1、1第 1 章 计算机绘图技术【本章重点】 计算机绘图的发展及应用 计算机绘图系统组成 常用绘图软件介绍1.1 计算机绘图的发展和应用图形是表达和交流思想的工具。长期以来，绘图工作基本是以手工形式进行的，因此存在生产效率低、绘图准确度差、劳动强度大等缺点。人们一直在寻找代替手工绘图的方法，在计算机出现并得到广泛应用后，这种愿望才成为现实。计算机绘图就是利用计算机对数值进行处理、计算，从而生成所需的图形信息，并控制图形设备自动输出图形，以实现图数之间的转换。计算机和绘图机的结合，可以帮助工程技术人员完成从设计到绘图的一系列工作。1.1.1 计算机绘图发展概述计算机绘图是 20 世纪 60 年代发展
2、起来的新型学科，是随着计算机图形学理论及其技术的发展而发展的。我们知道，图与数在客观上存在着相互对应的关系。把数字化了的图形信息通过计算机存储、处理，并通过输出设备将图形显示或打印出来，这个过程称为计算机绘图，而研究计算机绘图领域中各种理论与实际问题的学科称为计算机图形学。20 世纪 40 年代中期在美国诞生了世界上第一台电子计算机，这是 20 世纪科学技术领域的一个重要成就。20 世纪 50 年代，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院(MIT)研制的旋风 I 号(Whirlwind I)计算机的附件诞生。该显示器可以显示一些简单的图形，但因其只能进行显示输出，故称之为“被动式”图形处理。随后
3、，MIT 林肯实验室在旋风计算机上开发出了 SAGE 空中防御系统，第一次使用了具有指挥和控制功能的 CRT(Cathode Ray Tube 阴极射线管) 显示器。利用该显示器，使用者可以用光笔进行简单的图形交互操作，这预示着交互式计算机图形处理技术的诞生。20 世纪 60 年代是交互式计算机图形学发展的重要时期。1962 年，MIT 林肯实验室的 Ivan E.Sutherland 在其博士论文Sketchpad：一个人机通信的图形系统中，首次提出了“计算机图形学”(Computer Graphics)这个术语，他开发的 Sketchpad 图形软件包可以实现在计算机屏幕上进行图形显示与修
4、改的交互操作。在此基础上，美国的一些大公司和实验室开展了对计算机图形学的大规模研究。20 世纪 70 年代，交互式计算机图形处理技术日趋成熟，在此期间出现了大量的研究第 1 章 计算机绘图技术2成果，计算机绘图技术也得到了广泛的应用。与此同时，基于电视技术的光栅扫描显示器的出现也极大地推动了计算机图形学的发展。20 世纪 70 年代末20 世纪 80 年代中后期，随着工程工作站和微型计算机的出现，计算机图形学进入了一个新的发展时期。在此期间相继推出了有关的图形标准，如计算机图形接口(Computer Graphics Interface，CGI)、图形核心系统(Graphics Kernel
5、System，GKS)、程序员层次交互式图形系统 (Programmers Hierarchical Interactive Graphics System，PHIGS)，以及初始图形交换规范(Initial Graphics Exchange Specification，IGES)、产品模型数据转换标准(Standard for the Exchange of Product model Data，STEP)等。随着计算机硬件功能的不断提高、系统软件的不断完善，计算机绘图已广泛应用于各个相关领域，并发挥愈来愈大的作用。1.1.2 计算机绘图的主要应用领域计算机绘图技术已经得到高度的重视和广泛
6、应用，目前，其主要的应用有：(1) 计算机辅助设计（ CAD）和计算机辅助制造（CAM）这是一个计算机绘图最广泛、最活跃和发展最快的应用领域。它被用来进行建筑工程、机械产品的设计；机械设计中的受力分析、结构设计与比较、材料选择、绘制加工图纸，以至编制工艺卡、材料明细表和数控加工程序等；汽车、飞机、船舶的外形数学建模，曲线的拟合与光顺，并绘制图纸；在电子行业，大规模集成电路的设计，印刷电路板的设计，直至输出图形。(2) 动画制作与系统模拟用计算机绘图技术产生的动画，比传统手工绘制的动画质量好，制作速度快。可以把动画技术广泛应用于广告和游戏，可以模拟各种反应过程（如核反应、化学反应等） ，以及模拟
