第二章纺织CAD开发环境与理论基础

第二章纺织品CAD/CAM技术基础2.1程序设计基础2.2数据库基础2.3图形显示基础2.4物体建模方法基础2.5图像学基础计算机语言是一个能完整、准确和规则表达人们意图，并用以指挥或控制计算机工作的“符号系统。2.1.1计算机语言的发展机器语言：二进制代码汇编语言：指令代码高级语言：Basic，Pascal,C语言等面向对象的程序设计语言2.1程序设计基础2.1.2面向对象的基本概念1.对象（Object）及封装2.消息3.类4.继承5.多态2.1程序设计基础2.4几种主流的面向对象程序设计语言1.VisualBasic2.VisualC++3.Delphi4.Java5.Powerbuilder6.C#2.1程序设计基础2.1.2纺织品CAD系统的软件工作环境纺织品CAD系统的软件工件环境主要涉及的是计算机的操作系统。纺织品CAD系统还需要一些辅助软件支持，例如：图形软件开发工具，数据库管理系统软件。为了适应纺织品CAD系统数据庞大的数据处理和数据交换，数据库管理系统（DBMS，DatabaseManagementSystem）是十分重要的支撑软件。它不但可以保证数据资源共享、信息保密、数据安全，还能尽量减少数据库内数据的重复。2.1.3纺织品CAD系统的开发工具开发工具有：VisualBasic、VisualC++、Delphi、C++Builder、Java、PowerBuilder等VisualBasic具有简洁、易于使用、开发效率高等优点。但VisualBasic语言不提供继承,在使用多线程的应用程序方面性能不佳。2.2数据库基础产品设计数据、产品工艺数据、质量控制数据、生产调度数据等要求对数据进行科学的存储和管理。2.2.1数据的存储与管理方式基于文件系统方式：以纯文本、word、excel、位图等文件方式永久存储。基于数据库系统方式：所有数据被集中存放在数据库中，数据的存储与管理由数据库管理系统专门负责。基于文件系统方式基于数据库系统方式数据冗余度大最小的数据冗余数据和应用程序相互依赖数据独立缺乏对数据控制的统一方法实现了数据共享数据存储组织的粒度大可避免数据的不一致性保证数据的安全性两种数据存储与管理方式的比较2.2.2数据库的类型层次型数据库：也称树形数据库，上一层的节点叫主节点，下一层的节点叫子节点，根节点是唯一的。反映的是一对一或一对多的联系方式。网络数据库：可以有多个节点没有主节点，每个节点既可以有多个主节点，也可以有多个子节点。反映的客观事物之间多对多的联系。关系型数据库：数据间的逻辑关系是按关系的形式即二维表格进行组织的，反映客观事物之间一对一、一对多和多对多的联系。是目前最为流行的数据库。面向对象数据库：加入了面向对象方法中的对象、属性、方法、封装、类、继承等概念，是未来的发展趋势。2.2.3.2数据库产品的选用Access：Office办公软件中的极为重要的组成部分，关系型数据库，具有表的特性。MicrosoftSQLServerOracleSybaseSQLServerDB22.3图形显示基础显示系统的性能指标：显示图像的大小：显示屏幕的实际尺寸和空间分辨率；灰度分辨率：系统能够提供的离散灰度级，目前显示系统都具有256灰度级。显示系统中的电噪声2.3.1图像显示技术与设备2.3.2颜色空间颜色的形成是一个复杂的物理和心理相互作用的过程，它涉及到光的传播特性、人眼结构及人脑心理感知等内容。颜色的基本定义颜色包含三个要素：色调（hue）、饱和度(saturation)和亮度(lightness)。色调也称色彩，就是通常所说的红、蓝、紫等，是使一种颜色区别于另一种颜色的要素。饱和度就是颜色的纯度。在某种颜色中添加白色相当于减少该颜色的饱和度。亮度也叫明度，就是光的强度。彩色图形显示器（CRT）上每个象素是由红、绿、蓝三种荧光点组成。