1、概述计算机辅助设计过程计算机辅助概念设计参数化与模块化设计产品设计的可视化技术第3章 计算机辅助图形处理技术n计算机辅助产品设计：计算机辅助产品设计：n将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代科学方法为指导结合起来，在设慧和经验以现代科学方法为指导结合起来，在设计的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系计的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替辅助而非代替工工程技术人员完成整个设计过程。
2、程技术人员完成整个设计过程。n设计过程需要合理化、科学化、算法化、规律化设计过程需要合理化、科学化、算法化、规律化第3章 计算机辅助图形处理技术一、设计过程及阶段划分一、设计过程及阶段划分1.任务规划阶段任务规划阶段2.概念设计阶段概念设计阶段3.结构设计阶段结构设计阶段4.详细设计阶段详细设计阶段5.定型生产阶段定型生产阶段第3章 计算机辅助图形处理技术一、产品概念设计内涵一、产品概念设计内涵二、概念设计的过程模型二、概念设计的过程模型三、计算机辅助概念设计的关键技术三、计算机辅助概念设计的关键技术四、基于知识的产品创新设计四、基于知识的产品创新设计五、产品概念设计中的美学设计五、产品概念设
3、计中的美学设计第3章 计算机辅助图形处理技术n概念设计n是由分析用户需求到生成概念产品的一系是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清晰、它表现为一个由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具体、不断进化的过程。由抽象到具体、不断进化的过程。n产品设计的产品设计的60%70%n成本和时间占成本和时间占20%以下以下第3章 计算机辅助图形处理技术D=I,P,Q,O,例如：例如：P2为概念设计过程为概念设计过程=需求分析，功能需求分析，功能求解，寻求子原理解，概念产品评价求解，寻求子原理解，概念产品评价Q
4、2=需求说明书，功能解答，原理解答，概需求说明书，功能解答，原理解答，概念产品解答念产品解答概念设计的特点：方案选择自由度大，创新概念设计的特点：方案选择自由度大，创新空间大，决策风险大，决定产品最终价值空间大，决策风险大，决定产品最终价值的的80%。第3章 计算机辅助图形处理技术n定义：定义：n以计算机为手段从事符合人类进行产品创以计算机为手段从事符合人类进行产品创新设计的思维过程，支持产品概念设计及新设计的思维过程，支持产品概念设计及设计决策。设计决策。n人机工作分配：人机工作分配：n计算机：有规律的设计工作，创造性主要计算机：有规律的设计工作，创造性主要体现在依据规则和知识对问题求解的分
5、析体现在依据规则和知识对问题求解的分析综合。综合。n人：原创性的设计工作人：原创性的设计工作第3章 计算机辅助图形处理技术n原理方案设计技术原理方案设计技术n概念设计建模技术概念设计建模技术n设计创新技术设计创新技术n并行和协同概念设并行和协同概念设计技术计技术第3章 计算机辅助图形处理技术n概念设计本质：推理与决策的过程概念设计本质：推理与决策的过程n概念设计的基础：应用合理有效的知识概念设计的基础：应用合理有效的知识处理（表达、获取、推理），进行创新处理（表达、获取、推理），进行创新n创新设计方法：创新设计方法：n基于功能分解与重组的设计方法基于功能分解与重组的设计方法nTRIZ理论理论第
