计算机制图和数据库

计算机制图与数据库主讲教师：武法东地球科学与资源学院遥感第四纪教研室使用教材：《实用计算机制图》武法东、田明中、柴春媚编著地质大学出版社（校内），1998,2003主要参考书：《计算机图形技术原理及其应用》王汝传编著人民邮电出版社1998《计算机图形学基础》唐泽圣、周嘉玉、李新友编著清华大学出版社《计算机图形显示技术》贺利洁、赵曙光、刘刚西安电子科技大学出版社，2001课程主要内容绪论计算机图形学研究概述第一章计算机图形系统第二章图形生成技术简介第三章Worksheet的使用第四章Grapher绘制二维图形第五章Surfer绘制等值线图第六章Surfer绘制其它三维图形第七章CorelDRAW绘图简介第八章MapGIS绘图简介绪论计算机制图学研究概述第一节计算机图形学研究的内容第二节计算机图形学发展概况第三节计算机制图的特点和应用第四节计算机图形学当前研究的课题第一节计算机图形学研究的内容一、计算机图形学二、计算机图形学、图形处理与模式识别的关系三、计算机图形学与CAD、CAM技术的关系四、计算机图形学研究的内容一、计算机图形学计算机图形学（ComputerGraphics）简称CG，是计算机应用领域中的一个重要研究方向，目前尚属一门新兴的学科。学科发展的基础和依赖条件：物质基础：计算机的发展、外设的发展社会需要：科研、工程设计和生产需要优势所在：高效率、高精度、可重复利用各学科领域相互交叉，利用计算机自动成图已经成为一种必然的趋势。一、计算机图形学1定义：2计算机图形的类型3计算机产生图形的方法一、计算机图形学1定义：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用设备上显示或输出的原理、方法和技术的学科。可以看出，该过程主要涉及三个部分：数据：原始输入，数学方程，计算机产生的结果计算机：实现数据、信息图形表达的重要工具输出设备：将不能感觉到形态的抽象数据按要求实现输出。输入信息:数据计算机图形处理输出信息:图形计算机图形处理系统计算机图形处理过程示意图将完成这样一个过程的计算机系统称为计算机图形处理系统，简称图形系统。2计算机图形的类型按图形结构线条框架图：主要用线段来表示的图形面状图：具有色彩、层次和真实感的图形，反映对象的外观。按图形空间二维图：在平面坐标系中定义的图形,平面图，2D三维图：在三维坐标系中定义的图形，立体图，3D可以对图形进行任意的变换，由于运算速度极快，因此，计算机绘图在各方面都超过了人工绘图3计算机产生图形的方法矢量法：将图形用任意多的矢量逼近，电子束逐个点亮相邻两点间的矢量，从而得到一个近似的图形。15段折线组成的园30段折线组成的园描点法：将图形在屏幕光栅上经过的象素串联起来并点亮，从而得到一个象素图形，或位图。提示：当进行图形输出时，矢量图的输出质量远高于描点法得到的位图。二、计算机图形学、图形处理与模式识别的关系计算机应用领域发展的三个分支：计算机图形学（ComputerGraphics)图像处理(ImageProcessing)模式识别(PatternRecognition)由图像－图像的过程。对已有的物体影像进行处理后再现图像。对图形信息进行识别和分析描述，是由图形到描述的表达过程。根据一定的描述用计算机生产相应的图形图像。对象描述数据几何模型对象的图像图形显示模式识别图像处理图形学、图像处理及模式识别三者之间的关系三、计算机图形学与CAD、CAM技术的关系概述：近30年来，随着计算机技术的广泛应用和发展，计算机辅助设计（ComputerAidedDesign)(CAD)与计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing)(CAM)发展迅速，89年代CAD/CAM进入了应用阶段。CAD：是建立一种模式和算法以及相关的支撑和应用软件，使计算机按工程师的意图进行分析和计算，最终输出满意的设计结果和生产图纸。例如电路CAD，土木结构CAD等。三、计算机图形学与CAD、CAM技术的关系CAD(ComputerAidedDesign)CAM(ComputerAidedManufacturing)CAM：是直接或间接把计算机与工厂生产设置联系起来，实现计算机对生产的计划、管理、控制机操作过程。CAM的一般过程是由CAD和CG生成完整的符合加工要求的数控语言，并由此去控制数控机床等设备，从而使CAD与CAM成为一体。关系：CG是核心或基础，CG与CAD共同服务于CAMCGCADCAM四、计算机图形学研究的内容其核心技术是如何建立所处理对象的模型并生成该对象的图形。主要内容包括：2图像生成技术（ImageSynthesis）线段、圆弧、字符、区域充填的生成算法；光照模型、浓淡处理、纹理、阴影等各种逼真图形表示技术等。1几何模型构造技术（GeometricModelling）各种不同类型几何模型的构造方法及性能分析；曲线与曲面的表示与处理；专用或通用模型构造系统研究等。第二节计算机图形学发展概况一、计算机图形学的发展二、计算机图形软件发展的几种类型一、计算机图形学的发展计算机图形学是伴随着计算机及其外围设备的发展而产生和发展起来的，是计算机科学与电视、半导体工艺机图像处理等技术结合而产生的结果。例如，在航空、机械工业、建筑、地理信息系统等领域，计算机图形学被广泛地应用，从而不断推动了它的发展。