RGB（red,green,blue）空间HSV(hue,saturation,value)空间、CMYK(cyan,magenta,yellow,black)颜色空间目前常用的颜色空间有：2.3.2.1RGB颜色空间计算机图形学中，用红绿蓝（RGB）三基色来表示。每个象素的RGB分量从0到255。RGB颜色空间便于CRT设备显示图像；RGB颜色空间的缺点是：改变一个颜色时，三个通道上的颜色全部需要修改；它不是一个均匀视觉的颜色空间，颜色空间上的距离，并不代表人眼视觉上的颜色相似性。图2–5RGB颜色模型图2.3.2.2CMYK模型照片使用用三色系统，胶片上使青（cyan）、品红（magenta）、黄（yellow）染料，控制各染料强度可产生新颜色。印刷机颜色所用的油墨组合为青、品红、黄和黑或称为CMYK，黑版提高了印刷密度、反差和图像的阶调范围，在印刷机上可以提高印刷效果。K代表首字母组合中的黑像素值用四种油墨各自的百分比表示CMYK标度为0％～100％，而不是255～0。CMY颜色系统是RGB颜色系统的补系统。与RGB的换算关系如下：CMY=111-RGB2.2.2.3HSV颜色模型面向用户的主观颜色系统HSV，这个模型中颜色的参数分别是：色彩（Hue），纯度（Saturation）和明度（Value）。HSV模型的三维表示从RGB立方体演化而来。可以看到HSV的六边形外形。六边形边界表示色彩，水平轴表示纯度，明度沿垂直轴测量。2.3.3图像数据格式一幅现实世界的图像首先经由扫描仪等设备进行原始数据采集，然后利用数字化技术进行处理，最后即可以图像文件的形式保存在计算机的磁盘中。这样，计算机便可以灵活方便的处理这些图像。流行的图像格式标准，如：Windows下的位图文件BMP、TIFF格式，公用领域常用的GIF格式，PC机上经常使用的PCX格式，动画领域青睐的TGA格式，CAD领域的DXF格式等。一个BMP格式的文件通常有.bmp的扩展名，Bmp可以包含每个像点l位元、4位元、8位元或24位元的图形。其中1、4和8位元图形有彩色映像，而24位元图形则是全彩色图形（truecolor）。BMP文件可多32位彩色的图像。BMP文件是PC上最常见、最简单的文件格式之一。通常图像是以非压缩方式存储的，但是也可以进行压缩处理。2.3.3.1BMP格式JPEG（JointPhotograhicExpertsGroup）是静止图像压缩的一种标准，是一种有损图像的压缩格式，也就是图像中一些信息在压缩成JPEG格式时可能会丢失。其压缩比率通常在10:1～40:1之间。这样可以使图像占用较小的空间，所以很适合应用在网页的图像中。JPEG格式的图像主要压缩的是高频信息，对色彩的信息保留较好，因此也普遍应用于需要连续色调的图像中。TIF格式的优点主要是它适合于广泛的应用程序，与电脑结构、操作系统和图形处理的硬件无关，可以处理黑白和灰度图形，允许使用者针对一个扫描仪、监视器和打印机的特殊性能而进行调整。TIF具有防止错误发生的格式，因此，对于媒体之间的数据交换，TIF常常是位元映射的最佳选择之一。TIF一个主要的缺点，就是需要花费大量的程序设计工作来进行图形翻译。2.3.3.2JPG格式2.3.3.3TIF格式2.4物体建模方法基础2.4.1曲线的表示与生成方法2.4.2光照模型2.4.1CAD建模的基本方法计算机图形的生成步骤：建立图形的数学模型存储数据结构运算图形储存或显示计算机除了能绘制二维图形以外，还可以生成真实感图形和动态图形，从而实现对实物的仿真。在CAD建模的方法中常用的是自由曲线模型,自由曲线常用的生成方法有逼近和插值等方法。模型给出关键部位的轮廓，即依次连接控制点形成折线，称为控制多边形，用控制点生成保持控制多边形大体形状的光滑曲线。hh1h2nwp1p2p3p4图3　衬纬结构仿真模型2.4.2光照模型当光照射到物体表面时，光线被吸收、反射和透射。被物体吸收的部分转化为热。反射、透射的光进入人的视觉系统，使我们能看见物体。