7、和测试汽车碰撞、地震等过程，还可以模拟各种运动过程，如人体的运动过程，用以科学指导训练。在军事上，可以用于环境模拟、飞行模拟及战场模拟等。(3) 勘探、测量的图形绘制应用计算机绘图技术，可以利用勘探和测量的数据，绘制出矿藏分布图、地理图、地形图及气象图等。(4) 事务管理与办公自动化用于绘制各类信息的二、三维图表，如统计的直方图、扇形图、工作进程图，仓库及生产的各类统计管理图表等。这类图表可以用简明的方式提供形象化的数据和变化趋势，增加对复杂现象的了解，并协助作出决策。(5) 科学计算可视化传统的数学计算是数据流，这种数据不易理解，也不容易检查其中的错误。科学计算的可视化已用于有限元分析的后处
8、理、分子模型构造、地震数据处理、大气科学、生物科学及医疗卫生等领域。(6) 计算机辅助教学（ CAI）由于计算机绘图技术能生成丰富的图形，用于辅助教学可使教学过程变得形象、直观、易懂和生动。学生通过人机交互方式进行学习，有助于提高学习兴趣和注意力，提1.2 计算机绘图系统3高教学效率。1.2 计算机绘图系统计算机绘图系统是基于计算机的系统，由软件系统和硬件系统组成。其中，软件是计算机绘图系统的核心，而相应的系统硬件设备则为软件的正常运行提供了基础保障和运行环境。另外，任何功能强大的计算机绘图系统都只是一个辅助工具，系统的运行离不开系统使用人员的创造性思维活动。因此，使用计算机绘图系统的技术人员
9、也属于系统组成的一部分，将软件、硬件及人这三者有效地融合在一起，是发挥计算机绘图系统强大功能的前提。1.2.1 计算机绘图系统的硬件组成通常，将用户可进行计算机绘图作业的独立硬件环境称作计算机绘图的硬件系统。计算机绘图系统的硬件主要由主机、输入设备(键盘、鼠标、扫描仪等) 、输出设备(显示器、绘图仪、打印机等)、信息存储设备 (主要指外存，如硬盘、软盘、光盘等 )，以及网络设备、多媒体设备等组成。计算机绘图系统的基本硬件构成如图 1-1 所示。扫 描 仪鼠 标 、 键 盘 图 形 显 示 器计 算 机 主 机绘 图 仪 、 打 印 机 硬 盘软 盘光 盘图 1-1 计算机绘图系统的基本硬件组成
10、 如图 1-1 所示，计算机绘图系统的硬件主要由主机、存储设备、输入设备、输出设备等组成。1. 主机主机由中央处理器(CPU)和内存储器(简称为内存)等组成，是整个计算机绘图系统的核心。衡量主机性能的指标主要有 2 项：CPU 性能和内存容量。 CPU 性能 CPU 的性能决定着计算机的数据处理能力、运算精度和速度。CPU 的性能通常用每秒可执行的指令数目或进行浮点运算的速度指标来衡量，其单位符号为 MI/S(每秒处理 1百万条指令)和 GI/S(每秒处理 10 亿条指令)。目前，CPU 的速度已达到 160GI/S 以上。一般情况下，用芯片的时钟频率来表示运算速度更为普遍，时钟频率越高，运算
11、速度越快。 内存容量 内存是存放运算程序、原始数据、计算结果等内容的记忆装置。如果内存容量过小，将直接影响计算机绘图软件系统的运行效果。因为，内存容量越大，主机能容纳和处理的信息量也就越大。第 1 章 计算机绘图技术42. 外存储器外存储器简称为外存。虽然内存储器可以直接和运算器、控制器交换信息，存取速度很快，但内存储器成本较高，且其容量受到 CPU 直接寻址能力的限制。外存作为内存的后援，使计算机绘图系统将大量的程序、数据库、图形库存放在外存储器中，待需要时再调入内存进行处理。外存储器通常包括硬盘、软盘、光盘等。3. 图形输入设备在计算机绘图作业过程中，不仅要求用户能够快速输入图形，而且还要
12、求能够将输入的图形以人机交互方式进行修改，以及对输入的图形进行图形变换(如缩放、平移、旋转)等操作。因此，图形输入设备在计算机绘图硬件系统中占有重要的地位。目前，计算机绘图系统常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。4. 图形输出设备图形输出设备包括图形显示器、绘图仪、打印机等。图形显示器是计算机绘图系统中最为重要的硬件设备之一，主要用于图形图像的显示和人机交互操作，是一种交互式的图形显示设备。图形显示器的主要部件是阴极射线管(CRT) 。随着人们对显示器轻型化、薄型化以及大尺寸的要求，目前，液晶显示器和等离子显示器的应用越来越多。由于这些显示器的制造成本逐渐降低，已呈现出取代基于CRT 的光栅
13、扫描式显示器的趋势。绘图仪、打印机等也是目前常用的图形输出设备。目前，常用的绘图仪为滚筒式绘图仪，这种绘图仪具有结构简单紧凑、图纸长度不受限制、价格便宜、占用工作面积小等优点。常用的打印机主要有针式、喷墨、激光打印机等。1.2.2 计算机绘图系统的软件组成计算机软件是指控制计算机运行，并使计算机发挥最大功效的各种程序、数据及文档的集合。在计算机绘图系统中，软件配置水平决定着整个计算机绘图系统的性能优劣。因此可以说硬件是计算机绘图系统的物质基础，而软件则是计算机绘图系统的核心。从计算机绘图系统的发展趋势来看，软件占据着愈来愈重要的地位，目前，系统配置中的软件成本已经超过了硬件。可以将计算机绘图系