6、3章 计算机辅助图形处理技术n概念车概念车第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术一、一、参数化与模块化设计概念参数化与模块化设计概念二、二、参数化、变量化设计的实现方法参数化、变量化设计的实现方法三、模块化设计方法三、模块化设计方法第3章 计算机辅助图形处理技术n研究目的：研究目的：n将只有几何图素的将只有几何图素的“死图死图”变为含设计构思、设计信息的产变为含设计构思、设计信息的产品几何模型。品几何模型。1.参数化和变量化设计的基本概念参数化和变量化设计的基本概念n参数化设计参数化设计 是指设计图形拓朴关系不变，尺寸形状由一组参是指设计图形拓朴关系不变，尺寸形状由一组参
7、数进行约束，参数与图形的控制尺寸有显式对应，不同的参数进行约束，参数与图形的控制尺寸有显式对应，不同的参数值产生不同的图形。适应于规格化、系列化产品设计。数值产生不同的图形。适应于规格化、系列化产品设计。n变量化设计变量化设计 是指设计图形的修改自由度不仅是尺寸形状参数，是指设计图形的修改自由度不仅是尺寸形状参数，还有拓朴结构关系，甚至工程计算条件，设计结果受到一组还有拓朴结构关系，甚至工程计算条件，设计结果受到一组约束方程控制和驱动。适应新产品的开发。约束方程控制和驱动。适应新产品的开发。n相同：在约束的基础上驱动产生新的设计结果相同：在约束的基础上驱动产生新的设计结果n不同：约束自由度的范
8、围。参数化设计方法中要严格的逐个不同：约束自由度的范围。参数化设计方法中要严格的逐个连续求解参数；变量化设计中则是方程式的联立求解。连续求解参数；变量化设计中则是方程式的联立求解。第3章 计算机辅助图形处理技术n概念：概念：n对产品进行功能分析的基础上，划分并设对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列相对通用的功能模块，通过模计出一系列相对通用的功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同功能或相同块的选择和组合可以构成不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品，以满足功能不同性能、不同规格的产品，以满足市场的不同需求。市场的不同需求。n例如：组合夹具、系列化机床、家具例如：组合夹具、系列
9、化机床、家具第3章 计算机辅助图形处理技术（一）参数化设计的实（一）参数化设计的实现方法现方法1.参数化设计的步骤参数化设计的步骤2.几何图形的参数化分几何图形的参数化分析与定义析与定义3.参数化绘图实现方式参数化绘图实现方式4.参数取值方式参数取值方式（二）变量化设计的实（二）变量化设计的实现原理现原理1.整体求解法整体求解法2.局部求解法局部求解法3.几何推理法几何推理法4.辅助线求解法辅助线求解法第3章 计算机辅助图形处理技术n建立几何拓朴模型建立几何拓朴模型n进行参数化定义进行参数化定义n推导参数表达式推导参数表达式n编制程序编制程序第3章 计算机辅助图形处理技术n注重参数序列的设计含
10、义注重参数序列的设计含义n参数标标注与工程图标注一致参数标标注与工程图标注一致n参数序列与几何图形尺寸序列数据结构参数序列与几何图形尺寸序列数据结构具有对应关系具有对应关系n工程图中的关键尺寸应作为自变量参数工程图中的关键尺寸应作为自变量参数n参数定义不能出现过约束参数定义不能出现过约束第3章 计算机辅助图形处理技术一般绘图：计算各点一般绘图：计算各点坐标值，逐点连线坐标值，逐点连线参数化绘图：参数化参数化绘图：参数化定义与标注定义与标注第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术n建立模型过程中，直接将参数序列定义建立模型过程中，直接将参数序列定义其中；其中；n利用草图器绘制
