口上重復(fù)花費精力。3.1.3圖形處理技術(shù)及算法的發(fā)展

計算機圖形處理所涉及的技術(shù)和算法相當(dāng)豐富，大致可分為以下幾類。

1.圖形生成技術(shù)與算法

1)基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法

基于圖形設(shè)備的基本圖形元素的生成算法有在光柵顯示器上生成直線、圓弧、規(guī)則曲線和封閉區(qū)域填充等算法。生成直線或圓弧的算法很多，常用的有：

(1)?DDA(DigitalDifferentialAnalyzer)法，即根據(jù)直線的微分方程來畫直線；

(2)??Bresenham算法，即根據(jù)直線的斜率

和相鄰兩列(行)像素的坐標(biāo)差為1的事實得出

這是一個求yi+1的遞推公式。

2)自由曲線和曲面的生成

曲線和曲面是描述物體外形不可缺少的元素。對于規(guī)則的曲線和曲面，只要按照其參數(shù)方程實際畫出即可。而那些不能用簡單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述的線和面，則需由不規(guī)則的離散數(shù)據(jù)加以構(gòu)造，通常采用插值法或曲線擬合法。

3)圖形元素的求交以及集合運算

幾何建模中的核心算法是物體拼合算法，也就是通過如交、并、差等集合運算將基本體拼合成所需要的任意復(fù)雜的物體。拼合運算的基礎(chǔ)是幾何運算。

4)不同字體的中西文的點陣表示及矢量字符的生成

我國制定了漢字代碼的國家標(biāo)準(zhǔn)字符集。為了在終端顯示器或繪圖儀上輸出字符，系統(tǒng)中必須有相應(yīng)的字符庫。字符庫中存儲了每個字符的形狀信息，分為矢量型和點陣型兩種。

2.圖形的編輯修改技術(shù)和算法

1)圖形裁剪

圖形裁剪技術(shù)與窗口技術(shù)密切相關(guān)，其目的是把窗口區(qū)域內(nèi)定義的圖形以適當(dāng)?shù)谋壤敵?，而把窗口之外的圖形在輸出時裁剪掉。常用的裁剪算法主要是針對直線、多邊形以及字符的，有編碼算法、矢量線段裁剪法、中點分割法等。

2)圖形變換

圖形變換包括圖形的比例、對稱、錯切、旋轉(zhuǎn)、平移變換，三維圖形的投影、透視變換等。

3.真實圖形技術(shù)

1)消隱

消隱算法是在給定空間觀察位置之后，確定線段、邊、面或體是否可見的算法。消隱算法的種類有很多，但多數(shù)依據(jù)以下幾種基本算法原理：

(1)面的可見性檢驗，即檢驗從某一個方向觀察物體時，哪些面是可見的，哪些面是被遮擋而不可見的。

(2)包含性檢驗，即討論平面與直線段的相互關(guān)系問題，檢驗線段是否包含在平面與視線方向形成的柱體中，其實質(zhì)是裁剪問題及判斷某個點是否在一個環(huán)內(nèi)。

(3)深度檢驗，即判斷平面與直線段的前后關(guān)系。

2)明暗效應(yīng)

三維物體或景物圖形的真實感在很大程度上取決于明暗效應(yīng)。所謂明暗效應(yīng)指的是光照射在物體上，經(jīng)周圍具體環(huán)境相互作用后在人眼視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的感知效果。因此，使用一些數(shù)學(xué)公式來近似計算物體表面反射或透射光的規(guī)律和比例，這種公式稱為明暗效應(yīng)的模型。在算法中使用該模型計算物體表面明暗度的過程就是明暗效應(yīng)處理。在對三維形體的圖形消隱后，再進(jìn)行明暗效應(yīng)處理可以進(jìn)一步提高圖形的真實感。

3)陰影

陰影是由于物體自身遮擋使光線照不到它的某些面以及場景中位于它后面的區(qū)域而形成的自然物理現(xiàn)象。在圖形處理中將這種現(xiàn)象展示出來，必然增強畫面的真實感。產(chǎn)生陰影的過程相當(dāng)于兩次消隱過程，一次是對每個光源消隱；另一次是對觀察者的位置或視點消隱。從視點及光源看上去均可見的表面是不會落在陰影里的，只有那些從視點看上去是可見的，但從光源看上去是不可見(背光)的表面才位于陰影內(nèi)。