计算机图形的发展大致经历了如下过程•1946年2月，第一台计算机问世（电子管，100千瓦，体积：30多米的房间，5000次/秒，30多吨），此后各国开始投入力量进行软件和硬件的研制；•1950年美国麻省理工学院研制出了第一台图形显示器WhirlWind1(旋风1号)，开始了简单图形的显示；一、计算机图形学的发展•1959年美国CALCOMP公司制造出了第一台滚筒式绘图仪，同年，GERBER公司把数控机床发展成为平板式绘图仪•50年代末，麻省工学院在旋风2号机上开发SAVE防御系统，首次将雷达信号转换为显示器上的图形，可用光笔直接在屏幕上识别目标，标志着交互式图形生成技术的诞生。•1962年麻省理工学院林肯实验室的IVan.E.Suthland(伊凡.萨瑟兰德发表了题为“Sketchpad:人－机通信的图形系统”的博士论文，首次提出了“计算机图形学”（ComputerGraphics）这一术语，引入了一大批新理论和技术。一、计算机图形学的发展•60年代中期，美、英、法国的一些汽车和飞机制造公司对计算机图形学开展的大规模的研究，在CAD和CAM中，利用交互式计算机图形学实现了多阶段的自动设计、自动绘图和自动检测。同期具有良好性能的显示器也得到了发展。•60年代后期，出现存储管式显示器。它不需要刷新，显示大量信息也不闪烁，价格低，分辨率高。•70年代中期，出现了基于电视技术的光栅图形扫描器。可以用30次/秒的速度进行图形刷新，从而避免闪烁，使图形更加逼真。同期，还出现了多种图形输入设备。从光笔装置到图形输入板、鼠标器、扫描仪和触摸屏等。•1973年在美国召开首次计算机图形学学术会议，并决定此后一年一次至今。一、计算机图形学的发展•80年代计算机图形学的发展体现以下3个方面：–几个大型计算机图形系统相继问世,特别是GKS（GraphicsKernelSystem)图形核心系统。原研制于德国，于1982年国际标准化组织讨论和修改并确定为准二维图形ISO标准系统。–高分辨图形显示器研究成功–硬件的发展使微机图形系统在许多领域可以取代小型系统，计算机图形学应用更加广泛。•90年代计算机图形学向更高阶段发展，它的许多技术已成为当今多媒体技术的重要组成部分。在未来软件硬件发展中，计算机图形学扮演着重要角色。二、计算机图形软件发展的几种类型1用现在某种高级语言写成程序包，用户使用该语言调用需要的子程序生成各种图形。优点：编程容易，易于移植缺点：执行速度慢，效率较低代表：标准化典型规范GKS和CORE2将某种语言的功能加以扩展，使其具有图形生成功能。优点：系统较简练，紧凑，执行速度快缺点：必须熟悉语言的编译系统，工作量大，难移植代表：BASIC,TurboC,BorlandC++,PASCAL等，它们均已实现了屏幕图形生成功能。3对某种类型的设备可以配置专用的图形生成语言。目前大多数绘图机都配备了相应的图形生成语言。优点：功能强，执行速度快缺点：由于与设备相关，故难以在不同设备上使用代表：GL(GraphiclLanguage)语言PL(PlotingLanguage)语言4解决上述问题的根本就是要实行图形软件的标准化。1977年美国计算机协会ACM(AsssociationforComputingMachinery)提出了核心图形系统（CoreGraphicsSystem）规范。考虑了程序的可移植性。只要求图形设备与这个标准有一个接口即可。二、计算机图形软件发展的几种类型多年来，人们对图形系统所涉及的算法做了大量的研究工作，其目的都是为了解决显示或输出质量，提高速度，节省内存等问题。存在的问题：在象素的拼合，几何造型、隐藏线、隐藏面的消除等方面，还有待人们继续进行深入的探索和研究。二、计算机图形软件发展的几种类型第三节计算机制图的特点和应用一、计算机制图的特点二、计算机图形学的应用领域一、计算机制图的特点尽管应用环境及所配置的主机、图形设备、图形软件不同，图形系统提供的功能、实时执行速度、使用方式也不相同，计算机产生的图形也随之而异，但是具有共同的特点：1图形按数学方法产生，有规律、光滑、严格2图形干净、美观，无噪声干扰3图形即可以描述客观世界的各种对象，也可以描绘纯主观想象的各种对象，称为主观图像4交互式计算机图形显示可由用户控制，图像可修改性强，且速度快，差错少二、计算机图形学的应用领域1计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）2地理信息系统（GIS）3系统模拟4计算机辅助教学5过程控制6办公自动化7计算机动画第四节计算机图形学当前研究的课题1几何造型技术–主要研究一些基本方法和手段来表示存储和显示各种三维实体2三维信息重建技术–主要研究一些算法，使得计算机图形系统能自动地将三维视图转换成相应的立体图3图形数据库–研究如何以基本的图形为数据项而建立一个能快速查找各个图形的图形库第四节计算机图形学当前研究的课题4动态绘图–在交互式绘图中，不仅可以在屏幕上对图形修改、删除、编辑等，还可以进行动态分析5CG、CAD、CAM三者一体化–研究如何从设计、方案优选、到绘图、生产等一系列过程的全部计算机化，使三者真正一体化6应用软件开发环境的通用化和标准化–图形显示方面进行的研究主要是用户界面管理系统、窗口管理系统、网络文件格式等，并使之标准化和通用化第四节计算机图形学当前研究的课题7虚拟现实环境的生产–虚拟现实（VirtualReality）是继多媒体后另一个在计算机界引起广泛关注的研究热点。它利用计算机生产一种模拟环境（入驾驶仓、控制室等），通过多种传感器和设备，使用户利用该环境进行自然交互的技术8科学计算可视化–传统的计算结果是数据流，这种数据流不易理解，也不易检查其中的错误。科学计算可视化通过对空间数据场构造中间几何图案，或用图形绘制技术在屏幕上产生二维图形，它将广泛地用于分子模型构造、地震数据处理、大气科学机生物化学等领域