11、草图，然后再加约束，利用草图器绘制草图，然后再加约束，定义参数；定义参数；n对成熟的、定型的、常用的产品图形，对成熟的、定型的、常用的产品图形，将模型建成参数化图素。将模型建成参数化图素。第3章 计算机辅助图形处理技术n设置缺省尺寸值设置缺省尺寸值n预先设计建立系列化变量值表，绘图时预先设计建立系列化变量值表，绘图时从表中取值从表中取值n由用户实时修改输入由用户实时修改输入第3章 计算机辅助图形处理技术n本质本质 是在数字化建模时动态地建立、编辑和识别约是在数字化建模时动态地建立、编辑和识别约束，并在此约束下求解各特征点束，并在此约束下求解各特征点。将几何约束转变为一系列以特征点为将几何约束转
12、变为一系列以特征点为变元的非线性方程组的方法变元的非线性方程组的方法作图过程中同步建立结构图形约束的作图过程中同步建立结构图形约束的方法方法采用谓词表示几何约束，在专家系统采用谓词表示几何约束，在专家系统的支持下，求出求和约束，检查约束模型的有效的支持下，求出求和约束，检查约束模型的有效性性用辅助线作为隐含约束的方法，所用辅助线作为隐含约束的方法，所有作图形都建筑在辅助线的基础上。有作图形都建筑在辅助线的基础上。第3章 计算机辅助图形处理技术n参数化参数化n记录建模过程和其中的变量，是顺序化的。速度记录建模过程和其中的变量，是顺序化的。速度快。但用户必须提供几何元素的全部尺寸、位置快。但用户必
13、须提供几何元素的全部尺寸、位置信息，然后才能定义下一个元素。信息，然后才能定义下一个元素。n变量化变量化n模型的驱动尺寸用复杂的方程组来表达，通过求模型的驱动尺寸用复杂的方程组来表达，通过求解联立方程组来得到结果。允许用户不必关心约解联立方程组来得到结果。允许用户不必关心约束设置的顺序，允许欠约束的几何设计。束设置的顺序，允许欠约束的几何设计。n变量化系统是对逐渐用属性进行约束的自由轮廓变量化系统是对逐渐用属性进行约束的自由轮廓进行求解，而不是对造型步骤进行记录。进行求解，而不是对造型步骤进行记录。第3章 计算机辅助图形处理技术n新产品模块化设计新产品模块化设计n变型产品模块化设计变型产品模块
14、化设计n现有产品模块化改造设计现有产品模块化改造设计第3章 计算机辅助图形处理技术1.新产品模块化设计新产品模块化设计n市场调研市场调研n功能分析功能分析n模块化产品总体设计模块化产品总体设计n模块划分模块划分n模块划分方案初步评价模块划分方案初步评价n各模块详细设计各模块详细设计n模块综合模块综合n产品性能分析产品性能分析n模块设计方案详细评价模块设计方案详细评价n编写技术文件编写技术文件2.变型产品模块化设计变型产品模块化设计n用户需求分析用户需求分析n查询模块库查询模块库n模块选择与替换模块选择与替换/设计设计新模块新模块n模块组合模块组合n产品性能分析产品性能分析n编写技术文件编写技术
15、文件第3章 计算机辅助图形处理技术3.现有产品的模块化改造设计过程现有产品的模块化改造设计过程n市场调研市场调研n用户需求分析与分类用户需求分析与分类n拟定产品系列型谱拟定产品系列型谱n参数范围及主参数确定参数范围及主参数确定n已有产品的模块化分析与模块化程度评价已有产品的模块化分析与模块化程度评价n确定模块化系列类型（横、纵、跨、全）确定模块化系列类型（横、纵、跨、全）n模块划分模块划分n各模块详细设计各模块详细设计n模块综合模块综合n产品性能分析产品性能分析n编写技术文件编写技术文件第3章 计算机辅助图形处理技术n市场调查与分析市场调查与分析n模块的划分模块的划分n模块标准化模块标准化n拟
16、定产品系列型谱拟定产品系列型谱n模块的管理模块的管理第3章 计算机辅助图形处理技术一、图形生成技术与算法一、图形生成技术与算法二、图形变换技术二、图形变换技术三、真实感图形显示技术三、真实感图形显示技术四、数据可视化技术四、数据可视化技术第3章 计算机辅助图形处理技术1.基本图形元素的生成算法基本图形元素的生成算法2.自由曲线和曲面的生成自由曲线和曲面的生成3.图形元素的求交以及集合运算图形元素的求交以及集合运算4.不同字体中、西文的点阵表示及矢量字不同字体中、西文的点阵表示及矢量字符的生成符的生成第3章 计算机辅助图形处理技术n几何运算：n求交运算 面面，面线，线线n检验几何元素位置的运算点