4.科學(xué)計算的可視化

科學(xué)計算的可視化是把函數(shù)值計算或?qū)嶒灚@得的大量數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為人的視覺可以感受的計算機圖像，其核心是三維空間數(shù)據(jù)場的顯示。

5.虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(VirtualReality)技術(shù)是指利用計算機模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬環(huán)境，并在環(huán)境中結(jié)合不同的輸入、輸出設(shè)備與虛擬物體進(jìn)行交互操作，隨意觀察周圍的景物，自由地運動。3.1.4圖形生成方法

1.輪廓線法

任何一個二維圖形都由線條組成，這些線條是所描述實體上各幾何形狀特征在不同面上投影產(chǎn)生的輪廓線的集合。所謂輪廓線法，就是將這些線條逐一繪出，線條的位置只取決于線條的端點坐標(biāo)，不分先后，沒有約束，因而比較簡單，適應(yīng)面也廣，但繪圖工作量大、效率低、容易出錯，尤其是不能滿足系列化產(chǎn)品圖形的設(shè)計要求，生成的圖形無法通過尺寸參數(shù)加以修改。

2.參數(shù)化法

輪廓線法生成的圖形重用率低，哪怕只變動一個幾何尺寸，也要重新修改程序或重畫相關(guān)部位。而在實際CAD中，常常面臨系列化的設(shè)計，即基本幾何拓?fù)潢P(guān)系不變，只變動形狀尺寸，于是，產(chǎn)生了參數(shù)化法。

3.圖形元素拼合法

圖形元素拼合法(簡稱圖元拼合法)類似于一種搭積木的方法，見圖3-2。該方法是將各種常用的、帶有某種特定專業(yè)含義的圖形元素存儲建庫，設(shè)計繪圖時，根據(jù)需要調(diào)用合適的圖形元素加以拼合。圖3-2圖形元素拼合法示意

4.尺寸驅(qū)動法

尺寸驅(qū)動是一種交互式的變量設(shè)計方法。

5.三維實體投影法

回顧設(shè)計師的設(shè)計過程，尤其是進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先在思維中建立起來的是一種三維物體模型，只是沒有一個形象描述、記錄的工具和手段，因而將其投影到不同的平面，繪出二維圖紙；而在讀圖時，又要在大腦中還原圖紙所表示的三維物體。

3.2交?互?式?繪?圖

3.2.1交互技術(shù)

1.定位技術(shù)

定位技術(shù)即移動光標(biāo)到滿意位置，指定一個坐標(biāo)。輔助定位方法主要有：

(1)網(wǎng)格化，即拉動光標(biāo)定位在按規(guī)律劃分的網(wǎng)格點上；

(2)捕捉，使光標(biāo)捕捉定點(如端點、中點、圓心點等)；

(3)輔助線，利用輔助線找到要定位的點；

(4)導(dǎo)航，通過與相關(guān)實體的導(dǎo)航約束確定定位點；

(5)牽引，由已知實體特征點的正交牽引線導(dǎo)出定位點。

2.定量技術(shù)

交互過程中，輸入某個數(shù)值則代表某個特定的量是常用的，如大小、長度、角度等。

3.定向技術(shù)

定向就是為坐標(biāo)系中的圖形確定某個方向。這仍然要首先確定坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)自由度，然后可通過定義旋轉(zhuǎn)中心、輸入旋轉(zhuǎn)角度完成；也可通過某些圖形軟件提供的動態(tài)熱鍵旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行定向。但后者不適于精確的定向操作，多用于動態(tài)觀察實體，選取最佳視覺角度。4.選擇技術(shù)

選擇技術(shù)主要指命令和選項的選擇，有四種方式：

(1)鼠標(biāo)移動光標(biāo)選取選項；

(2)鍵入選項命令全稱或助記符執(zhí)行命令；

(3)按功能熱鍵執(zhí)行熱鍵驅(qū)動的命令程序；

(4)語音控制選擇選項。

5.拾取技術(shù)

