1、2022/9/24華南農業大學信息學院 1計算機輔助設計謝健文（地理信息系）2022/9/24華南農業大學信息學院2計算機輔助設計概述1 計算機輔助設計的內容2 計算機輔助設計應用舉例3 計算機輔助設計基本概念4 計算機輔助設計發展歷史與現狀5 計算機輔助設計硬件環境6 交互式制圖系統的邏輯結構7 當前的研究動態2022/9/24華南農業大學信息學院31 計算機輔助設計的內容課程相關學科計算機圖形學計算機圖像處理計算機輔助設計圖形制作圖像處理2022/9/24華南農業大學信息學院4計算機輔助設計學科關系數字圖像數據模型圖像生成（計算機圖形學）模型（特征）提取（計算機視覺，模式識別）模型變換（計

2、算幾何）圖像變換（圖像處理）圖像圖形計算機輔助設計課程內容2022/9/24華南農業大學信息學院52 計算機輔助設計應用舉例圖形用戶界面發展歷程操作系統Macintosh，OS/2，Windows，Unix/X-Window人機界面命令行界面圖形用戶界面多通道用戶界面2022/9/24華南農業大學信息學院6計算機輔助設計應用舉例（續）2022/9/24華南農業大學信息學院7計算機輔助設計應用舉例（續）2022/9/24華南農業大學信息學院82022/9/24華南農業大學信息學院92022/9/24華南農業大學信息學院10計算機輔助設計應用舉例（續）2022/9/24華南農業大學信息學院11計算

3、機輔助設計應用舉例（續）計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）應用領域：機械，大規模集成電路，建筑，服裝，玩具優點：設計周期短，成本低，質量高2022/9/24華南農業大學信息學院12電子電路設計2022/9/24華南農業大學信息學院13計算機輔助設計應用舉例（續）2022/9/24華南農業大學信息學院142022/9/24華南農業大學信息學院15計算機輔助設計應用舉例（續）電子地圖工程地質2022/9/24華南農業大學信息學院16土木工程2022/9/24華南農業大學信息學院172022/9/24華南農業大學信息學院18計算機輔助設計應用舉例（續）計算機藝術書法、藝術圖片輸入工具：鍵盤、鼠標

4、、手寫筆等等軟件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等優點：功能多、創作輕松、 調色方便等等缺點：目前難以容入人的 靈感（未來的研究課題）2022/9/24華南農業大學信息學院192022/9/24華南農業大學信息學院202022/9/24華南農業大學信息學院21計算機輔助設計應用舉例（續）計算機動畫及廣告影視創作傳統動畫：費時費力，質量差，例子：大鬧天宮，90*60*24=129，600張膠片，幾十位動畫工作者近兩年的時間計算機動畫（Computer Animation):效率高，質量高例子：侏羅紀公園計算機動畫創作工具：3D MAX, MAYA等等2022/

5、9/24華南農業大學信息學院22計算機圖制圖學應用舉例（續）電腦游戲實時性；逼實性；蘊含了先進的圖形處理技術多媒體系統在計算機控制下，對多種媒體信息進行生成、操作、表現、存儲、通信、或集成的信息系統，其中媒體至少應包括一種“連續媒體”及一種“離散媒體”計算機處理的常見媒體：文本、圖形、圖像、語音、音頻、視頻、動畫特點：媒體的多樣性、操作的交互性、系統的集成性2022/9/24華南農業大學信息學院23計算機輔助設計應用舉例（續）自然景物仿真2022/9/24華南農業大學信息學院24計算機輔助設計應用舉例（續）日本Yoshinori Dobashi等人繪制的真實感云 2022/9/24華南農業大學

6、信息學院25計算機輔助設計應用舉例（續）虛擬現實系統（Virtual Reality） 或稱虛擬環境（Virtual Environment)是用計算機技術來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發，利用自然的技能和某些設備對這一生成的虛擬世界客體 進行瀏覽和交互考察。2022/9/24華南農業大學信息學院26計算機輔助設計應用舉例（續）2022/9/24華南農業大學信息學院273 計算機輔助設計基本概念3.1 CAD技術概念就目前的情況而言，可以認為CAD技術是計算機系統在工程和產品設計的各個階段中，為設計人員提供快速、有效的工具和手段，加快和優化設計過

