1、包装计算机辅助设计包装计算机辅助设计主讲：主讲：胡 桂 林 胡 桂 林 浙江科技学院 轻工学院浙江科技学院 轻工学院E-mail: 1教学要求教学要求了解计算机绘图的基本问题，掌握基本图形了解计算机绘图的基本问题，掌握基本图形生成、几何变换和几何设计的基本概念、方生成、几何变换和几何设计的基本概念、方法与算法；法与算法；对数据库、数据结构、优化方法有较好的对数据库、数据结构、优化方法有较好的初步认识；初步认识；熟悉熟悉 CAD 软件的二次开发概念，具备一定软件的二次开发概念，具备一定的开发能力；的开发能力；对包装对包装 CAD 软件有一定的了解，初步具有软件有一定的了解，初步具有开发的能力。开
2、发的能力。2教材或参考书教材或参考书教材教材 王德忠主编：包装计算机辅助设计，印刷王德忠主编：包装计算机辅助设计，印刷工业出版社，工业出版社，1996。主要参考书：主要参考书：徐文才等编著：包装计算机辅助设计，西徐文才等编著：包装计算机辅助设计，西安理工大学，安理工大学，1993 孙家广：计算机图形学（第三版），清华孙家广：计算机图形学（第三版），清华大学出版社，大学出版社，1999 3教学方式和考试教学方式和考试 自学和课堂教学相结合自学和课堂教学相结合理论教学和上机实验相结合理论教学和上机实验相结合(40,12)期末考试期末考试,平时作业平时作业,上机作业上机作业4第一章 绪论第一章 绪论
3、 1.1 基本概念基本概念1.2 CAD 技术的发展及应用技术的发展及应用1.3 CAD 系统的硬件和软件系统的硬件和软件1.4 CAD 的基本方法的基本方法51.1 1.1 基本概念基本概念 计算机辅助设计（计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）是指研究利用计算机技术进行工程和产品设计与分析的是指研究利用计算机技术进行工程和产品设计与分析的理论和方法，是涉及整个设计过程的一门学科。理论和方法，是涉及整个设计过程的一门学科。计算机绘图计算机绘图(Computer Drawing)计算机图形学（计算机图形学（Computer Graphics）是研究怎样用）是研究怎
4、样用计算机生成、处理和显示图形的理论和方法的新兴学科。计计算机生成、处理和显示图形的理论和方法的新兴学科。计算机绘图则是应用图形学理论实现图形显示、图形处理以及算机绘图则是应用图形学理论实现图形显示、图形处理以及借助图形信息进行人机通讯的学科。借助图形信息进行人机通讯的学科。计算机辅助制造计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture,CAM)利用计算机帮助人进行产品的制造。利用计算机帮助人进行产品的制造。6奥迪效果图和线框图奥迪效果图和线框图7工程图及其三维重建结果工程图及其三维重建结果 18工程图及其三维重建结果 291.1 1.1 基本概念基本概念 计算机辅助设计（
5、计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）是指研究利用计算机技术进行工程和产品设计与分析的是指研究利用计算机技术进行工程和产品设计与分析的理论和方法，是涉及整个设计过程的一门学科。理论和方法，是涉及整个设计过程的一门学科。计算机绘图计算机绘图(Computer Drawing)计算机图形学（计算机图形学（Computer Graphics）是研究怎样用）是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的理论和方法的新兴学科。计计算机生成、处理和显示图形的理论和方法的新兴学科。计算机绘图则是应用图形学理论实现图形显示、图形处理以及算机绘图则是应用图形学理论实现图形显示、图形处理以
6、及借助图形信息进行人机通讯的学科。借助图形信息进行人机通讯的学科。计算机辅助制造计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture,CAM)利用计算机帮助人进行产品的制造。利用计算机帮助人进行产品的制造。101.1 基本概念基本概念(Cont.)计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning,CAPP）是指利用计算机进行工艺过程的设计。是指利用计算机进行工艺过程的设计。计算机辅助生产管理计算机辅助生产管理(Computer Aided Production，CAP)是在将原材料转换为产品的生产系统中，利用计算机对是在将原
