计算机图形学应用与开发内容提要

计算机图形学应用与开发,内容提要,1、计算机图形学应用领域2、CAD/CAM技术概况3、计算机图形学在制造行业的应用与开发4、AutoCAD图形系统个案分析5、小结,计算机图形学的应用,目前计算机图形学应用领域主要有：1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）2.影视游戏广告中的应用3.景观仿真中的应用4.服装流行款式中的应用5.医学领域中的应用6.虚拟人，虚拟显示7.CG艺术,线框图,实体图,CAD/CAM是计算机图形学在工业界最广泛、最活跃的应用领域。计算机图形学被用来进行土建工程、机械结构和产品的设计，包括设计飞机、汽车、船舶的外形和发电厂、化工厂等的布局以及电子线路、电子器件等,1.计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）,2.影视游戏广告中的应用,在计算机中重现真实世界的场景叫做真实感绘制。真实感绘制的主要任务是模拟真实物体的物理属性，简单的说就是物体的形状、光学性质、表面的纹理和粗糙程度，以及物体间的相对位置、遮挡关系等等。这其中光照和表面属性是最难模拟的。,3.景观仿真中的应用,天空和海洋的真实模拟,生物仿真模拟,室外建筑效果图,室内装饰效果图,4.服装流行款式中的应用,5.医学领域中的应用,例:CT扫描(医学):计算机X射线断层造影术;电脑断层摄影法Computerized TomographyX射线围绕着人体扫描，在穿过人体之后，X线投射在随X线球管一起运动或静止不动的一系列探测器上，对扫描的体积断面所采集X线信息，通过先进的计算技术（Fourier转换，反投射法）转换成二维的图像。尽管CT技术较X线平片复杂，基本原理是一样的，即高密度的物质阻挡X射线的穿透。,6.虚拟人，虚拟显示,我国第一个虚拟节目主持人比尔-邓出现在电视节目科技新闻周刊,由一虚拟主持人Tilde 介绍最新及有趣的科技和互联网的资讯,“虚拟现实”可以真实再现三维景象，模拟未知环境和模型，和受众之间有很强的交互性，必将广泛的应用于商品展示、规划设计、环境模拟、影视娱乐及网络多媒体等各个领域，也将为房地产展示带来一场革命。 “虚拟实境”网站,VIEWPIONT DIGITAL使用3D STUDIO MAX和SOFTIMAGE创建了这辆汽车，并展示在/上的，使用的技术是METASTREAM。,虚拟现实：virtual reality,使计算机中假想空间内的物体，让人感觉像在现实世界中的一样。,7.CG艺术,CG艺术就是用CG进行实际的绘画（艺术）创作，实现以前的艺术作品不能或无法表现的东西，通过CG技术进行制作，将其表现出来的一种尝试,CG在工程中的地位与作用？,CG在制造业渗透领域？,当前制造业发展的要求是什么？,CG应用与开发的方向在哪？,AutoCAD应用与开发的基本思路？,问题,建立目标，发现问题，寻找解决之道。,CAD技术,CAD是以人为主导，利用计算机软硬件辅助进行一项工程设计的建立、修改、分析和优化的一种现代设计方法。,CAD是图形技术、数值分析、计算机软件、机械工程设计方法学、人工智能、优化设计等多学科的综合应用技术。,设计结果,设计分析,设计优化,设计建模和仿真,概念设计,设计需求分析,可行性研究与分析,设计过程,CAD过程,市场信息,制造,CAD设计过程,利用CAD的目的就是实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，获得较好的经济效益。CAD技术所产生的经济效益是十分可观的，美国科学院工程技术委员会对1986年的统计分析是： （1）降低工程设计成本13%30%； （2）减少产品设计到投产的时间30%60%； （3）产品质量的量级提高25倍； （4）减少加工过程30%60%； （5）降低人力成本5%20%； （6）增加产品作业生产率40%70%； （7）增加设备的生产率23倍； （8）增加工程师分析问题的广度和深度的能力335倍。,据国外资料分析表明，从19世纪70年代到20世纪80年代这100多年里，加工过程的效率提高了200%；生产管理效率提高了80%120%，而产品设计效率仅提高了20%左右，后两者的效率以成为生产进一步发展的制约因数。CAD技术为实现设计于制造自动化提供了重要手段。,(1)二维绘图-最普遍、最广泛。“甩图板” (2)图形及符号库-使图形设计工作更方便。 (3)参数化设计 标准化或系列化的零部件具有相似的结构，但尺寸经常需要改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，调出后赋以一组新的尺寸参数就能生成一个新的图形。 (4)三维造型 采用实体造型设计零部件结构，经消影及着色等处理后显示物体的真实形状，还可作装配及运动仿真，以便观察有无干涉等。 (5)工程分析 常见的有：有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等。还有具有针对性的如注塑模设计中的塑流分析、冷却分析、变形分析等。 (6)设计文档或生成报表 许多设计属性需要制作成文档说明或输出报表，有些数据需要用直方图、饼图或曲线图来表达，这就需要一些专门的软件来完成，如文档处理软件（Word、WPS等）和数据库软件（Excel、PB等）。,CAD技术在机械工业的主要应用,CAD技术的发展,持续的技术革命,第一代CAD系统：出现于60年代，主要用于二维绘图，其技术特征是利用解析几何的方法定义点、线、圆等图形元素。,第二代CAD系统：始于70年代，直到目前还在广泛应用，技术还在不断发展，主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系统。在几何造型方面分别采用三维线框模型、曲面模型和实体模型。在系统内部采用数据库技术，形成了众多实用系统。,第三代CAD系统：始于80年代中期，在建模方法上分别出现了特征建模和基于约束的参数化和变量化建模方法，并出现这两种建模方法互相交互、互相融合的系统，做到了二、三维模型的相互关联性，以及CAD/CAM的信息集成。,第四代CAD系统：目前正在发展，支持新产品设计的综合性环境支持系统，全面的支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作。,CAX技术所带来的变革,设计手段的更新,计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。,产品表示的改变,计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”、四维的转变。,设计方法的发展,促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。,计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。,设计与制造一体化,管理水平的提高,工作方式的变化,存在于计算机内的产品模型可直接进入CAPP系统进行工艺规划和NC编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计与制造两个环节的连接，提高了产品开发的效率。,产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉及大量设计数据和设计行为的管理。数据库技术的发展改变了传统的手工管理模式，各种MIS、PDM系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、协同和安全。,组织模式的开放,网络技术的发展加快了数据通讯速度，缩短了企业之间的距离。传统的局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平 。,CAD技术的发展促使：产品生产面向现代管理与设计的特征,对以CG应用为基础的CAD技术展望,发展展望,普及化：以32/64位微机为主机构成的CAD系统越来越受到人们的重视，促使基于工作站平台的CAD软件纷纷向微机上移植，如CATIA,ProE、UG、I-DEAS等，而基于PC平台的CAD软件则推出更为优秀的新一代产品，如MDT、Solidworks等。,发展展望,智能化：将专家系统与CAD技术结合，形成智能CAD系统。热点：基于并行理论方法，解决并行设计、方案设计、创新设计等；设计型专家系统，如知识获取、推理等；基于神经网络设计方法，与专家系统结合，进行设计方案综合评判等。,发展展望,网络化：CAD的公用信息、图形、编码、标准零部件等都存储在服务器的公用数据库中，用户CAD终端通过网络共享其中的数据，进行各自的工作，交换所需的中间处理值和最终结果，充分体现群体的作用，使协同工作成为可能。,发展展望,虚拟化：将科学计算过程中的数据结果实时转换为图形图像信息，并进行交互处理。在CAD中的应用是虚拟产品设计。虚拟产品是一种数字产品模型，它具有所代表的对象所具有的各种性能和特征，在生产之前已经存在，可与供应商、合作者交换信息。,发展展望,并行化：在计算机网络环境内对产品开发的整个设计和管理过程进行描述建模，强调并行工程和面向制造，采用PDM技术，从软件结构、产品数据、面向对象的开发技术、产品建模和智能设计、质量控制等方面为实现并行工程提供更完善的环境。,发展展望,标准化：CAD标准体系是开发应用CAD软件的基础，也是促进CAD技术普及应用的约束手段。标准化的发展方向：研究开发符合ISO组织颁布的产品数据转换标准的接口；研究制定网络环境下的数据信息表示和传输标准；建立标准件库。,计算机图形学在制造行业应用的范围,CG支持产品开发制造的全生命周期需求分析和定义概念设计详细设计生产制造测试评估使用维护训练直至销毁等不同阶段,概念设计,详细设计,生产制造（虚拟）,测试评估,使用,维护训练,需求分析和定义,销毁,管理水平的提高；技术水平的提高；人员素质的提高；观念转变与创新。