7、程以達到最佳設計效果的一種技術。3.2 CAD、CAE、CAM與CIMSCAD/CAM：Computer-aided Design/Manufacturing，計算機設計/輔助制造 CAE：Computer-aided Engineering，計算機輔助工程 CIMS：Computer-Integrated Manufacturing System，計算機集成制造系統 ，是有20余年歷史的CAD/CAM/CAE技術的自然產物2022/9/24華南農業大學信息學院283.3 CAD/CAM系統的分類按應用領域劃分有機械CAD/CAM、建筑CAD、電子CAD/CAM、工業設計CAD/CAM、地圖C

8、AD、紋織CAD/CAM和服裝CAD/CAM等按CAD/CAM系統所用計算機的類型劃分分為大型機CAD/CAM系統、小型機CAD/CAM系統、工作站CAD/CAM系統和微機CAD/CAM系統。在實際應用中，往往按照CAD系統的規模進行分類，即網絡環境下的CAD/CAM系統和單機環境下的CAD/CAM系統。 現代企業在CAD/CAM的建設過程中，必須考慮到與CAPP、PDM、MIS等系統的集成問題。因此，企業應根據其自身的發展來確定CAD/CAM系統的建設。2022/9/24華南農業大學信息學院294 計算機輔助設計發展歷史與現狀4.1 CAD的發展歷程20世紀70年代末以后，32位超級微機工作

9、站和微型計算機的出現對CAD技術的發展起了極大的推動作用。工作站是屬于單用戶的計算機系統，具有較高的響應速度，因而特別適用于CAD系統。在這期間，計算機交互圖形技術日漸成熟并在工業界得到廣泛應用。20世紀80年代中期以后，CAD技術與CAM技術相結合，形成了CAD/CAM新技術，導致了新理論、新算法的大量涌現。在軟件方面，不僅實現了工程和產品的設計計算和繪圖，而且能進行工程造型、自由曲面設計、有限元分析、機構及機器分析與仿真、模具設計制造等各種工程應用。特別是實體造型、特征建模、參數化設計等理論的發展與應用，推動了CAD技術的發展。2022/9/24華南農業大學信息學院304.1 CAD的發展

10、歷程從技術角度看：四個發展階段（1）CAD發展的初級階段：CAD發展的初級階段為計算機輔助幾何設計，計算機輔助幾何設計主要研究曲線和曲面的計算機表示、逼近和計算。計算機輔助幾何設計：20世紀60年代末至70年代初，由于法國雷諾汽車公司的工程師Bzier和美國麻省理工學院的Coons教授開展的曲線和曲面設計工作而開創CAD技術起步于20世紀50年代后期。當時的CAD技術的出發點是用傳統的三視圖方法來表示零件，以圖紙為媒介進行技術交流，這就是典型的二維計算機繪圖技術。20世紀60年代出現的三維CAD系統只是用極為簡單的線框表示的三維模型系統，只能表示基本的幾何信息，不能有效地描述幾何數據間的拓撲關

11、系。 2022/9/24華南農業大學信息學院314.1 CAD的發展歷程到Bzier算法的提出，才使得人們使用計算機處理曲線和曲面變為可能，同時也使得法國的達索飛機制造公司的開發者們，能在二維繪圖系統CADAM的基礎上，開發出以表面模型為特點的自由曲面建模方法，推出了三維曲面造型系統CATIA。CATIA的推出，標志著CAD技術已經擺脫了從單純模仿工程圖紙的三視圖的方式，能夠用計算機完整描述產品零件的重要信息，同時也使得CAM技術的實現有了堅實的基礎。80年代初，幾乎全世界所有的汽車工業和航空工業制造商都購買了CATIA，其結果是CATIA躍居制造業CAD系統榜首，并保持了多年的榜首地位。 2

12、022/9/24華南農業大學信息學院324.1 CAD的發展歷程（2）CAD發展的實體造型階段 20世紀70年代末到80年代初，由于計算機技術的大跨步前進，CAE/CAM技術也開始有了較大的發展。SDRC公司在當時星球大戰計劃的背景下，由美國宇航局支持及合作，開發出許多專用分析模塊，用以降低龐大的太空實驗費用，同時在CAD技術方面也進行了許多開拓；UG則著重在曲面技術的基礎上發展CAM技術，以滿足麥道飛機零部件的設計和加工需求；CV和CALMA則將主要精力都放在CAD市場份額的爭奪上。 基于對CAD/CAE一體化技術的研究，SDRC公司于1979年發布了世界上第一個完全基于實體造型技術的大型C

