《计算机图形学基础与CAD开发》课件-第1章 绪论

计算机图形学基础与CAD开发学时：24+16上机时间：

（1）2015.4.4（周五）14：00-18：00

205、207机房

（2）2015.4.17（周五）18：00-22：00

208机房（3）2015.4.24（周五）18：00-22：00

205机房（4）2015.5.15（周五）18：00-22：00

205机房

（5）2015.6.27（周六）14：00-18：00

207机房本课程的教学目标？为什么要学习该课程？如何学习该课程？课程概述

本课程的教学目标本课程使学生了解计算机图形学系统的组成和软硬件技术，了解计算机图形学的发展、应用及当前的研究热点；掌握计算机处理二、三维图形的基本理论与算法；培养学生计算机绘图的操作实践能力、计算机图形处理及软件的二次开发能力，为今后从事计算机辅助设计、计算机图形处理等方面的工作奠定必要的基础。课程完成后，学生将具备以下知识和能力：1.掌握二、三维图形的计算机生成和处理的基本理论与知识；

2.

熟悉和掌握具备二、三绘图软件的二次开发能力；3.了解计算机图形学的发展和应用，具有不断学习新技术、新方法的意识。学习目录绪论—计算机图形学与CAD的发展、组成、研究内容以及相关技术图形输入、输出设备—重点光栅显示器组成与工作原理二维图形生成与图形处理—重点直线生成算法、二维图形基本变换、裁剪算法、填充算法等AutoCAD的参数化绘图技术—

AutoLISP参数化绘图技术、AutoLISP参数化绘图应用学习目录AutoCAD图形库管理系统设计与开发—图形库管理系统的组成、AutoCAD交互工作界面、对话框设计与驱动、AutoCAD图形数据库开发自由曲线与曲面—概述、三次参数样条曲线、Bézier曲线、B样条曲线、自由曲线曲面在AutoCAD的应用三维形体建模与图形处理—重点三维形体建模基础、三维图形基本变换三维CAD软件的二次开发技术—Pro/TOOLKIT开发技术、Pro/E交互界面设计本课程的教学目标？为什么要学习该课程？如何学习该课程？课程概述为什么要学习该课程？设计制造数字化、智能化是产品设计发展的大趋势。

其理论基础就是传统图学、计算机图形学、应用数学、计算机科学、网络技术、通信技术。CAD是当前产品设计的主要技术和手段

计算机辅助绘图、计算机辅助设计、计算机辅助管理在当前机械专业课程设置中，本科阶段少数几门相关CAD的课程。本课程的教学目标？为什么要学习该课程？如何学习该课程？课程概述

如何学习该课程？

课堂教学课后作业和上机实践平时关注计算机图形学及CAD的发展。

课程考核方式：

平时成绩（60分）评价环节考核/评价细则课堂情况（10分）主要考核学生的纪律、学习态度等。平时作业（25分）主要考核学生对每堂课知识点的理解和掌握程度，计算全部作业的平均成绩再按25%计入总成绩。上机实践（25分）主要考核学生对CAD二次开发内容的掌握程度，以及学生的动手实践能力、知识的应用能力。期末大作业成绩（40分）课程大作业（40分）综合考核学生对计算机图形学基础理论知识以及CAD软件二次开发的综合掌握程度。学生根据任课教师提出的题目要求编写课程学习大作业，最后评定课程大作业成绩。教材：高等学校十三五规划教材《计算机图形学基础与CAD开发》,杜淑幸主编，西安电子科技大学出版社，2018年9月。第1章绪论1.1计算机图形学与CAD的发展1.2计算机图形学与CAD系统的组成1.3计算机图形学与CAD的研究内容1.4其他相关技术

1.1.1计算机图形学与CAD的发展平台式绘图机1950年1952年1959年显示器数控铣床滚筒式绘图机ComputerGraphics硬件设备（光栅扫描显示器、数字化仪、绘图机)图形理论和软件系统(曲线曲面、真实感生成等）1962年1970～198080年代后AutoCAD、PD、I-DEASPro/E

90年代博士论文：一个人机通信的图学系统被动式交互式(CAD）20世纪90年代计算机图形学的研究和发展主要特点:①图形、图像的研究日益结合。许多商品化的图形处理系统同时具有图形、图像处理功能，这样的系统适应性、实用性更强。(AutoCAD、SolidEdge、Richno）②特征造型理论和技术得到较快的发展，CAD/CAM系统的集成化程度提高。（PRO/E、I-DEAS、UG、CATIA)；