为模拟这一现象，可以通过建立一些数学模型来替代复杂的物理模型。这些模型被称为明暗效应模型或者光照明模型。Lambert漫反射模型模拟理想漫射表面（墙壁、纸张），没有考虑表面的镜面反射，表现金属时显得呆板Phong模型一种纯几何模型，简化了复杂的光照，但真实程度受到严重影响。2.5图像学基础2.5.1图像的基本概念图像：由输入设备捕捉实际场景画面产生的数字图像，图像可分为位映图像和向量图像两类图形：一般指用计算机绘制的画面，如直线、圆形、任意曲线和图标等。像素：在图形学中，位映图像可看成是由点构成的矩阵，矩阵中的点称为像素（pixel）。位映像图像（bit-mapped-graphics或rastergraphics)：把图形作为点的集合，以记录屏幕上图像的每一个黑白或彩色的象素来反映图像。每一个象素有特定的位置和颜色值。用途：位图适用于具有复杂色彩、明度多变、虚实丰富的图像。特点：依赖于解析度，放大或以高清晰度打印时，容易出现锯齿状的边缘。象素的多少决定文件的大小和图像细节的丰富程度。占用存储空间较大，一般需要进行数据压缩。常见文件格式有BMP、GIF和TIFF等。用包含颜色和位置属性的直线或曲线来描述图像属性的一种方法。又称为矢量图像，特点：以数学方式记录构件（图形元素）的几何性质上，它不是记录象素的数量，在任何解析度下输出时都同样清晰。应用：矢量格式更适合于以线条物体定位为主的绘制，通常用于计算机辅助设计（CAD）和工艺美术设计、插图基本的图形存储格式等。向量图像（vectorgraphics）：颜色在经过图像处理软件的数字化处理之后，转变成了数字的形态，由一个一个的位（bit）所组成，位中存储颜色的情况如下：1位2种颜色4位16种颜色8位256种颜色：（标准VGA显示模式）16位65536种颜色：（高彩色hicolor）显示模式24位1677万种颜色：真彩色（truecolor）32位1677万种颜色和256级灰度36位687亿种颜色和4096级灰度值彩色图像2.5.2图像的增强处理图像增强的目的是采用某种技术手段，改善图像的视觉效果，或将图像转换成更适合于人眼观察和机器分析识别的形式，以便从图像中获取更有用的信息。其中包括：图像锐化：是一种使图像的信息易于人们观察的图像质量改善方法，从数学角度上讲就是对图像进行微分化处理。即增强边缘，使图像轮廓清晰。图像平滑：图像处理中消除图像的噪声及满足彩色复制等特殊需要的方法亦即采用依据小区域平均化方法的滤波。从数学上讲就是采用一种能够除去高频成分性质的积分运算。图像平滑亦分为空间域处理和频谱域处理两种。主要有邻域平均法、低通滤波法和多图像滤波法等。2.5.3图形的变换(1)取反将组织图中的经浮点变为纬浮点，纬浮点变为经浮点。(2)对称将组织图以轴或y轴为对称轴进行对称变化。(3)叠加将两个组织图对应的组织点相叠加，两经浮点叠加得经浮点，两纬浮点叠加得纬浮点，经(纬)浮点加纬(经)浮点得经浮点。(4)旋转将组织图按顺(逆)时针方向转90°、180°或270°，得到新组织图。数学模型生成集中映射变换算法设变换前的组织阵为W(N1,N2)，经映射变换后的组织阵为T(R1,R2)。N1、R1分别表示组织阵中的纬线循环；N2、R2分别表示组织阵中的经线循环。有关组织阵变换算法举例如下：组织取反变换算法：R1=N1；R2=N21W(I,J)=0T(I,J)=0W(I,J)=1I=1,2…R1;J=1,2…R2W(N1,N2)T(R1,R2)取反算法：R1=N1；R2=N21W(I,J)=0T(I,J)=0W(I,J)=1I=1,2…R1;J=1,2…R2W(N1,N2)T(R1,R2)取反组织取反变换组织X轴对称变换W(N1,N2)T(R1,R2)X轴对称例如：T(3,2)=W(4,2)算法：R1=N1；R2=N2T(I,J)=W(N1－I＋1,J)I=1,2…R1;J=1,2…R2组织Y轴对称变换W(N1,N2)T(R1,R2)Y