13、AD/CAE軟件I-DEAS。實體造型技術的普及應用，標志著CAD技術有了質的飛躍。實體造型技術既帶來了算法的改進和未來發展的希望，也帶來了數據計算量極度增大的問題。在當時的硬件條件下，實體造型的計算及顯示速度很慢，應用于實際的設計過程顯得較為勉強。2022/9/24華南農業大學信息學院334.1 CAD的發展歷程（3）CAD發展的參數化技術階段 進入20世紀80年代中期，CV公司提出了一種比“無約束自由造型”更新穎的算法參數化實體造型方法。它主要的特點是基于特征、全尺寸約束、全數據相關和尺寸驅動設計與修改。CV公司最終否決了參數化技術方案。參數化技術的策劃者在其新思想無法實現時，集體離開了C

14、V公司，另行成立了一個參數技術公司 (Parametric Technology Corp.) ，開始研制命名為Pro/E（Pro/Engineer）的參數化軟件。 2022/9/24華南農業大學信息學院344.1 CAD的發展歷程（4） CAD發展的變量化技術階段 SDRC的開發人員以參數化技術為藍本，提出了一種比參數化技術更為先進的實體造型技術變量化技術。 SDRC從1990至1993年，歷經3年的時間，投資一億多美元，將軟件全部重新改寫，于1993年推出全新體系結構的I-DEAS Master Series軟件。 20世紀90年代以后，隨著機硬件設備的快速發展以及Windows操作系統的

15、日益完善，以Windows為平臺的CAD軟件快速發展。與Windows無縫連接、價格低廉、易學易用的中、低端CAD軟件不斷涌現。Solid Edge和SolidWorks等一系列三維CAD軟件基本上全盤繼承變量化技術，并在此基礎上繼續發展。變量化技術己經成為CAD軟件公認的發展方向。2022/9/24華南農業大學信息學院354.2 CAD技術的現狀隨著微機CPU芯片的性能改進和Windows操作系統的不斷發展，以前只能運行在工作站上的CAD/CAM軟件現在也可以運行在微機上。由于微機的價格遠遠低于工作站，性能也不比中低檔工作站遜色多少，所以，微機平臺為普及CAD/CAM創造了良好的條件。一方面

16、，工作站上著名的CAD/CAM軟件（如UG和CATIA等）全面地移植到微機平臺，使微機完全實現了工作站環境的處理能力；另一方面，CAD/CAM軟件擺脫了原有Unix操作系統的束縛，得到了在Windows平臺上的全面拓展。運行于Windows操作系統之上是推出的新一代微機CAD/CAM軟件的共同特點。Windows平臺上的新一代CAD/CAM軟件基本上都采用典型的Windows界面和操作規范，同時由于DDE和OLE技術的廣泛應用，這些CAD/CAM軟件可以與Windows平臺的其他軟件進行動態數據交換，也可以在不退出CAD/CAM軟件的前提下嵌入（或鏈接）其他應用程序的對象。2022/9/24華

17、南農業大學信息學院364.2 CAD的技術現狀在我國CAD市場上，已形成了國外大型CAD/CAM/CAE高端軟件、國外普及型的三維CAD軟件、國外二維CAD軟件平臺、國產二維CAD軟件、國產三維CAD軟件等多品種、多層次的產品共存的局面，各類產品之間的競爭愈演愈烈。國內在二維CAD軟件方面，有兩個發展方向。一個是以AutoCAD為平臺的二次開發應用軟件；另一個是自主平臺的CAD軟件，即從最低層進行開發，不依賴于國外的平臺軟件，這類軟件主要以學校和研究部門的產品為主。2022/9/24華南農業大學信息學院374.3 常用的CAD軟件以產品結構設計為主的CAD軟件。以工業造型設計為主的CAD軟件。

18、以動畫和效果圖設計為主的CAD軟件。以電子電路及印刷電路板設計為主的CAD軟件。2022/9/24華南農業大學信息學院384.3 常用的CAD軟件以產品結構設計為主的CAD軟件美國的Autodesk公司：該公司成立于20世紀70年代，其旗艦產品為AutoCAD，后又加入了3DStudioMAX，另外兩個三維CAD軟件也有很高的知名度，即MDT和Inventor。美國的UG Solutions公司和SDRC公司UG Solutions公司創建于20世紀70年代，其主打產品UniGraphics起家于美國麥道飛機公司，簡稱為UG，最初只是一個計算機輔助加工軟件（CAM），后來逐漸增加了計算機輔助設

