图形系统与图形格式介绍.ppt

计算机辅助设计及图形学 第二讲 CAD软硬件系统,华中科技大学机械学院CAD中心 吴义忠,本讲内容,2.1 CAD系统的构成与分类 2.2 CAD系统的硬件 2.3 CAD系统的软件 2.4 图形接口与数据交换标准 2.5 主要商用CAD系统介绍 2.6 CAD系统的设计与选择原则,2.1 CAD系统的结构与分类,CAD系统的层次结构,CAD系统的分类,大型机系统（Mainframe-based system） 小型机系统（Minicomputer-based system） 图形工作站系统(Workstation-based system) 微型机系统(Microcomputer-based system),计算机系统： 主机 外围设备： 存储设备、网络设备 图形输入： 键盘、鼠标、光笔、 数字化仪、扫描仪、 虚拟现实输入设备 输出设备： 显示器、绘图机、 打印机、投影仪、 三维立体显示设备 虚拟现实输出设备,2.2 CAD系统的硬件,CAD系统硬件组成,其他图形输入设备,逆向工程中常使用 三坐标测量仪 激光扫描仪,图形显示设备,阴极射线管(CRT：Cathode Ray Tube) 占统治地位的显示器件 液晶显示 等离子体显示 其他显示器 激光显示 光二极管显示,CRT显示器工作原理,CRT的结构，由装在一个玻璃壳内的电子枪、偏转系统及荧光屏组成,彩色阴极射线管,RGB三支电子枪,CRT图形显示器,随机扫描的图形显示器 直视存储管图形显示器 光栅扫描的图形显示器,向量（vector）显示器、笔划（Stroke writing）显示器。 随机扫描（random-scan）的图形显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，即电子束的扫描轨迹随显示内容而变化，只在需要的地方扫描，而不必全屏扫描。,随机扫描的图形显示器,随机扫描的图形显示器,随机扫描图形显示器的工作原理,无冗余扫描、速度快、图像清晰、比光栅系统更高的分辨率、生成光滑线条； 不能显示逼真场景、和电视标准不一致、驱动系统也较复杂。,随机扫描的图形显示器,直视存储管DVST（direct-view storage tube）从表面上看直视存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。,直视存储管图形显示器,直视存储管图形显示器,直视存储管图形显示器的工作原理,工作原理,无需刷新； 很复杂的图形都可以在极高的分辨率下无闪烁地显示； 成本较低； 不能显示彩色； 不能局部修改； 擦除和重画过程可能持续较长时间。,直视存储管图形显示器,光栅扫描图形显示器,图2.18 光栅扫描原理,工作原理：光栅扫描是控制电子束按某种光栅形状进行的顺序扫描，而字符、图像是靠Z轴信号控制辉亮来形成的。,光栅扫描图形显示器的工作原理,像素（pixel或pel，是picture element的简写）: 像素信息从应用程序转换并放入帧缓冲区的过程称之为扫描转换过程。 刷新缓冲存储器（refresh buffer）或称帧缓冲存储器（frame buffer）。,光栅扫描图形显示器,光点一般是指电子束打在显示器的荧光屏上，显示器能够显示的最小的发光点。 像素点是指图形显示在屏幕上时候，按当前的图形显示分辨率所能提供的最小元素点。,相关概念分辨率,屏幕分辨率，也称为光栅分辨率，它决定了显示系统最大可能的分辨率，任何显示控制器所提供的分辨率也不能超过这个物理分辨率。 通常用水平方向上的光点数与垂直方向上的光点数的乘积来表示。,相关概念分辨率,显示分辨率是计算机显示控制器所能够提供的显示模式分辨率，实际应用中简称为显示模式。 对于文本显示方式，显示分辨率用水平和垂直方向上所能显示的字符总数的乘积表示。 对于图形显示方式，则用水平和垂直方向上所能显示的象素点总数的乘积表示。 显示分辨率不同，它所对应的象素点大小也不同。,相关概念分辨率,分辨率,电子束产生的光点直径通常为0.25-0.5mm ,若取屏幕的有效面积为3030cm2，则可在屏幕上构成了10241024个网格,也称为栅格，其单位约等于0.3mm。 同样大小的屏幕，如光点直径小，则网格数就可增多，称分辨率高（分辨率是指两个光点之间的最小距离，是指分辨能力大小的物理量）。 分辨率越高图形线条越平滑，图形越清晰。目前微机显示器的光点有约0.26及0.32mm等，分辨率可达1024768,象素的灰度和颜色,光栅化后的象素值存放在帧缓存中，每个单元地址与屏幕上的象素地址是一一对应的，但单元的位数可不同 当只存一位时，则代表该象素亮或不亮，图形只有黑白效果， 如有8位(如图中所示，也称位面1到位面8)，则每个象素值的变化有256种，就可用来表示不同灰度或颜色，图形就有灰度和彩色 常用的是4位或8位,16位，24位,32位，可以表示十分丰富的色彩等级,在颜色位面法中，帧缓存被分成若干独立的存储区域，每一个区域称为一个位面（Bit Plane），每个位面控制一种颜色或者灰度，每一个图形象素点在每个位面中占一位，通过几个位面中的同一位组合成一个象素。,相关概念像素与帧缓存,颜色位面法,具有24位面彩色帧缓存的显示器,颜色查找表也称调色板，是由高速的随机存储器组成，用来储存表达象素色彩的代码。此时帧缓冲存储器中每一象素对应单元的代码不再代表该象素的色彩值，而是作为查色表的地址索引。