③动画技术和自然景物模拟技术的研究更深入，动画软件走俏。(3DSMAX、Flash)景物模拟—分形法自然景物模拟—粒子系统

④可视化技术、虚拟现实技术（环境模拟）的研究与应用更加广泛。

可视化（Visualization）：是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。比如：

科学计算可视化（温度场、应力应变可视化）；海量数据可视化（将借助航天航空、遥感、加速器、CT（计算机断层扫描）、MRI（核磁共振）、计算机模拟（如核爆炸）等手段获取的数据可视化。

虚拟现实技术：以图形、图像的可视化技术为依托的一门技术。如虚拟装配与检测；虚拟城市规划；军事的虚拟训练；虚拟手术；虚拟设计等

全球温度分布图核医学成像合成的螺旋星云可见光数据可视化虚拟现实技术数字化设计制造阶段---

数字化设计制造就是在交叉、融和、应用计算机图形学理论、计算机技术、网络技术与管理科学的基础上，实现制造企业、制造系统的全面数字化，其内涵包括三个层面：以设计为中心的数字化制造技术、以控制为中心的数字化制造技术、以管理为中心的数字化制造技术。

数字化设计制造是未来产品设计制造的必然趋势。复杂度越高的产品，使用数字化设计制造的意义愈加重大，但是实现设计制造全数字化、建立数字化企业是一个相当复杂的系统工程。

1.1.1计算机图形学的发展智能化设计与制造阶段---

智能化设计与制造是由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，在设计制造过程中能开展分析、推理、判断、构思和决策一系列智能活动。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在设计制造过程中的脑力劳动，使得设计制造扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

比如专家系统技术可以用于工程设计、工艺设计、生产调度、故障诊断等。也可以将神经网络和模糊控制技术等先进的计算机智能方法应用于产品配方、生产调度等，实现制造过程智能化。

人工智能技术尤其适合于解决特别复杂和不确定的问题。但是要实现设计与制造全过程的智能化，是一件非常复杂艰难的工程，还需要很长的路去探索。

1.1.1计算机图形学的发展初始阶段（20世纪50年代）研制实验阶段（20世纪60年代）技术商品化阶段（20世纪70年代）高速发展阶段（20世纪80年代）全面普及阶段（20世纪90年代）数字化设计制造（21世纪）智能化设计与制造（21世纪）

1.1.1计算机图形学与CAD的发展第1章绪论1.1计算机图形学与CAD的发展1.2计算机图形学与CAD系统的组成1.3计算机图形学与CAD的研究内容1.4其他相关技术1.2计算机图形学与CAD系统的组成

计算机图形学与CAD系统的功能

计算机图形学与CAD系统的配置1.2.1计算机图形学与CAD系统的功能

计算机图形学与CAD系统的功能

.输入功能

计算功能

存储功能

交互功能

输出功能

通信功能

1.输入功能

通过键盘、鼠标扫描仪、图形输入板等输入设备能将图形的形状、尺寸以及必要的参数等送给计算机进行处理。

2.计算功能除了数值计算外，还包括图形设计与分析的程序库以及描述图形的图形数据库。在图形数据库中，应有坐标的几何变换、曲线曲面的形成、图形的交点计算等功能。

3.存储功能在计算机的内、外存储器中能存放图形数据及其相互关系，便于有关信息的检索以及图形的变更、增加、删除等处理。

4.交互功能设计人员能通过显示器观看设计的结果和图形，对不满意的地方，能用图形输入设备以人机对话方式进行修改。

5.输出功能用于记录和保存设计结果，包括源程序、计算结果、设计图形等。根据需要，可以通过打印机、绘图机等输出结果，便于永久性保存；也可以通过磁盘、光盘等以文件形式输出，这种输出灵活性大，使用较广。

6.通信功能

信息共享，实现设计制造的网络化、智能化

计算机图形学与CAD系统

硬件配置

软件配置

1.2.2计算机图形学与CAD系统的配置计算机图形学与CAD系统硬件配置外存储器主机图形输出设备图形输入设备网络通信设备

1.主机主要由CPU（中央处理器）和主存储器组成。

CPU控制器运算器负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号负责执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换

1.主机主要由CPU（中央处理器）和主存储器组成。

现代计算机为了提高性能，又兼顾造价，采用多级存储体系，即包括存储容量小、存取速度高的高速缓冲存储器以及存储容量和存取速度适中的主存储器。主存储器容量的大小对运算速度有一定的影响。

