《计算机辅助设计与制造》课件第3章

第3章计算机辅助图形处理技术3.1计算机辅助图形处理的基本知识3.2交互式绘图3.3参数化、变量化绘图

3.1计算机辅助图形处理的基本知识

3.1.1图形处理的基本概念

1.计算机辅助图形处理的含义及作用

计算机辅助图形处理就是利用计算机存储、生成、处理和显示图形，把过去由人工一笔一划完成的绘图工作由自动绘图机等图形输出设备来完成。

图3-1为计算机绘图系统的工作原理。图3-1计算机绘图系统

2.计算机绘图系统的类型

计算机绘图系统按其工作方式，可分为静态自动绘图系统和动态交互式绘图系统两种类型。静态自动绘图系统是将要绘制的图形编成绘图程序的系统，该系统在绘图过程中不允许人工干预和修改，如果所绘图形不符合要求，则需手工在图纸上改动或修改绘图程序。

3.计算机绘图系统的组成

计算机绘图系统由硬件和软件组成。硬件部分由计算机主机、外存储器(硬盘、光盘、U盘等)、输入设备(键盘、数字化仪、鼠标等)和输出设备(图形显示器、绘图机、打印机等)组成；而软件部分则由图形软件、应用数据库、图形库、应用程序组成。3.1.2图形软件

1.图形软件的类型

根据图形软件的功能和使用情况，归纳起来，图形软件可分为基本绘图指令软件、图形支撑软件、专用图形软件三类。

2.图形软件的功能

对于不同的图形软件系统，其功能也不尽相同，但作为一个图形支撑环境应具有如下基本功能：

(1)定义窗口与视区。

(2)图形描述。

(3)图形编辑与变换。

(4)图形控制。

(5)图形文件处理。

(6)交互处理功能。

3.图形软件标准

CAD/CAM技术的不断发展对计算机图形处理的要求越来越高，使图形应用软件的开发难度增大、成本提高。为此，软件开发人员更应遵循图形软件标准，使图形应用软件开发直接在面向应用的高层次上进行，而不要再在基本图形技术和接口上重复花费精力。3.1.3图形处理技术及算法的发展

计算机图形处理所涉及的技术和算法相当丰富，大致可分为以下几类。

1.图形生成技术与算法

1)基于图形设备的基本图形元素的生成算法

基于图形设备的基本图形元素的生成算法有在光栅显示器上生成直线、圆弧、规则曲线和封闭区域填充等算法。生成直线或圆弧的算法很多，常用的有：

(1) DDA(DigitalDifferentialAnalyzer)法，即根据直线的微分方程来画直线；

(2)  Bresenham算法，即根据直线的斜率

和相邻两列(行)像素的坐标差为1的事实得出

这是一个求yi+1的递推公式。

2)自由曲线和曲面的生成

曲线和曲面是描述物体外形不可缺少的元素。对于规则的曲线和曲面，只要按照其参数方程实际画出即可。而那些不能用简单的数学模型进行描述的线和面，则需由不规则的离散数据加以构造，通常采用插值法或曲线拟合法。

3)图形元素的求交以及集合运算

几何建模中的核心算法是物体拼合算法，也就是通过如交、并、差等集合运算将基本体拼合成所需要的任意复杂的物体。拼合运算的基础是几何运算。

4)不同字体的中西文的点阵表示及矢量字符的生成

我国制定了汉字代码的国家标准字符集。为了在终端显示器或绘图仪上输出字符，系统中必须有相应的字符库。字符库中存储了每个字符的形状信息，分为矢量型和点阵型两种。

2.图形的编辑修改技术和算法

1)图形裁剪

图形裁剪技术与窗口技术密切相关，其目的是把窗口区域内定义的图形以适当的比例输出，而把窗口之外的图形在输出时裁剪掉。常用的裁剪算法主要是针对直线、多边形以及字符的，有编码算法、矢量线段裁剪法、中点分割法等。

2)图形变换

图形变换包括图形的比例、对称、错切、旋转、平移变换，三维图形的投影、透视变换等。

3.真实图形技术

1)消隐

消隐算法是在给定空间观察位置之后，确定线段、边、面或体是否可见的算法。消隐算法的种类有很多，但多数依据以下几种基本算法原理：

(1)面的可见性检验，即检验从某一个方向观察物体时，哪些面是可见的，哪些面是被遮挡而不可见的。

(2)包含性检验，即讨论平面与直线段的相互关系问题，检验线段是否包含在平面与视线方向形成的柱体中，其实质是裁剪问题及判断某个点是否在一个环内。

(3)深度检验，即判断平面与直线段的前后关系。

2)明暗效应

三维物体或景物图形的真实感在很大程度上取决于明暗效应。所谓明暗效应指的是光照射在物体上，经周围具体环境相互作用后在人眼视网膜上产生的感知效果。因此，使用一些数学公式来近似计算物体表面反射或透射光的规律和比例，这种公式称为明暗效应的模型。在算法中使用该模型计算物体表面明暗度的过程就是明暗效应处理。在对三维形体的图形消隐后，再进行明暗效应处理可以进一步提高图形的真实感。