19、計（CAD）和計算機輔助工程（CAE）等功能，但CAM功能一直是該軟件的最強項，而且該功能也是目前世界上所有通用CAM軟件中功能最好的軟件之一。美國的SDRC公司，它的主打產品是I-DEAS。美國的EDS公司先將UG Solutions公司收歸旗下，后又將SDRC公司收購，同時將UniGraphics和I-DEAS兩個強強產品融合在一起，于2002年推出了UniGraphics NX 。EDS公司的Solid Edge中高檔三維設計軟件也是當今最為流行的三維設計軟件之一。該軟件主要用于機械產品的設計和仿真，它向用戶提供了機械產品設計流程所必須的從三維零件建模、裝配設計到最終的二維工程圖繪制等一

20、整套完善的功能模塊，是現代制造企業工程師級的首選開發工具之一。2022/9/24華南農業大學信息學院394.3 常用的CAD軟件以產品結構設計為主的CAD軟件美國的PTC公司：20世紀90年代初，PTC公司推出了它的最有代表性的CAD產品Pro/E，該產品采用了基于尺寸驅動和特征設計的參數化設計技術，完全打破了這之前主要采用幾何實體構建（GSC）技術，創建三維模型所存在的效率低、無法對中間結果進行修改的限制。法國的達索系統（Dassault System）公司：該公司的旗艦產品就是著名的CATIA三維CAD產品。1997年收購了SolidWorks公司。以工業造型設計為主的CAD軟件 在該領域

21、有兩款輔助設計軟件非常知名，分別是Alias和Wave front，它們現在已被融合在一起成為一款功能更為強大的Alias/Wave front工業造型設計軟件。Alias和Wave front分別于上個世紀80年代初，由位于加拿大多倫多的Alias Research公司和位于美國圣芭芭拉的Wave front Technologies公司所開發，后于1995年被美國的SGI公司一并購入，最終形成現在Alias/Wave front Studio和Alias/Wave front Designer系列產品。2022/9/24華南農業大學信息學院404.3 常用的CAD軟件以工業造型設計為主的C

22、AD軟件 Studio系列產品主要提供以下功能：Studio Paint 3D概念設計與草圖繪畫。 模型改變及檢查。 設計展示及輸出。 Designer系列產品主要提供以下主要功能：Designer的功能主要用于創建三維模型。突伸功能旋轉功能界定功能連接功能基本圖元易于仿真且交互性強，可以快速地給模型著色，并加上諸如塑料、金屬、鉻面及玻璃等各種表面紋理特征，無論從初始的草圖描繪乃至最后的設計展示，隨時可以進行。2022/9/24華南農業大學信息學院414.3 常用的CAD軟件下圖顯示了一只溜冰鞋自左到右的造型設計，采用Alias/Wave front Designer建模設計和最后用Alias

23、/Wave front Studio生成的渲染效果圖。 溜冰鞋的工業造型設計過程2022/9/24華南農業大學信息學院42 5 計算機輔助設計硬件環境5.1 交互設備（Interactive Device）邏輯交互設備（Logical Interactive Device）定位器（Locator）定值器（Valuator，也稱定標器）按鈕（Button）拾取（Pick）物理交互設備 鼠標（Mouse）書寫板（Tablet）（見圖）數字化儀（Digitizer） （見圖）空間球（Space ball） （見圖）2022/9/24華南農業大學信息學院43書寫板外觀圖 數字化儀外觀圖 空間球外觀圖2

24、022/9/24華南農業大學信息學院442022/9/24華南農業大學信息學院452022/9/24華南農業大學信息學院462022/9/24華南農業大學信息學院475.2 圖形輸出設備打印機激光打印機噴墨打印機繪圖儀顯示器 HP450C彩色噴墨繪圖儀 3D打印機2022/9/24華南農業大學信息學院482022/9/24華南農業大學信息學院49圖形顯示設備彩色陰極射線管產生彩色的常用方法：射線穿透法、影孔板法射線穿透法原理應用：畫線顯示器優點：成本低缺點：只等產生有限幾種顏色電子束熒光涂層產生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束2022/9/24華南農業大學信息學院50影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板2022/9/24華南農業大學信息學院51影孔板的類型點狀影孔板代表：大多數球面與柱面顯像管柵格式影孔板代表：Sony的Trinitron與 Mitsubishi的 Diamondtron顯像管 溝槽式影孔板代表：LG的Flatron顯像管2022/9/24華南農