,值得注意的是：,CAD不是一个单纯的技术问题,制造业的特点,20世纪制造业的特点,F制造业主要是把原料变为产品、完成物质转化（加工、装配）过程的工业认为只要有资金投入，制造资源几乎可看作是无限的，对自然资源进行无节制开采产品使用和制造过程所产生的环境污染是几乎可以忽略的，废水、废气大量排放产品、工艺和设备是相对稳定的，大量生产方式是经济和有效的理想生产方式,资源消耗型,20世纪的产品增值过程,产品设计和制造过程智能化和数字化，必须使用数字化信息流，实现企业运作信息化，才能迅速反应市场需求资产投入的知识化和无形化，知识将成为企业经营的重要资本和生产要素随着因特网和互联网的普及，制造和经营活动日益全球化和网络化数字信息传递速度的增加，将使企业在未来10年的变化超过近50年来变化的总和与分工原理和互换性原理 促使大量生产方式出现相似，信息技术将使21世纪制造业产生翻天覆地的变化，信息化、全球化和网络化将成为新的重要发展趋势,知识经济对制造业影响,小知识：20世纪80年代后，世界经济从以机械化为主的工业经济，向以信息化为核心的知识经济转变。,21世纪制造业的发展趋势,市场的全球化产品的个性化、多样化对环境的影响最小化制造过程敏捷化生产企业的专业化企业变革经常化市场生产服务一体化产品设计、生产、服务系统信息化,F 系统的、综合的产品生命周期观点，通过知识化，减少自然资源消耗和环境污染F 通过产品和过程数字化实现虚拟制造，减少失误和加快新产品的开发和上市进度F 推行小组合作的、并行的工作方法，采用权利下放、分散网络化的扁平管理模式重视客户关系管理，客户需求和现有技术的不足的差距是企业发展和创新的源泉产品更新换代日益加速，传统的大量生产方式将逐步转变为大量定制方式，传统生产组织和制造方法将成为产品创新和制造业信息化的严重障碍,21世纪制造业的特点,21世纪的产品增值过程,制造系统组织形式的变化,制造业突破在于信息化,制造业信息化的实质,信息是重要的制造资源，信息的载体以及其生成、传递和存储方式发生巨大的变化制造业信息化是在全球化的环境下利用信息技术实现物质和知识资源利用的最大化信息化不是技术决策，而是企业生产经营过程重组的战略决策，是新的经营管理观念和企业家创新精神的体现,打破设计、工艺、生产和销售各部门间的隔阂，实现信息共享和协同工作，减少管理层次，加速企业运行决策对产品和生产过程进行仿真和可视化预测和管理，在投产前反复修改和优化，避免失误人员的的信息化,工具的信息化,组织的信息化,制造业信息化的特征,未来制造业信息化的特点,面向实施过程的信息系统面向BPR的信息系统自组织的生长型信息系统面向产品结构的生产组织管理面向虚拟企业的信息系统面向产品全生命周期的信息系统,对计算机技术的需求,系统分析技术(模型驱动的开发MDA)CASE技术面向Internet的集成技术智能分析技术虚拟现实技术(交互沉浸)工程分析技术其它灵巧工具,MDA是OMG在2002年初确定的战略方向，将会成为对未来IT技术产生重大影响的开发方法学。,制造业信息化工程建设任务体系结构,制造业信息化工程重大项目战略目标,制造业信息化工程重大项目战略目标,管理数字化,设计数字化,生产过程数字化,加工装备数字化,企业数字化,以三维CAD为代表的产品创新设计,通过产品设计手段与设计过程的数字化，缩短新产品开发周期，提高企业的产品创新能力 。,以ERP为代表的企业现代管理,通过企业内外部管理的数字化，实现制造资源的最优化配置,以数控机床为代表的数字化装备,通过加工装备的数字化、自动化和精密化，提高产品的加工精度和生产效率。,制造业信息化工程重大项目战略目标,制造业信息化工程,应用试点示范,重大关键技术产品研发,数字化设计与制造系统,数据库管理系统,过程自动化系统,企业管理与电子商务系统,网络化集成制造系统,应用示范企业,应用示范城市,应用示范行业,数控装备,制造业信息化工程重大项目战略目标,在数字化设计与制造方面，重点开发三维计算机辅助设计、产品数据管理系统、虚拟制造系统；在过程自动化方面，重点开发生产过程执行系统和过程控制系统；在企业管理与电子商务方面，重点开发企业资源管理系统、企业供应链管理系统、企业客户资源管理系统、企业电子商务平台等； 数控装备方面，重点开发中档数控装备，使之在我国的市场占有率达50，研发高精尖数控装备，减少依赖进口。,制造业信息化工程重大项目战略目标,在网络化集成制造方面，重点开发支持企业整体解决方案的软件平台和产品全生命周期管理系统以及全球化采购及网络化销售服务等；在数据库管理系统方面，重点研发大型通用数据库，支持企业信息化、公务信息化、教育信息化的需要；在应用试点示范方面，重点抓一批试点示范省、试点示范城市、试点示范行业和试点示范企业。,产品,管理策略,产品流,先进设计理念,CG国内外差异较大行业应用有待提高,直接应用二次开发自主开发,？,直接应用,MDT,Unigraphics,Pro/Engineering,3DMax动画制作软件,Solidworks,AutoCAD通用绘图软件包,UGS.I-DEAS协同产品开发,Msc.Adams机械系统动力学仿真分析软件,自主开发,GH-MDS,GH-InteCAD,PICAD,开目CAD,凯图cad-tool,二维交互绘图系统,三维造型和几何设计,北京航空航天大学,金银花,CADMIS,PANDA,清华大学