3)阴影

阴影是由于物体自身遮挡使光线照不到它的某些面以及场景中位于它后面的区域而形成的自然物理现象。在图形处理中将这种现象展示出来，必然增强画面的真实感。产生阴影的过程相当于两次消隐过程，一次是对每个光源消隐；另一次是对观察者的位置或视点消隐。从视点及光源看上去均可见的表面是不会落在阴影里的，只有那些从视点看上去是可见的，但从光源看上去是不可见(背光)的表面才位于阴影内。

4.科学计算的可视化

科学计算的可视化是把函数值计算或实验获得的大量数据，表现为人的视觉可以感受的计算机图像，其核心是三维空间数据场的显示。

5.虚拟现实技术

虚拟现实(VirtualReality)技术是指利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟环境，并在环境中结合不同的输入、输出设备与虚拟物体进行交互操作，随意观察周围的景物，自由地运动。3.1.4图形生成方法

1.轮廓线法

任何一个二维图形都由线条组成，这些线条是所描述实体上各几何形状特征在不同面上投影产生的轮廓线的集合。所谓轮廓线法，就是将这些线条逐一绘出，线条的位置只取决于线条的端点坐标，不分先后，没有约束，因而比较简单，适应面也广，但绘图工作量大、效率低、容易出错，尤其是不能满足系列化产品图形的设计要求，生成的图形无法通过尺寸参数加以修改。

2.参数化法

轮廓线法生成的图形重用率低，哪怕只变动一个几何尺寸，也要重新修改程序或重画相关部位。而在实际CAD中，常常面临系列化的设计，即基本几何拓扑关系不变，只变动形状尺寸，于是，产生了参数化法。

3.图形元素拼合法

图形元素拼合法(简称图元拼合法)类似于一种搭积木的方法，见图3-2。该方法是将各种常用的、带有某种特定专业含义的图形元素存储建库，设计绘图时，根据需要调用合适的图形元素加以拼合。图3-2图形元素拼合法示意

4.尺寸驱动法

尺寸驱动是一种交互式的变量设计方法。

5.三维实体投影法

回顾设计师的设计过程，尤其是进行零件结构设计时，首先在思维中建立起来的是一种三维物体模型，只是没有一个形象描述、记录的工具和手段，因而将其投影到不同的平面，绘出二维图纸；而在读图时，又要在大脑中还原图纸所表示的三维物体。

3.2交 互 式 绘 图

3.2.1交互技术

1.定位技术

定位技术即移动光标到满意位置，指定一个坐标。辅助定位方法主要有：

(1)网格化，即拉动光标定位在按规律划分的网格点上；

(2)捕捉，使光标捕捉定点(如端点、中点、圆心点等)；

(3)辅助线，利用辅助线找到要定位的点；

(4)导航，通过与相关实体的导航约束确定定位点；

(5)牵引，由已知实体特征点的正交牵引线导出定位点。

2.定量技术

交互过程中，输入某个数值则代表某个特定的量是常用的，如大小、长度、角度等。

3.定向技术

定向就是为坐标系中的图形确定某个方向。这仍然要首先确定坐标系和旋转自由度，然后可通过定义旋转中心、输入旋转角度完成；也可通过某些图形软件提供的动态热键旋转方式进行定向。但后者不适于精确的定向操作，多用于动态观察实体，选取最佳视觉角度。4.选择技术

选择技术主要指命令和选项的选择，有四种方式：

(1)鼠标移动光标选取选项；

(2)键入选项命令全称或助记符执行命令；

(3)按功能热键执行热键驱动的命令程序；

(4)语音控制选择选项。

5.拾取技术

拾取在多数情况下是针对图形对象而言的，它是交互式绘图及几何建模中不可缺少的功能。在二维坐标中，拾取的是线条或某个区域；而在三维坐标中，拾取的是面或体。

1)拾取判断

2)拾取到的现象

3)快速拾取的措施

6.文本技术

文本交互主要是确定字符串的内容和长度。文本技术一般采用的方法是：

(1)键入字符；

(2)菜单选择字符；

(3)单行或多行文本窗口输入字符；

(4)语音识别或笔划识别。

7.橡皮筋技术

针对变形类图形的要求，动态、连续地表现变形过程，像随意拉动橡皮筋一样，使用户在这个交互过程中找到最满意的变形状态。该技术常用于曲线、曲面设计。

8.拖动技术

将形体在空间的移动过程动态、连续地表示出来，可使用户实时观察到形体的位置，便于将其放置到希望的地方。拖动技术常用于演示部件装配过程，进行动画轨迹模拟。

9.草图技术

支持徒手绘图方式，可在屏幕上实现任意画图要求。草图技术将等距采样点用折线或拟合曲线连接起来，生成图形。草图技术又称为徒手画技术、草图器技术等。3.2.2交互技术的原则

