《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)與CAD開發(fā)》課件-第1章 緒論

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)與CAD開發(fā)學(xué)時(shí)：24+16上機(jī)時(shí)間：

（1）2015.4.4（周五）14：00-18：00

205、207機(jī)房

（2）2015.4.17（周五）18：00-22：00

208機(jī)房（3）2015.4.24（周五）18：00-22：00

205機(jī)房（4）2015.5.15（周五）18：00-22：00

205機(jī)房

（5）2015.6.27（周六）14：00-18：00

207機(jī)房本課程的教學(xué)目標(biāo)？為什么要學(xué)習(xí)該課程？如何學(xué)習(xí)該課程？課程概述

本課程的教學(xué)目標(biāo)本課程使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)系統(tǒng)的組成和軟硬件技術(shù)，了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展、應(yīng)用及當(dāng)前的研究熱點(diǎn)；掌握計(jì)算機(jī)處理二、三維圖形的基本理論與算法；培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)繪圖的操作實(shí)踐能力、計(jì)算機(jī)圖形處理及軟件的二次開發(fā)能力，為今后從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形處理等方面的工作奠定必要的基礎(chǔ)。課程完成后，學(xué)生將具備以下知識(shí)和能力：1.掌握二、三維圖形的計(jì)算機(jī)生成和處理的基本理論與知識(shí)；

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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，具有不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)、新方法的意識(shí)。學(xué)習(xí)目錄緒論—計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的發(fā)展、組成、研究內(nèi)容以及相關(guān)技術(shù)圖形輸入、輸出設(shè)備—重點(diǎn)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(diǎn)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(shù)化繪圖技術(shù)—

AutoLISP參數(shù)化繪圖技術(shù)、AutoLISP參數(shù)化繪圖應(yīng)用學(xué)習(xí)目錄AutoCAD圖形庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)—圖形庫管理系統(tǒng)的組成、AutoCAD交互工作界面、對(duì)話框設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)、AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫開發(fā)自由曲線與曲面—概述、三次參數(shù)樣條曲線、Bézier曲線、B樣條曲線、自由曲線曲面在AutoCAD的應(yīng)用三維形體建模與圖形處理—重點(diǎn)三維形體建?；A(chǔ)、三維圖形基本變換三維CAD軟件的二次開發(fā)技術(shù)—Pro/TOOLKIT開發(fā)技術(shù)、Pro/E交互界面設(shè)計(jì)本課程的教學(xué)目標(biāo)？為什么要學(xué)習(xí)該課程？如何學(xué)習(xí)該課程？課程概述為什么要學(xué)習(xí)該課程？設(shè)計(jì)制造數(shù)字化、智能化是產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展的大趨勢。

其理論基礎(chǔ)就是傳統(tǒng)圖學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)。CAD是當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要技術(shù)和手段

計(jì)算機(jī)輔助繪圖、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助管理在當(dāng)前機(jī)械專業(yè)課程設(shè)置中，本科階段少數(shù)幾門相關(guān)CAD的課程。本課程的教學(xué)目標(biāo)？為什么要學(xué)習(xí)該課程？如何學(xué)習(xí)該課程？課程概述

如何學(xué)習(xí)該課程？

課堂教學(xué)課后作業(yè)和上機(jī)實(shí)踐平時(shí)關(guān)注計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及CAD的發(fā)展。

課程考核方式：

平時(shí)成績（60分）評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)考核/評(píng)價(jià)細(xì)則課堂情況（10分）主要考核學(xué)生的紀(jì)律、學(xué)習(xí)態(tài)度等。平時(shí)作業(yè)（25分）主要考核學(xué)生對(duì)每堂課知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握程度，計(jì)算全部作業(yè)的平均成績再按25%計(jì)入總成績。上機(jī)實(shí)踐（25分）主要考核學(xué)生對(duì)CAD二次開發(fā)內(nèi)容的掌握程度，以及學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、知識(shí)的應(yīng)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(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)以及CAD軟件二次開發(fā)的綜合掌握程度。學(xué)生根據(jù)任課教師提出的題目要求編寫課程學(xué)習(xí)大作業(yè)，最后評(píng)定課程大作業(yè)成績。教材：高等學(xué)校十三五規(guī)劃教材《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)與CAD開發(fā)》,杜淑幸主編，西安電子科技大學(xué)出版社，2018年9月。第1章緒論1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的發(fā)展1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的組成1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的研究內(nèi)容1.4其他相關(guān)技術(shù)

