计算机图形学作业

计算机图形学在计算机图形学在 CADCAD 领域中的应用领域中的应用 信息学院信息学院 自动化自动化 09050905 班班 王睿阳王睿阳 2009251920092519 1 1 计算机图形学计算机图形学 1 11 1 定义及简介定义及简介 计算机图形学 Computer Graphics 简称CG 是一种使用数学算法将二维或 三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学 计算机图形学一个主要目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感 图形 为此 必须建立图形所描述场景的几何表示 再用某种光照模型 计算 在假想的光源 纹理 材质属性下的光照明效果 同时 真实感图形计算的结 果是以数字图像的方式提供的 计算机图形学也就和图像处理有着密切的关系 1 21 2 研究内容研究内容 计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形 以及利 用计算机进行图形的计算 处理和显示的相关原理与算法 图形通常由点 线 面 体等几何元素和灰度 色彩 线型 线宽等非几何属性组成 从处理技术 上来看 图形主要分为两类 一类是基于线条信息表示的 如工程图 等高线 地图 曲面的线框图等 另一类是明暗图 也就是通常所说的真实感图形 计算机图形学的研究内容非常广泛 如图形硬件 图形标准 图形交互技 术 光栅图形生成算法 曲线曲面造型 实体造型 真实感图形计算与显示算 法 非真实感绘制 以及科学计算可视化 计算机动画 自然景物仿真 虚拟 现实等 1 31 3 发展概况发展概况 计算机图形学是利用计算机研究图形的表示 生成 处理 显示的科学 经过30多年的发展 计算机图形学已成为计算机科学中最为活跃的分支之一 并得到广泛的应用 1950年 第一台图形显示器作为美国麻省理工学院 MIT 旋风一号 Whirlwind 计算机的附件诞生 该显示器用一个类似示波器的阴极 射线管 CRT 来显示一些简单的图形 在整个50年代 只有电子管计算机 用 机器语言编程 主要应用于科学计算 为这些计算机配置的图形设备仅具有输 出功能 计算机图形学处于准备和酝酿时期 并称之为 被动式 图形学 2 2 计算机图形学在计算机图形学在 CADCAD 中的应用中的应用 2 12 1 CADCAD 技术简介技术简介 计算机辅助设计 CAD Computer Aided Design 指利用计算机及其图形设备 帮助设计人员进行设计工作 在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的 计算 分析和比较 以决定最优方案 各种设计信息 不论是数字的 文字的 或图形的 都能存放在计算机的内存或外存里 并能快速地检索 设计人员通 常用草图开始设计 将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成 由计 算机自动产生的设计结果 可以快速作出图形 使设计人员及时对设计作出判 断和修改 利用计算机可以进行与图形的编辑 放大 缩小 平移和旋转等有 关的图形数据加工工作 2 22 2 智能智能 CADCAD CAD 的发展也显现出智能化的趋势 就目前流行的大多数CAD 软件来 看 主要功能是支持产品的后续阶段一一工程图的绘制和输出 产品设计功 能相对薄弱 利用 AutoCAD 最常用的功能还是交互式绘图 如果要想进行 产品设计 最基本的是要其中的 AutoLisp 语言编写程序 有时还要用其他 高级语言协助编写 很不方便 而新一代的智能CAD 系统可以实现从概念 设计到结构设计的全过程 例如 德国西门子公司开发的 Sigraph Design 软件可以实现如下功能 从一开始就可以用计算机设计草图 不必耗时费 力的输入精确的坐标点 能随心所欲的修改 一旦结构确定 给出正确的尺 寸即得到满意的图纸 这个软件中具有关系 数据结构 当你改变图纸的 局部 相关部分自动变化 在一个视图上的修改 其他视图自动修改 甚至 改变一个零件图 相关的其它零件图以及装配图的相关部分自动修改 在各个专业领域中 有一些常用件和标准件 因此 希望有一个参数化图库 而 Sigraph 不用编程只需画一遍图就能建成自己的图库 Sigraph 还可 以实现产品设计的 动态模拟用于观察设计的装置在实际运行中是否合理等等 智能 CAD 的另一个领域是工程图纸的自动输入与智能识别 