1.一致性与规格化设计

一致性与规格化设计就是将所开发系统的交互功能设计成统一的模式和语义，以相同的命令语法和操作步骤工作，显示同样的屏幕状态格式，整个系统前后一致、规格统一。

2.反馈信息

所谓人机交互，就是在人将信息输入计算机后，计算机能有所反应，这就是反馈，它是交互界面的基本组成部分。人机交互的特点就在于所有计算机的反馈信息都是由人预先根据各种可能的输入而准备好存入计算机的。

3.防错和改错

系统内部应设计完整性、合理性的约束，具有较好的容错性。

4.提示和帮助

一个CAD/CAM系统的运行是十分复杂的，它有一系列定义、描述手段，有各种操作规则、命令语法，有许多可能出现的问题和状况，因此，一个良好的在线帮助功能是必不可少的。它能提供较详细的说明和信息，引导和帮助用户尽快掌握系统并正确使用系统。帮助功能的实现是靠热键或菜单项选择启动的，系统通常会设置多种帮助信息检索的方式，如按项目检索、按具体内容检索、按关键字检索等。提示功能的目的是引导用户按照系统的要求操作，并建议用户下一步的行动内容。

5.减少用户记忆量

交互式CAD系统是要找到人和机的最佳结合点，既利用计算机高精度、高速度、大容量的特点，又能充分发挥人的聪明智慧，使设计达到高质、高效。但如果系统的使用命令数量太多，格式繁琐，则不利于操作人员集中精力进行创造性工作，还容易出错，影响系统的推广应用。因此，尽量减小用户的记忆负担也是交互设计的原则之一。其解决措施有合理设计菜单结构，使菜单的功能命令包容面尽可能大；增加中文提示；设置在线帮助和手册；统一交互模式和操作方式等方面。3.2.3用户界面的设计

1.用户界面的类型

(1)所见即所得型。

(2)直接操作型。

(3)图标(Icon)型。

(4)菜单型。

(5)问答型。

(6)表格型。

(7)命令键入型。

(8)语音型。

2.用户界面涉及的内容

1)屏幕划分

针对显示屏幕的大小、格式和分辨率，合理、充分地利用屏幕，将屏幕作适当划分，以便于不同的显示用途。

2)字型选用

无论是菜单还是系统运行中的显示信息，若字符选用得当可以使界面更加美观，方便用户操作。

3.颜色和灰度选择

用不同颜色和灰度来标志信息、设置背景、分离不同形体，对于用户在操作过程中集中注意力、减少错误是非常有效的，同时对操作者的情绪、心情等均会产生影响。

4.菜单设计

菜单是一组功能、对象、数据或其他用户可选择实体的列表，是目前CAD/CAM系统中最常用的交互功能方法。在进行菜单设计时，通常要考虑菜单的结构、类型、形状等因素。

1)菜单的结构

2)菜单的类型

3)菜单的标识

4)菜单的形状

5)菜单的选择

3.3参数化、变量化绘图

3.3.1参数化、变量化绘图的基本概念

参数化绘图一般是指设计图形拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束。参数与图形的控制尺寸有显式的对应，不同的参数值驱动产生不同大小的几何图形。参数化绘图是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、优质的设计方法。3.3.2参数化绘图的实现

1.参数化绘图程序的设计步骤

参数化绘图程序的设计步骤如下：

(1)建立几何拓扑模型。

(2)进行参数化标注。

(3)推导参数表达式。

(4)编制程序。

2.几何图形的参数化分析与定义

图形的参数化定义一般应遵循以下原则：

(1)注重参数序列的设计含义；

(2)参数标注与工程图标注一致；

(3)参数序列与几何图形尺寸序列的数据结构具有映射关系；

(4)工程图中的关键尺寸应作为自变量参数；

(5)参数定义不能出现干涉、过约束。图3-3所示的轴，图(a)表示用轮廓线法绘图时，需计算出各点的坐标值，然后逐点连线；图(b)为参数化绘图，需进行参数化定义与标注，各尺寸之间无表达式关系。又如图3-4所示的连杆，首先按照通常的形状和拓扑约束关系定义几何模型，然后，根据连杆的功能原理和设计要求定义尺寸参数。图3-3两种绘轴方法比较示意图图3-4连杆的参数化绘制某些参数化绘图方法只允许形状尺寸的几何参数可变而结构不可变，也有些参数化系统同时允许子模型的拓扑排列可变。如图3-5(b)所示，轮缘的螺栓孔数随着轮缘直径的变化而改变。图3-5轮缘的两种绘制方法比较

3.参数化绘图的实现方式及步骤

进行参数化绘图，首先是在建立模型过程中直接将参数序列定义其中；然后利用草