绘图系统中的主机有大型机、中型机、小型机以及微型机。

目前微型机在运行速度、计算精度、存储容量等方面都能满足计算机图形学与CAD需求，价格便宜。目前微型机有32位和64位机操作系统两种。32位可以寻址2的32次方个字节的内存范围，64位则可寻址2的64次方个字节的内存范围。

2.图形输入、输出设备图形输入设备：键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板等。图形输出设备：显示器、打印机、绘图机等。

3.外存储器外存储器用来存储暂时不用或等待调用的程序、数据等信息，包括硬磁盘存储器（简称硬盘）、光盘存储器、U盘等。外存储器通常容量大，但相比主存储器（内存），其存取速度慢。U盘是使用USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，即插即用，也被称为“闪盘”。USB2.0情况下，正常的U盘写速度在5M-10M之间，读速度在15M-30M左右。部分高级U盘能达到写入20M，读取30M的速度。4.网络通信设备返回配置网络通信设备网络适配器网络收发器网络接口卡（网卡),将计算机连到其他网络设备上，网络适配器中一般只实现网络物理层和数据连路层的功能网络媒体转换中断器路由器网关是网络适配器和传输媒体的接口设备，提供信号电平转换和信号的隔离是网络中不同传输媒体间的转换设备，如双绞线和光纤等延伸传输媒体的距离，利用中断器可以连接不同的以太网网段以构成一个以太网是工作在网络层的多个网络间的互连设备，它可在网络间提供路径选择的功能是多个网络间互连设备的统称，一般指在运输层以上实现多个网络互连的设备计算机图形学与CAD系统的软件配置1.系统软件（一级软件）。它包括：

各种操作系统（如DOS、UNIX、Windows98、Windows2000系列、WindowsXP、WindowsNT等）；窗口系统（也称第二操作系统，是由窗口、菜单、按钮、图标等图形对象组成的图形用户界面(GUI)）

各种高级语言系统（如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C、JAVA、Lisp(AutoLisp、VisualLisp)、Delphi、Powerbuilder等）；

数据库管理系统（如FoxBASE、PARADOX、FoxPro、Oracle等）；

网络系统（如Novell、WindowsNTServer等）。

2.支撑软件支撑软件也称为二级软件，它是软件公司、高级软件技术人员利用一级软件开发出来的，如绘图软件、动画软件、几何造型系统、有限元分析软件、热分析软件、各种软件平台等。

3.应用软件应用软件也称为三级软件，它是专业技术人员或软件公司利用一级、二级软件开发出来的各类应用软件，如汽车CAD软件、各类模具CAD软件、建筑CAD软件、服装CAD软件及课程CAI软件等。返回配置第1章绪论1.1计算机图形学与CAD的发展1.2计算机图形学与CAD系统的组成1.3计算机图形学与CAD的研究内容1.4其他相关技术

（1）硬件配置：各类硬件的结构、工作原理及性能。

（光栅扫描显示器、液晶显示器、绘图机）

（2）CAD/CAM软件的设计与应用、软件的二次开发技术、图形软件的标准化。（AutoCAD参数化设计与应用、AutoCAD与PRO/E二次开发技术）（3）计算机图形学理论和算法。主要内容有:

1.3计算机图形学与CAD的研究内容

①基于图形设备的基本图形元素的生成算法，如直线、字符、圆弧二次曲线、图案填充等。②图形变换，即对二维、三维图形进行比例、平移、旋转、错切、反射变换和对物体进行投影变换。

③图形裁剪与填充，包括二维开窗裁剪填充、三维裁剪。④自由曲线和曲面的插值、逼近、拼接、分解、过渡、光顺、整体和局部修改等。（Bezier、B-spline曲线与曲面）

⑤三维图形中隐藏线、隐藏面的消除。

⑥二维面素拼合构图（解决二维图形的并、交、差运算）、三维实体造型（研究体素的形成，体素间的并、交、差运算局部造型等）、特征造型。⑦真实感图形（即逼真图像）的生成。⑧自然景物（如山、花、草、树、水、火、烟、云、雾等）的模拟生成和虚拟现实环境的生成算法研究。⑨科学计算可视化的研究（如温度、压力、电荷等标量场的可视表示和应力场、电场、磁场等矢量场的可视表示）。⑩实时动画与多媒体技术，研究实现高速动画的各种硬软件实现技术，如开发工具、动画语言及多媒体技术等

（4）自由曲线、曲面的造型技术

包括自由曲线与曲面的定义、拟合、拼接、分解、光顺、修改、反算等技术。（5）图形数据结构及数