,相关概念颜色查找表,具有24位面彩色帧缓存和10位颜色查找表的显示器,2.3 CAD系统的软件组成,CAD软件系统的发展 CAD系统作为计算机应用系统的一个重要分支，经历了三个发展阶段：,集中式系统：一台主机控制多台终端（早期模式，80年代中期， 微机没普及），主机故障影响全部； 分离式系统：一台主机一套系统，工作相互不受影响，得益于工 作站与微机的发展； 分布式系统：网络时代的产物，C/S或B/S结构，支持异地、异构 平台协同工作（采用工作站和微机网络系统）,2.3 CAD系统的软件组成,2.3.1 系统组成 系统软件 支撑软件 应用软件,CAD软件层次架构,2.3.2 系统软件,概念 提供CAD运行环境的通用软件或工具软件 分类 操作系统 Windows、Unix、Linux、Dos、Os等 数据库管理系统（DBMS） SQL server、ORACLE、SYBASE、ACCESS 网络服务软件 服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等 基础算法、界面支撑类库 VC，VB的基础算法、图形界面类库,2.3.3 支撑软件,概念 在系统软件的基础上开发的满足CAD用户一些共同需要的通用软件或工具软件 分类 计算机分析软件 常用数学方法库及其可视化 有限元分析 优化设计 集成化CAD/CAM/CAE软件 AutoCAD、SolidWorks、UG、ProE、CATIA 数据库管理系统（DBMS） 图形核心系统（GKS,Parasolid,ACIS） 数据交换接口,2.3.4 应用软件,在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门领域的需要而研制的软件 通常由用户结合当前设计工作自行开发，也称为“二次开发” 与支撑软件比较： 应用软件主要是为某一特定产品开发出来的软件，而支撑软件是一些通用性的软件 应用软件通常利用已有的支撑软件的技术及二次开发功能，而不是从头开始 支撑软件一般市场上买的到，而应用软件需要用户开发 应用软件逐步商品化成通用软件后，也可以称为支撑软件,2.4 图形核心与图形标准,向高级语言提供相应的接口程序(图形库)，以实现图形向设备的输出 依赖于所用的操作系统的图形接口 TC下graphic库 Borland C+的DOS版提供BGI接口 Windows的GUI提供与设备无关的绘图函数，WPF/SiverLight UNIX操作系统由具有统一接口的Xlib库 统一不同硬件环境和操作系统平台下的接口 GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OpenGL、Java2d/3d、DirectX/3d Parasolid ACIS,图形数据交换标准中性,为了满足不同CAx应用系统之间对工程产品数据模型的交换、共享需要，制订了图形(产品)信息交换标准,IGES: Initial Graphics Exchange Specification DXF: Drawing Exchange Format STL：STereoLithogrphy VRML：Visual Reality Markup（标记） Language STEP: Standard for the Exchange of Product model Data,IGES,在不同的CAD/CAM系统之间进行交换数据 过去常采用的方法是把一个系统产生的数据文件翻译成另一个CAD/CAM系统能识别的数据文件 多个CAD/CAM系统就需要多个翻译器 基本图形转换规范IGES 如数据要从系统A传递到系统B，必须由系统A中的IGES前处理器把这些传送的数据格式转换为IGES格式，再由系统B中的IGES后处理器把其从IGES格式转换为该系统内部的数据格式，反之亦然 IGES 1982年成为ANSI标准，目前虽然不是ISO标准，实际上已是工业标准,IGES特点,数据格式相对简单 不能精确地完整转换数据，其原因是在不同的CAD/CAM系统之间许多概念不一样，使得某些定义数据或信息会丢失 在转换数据的过程中可能会产生错误，且很难确定，常要人工去处理IGES文件 产生的数据量太大,DXF格式,AutoCAD(Drawing Interchange Format或者Drawing Exchange Format) 绘图交换文件。DXF 是Autodesk公司开发的用于AutoCAD与其它软件之间进行CAD数据交换的CAD数据文件格式。DXF是一种开放的矢量数据格式，可以分为两类：ASCII格式和二进制格式；ASCII具有可读性好，但占有空间较大；二进制格式占有空间小、读取速度快。由于Autocad现在是最流行的cad系统，DXF也被广泛使用，成为事实上的标准。绝大多数CAD系统都能读入或输出DXF文件。 DXF文件是由很多的“代码”和“值”组成的“数据对”构造而成，这里的代码称为“组码”（group code），指定其后的值的类型和用途。每个组码和值必须为单独的一行的。 DXF文件被组织成为多个“段”（section），每个段以组码“0”和字符串“SECTION”开头，紧接着是组码“2”和表示段名的字符串（如HEADER）。段的中间，可以使用组码和值定义段中的元素。段的结尾使用组码“0”和字符串“ENDSEC”来定义。,DXF文件格式,ASCII 格式的 DXF 可以用文本编辑器进行查看。