随着CAD 技术的迅速推广应用 各个工厂 设计院都需将成千上万张长期积累下来的 设计图纸快速而准确输入计算机 作为新产品开发的技术资料 多年来 CAD 中普遍采用的图形输入方法是图形数字化仪交互输入和鼠标加键盘的 交互输入方法 很难适应工程界大量图纸输入的迫切需要 因此 基于 光电扫描仪的图纸自动输入方法已成为国内外CAD 工作者的努力探索的新 课题 但由于工程图的智能识别涉及到计算机的硬件 计算机图形学 模式 识别及人工智能等高新技术内容 使得研究工作的难点较大 工程图的自动 输入与智能识别是两个密不可分的过程 用扫描仪将手绘图纸输入到计算机 后 形成的是 点阵图象 CAD 中只能对矢量图形进行编辑 这就要求将点 阵图象转化成矢量图形 而这些工作都让计算机自动完成 这就带来了许 多的问题 如 图象的智能识别 字符的提取与识别 图形拓扑结构 的建立与图形的理解 实用化的后处理方法等等 国家自然科学基金会和 863 计划基金都在支持这方面的研究 国内外已有一些这方面的软件付诸实 用 如美国的 RVmaster 德国的 VPmax 以及清华大学 东北大学的产品 等 但效果都不很理想 还未能达到人们企盼的效果 2 32 3 计算机图形学在计算机图形学在 CADCAD 技术中的应用技术中的应用 这是一个最广泛 最活跃的应用领域 计算机辅助设计 Computer Aided Design CAD 是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力 辅 助知识劳动者进行工程和产品的设计与分析 以达到理想的目的或取得创新成 果的一种技术 它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一 门新兴学科 计算机辅助设计技术的发展是与计算机软件 硬件技术的发展和 完善 与工程设计方法的革新紧密相关的 采用计算机辅助设计已是现代工程 设计的迫切需要 CAD技术目前已广泛应用于国民经济的各个方面 其主要的应 用领域有以下几个方面 2 3 12 3 1 制造业制造业 CAD技术已在制造业中广泛应用 其中以机床 汽车 飞机 船舶 航天器 等制造业应用最为广泛 深入 众所周知 一个产品的设计过程要经过概念设 计 详细设计 结构分析和优化 仿真模拟等几个主要阶段 同时 现代设计 技术将并行工程的概念引入到整个设计过程中 在设计阶段就对产品整个生命 周期进行综合考虑 当前先进的CAD应用系统已经将设计 绘图 分析 仿真 加工等一系列功能集成于一个系统内 现在较常用的软件有UGII I DEAS CATIA PRO E Euclid等CAD应用系统 这些系统主要运行在图形工作站 平台上 在PC 平台上运行的CAD应用软件主要有 Cimatron Solidwork MDT SolidEdge 等 由于各种因素 目前在二维CAD系 统中Autodesk 公司的AutoCAD占据了相当的市场 2 3 22 3 2 工业设计工业设计 CAD技术在工程领域的应用有以下几个方面 建筑设计 包括方案设计 三维造型 建筑渲染图设计等 结构设计 包括有限元分析 结构平面设计 框 排架结构计算和分析等 设备设计 包括水 电 暖各种设备及管道设计 城市规划 城市交通设计 如城市道路 高架 轻轨等 市政管线设计 如自来水 污水排放 煤气等 交通工程设计 如公路 桥梁 铁路等 水利工程设计 如大坝 水渠等 其他工程设计和管理 如房地产开发及物 业管理 工程概预算等 2 3 32 3 3 电气和电力电子电路电气和电力电子电路 CAD技术最早曾用于电路原理图和布线图的设计工作 目前 CAD技术已扩 展到印刷电路板的设计 布线及元器件布局 并在集成电路 大规模集成电 路和超大规模集成电路的设计制造中大显身手 并由此大大推动了微电子技术 和计算及技术的发展 2 3 42 3 4 仿真模拟和动画制作仿真模拟和动画制作 应用CAD技术可以真实地模拟机械零件的加工处理过程 飞机起降 船舶进 出港口 物体受力破坏分析 飞行训练环境 作战方针系统 事故现场重现等 现象 在文化娱乐界已大量利用计算机造型仿真出逼真的现实世界中没有的原 始动物 外星人以及各种场景等 并将动画和实际背景以及演员的表演天衣无 缝地合在一起 在电影制作技术上大放异彩 拍制出一个个激动人心的巨片 2 3 52 3 5 其他其他 CAD技术除了在上述领域中的应用外 在轻工 纺织 家电 服装 制鞋 医疗和医药乃至体育方面都会用到CAD技术 CAD标准化体系进一步