17、在线，点在面，点在物体几何建模拼合算法几何运算核心基础第3章 计算机辅助图形处理技术n字符库n储存了每个字符的形状信息n分类：n矢量型n点阵型n字型压缩技术第3章 计算机辅助图形处理技术（一）窗、视变换（一）窗、视变换（二）图形几何变换的基本原理（二）图形几何变换的基本原理（三）二维图形的几何变换（三）二维图形的几何变换（四）三维图形的几何变换（四）三维图形的几何变换第3章 计算机辅助图形处理技术n窗口窗口n定义：用户在输入的图形选定的观察区域定义：用户在输入的图形选定的观察区域n属性：属性：n坐标坐标 二维平面的矩形区域。二维平面的矩形区域。n可见性可见性 矩形内可见，外不可见矩形内可见，外
18、不可见n窗口可以嵌套窗口可以嵌套n异形窗口异形窗口第3章 计算机辅助图形处理技术n视口视口n定义：在图形输出设备上所复制的窗口内定义：在图形输出设备上所复制的窗口内容的矩形区域容的矩形区域n属性：属性：n坐标坐标 二维平面的矩形区域。二维平面的矩形区域。n视区可以嵌套视区可以嵌套第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术n窗视变换窗视变换n定义：定义：n由于窗口和视区大小和单位的不一致，为在视区中表现由于窗口和视区大小和单位的不一致，为在视区中表现窗口内容，将窗口图形坐标应变换到视区中。窗口内容，将窗口图形坐标应变换到视区中。n属性：属性：n视区和窗口的缩小和放大均可使图形产
19、生变化。视区和窗口的缩小和放大均可使图形产生变化。n视区纵横比不等于窗口纵横比时，显示的图形会有伸缩视区纵横比不等于窗口纵横比时，显示的图形会有伸缩变化变化n窗口和视区大小相同、坐标相同时，显示的图形不变窗口和视区大小相同、坐标相同时，显示的图形不变第3章 计算机辅助图形处理技术（XR,YR）（XE,YE）第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术n基本思想：基本思想：n任何一个图形都可以认为是点之间的连线构成的。对于一任何一个图形都可以认为是点之间的连线构成的。对于一个图形作几何变换，实际上就是对一系列点进行变换。个图形作几何变换，实际上就是对一系列点进行变换。n引入齐次坐
20、标，变换算法可用矩阵表达引入齐次坐标，变换算法可用矩阵表达n点点p的几何变换：的几何变换：(x,y,z,1)=(x,y,z,1)Mn图形的几何变换：图形的几何变换：V=V Mn对于二维图形对于二维图形M是是33阶矩阵，三维图形阶矩阵，三维图形M是是44阶矩阵阶矩阵n变换类型变换类型n比例变换、对称变换、错切变换、旋转变换、平移变换比例变换、对称变换、错切变换、旋转变换、平移变换第3章 计算机辅助图形处理技术n图形的变换完全取决于变换矩阵中各元素的取值。一图形的变换完全取决于变换矩阵中各元素的取值。一个二维变换矩阵可分为四个部分，即个二维变换矩阵可分为四个部分，即其中：A、B、C、D：比例、对称
21、、错切、旋转M、N：平移P、Q：透视S：全比例变换第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术n22阶变换矩阵不阶变换矩阵不能实现平移，需引能实现平移，需引入齐次坐标。入齐次坐标。n齐次坐标：齐次坐标：n将一个将一个n维分向量维分向量用用n+1维的分向量维的分向量来表示来表示第3章 计算机辅助图形处理技术n实际图形变换是相对于任意点或线的变换。实际图形变换是相对于任意点或线的变换。n复合变换过程复合变换过程n平移平移n变换变换n再平移再平移注意注意：复合变换矩阵的求解顺序不能任意变动复合变