DXF 文件的基本组成如下所示： HEADER 部分 - 图的总体信息。每个参数都有一个变量名和相应的值。 CLASSES 部分 - 包括应用程序定义的类的信息，这些实例将显示在 BLOCKS、ENTITIES 以及 OBJECTS 部分。通常不包括用于充分用于与其它应用程序交互的信息。 TABLES 部分 - 这部分包括命名条目的定义。 Application ID (APPID) 表 Block Recod (BLOCK_RECORD) 表 Dimension Style (DIMSTYPE) 表 Layer (LAYER) 表 Linetype (LTYPE) 表 Text style (STYLE) 表 User Coordinate System (UCS) 表 View (VIEW)表 Viewport configuration (VPORT) 表 BLOCKS 部分- 这部分包括 Block Definition 实体用于定义每个 Block 的组成。 ENTITIES 部分 - 这部分是绘图实体，包括 Block References 在内。 OBJECTS 部分 - 包括非图形对象的数据，供 AutoLISP 以及 ObjectARX 应用程序所使用。 THUMBNAILIMAGE 部分 - 包括 DXF 文件的预览图。 END OF FILE,VRML格式,VRML即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无关性。是目前Internet上基于 WWW的三维互动网站制作的主流语言。 VRML是虚拟现实造型语言的简称，本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的VR（虚拟世界）。,VRML支持多媒体 其实体模型可由CAD软件直接输出,STL格式,STL文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个顶点的三维坐标，三角形面片的法矢量。三角形顶点的排列顺序遵循右手法则，三角形面片的个数则按STL文件的类型，有直接给出的，也有不给出的。STL文件中还包括其它一些信息，如文件名，文件描述等等。 STL文件有两种类型，ASC格式和二进制格式： ASC格式，即文本格式，使用字符串来描述三角形面片的定义及其它信息。它使用以下关键字：solid, facet normal, outer loop, vertex, endloop, endfacet, endsolid。整个文件可描述如下： solid filename /STL文件开始标志及此文件名 facet normal 法矢量的三个分量值 outer loop vertex 第一个顶点的三维坐标 vertex 第二个顶点的三维坐标 vertex 第三个顶点的三维坐标 endloop /三角形顶点定义结束 endfacet /第一个三角形面片定义结束 endsolid filename /整个文件结束 二进制格式，在此格式下的每个三角形面片占固定的50字节。其格式描述如下： 地址 长度(字节) 数据类型 描述,STEP,国际标准化组织ISO制定产品数据模型转换标准STEP 克服IGES存在的问题，扩大转换CAD/CAM系统中几何、拓扑数据的范围 产品数据模型覆盖产品整个生命周期，全面定义了产品所以得数据单元，包括设计、分析、制造、测试、检验零部件或机构所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据 针对不同的领域制定了相应的应用协议 ，覆盖的领域包括二维工程图、一般机械设计和工艺、造船、建筑、汽车制造,2.5 主要商用CAD、CAE系统,由美国SolidWorks公司开发，现被Dassault并购,PTC,MSC,MSC,MSC,各种CAx软件工具： CAD（2D、3D）、CAE、CAPP、CAM等,典型系统介绍,目前国际知名CAD软件公司,两大阵营 ：CATIA为代表（整体方案） UG 为代表（整体方案） 其它：Pro/E为表（整体方案） AutoCAD为代表 高档：CATIA、UG、 Pro/E 中档：Solidworks、Solidedges、Inventor 低档：国产三维CAD 二维：AutoCAD、国产二维CAD,AutoDesk及AutoCAD,AutoCAD是微机上CAD技术软件，国际上广为流行的绘图工具。可以绘制任意二维和三维图形，速度快、精度高，在航空航天、造船、建筑、机械、电子、化工、美工等很多领域得到广泛应用。 AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用，从而不断提高工作效率。 AutoCAD可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320200到20481024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种。 AutoCAD的发展可分为初级阶段（1982.11-84.10，AutoCAD R1.0,1.2, 2.0 ）、中级阶段（85.5-87.9,，R2.17,2.5，, 9.03 ） 、提高阶段（88.8-92，R10.0，, 12.0 ） 、高级阶段（96.6-99.1, R13,R14, R2000 ）和完善阶段（2001.9-， R2002, ） 。