拾取在多數(shù)情況下是針對圖形對象而言的，它是交互式繪圖及幾何建模中不可缺少的功能。在二維坐標(biāo)中，拾取的是線條或某個區(qū)域；而在三維坐標(biāo)中，拾取的是面或體。

1)拾取判斷

2)拾取到的現(xiàn)象

3)快速拾取的措施

6.文本技術(shù)

文本交互主要是確定字符串的內(nèi)容和長度。文本技術(shù)一般采用的方法是：

(1)鍵入字符；

(2)菜單選擇字符；

(3)單行或多行文本窗口輸入字符；

(4)語音識別或筆劃識別。

7.橡皮筋技術(shù)

針對變形類圖形的要求，動態(tài)、連續(xù)地表現(xiàn)變形過程，像隨意拉動橡皮筋一樣，使用戶在這個交互過程中找到最滿意的變形狀態(tài)。該技術(shù)常用于曲線、曲面設(shè)計。

8.拖動技術(shù)

將形體在空間的移動過程動態(tài)、連續(xù)地表示出來，可使用戶實時觀察到形體的位置，便于將其放置到希望的地方。拖動技術(shù)常用于演示部件裝配過程，進(jìn)行動畫軌跡模擬。

9.草圖技術(shù)

支持徒手繪圖方式，可在屏幕上實現(xiàn)任意畫圖要求。草圖技術(shù)將等距采樣點用折線或擬合曲線連接起來，生成圖形。草圖技術(shù)又稱為徒手畫技術(shù)、草圖器技術(shù)等。3.2.2交互技術(shù)的原則

1.一致性與規(guī)格化設(shè)計

一致性與規(guī)格化設(shè)計就是將所開發(fā)系統(tǒng)的交互功能設(shè)計成統(tǒng)一的模式和語義，以相同的命令語法和操作步驟工作，顯示同樣的屏幕狀態(tài)格式，整個系統(tǒng)前后一致、規(guī)格統(tǒng)一。

2.反饋信息

所謂人機交互，就是在人將信息輸入計算機后，計算機能有所反應(yīng)，這就是反饋，它是交互界面的基本組成部分。人機交互的特點就在于所有計算機的反饋信息都是由人預(yù)先根據(jù)各種可能的輸入而準(zhǔn)備好存入計算機的。

3.防錯和改錯

系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)設(shè)計完整性、合理性的約束，具有較好的容錯性。

4.提示和幫助

一個CAD/CAM系統(tǒng)的運行是十分復(fù)雜的，它有一系列定義、描述手段，有各種操作規(guī)則、命令語法，有許多可能出現(xiàn)的問題和狀況，因此，一個良好的在線幫助功能是必不可少的。它能提供較詳細(xì)的說明和信息，引導(dǎo)和幫助用戶盡快掌握系統(tǒng)并正確使用系統(tǒng)。幫助功能的實現(xiàn)是靠熱鍵或菜單項選擇啟動的，系統(tǒng)通常會設(shè)置多種幫助信息檢索的方式，如按項目檢索、按具體內(nèi)容檢索、按關(guān)鍵字檢索等。提示功能的目的是引導(dǎo)用戶按照系統(tǒng)的要求操作，并建議用戶下一步的行動內(nèi)容。

5.減少用戶記憶量

交互式CAD系統(tǒng)是要找到人和機的最佳結(jié)合點，既利用計算機高精度、高速度、大容量的特點，又能充分發(fā)揮人的聰明智慧，使設(shè)計達(dá)到高質(zhì)、高效。但如果系統(tǒng)的使用命令數(shù)量太多，格式繁瑣，則不利于操作人員集中精力進(jìn)行創(chuàng)造性工作，還容易出錯，影響系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。因此，盡量減小用戶的記憶負(fù)擔(dān)也是交互設(shè)計的原則之一。其解決措施有合理設(shè)計菜單結(jié)構(gòu)，使菜單的功能命令包容面盡可能大；增加中文提示；設(shè)置在線幫助和手冊；統(tǒng)一交互模式和操作方式等方面。3.2.3用戶界面的設(shè)計