7、材料转换为产品的生产系统中，利用计算机对生产全过程进行管理。生产全过程进行管理。计算机集成制造系统计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacture System,CIMS)是指产品从构思、设计、加工制造，直到最终装配、出是指产品从构思、设计、加工制造，直到最终装配、出厂检验的全过程实行计算机控制的系统，是厂检验的全过程实行计算机控制的系统，是 CAM 技术试图技术试图达到的最终目的。达到的最终目的。111.2 CAD 技术的发展及应用一、一、CAD 技术的发展过程（技术的发展过程（1 1）50 年代（准备和酝酿）1950 年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学
8、院年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风）旋风 I 号（号（Whirlwind I）计算机的附件）计算机的附件诞生了诞生了1958 年，美国年，美国 Calcomp 公司由联机的数字记录仪公司由联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，发展成滚筒式绘图仪，GerBer 公司把数控机床发公司把数控机床发展成为平板式绘图仪展成为平板式绘图仪50 年代末期，年代末期，MIT 的林肯实验室在“旋风”计算的林肯实验室在“旋风”计算机上开发机上开发 SAGE 空中防御体系空中防御体系12一、一、CAD 技术的发展过程（技术的发展过程（2 2）60 年代（蓬勃发展、进入应用）1962 年，年，MI
9、T 林肯实验室的林肯实验室的 I.E.Sutherland 发表了发表了一篇题为“一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文统”的博士论文-确定了交互图形学作为一个学科分确定了交互图形学作为一个学科分支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结支（提出基本交互技术、图元分层表示概念及数据结构构)。1962 年，雷诺汽车公司的工程师年，雷诺汽车公司的工程师 Pierre Bzier 提出提出 Bzier 曲线、曲面的理论曲线、曲面的理论1964 年年 MIT 的教授的教授 Steven A.Coons 提出了超限插值提出了超限插值的新思想，通
10、过插值四条任意的边界曲线来构造曲面的新思想，通过插值四条任意的边界曲线来构造曲面。13一、一、CAD 技术的发展过程（技术的发展过程（3 3）70 年代（广泛使用）年代（广泛使用）光栅图形学迅速发展光栅图形学迅速发展 区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应区域填充、裁剪、消隐等基本图形概念、及其相应算法纷纷诞生算法纷纷诞生图形软件标准化图形软件标准化1974 年，年，ACM SIGGRAPH 的与“与机器无关的的与“与机器无关的图形技术”的工作会议图形技术”的工作会议ACM 成立图形标准化委员会，制定“核心图形系成立图形标准化委员会，制定“核心图形系统”（统”（Core Graphics
11、 System）ISO 发布发布 CGI、CGM、GKS、PHIGS14 真实感图形学真实感图形学 1970 年，年，Bouknight 提出了第一个光反射模型提出了第一个光反射模型 1971 年年 Gourand 提出“漫反射模型插值”的思提出“漫反射模型插值”的思想，被称为想，被称为 Gourand 明暗处理明暗处理 1975 年，年，Phong 提出了著名的简单光照模型提出了著名的简单光照模型-Phong 模型模型实体造型技术实体造型技术英国剑桥大学英国剑桥大学 CAD 小组的小组的 Build 系统系统美国罗彻斯特大学的美国罗彻斯特大学的 PADL-1 系统系统15一、一、CAD 技术
12、的发展过程（技术的发展过程（4 4）80 年代及以后年代及以后图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展图形硬件和各个分支均在这个时期飞速发展标准化、集成化、智能化标准化、集成化、智能化多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚多媒体技术、人工智能、科学计算可视化、虚拟现实拟现实三维造型技术三维造型技术16二、二、CAD 技术的应用技术的应用1、CAD 技术的应用领域技术的应用领域工程和产品的设计仿真模拟 艺术模拟 办公自动化、电子印刷.2、CAD 技术在包装行业的应用技术在包装行业的应用 包装纸盒/纸箱、塑料和玻璃容器、缓冲包装、包装装潢17计算机艺术计算机艺术用计算机软件从事艺术创作 二维平面的