14、统的软件分为 3 个层次，即系统软件、支撑软件和应用软件。系统软件是与计算机硬件直接关联的软件，一般由专业的软件开发人员研制，它起着扩充计算机的功能以及合理调度与使用计算机的作用。系统软件有 2 个特点：一是公用性，无论哪个应用领域都要用到它；二是基础性，各种支撑软件及应用软件都需要在系统软件的支撑下运行。支撑软件是在系统软件的基础上研制的，它包括进行计算机绘图作业时所需的各种通用软件。应用软件则是在系统软件及支撑软件支持下，为实现某个应用领域内的特定任务而开发的软件。下面分别对这 3 类软件进行具体介绍。1. 系统软件系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制、运行，以及计算机程序的编译、装载
15、和运行。系统软件包括操作系统和编译系统。1.3 常用绘图及 CAD 软件介绍5操作系统主要承担对计算机的管理工作，其主要功能包括文件管理(建立、存储、删除、检索文件)、外部设备管理 (管理计算机的输入、输出等外部硬件设备 )、内存分配管理、作业管理和中断管理。操作系统的种类很多，在工作站上主要采用 UNIX、Windows 2000/NT/XP 等；在微机上主要采用 UNIX 的变种 XENIX、ONIX、VENIX，以及Windows 系列操作系统。编译系统的作用是将用高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指令。有了编译系统，用户就可以用接近于人类自然语言和数学语言的方式编写程序，
16、而翻译成机器指令的工作则由编译系统完成。这样就可以使非计算机专业的各类工程技术人员很容易地用计算机来实现其绘图目的。目前，国内外广泛应用的高级语言 FORTRAN、PASCAL、C/C+、Visual Basic、LISP 等均有相应的编译系统。2. 支撑软件支撑软件是计算机绘图软件系统中的核心，是为满足计算机绘图工作中一些用户的共同需要而开发的通用软件。近 30 多年来，由于计算机应用领域迅速扩大，支撑软件的开发研制有了很大的进展，推出了种类繁多的商品化支撑软件。3. 计算机绘图应用软件应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域而开发的软件。这类软件通常由用户结合当前绘图工
17、作的需要自行研究开发或委托开发商进行开发，此项工作又称为“二次开发” 。能否充分发挥已有计算机绘图系统的功能，应用软件的技术开发工作是很重要的，也是计算机绘图从业人员的主要任务之一。1.3 常用绘图及 CAD 软件介绍1.3.1 计算机绘图与计算机辅助设计计算机辅助设计是一种应用广泛的实用技术，机械、建筑、电子、服装等行业都离不开计算机辅助设计（CAD） 。尽管各个行业的专业内容不同，其辅助设计所包含的工作内容会有所区别，但都离不开计算机绘图。计算机绘图是计算机辅助设计的主要组成部分和核心内容。这一方面是因为各个领域内的设计工作，其最后的结果都要以“图”的形式表达；另一方面，计算机绘图中所包含
18、的三维造型技术，是实现先进的计算机辅助设计技术的重要基础。许多设计工作在进行时，首先构造三维实体模型，然后进行各种分析、计算和修改，最终定型并输出图纸。在整个过程中，都离不开图形技术。在计算机辅助设计领域内要解决的问题中有许多是属于计算机绘图方面的内容。一些早期的或初级的辅助设计应用也只是利用计算机绘图来绘制工程图纸，而没有更深入地涉及对设计对象建模、计算和分析工作。随着计算机辅助设计技术的不断发展，它所包含的内容更加广泛深入，同时也更加离不开计算机绘图。第 1 章 计算机绘图技术61.3.2 常用绘图及 CAD 软件20 世纪 80 年代以来，国际上推出了一大批通用 CAD 集成软件，表 1
19、-1 中给出了几个比较优秀、比较流行的商品化软件的情况。表 1-1 著名 CAD 软件情况介绍软件名称 厂家 简介NX西门子公司网站：NX 是新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。 NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。CATIA法国达索系统集团公司网站：CATIA 是达索系统的产品开发旗舰解决方案。作为 PLM 协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。P
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