,Autodesk 是世界领先的设计软件和数字内容创建公司，用于建筑、机械、通信、娱乐等领域，为 150 多个国家的400多万用户服务。当今没有哪家公司能在产品品种和市场占有率方面与之匹敌 （AutoCAD, 3DS, MDT, Inventor, ）。 Autodesk公司1982年成立，AutoCAD面市；85年成为首家上市的 PC CAD 公司；90年，Autodesk 成立多媒体部，推出了第一个动画工作3D Studio 软件；94年，Autodesk售出第100万套AutoCAD，同时进入中国市场；99年，推出Autodesk Inventor；1992年2004年，Autodesk收购多家公司；05年，Autodesk营业收入已超过10亿美元。,友好的界面，易学易用、价格便宜、性价比高 完全自动捕捉设计意图和引导设计修改 装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件，支持“自顶而下”方法还是“自底而上”的方法进行装配设计 全面的零件实体建模功能，二维和三维全关联 标注和细节绘制工具，能快捷地工程绘图 具有全相关的钣金设计能力 提供完整的开发工具(API)，用户可以用微软的VB、VC或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案 丰富的数据转换接口,Solidworks,最早基于Windows的三维设计软件,Pro/E,Pro/E采用参数化设计方法、基于特征的实体造型技术，便于工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型 建立在统一的数据库基础上，在整个设计过程的任何一处发生改动，均可以反应在整个设计过程的相关环节上 Pro/E采用三维线框设计的思想，首先建立基准面，在基准面上画二维草图，用扫成法将二维轮廓生成三维形体。依次更换参考面，用显式操作生成形体，尽量避免求交、裁剪等集合运算。 随时记录特征元素的生成操作过程，当修改标注尺寸值后，用尺寸驱动方法修改相应二维轮廓，重新运行零件设计过程的全部操作命令，由此实现参数化特征建模，使曲面、实体、参数化特征设计融为一体，可以任意构造复杂零件和装配件。,Pro/E开创了参数化特征设计的先河,CATIA,达索飞机公司67年用Bzier曲面建立飞机外形数学模型，70年展开幻影战斗机数字化设计。 74年扩大CAD规模，从美国引进洛克希德飞机公司CADAM系统，75年100万美元引进CADAM源程序。 77年开发三维交互CAD软件，78年投入使用CATIA。同时建立主数据库，统一管理CADAM二维结构图和CATIA三维模型文件。 81年IBM公司开始负责经销CATIA系统，并组建达索系统公司。90年IBM用2.7亿美元收购CADAM，92年托付达索管理。 97年3.1亿美元收购SolidWorks，97年1.05亿美元收购Deneb精益制造布局仿真软件Delmia，98年在美成立ENOVIA公司开发PDMII，98年达索接管法国马特拉（MATRA）的CAD/CAM业务，包括Euclid等，99年收购SmarTeam业务，2000年用2150万并购ACIS 3D业务。 至此，达索/CATIA完成了PLM的战略布局，形成产品全生命期的CAD/CAM/CAE/PDM一体化管理，为数字化企业提供电子商务的完整工具，实现产品从初步设计到售后服务的全过程仿真。 其中CATIA和SolidWorks支持产品数字化设计和仿真，Delmia完成精益制造过程的数字定义和仿真，Enovia提供数字化产品、过程、知识和资源的集成化、分布式协同管理。三者构成产品全生命期流程，支持企业协同的知识重用。 CATIA V4 93年推出，适合IBM主机和工作站，有113种独立的功能模块。 98年推出CATIA V5 Windows NT。CATIA V4的曲面系统使用Bzier形式，现在改成NURBS形式，且采用DCM约束管理软件。,曲面造型系统代表,UG,UG （1960）起源于美国麦道飞机公司，美国通用汽车选中UG作为全公司的CAD、CAE、CAM、IMAN作为CIM主导系统，进一步推动UG发展。97年10月Unigraphics Solutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将Solidedge软件统一到Parasolid平台上。 为了实现强强联手的发展战略，2001年EDS并购了SDRC，2004年SDRC的IDEAS和EDS的UG推出第一个合并版本NX1.0。2003年11月，UGS从EDS中分离出来独立发展。2007年又被Simens公司收购，称Simens PLM Software公司，UG Nx被称为Simens NX。 UG是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件，采用参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合。目前UG形成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和Windows NT微机版的较完善的企业级CAD、CAE、CA