13、画笔程序（如二维平面的画笔程序（如 CorelDraw，Photoshop，PaintShop）图表绘制软件（如图表绘制软件（如 Visio）三维建模和渲染软件包（如三维建模和渲染软件包（如 3DMAX，Maya）、）、以及一些专门生成动画的软件（如以及一些专门生成动画的软件（如 Alias，Softimage）18优点：优点：提供多种风格的画笔画刷提供多种风格的画笔画刷提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾提供多种多样的纹理贴图，甚至能对图象进行雾化，变形等操作化，变形等操作 可以任意修改，取消败笔可以任意修改，取消败笔不足：不足：无法达到传统绘画中风格化的 艺术效果无法达到传统绘画中风
14、格化的 艺术效果很难得到有素描效果、油画效果的艺术品很难得到有素描效果、油画效果的艺术品1920二、二、CAD 技术的应用技术的应用1、CAD 技术的应用领域技术的应用领域工程和产品的设计仿真模拟 艺术模拟 办公自动化、电子印刷.2、CAD 技术在包装行业的应用技术在包装行业的应用 包装纸盒/纸箱、塑料和玻璃容器、缓冲包装、包装装潢21三、三、CAD 技术的发展趋势技术的发展趋势1、网络化、网络化 图图 1 常见的网络拓朴结构（常见的网络拓朴结构（a）总线；）总线；（b）星型；（）星型；（c）令牌环）令牌环22三、三、CAD 技术的发展趋势技术的发展趋势2、智能化、智能化 3 3、集成化、集成
15、化231.3 CAD 系统的硬件和软件一、一、CAD 系统的组成系统的组成CAD 系统的基本构成系统的基本构成CAD 系统单用户和网络系统单用户和网络模式模式24二、二、CAD 系统的硬件系统的硬件主机 CPU、内存外存 硬盘、软盘、CD 光盘、DVD 光盘、优盘.25输入设备输入设备第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第一阶段：控制开关、穿孔纸等等第二阶段：键盘第二阶段：键盘第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、第三阶段：二维定位设备，如鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏等等，语音图形输入板、触摸屏等等，语音第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据第四阶段：三维输入设备（如空间球、数据手套、数据衣），用
16、户的手势、表情等等手套、数据衣），用户的手势、表情等等第五阶段：用户的思维第五阶段：用户的思维26数字化坐标仪基本工作原理：电磁感应主要性能指标：1、最大有效幅面2、数字化的速率3、最高分辨率27扫描仪主要结构：扫描头、主板、机械结构和附件主要性能指标：1、彩色位数；2、灰度等级；3、分辨率282930图形显示系统 图形显示系统 CRT 显示器显示器 液晶显示器液晶显示器等离子显示器等离子显示器伪三维的显示器，和立体眼睛配合使用伪三维的显示器，和立体眼睛配合使用头盔式显示器头盔式显示器CAVE/全景式显示环境全景式显示环境31l 阴极射线管阴极射线管(CRT-Cathode Ray Tube)
17、组成：包括电子枪、加速结构、聚焦组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏系统、偏转系统、荧光屏阴极射线管（CRT)32阴极射线管(CRT)工作原理工作原理高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系高速的电子束由电子枪发出，经过聚焦系统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光统、加速系统和磁偏转系统就会到达荧光屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子屏的特定位置。由于荧光物质在高速电子的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到的轰击下会发生电子跃迁，即电子吸收到能量从低能态变为高能态。由于高能态很能量从低能态变为高能态。由于高能态很不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子不稳定，在很短的时间内荧光物质的电子