1.用戶界面的類型

(1)所見即所得型。

(2)直接操作型。

(3)圖標(biāo)(Icon)型。

(4)菜單型。

(5)問答型。

(6)表格型。

(7)命令鍵入型。

(8)語音型。

2.用戶界面涉及的內(nèi)容

1)屏幕劃分

針對顯示屏幕的大小、格式和分辨率，合理、充分地利用屏幕，將屏幕作適當(dāng)劃分，以便于不同的顯示用途。

2)字型選用

無論是菜單還是系統(tǒng)運行中的顯示信息，若字符選用得當(dāng)可以使界面更加美觀，方便用戶操作。

3.顏色和灰度選擇

用不同顏色和灰度來標(biāo)志信息、設(shè)置背景、分離不同形體，對于用戶在操作過程中集中注意力、減少錯誤是非常有效的，同時對操作者的情緒、心情等均會產(chǎn)生影響。

4.菜單設(shè)計

菜單是一組功能、對象、數(shù)據(jù)或其他用戶可選擇實體的列表，是目前CAD/CAM系統(tǒng)中最常用的交互功能方法。在進(jìn)行菜單設(shè)計時，通常要考慮菜單的結(jié)構(gòu)、類型、形狀等因素。

1)菜單的結(jié)構(gòu)

2)菜單的類型

3)菜單的標(biāo)識

4)菜單的形狀

5)菜單的選擇

3.3參數(shù)化、變量化繪圖

3.3.1參數(shù)化、變量化繪圖的基本概念

參數(shù)化繪圖一般是指設(shè)計圖形拓?fù)潢P(guān)系不變，尺寸形狀由一組參數(shù)進(jìn)行約束。參數(shù)與圖形的控制尺寸有顯式的對應(yīng)，不同的參數(shù)值驅(qū)動產(chǎn)生不同大小的幾何圖形。參數(shù)化繪圖是規(guī)格化、系列化產(chǎn)品設(shè)計的一種簡單、高效、優(yōu)質(zhì)的設(shè)計方法。3.3.2參數(shù)化繪圖的實現(xiàn)

1.參數(shù)化繪圖程序的設(shè)計步驟

參數(shù)化繪圖程序的設(shè)計步驟如下：

(1)建立幾何拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

(2)進(jìn)行參數(shù)化標(biāo)注。

(3)推導(dǎo)參數(shù)表達(dá)式。

(4)編制程序。

2.幾何圖形的參數(shù)化分析與定義

圖形的參數(shù)化定義一般應(yīng)遵循以下原則：

(1)注重參數(shù)序列的設(shè)計含義；

(2)參數(shù)標(biāo)注與工程圖標(biāo)注一致；

(3)參數(shù)序列與幾何圖形尺寸序列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有映射關(guān)系；

(4)工程圖中的關(guān)鍵尺寸應(yīng)作為自變量參數(shù)；

(5)參數(shù)定義不能出現(xiàn)干涉、過約束。圖3-3所示的軸，圖(a)表示用輪廓線法繪圖時，需計算出各點的坐標(biāo)值，然后逐點連線；圖(b)為參數(shù)化繪圖，需進(jìn)行參數(shù)化定義與標(biāo)注，各尺寸之間無表達(dá)式關(guān)系。又如圖3-4所示的連桿，首先按照通常的形狀和拓?fù)浼s束關(guān)系定義幾何模型，然后，根據(jù)連桿的功能原理和設(shè)計要求定義尺寸參數(shù)。圖3-3兩種繪軸方法比較示意圖圖3-4連桿的參數(shù)化繪制某些參數(shù)化繪圖方法只允許形狀尺寸的幾何參數(shù)可變而結(jié)構(gòu)不可變，也有些參數(shù)化系統(tǒng)同時允許子模型的拓?fù)渑帕锌勺?。如圖3-5(b)所示，輪緣的螺栓孔數(shù)隨著輪緣直徑的變化而改變。圖3-5輪緣的兩種繪制方法比較

3.參數(shù)化繪圖的實現(xiàn)方式及步驟

進(jìn)行參數(shù)化繪圖，首先是在建立模型過程中直接將參數(shù)序列定義其中；然后利用草