22、换矩阵的求解顺序不能任意变动第3章 计算机辅助图形处理技术n三维几何变换矩阵三维几何变换矩阵M：左上角：比例、对称、错切、旋转左上角：比例、对称、错切、旋转左下角：平移左下角：平移右上角：透视右上角：透视右下角：全比例右下角：全比例第3章 计算机辅助图形处理技术n三维比例变换三维比例变换n三维对称变换三维对称变换n对对XOYXOY平面的对称变换平面的对称变换n对对YOZYOZ平面的对称变换平面的对称变换n对对XOZXOZ平面的对称变换平面的对称变换n三维错切变换三维错切变换n三维平移变换三维平移变换n三维旋转变换三维旋转变换n绕绕Z Z轴旋转的变换矩阵轴旋转的变换矩阵n绕绕X X轴旋转的变换矩
23、阵轴旋转的变换矩阵n绕绕Y Y轴旋转的变换矩阵轴旋转的变换矩阵第3章 计算机辅助图形处理技术n三面投影变换三面投影变换n(1)主视图变换矩阵主视图变换矩阵n(2)俯视图变换矩阵俯视图变换矩阵n(3)左视图变换矩阵左视图变换矩阵第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术n真实感图形：n经过消隐、着色、渲染等效果处理的图形。n技术内容：n观察空间转换（三维实体的二维表示技术：轴侧图、透视图，增强立体感）n消隐（面的可见性、包含性、深度检验）n明暗效应（明暗效应数学模型：以数学公式近似表面感光效果）n阴影（二次消隐：光源消隐，视点消隐）n纹理处理、光线跟踪、辐射度、透明度第3章 计
24、算机辅助图形处理技术n使物体连同它的三个坐标轴同时倾斜于使物体连同它的三个坐标轴同时倾斜于某一个投影面，然后向该投影面投影就某一个投影面，然后向该投影面投影就得到了轴测图。得到了轴测图。n轴测投影变换：轴测投影变换：n先绕先绕Y轴旋转轴旋转角角n在绕在绕X轴旋转轴旋转角角n最后向最后向XOY平面投影平面投影第3章 计算机辅助图形处理技术n表达的物体图形有一种渐远渐小的深度表达的物体图形有一种渐远渐小的深度感，是一种与人的视觉观察物体比较一感，是一种与人的视觉观察物体比较一致的三维图形，它是采用致的三维图形，它是采用中心投影法中心投影法绘绘制的。制的。任何一束不平行于投影面的平行任何一束不平行于
25、投影面的平行线的透视投影将汇聚成的一点线的透视投影将汇聚成的一点坐标轴上的灭点，数量是与投影坐标轴上的灭点，数量是与投影平面切割坐标轴的数量相对应。平面切割坐标轴的数量相对应。第3章 计算机辅助图形处理技术n分类：分类：n一点透视、二点透视、三点透视一点透视、二点透视、三点透视n透视投影：透视投影：n一个图形的点集以透视变换矩阵投影到一个图形的点集以透视变换矩阵投影到XOYXOY面就得透视投影。面就得透视投影。第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术第3章 计算机辅助图形处理技术n含义：运用计算机图形学和图像处理技术，运用计算机图形学和图像处理
26、技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。并进行交互处理的理论、方法和技术。n包括：科学计算数据的可视化、工程数据和科学计算数据的可视化、工程数据和测量数据的可视化、信息可视化测量数据的可视化、信息可视化n核心：三维空间数据场的显示三维空间数据场的显示n算法n中间几何图素法中间几何图素法n体绘制技术体绘制技术第3章 计算机辅助图形处理技术轮廓、器官、病灶与等剂量面显示X射线扫描第3章 计算机辅助图形处理技术nVRVR是指利用计算机模拟产生一个三维空间的是指利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟环境，并在环境中结合不同的输入、输虚拟环境，并在环境中结合不同的输入、输出设备与虚拟物体进行交互，随意观察周围出设备与虚拟物体进行交互，随意观察周围的景物，自由地运动。的景物，自由地运动。n设备设备：数据手套、头盔显示器：数据手套、头盔显示器第3章 计算机辅助图形处理技术