18、会从高能态重新回到低能态，这时将发出会从高能态重新回到低能态，这时将发出荧光，屏幕上的那一点就会亮了荧光，屏幕上的那一点就会亮了33要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发要保持显示一幅稳定的画面，必须不断地发射电子束射电子束 刷新频率刷新频率刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的刷新一次是指电子束从上到下扫描一次的过程过程刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显刷新频率高到一定值后，图象才能稳定显示示34电子枪电灯丝，阴极和控制栅组成。电灯丝，阴极和控制栅组成。阴极：由灯丝加热发出电子束，阴极：由灯丝加热发出电子束，控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小控制栅：加上负电压后，能够控制通过其中小孔的
19、带负电的电子束的强弱。通过调节负电压孔的带负电的电子束的强弱。通过调节负电压高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点高低来控制电子数量，即控制荧光屏上相应点的亮度。的亮度。35聚焦系统保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点。加速电极加正的高压电（几万伏），使电子束高速运动。36偏转系统控制电子束，静电场或磁场，产生偏转控制电子束，静电场或磁场，产生偏转。电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度电子束要到达屏幕的边缘时，偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度就会增大。到达屏幕最边缘的偏转角度被称为最大偏转角被称为最大偏转角最大偏转角是衡量系统性能的最重要的最大偏转角是衡量系统性能的最重要的指标，显
20、示器长短与此有关指标，显示器长短与此有关 CRT 显示器屏幕越大整个显象管就越长显示器屏幕越大整个显象管就越长37荧光屏荧光屏 荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光荧光物质：当它被电子轰击时发出亮光l持续发光时间：电子束离开某点后，该点持续发光时间：电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值的亮度值衰减到初始值 1/10 所需的时间所需的时间l刷新刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值稳定的亮度值l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数38荧光屏荧光屏l像素像素(Pixel:Picture Cell)：构成屏幕（图：构成屏幕（图像
21、）的最小元素像）的最小元素l分辨率分辨率(Resolution)：CRT 在水平或竖直在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为单位通常为 dpi（dots per inch)。在假。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如幕所能容纳的像素个数描述，如 640*480，800*600，1024*768，1280*1024 等等等等39 点状影孔板工作原理点状影孔板工作原理 红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素）三支电子枪
22、三支电子枪电子枪、影孔板中电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光的一个小孔和荧光点呈一直线；点呈一直线；每个小孔与一个像每个小孔与一个像素（即三个荧光素（即三个荧光点）对应点）对应40显示器能同时显示的颜色个数显示器能同时显示的颜色个数如果每支电子枪发出的电子束的强度有 256 个等级，则显示器能同时显示 256*256*256=16M 种颜色，称为真彩系统l调节各电调节各电子枪发生子枪发生的电子束的电子束中所含电中所含电子的数目子的数目，即可控，即可控制各色光制各色光点亮度。点亮度。41打印机（撞击式和非撞击式）打印机（撞击式和非撞击式）绘图机（滚筒式和平板式）绘图机（滚筒式和平板式）快速成型机（