1.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的發(fā)展平臺(tái)式繪圖機(jī)1950年1952年1959年顯示器數(shù)控銑床滾筒式繪圖機(jī)ComputerGraphics硬件設(shè)備（光柵掃描顯示器、數(shù)字化儀、繪圖機(jī))圖形理論和軟件系統(tǒng)(曲線曲面、真實(shí)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(gè)人機(jī)通信的圖學(xué)系統(tǒng)被動(dòng)式交互式(CAD）20世紀(jì)90年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究和發(fā)展主要特點(diǎn):①圖形、圖像的研究日益結(jié)合。許多商品化的圖形處理系統(tǒng)同時(shí)具有圖形、圖像處理功能，這樣的系統(tǒng)適應(yīng)性、實(shí)用性更強(qiáng)。(AutoCAD、SolidEdge、Richno）②特征造型理論和技術(shù)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(dòng)畫技術(shù)和自然景物模擬技術(shù)的研究更深入，動(dòng)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(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（環(huán)境模擬）的研究與應(yīng)用更加廣泛。

可視化（Visualization）：是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。比如：

科學(xué)計(jì)算可視化（溫度場、應(yīng)力應(yīng)變可視化）；海量數(shù)據(jù)可視化（將借助航天航空、遙感、加速器、CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）、MRI（核磁共振）、計(jì)算機(jī)模擬（如核爆炸）等手段獲取的數(shù)據(jù)可視化。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：以圖形、圖像的可視化技術(shù)為依托的一門技術(shù)。如虛擬裝配與檢測；虛擬城市規(guī)劃；軍事的虛擬訓(xùn)練；虛擬手術(shù)；虛擬設(shè)計(jì)等

全球溫度分布圖核醫(yī)學(xué)成像合成的螺旋星云可見光數(shù)據(jù)可視化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造階段---

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造就是在交叉、融和、應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)、制造系統(tǒng)的全面數(shù)字化，其內(nèi)涵包括三個(gè)層面：以設(shè)計(jì)為中心的數(shù)字化制造技術(shù)、以控制為中心的數(shù)字化制造技術(shù)、以管理為中心的數(shù)字化制造技術(shù)。

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造是未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的必然趨勢。復(fù)雜度越高的產(chǎn)品，使用數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的意義愈加重大，但是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造全數(shù)字化、建立數(shù)字化企業(yè)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

1.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展智能化設(shè)計(jì)與制造階段---

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

比如專家系統(tǒng)技術(shù)可以用于工程設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度、故障診斷等。也可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)智能方法應(yīng)用于產(chǎn)品配方、生產(chǎn)調(diào)度等，實(shí)現(xiàn)制造過程智能化。

人工智能技術(shù)尤其適合于解決特別復(fù)雜和不確定的問題。但是要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造全過程的智能化，是一件非常復(fù)雜艱難的工程，還需要很長的路去探索。

1.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展初始階段（20世紀(jì)50年代）研制實(shí)驗(yàn)階段（20世紀(jì)60年代）技術(shù)商品化階段（20世紀(jì)70年代）高速發(fā)展階段（20世紀(jì)80年代）全面普及階段（20世紀(jì)90年代）數(shù)字化設(shè)計(jì)制造（21世紀(jì)）智能化設(shè)計(jì)與制造（21世紀(jì)）

1.1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的發(fā)展第1章緒論1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的發(fā)展1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的組成1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的研究內(nèi)容1.4其他相關(guān)技術(shù)1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的功能

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的配置1.2.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的功能

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的功能

.輸入功能

計(jì)算功能

存儲(chǔ)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(biāo)掃描儀、圖形輸入板等輸入設(shè)備能將圖形的形狀、尺寸以及必要的參數(shù)等送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

2.計(jì)算功能除了數(shù)值計(jì)算外，還包括圖形設(shè)計(jì)與分析的程序庫以及描述圖形的圖形數(shù)據(jù)庫。在圖形數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)有坐標(biāo)的幾何變換、曲線曲面的形成、圖形的交點(diǎn)計(jì)算等功能。

3.存儲(chǔ)功能在計(jì)算機(jī)的內(nèi)、外存儲(chǔ)器中能存放圖形數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系，便于有關(guān)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(shè)計(jì)人員能通過顯示器觀看設(shè)計(jì)的結(jié)果和圖形，對(duì)不滿意的地方，能用圖形輸入設(shè)備以人機(jī)對(duì)話方式進(jìn)行修改。

5.輸出功能用于記錄和保存設(shè)計(jì)結(jié)果，包括源程序、計(jì)算結(jié)果、設(shè)計(jì)圖形等。根據(jù)需要，可以通過打印機(jī)、繪圖機(jī)等輸出結(jié)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造的網(wǎng)絡(luò)化、智能化

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)

硬件配置

軟件配置

1.2.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的配置計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)硬件配置外存儲(chǔ)器主機(jī)圖形輸出設(shè)備圖形輸入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備

1.主機(jī)主要由CPU（中央處理器）和主存儲(chǔ)器組成。

CPU控制器運(yùn)算器負(fù)責(zé)對(duì)指令譯碼，并且發(fā)出為完成每條指令所要執(zhí)行的各個(gè)操作的控制信號(hào)負(fù)責(zé)執(zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算操作、移位操作以及邏輯操作，也可執(zhí)行地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換

1.主機(jī)主要由CPU（中央處理器）和主存儲(chǔ)器組成。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為了提高性能，又兼顧造價(jià)，采用多級(jí)存儲(chǔ)體系，即包括存儲(chǔ)容量小、存取速度高的高速緩沖存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)容量和存取速度適中的主存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器容量的大小對(duì)運(yùn)算速度有一定的影響。

繪圖系統(tǒng)中的主機(jī)有大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)以及微型機(jī)。

目前微型機(jī)在運(yùn)行速度、計(jì)算精度、存儲(chǔ)容量等方面都能滿足計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD需求，價(jià)格便宜。目前微型機(jī)有32位和64位機(jī)操作系統(tǒng)兩種。32位可以尋址2的32次方個(gè)字節(jié)的內(nèi)存范圍，64位則可尋址2的64次方個(gè)字節(jié)的內(nèi)存范圍。

2.圖形輸入、輸出設(shè)備圖形輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀、圖形輸入板等。圖形輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖機(jī)等。

3.外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)暫時(shí)不用或等待調(diào)用的程序、數(shù)據(jù)等信息，包括硬磁盤存儲(chǔ)器（簡稱硬盤）、光盤存儲(chǔ)器、U盤等。外存儲(chǔ)器通常容量大，但相比主存儲(chǔ)器（內(nèi)存），其存取速度慢。U盤是使用USB接口的無需物理驅(qū)動(dòng)器的微型高容量移動(dòng)存儲(chǔ)產(chǎn)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(jí)U盤能達(dá)到寫入20M，讀取30M的速度。4.網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備返回配置網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)適配器網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)接口卡（網(wǎng)卡),將計(jì)算機(jī)連到其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，網(wǎng)絡(luò)適配器中一般只實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理層和數(shù)據(jù)連路層的功能網(wǎng)絡(luò)媒體轉(zhuǎn)換中斷器路由器網(wǎng)關(guān)是網(wǎng)絡(luò)適配器和傳輸媒體的接口設(shè)備，提供信號(hào)電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)的隔離是網(wǎng)絡(luò)中不同傳輸媒體間的轉(zhuǎn)換設(shè)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(wǎng)網(wǎng)段以構(gòu)成一個(gè)以太網(wǎng)是工作在網(wǎng)絡(luò)層的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的互連設(shè)備，它可在網(wǎng)絡(luò)間提供路徑選擇的功能是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間互連設(shè)備的統(tǒng)稱，一般指在運(yùn)輸層以上實(shí)現(xiàn)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連的設(shè)備計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的軟件配置1.系統(tǒng)軟件（一級(jí)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(biāo)等圖形對(duì)象組成的圖形用戶界面(GUI)）

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

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（如FoxBASE、PARADOX、FoxPro、Oracle等）；

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如Novell、WindowsNTServer等）。

2.支撐軟件支撐軟件也稱為二級(jí)軟件，它是軟件公司、高級(jí)軟件技術(shù)人員利用一級(jí)軟件開發(fā)出來的，如繪圖軟件、動(dòng)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(tái)等。

3.應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件也稱為三級(jí)軟件，它是專業(yè)技術(shù)人員或軟件公司利用一級(jí)、二級(jí)軟件開發(fā)出來的各類應(yīng)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的發(fā)展1.2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD系統(tǒng)的組成1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的研究內(nèi)容1.4其他相關(guān)技術(shù)

（1）硬件配置：各類硬件的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能。

（光柵掃描顯示器、液晶顯示器、繪圖機(jī)）

（2）CAD/CAM軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、軟件的二次開發(fā)技術(shù)、圖形軟件的標(biāo)準(zhǔn)化。（AutoCAD參數(shù)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用、AutoCAD與PRO/E二次開發(fā)技術(shù)）（3）計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論和算法。主要內(nèi)容有:

1.3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與CAD的研究內(nèi)容

①基于圖形設(shè)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(duì)二維、三維圖形進(jìn)行比例、平移、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切、反射變換和對(duì)物體進(jìn)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(gòu)圖（解決二維圖形的并、交、差運(yùn)算）、三維實(shí)體造型（研究體素的形成，體素間的并、交、差運(yùn)算局部造型等）、特征造型。⑦真實(shí)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(xiàn)實(shí)環(huán)境的生成算法研究。⑨科學(xué)計(jì)算可視化的研究（如溫度、壓力、電荷等標(biāo)量場的可視表示和應(yīng)力場、電場、磁場等矢量場的可視表示）。⑩實(shí)時(shí)動(dòng)畫與多媒體技術(shù)，研究實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)畫的各種硬軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，如開發(fā)工具、動(dòng)畫語言及多媒體技術(shù)等

（4）自由曲線、曲面的造型技術(shù)

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(shù)。（5）圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)