23、三维打印）快速成型机（三维打印）图形硬拷贝设备图形硬拷贝设备42 结合结合激光扫描和电子照相技技术，主要由术，主要由硒鼓（感光鼓）、上粉盒、充电电晕丝等组成。等组成。主要工作步骤主要工作步骤:1、硒鼓初始化、硒鼓初始化2、硒鼓感光、硒鼓感光3、显影、显影4、将图像传到纸上、将图像传到纸上5、熔化像点、熔化像点6、清扫硒鼓，开始新一轮工作、清扫硒鼓，开始新一轮工作激光打印机激光打印机43绘 图 机绘 图 机主要技术指标主要技术指标 绘图速度：画笔移动的最高速度绘图速度：画笔移动的最高速度 绘图精度：包括定位精度、重复精度、零位绘图精度：包括定位精度、重复精度、零位精度精度 和总精度等和总精度等
24、绘图有效面积：绘图笔所能达到的有效绘图绘图有效面积：绘图笔所能达到的有效绘图范围范围 绘图功能：如图线线型、画直线、画圆等绘图功能：如图线线型、画直线、画圆等绘图笔的步距、笔数、夹持笔的方式绘图笔的步距、笔数、夹持笔的方式主要有主要有 滚筒式：由两只步进电机分别带动绘图笔和绘滚筒式：由两只步进电机分别带动绘图笔和绘图纸运动。价格便宜，精度不高，过程不清楚图纸运动。价格便宜，精度不高，过程不清楚 平板式：由计算机发出脉冲驱动平板式：由计算机发出脉冲驱动 x、y 向的驱向的驱动电机，使画笔做动电机，使画笔做 x、y 方向的移动。精度高，有方向的移动。精度高，有效绘图面积大，过程可监视。价格较高、占
25、地面积效绘图面积大，过程可监视。价格较高、占地面积大大44三、三、CAD 系统的软件系统的软件 CAD 软件一般由功能不同的三个层次组成，即系统软件、支撑软件和应用软件 CAD 软件一般只能运行在特定软件一般只能运行在特定的操作系统上；的操作系统上；支撑软件是支撑软件是 CAD 软件中的重要软件中的重要组成部分，如各种图形软件、组成部分，如各种图形软件、计算分析、优化软件、数据库计算分析、优化软件、数据库管理系统、仿真软件；管理系统、仿真软件；应用软件是针对特定领域的，应用软件是针对特定领域的，如包装容器造型和结构设计如包装容器造型和结构设计CAD 等等45三、三、CAD 系统的形式及分类系统
26、的形式及分类 从系统的配置和终端与主机间的构成方式来看，CAD 系统主要有大型图形系统大型图形系统中型机或超级小型机图形系统中型机或超级小型机图形系统微机型图形系统微机型图形系统工作站图形系统工作站图形系统网站型工作站分布式图形系统网站型工作站分布式图形系统461.4 CAD 的基本方法一、一、CAD 系统系统的功能要求的功能要求 应具有计算、存储、对话、输入和输出等功应具有计算、存储、对话、输入和输出等功能能计算功能：应包括形体设计、分析的算法程序和描计算功能：应包括形体设计、分析的算法程序和描述形体的数据库；述形体的数据库；存储功能：能在内存、外存中存放图形数据；存储功能：能在内存、外存中
27、存放图形数据；对话功能：能通过图形显示器、定标坐标等直接结对话功能：能通过图形显示器、定标坐标等直接结果进行人机交互通讯；果进行人机交互通讯；输入功能：能把设计中的有关尺寸和参数，及命令输入功能：能把设计中的有关尺寸和参数，及命令输入计算机；输入计算机；输出功能：应具有图形、文字和图像的输出功能。输出功能：应具有图形、文字和图像的输出功能。47二、二、CAD 的基本方法的基本方法设计过程是反复进设计过程是反复进行建立模型分行建立模型分析计算和评价模型析计算和评价模型修正完善模修正完善模型的过程型的过程48二、二、CAD 的基本方法的基本方法1、CAD 作业中的模型 与专业设计有关的数学模型与专
28、业设计有关的数学模型 与与 CAD 直接有关的模型直接有关的模型2、CAD 的分析计算 基本内容：力学性能的分析计算；几何基本内容：力学性能的分析计算；几何形体特性的分析计算；设计方法的分析计算形体特性的分析计算；设计方法的分析计算 基本分析方法：解析法和数值模拟法基本分析方法：解析法和数值模拟法3、CAD 的评价与自动绘图49三、计算机辅助设计的常用技三、计算机辅助设计的常用技法法1、分层技术分层技术2、标准图形库的应用、标准图形库的应用3、图形、图形/图像处理技术图像处理技术4、造型图像化、造型图像化5、用户界面设计、用户界面设计50包装计算机辅助设计包装计算机辅助设计主讲：主讲：胡 桂 林 胡 桂 林 浙江科技学院 轻工学院浙江科技学院 轻工学院E-mail: 51
