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CAD/CAE集成设计与分析Thesuccessoftomorrow’sindustrialplantwilldependonitsabilitytogather,share,andutilizeinformation.J.T.O’RourkeCAD/CAE集成设计与分析的概念利用计算机辅助设计与分析的结合，提高效率，达到信息集成的目标，实现CAD/CAE之间的信息流通、交换、传递，连结散布于产品设计到制造各个领域的自动化孤岛，使其成为一个有机的整体。产品信息模型的组织结构产品设计数控加工质量检测产品分析工艺规划CAD模型CAE模型CAQ模型CAPP模型NC模型信息模型映射外壳知识库元特征构造模式产品构造模式几何拓扑模型管理模型材料模型装配模型型面模型尺寸精度模型技术模型零件元特征部件产品几何/拓扑模型尺寸精度模型型面模型技术模型交换模式(STEP标准)存储模式装配模型材料模型管理模型应用特征模型全局特征层资源构件层物理描述层群组通信和组播分组CAD技术的重要应用CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一。CAD技术曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工行业，无论是机械、电子、轻纺行业还是文体、影视广告行业等都离不开CAD技术。CAD技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。在制造业中的应用:如波音777飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机械设计CAD等。仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界”、“玩具总动员”、“侏罗记公园”等。在轻工行业的应用：如模具CAD和服装CAD等。在医学中的应用：计算机辅助手术规划和手术模拟。在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计与制造。CAD技术在我国工程和产品设计的一些应用实例：1）沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了三峡工程的招标项目。2）泸东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期缩短1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍。3）西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改。4）寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米。相关新技术介绍1.科学计算可视化2.三维复杂模型实时动态显示方法2.1基于几何模型的绘制方法2.2基于图象的绘制方法1.科学计算可视化科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing，简称ViSC）从八十年代后期诞生以来，一直是计算机科学的一个研究热点。科学计算可视化是由计算机图形学、图像处理、计算机辅助几何设计、计算机视觉、信号处理和用户界面等共同支持的交叉学科，主要研究空间数据场的可视化，其研究内容丰富，应用领域广泛。科学计算可视化是用交互式计算机图形学和图像处理技术，将科学计算数据、工程实验数据和影像扫描数据等数据场中蕴涵的信息转换成图形图像显示在屏幕上、并对其进行交互处理的理论、方法和技术。十多年的快速发展:1987年，正式确认“科学计算可视化”(VisualizationinScientificComputing，简称为ScientificVisualization)。已成为计算机科学的一个重要的新分支。国际学术会议讨论的热点问题之一。美国IEEE每年举行一次可视化的学术会议。IEEE增加一种新会刊《IEEETransactiononVisualizationandComputerGraphics》。可视化应用软件逐渐走向实用化和商品化。可视化技术的意义和价值:科学计算可视化为科学家之间及科学家与数据之间提供了以图形、图像和动画等视觉信息交流的手段，提高了人们处理海量数据的能力，使许多抽象的、难以理解的原理和规律变得容易理解，使枯燥的数据变得生动有趣；使科学家不仅能分析计算的结果，同时能交互地控制计算的过程；为人们提供了观察数据场中不可见信息的方法，增强了人们的洞察力。可视化技术的应用领域：已在计算流体力学、医学、地质学、气象学、分子结构学、物理学、考古学、材料科学、数学、金融、环保与农业、信息传播和工业检测等领域获得了广泛的应用。近几年，科学计算可视化与虚拟现实相结合，进一步拓广了应用领域。以下图片来自“清华大学计算机系图形学与可视化实验室”.气象预报：地质构造：树獭数据的三维重构:大脑数据的三维重构:建筑设计/房地产显示:三维医学图象重建:骨科整形手术仿真演示程序三维牙颌模型的重构:虚拟数字人体研究现状介绍医学与信息技术、计算机技术的结合、医学数据的数字化是目前研究与应用的热点。数字化虚拟人是人体数据从微观到宏观以及从结构到机能的数字化模拟，包括解剖人、生理人和物理人3个领域。目前只有美国、韩国和中国具有虚拟人体数据。1.美国可视人计划（VisualHumanProject,VHP）随着计算机技术的迅猛发展，使得数字化的虚拟现实得以实现。于是，在医学、生物学以及军事、航天、体育、汽车、艺术等相关领域，提出了对数字化可视人体的多层次的巨大需求。美国国家医学图书馆抓住先机，于1989年确立了“可视人计划（VisibleHumanProject,VHP）”，1991年8月，与Colorado大学健康科学中心(HealthSciencesCenter)签定协议，由Colorado大学完成人体连续横断面图象获取，获得一套正常人体的结构数据。该研究于1994年11月完成并向世界公布。该套数据为中年男性，共有1878个横断面图象，相邻断面之间间隔1.0mm，数据量为15G。其方法是将标本低温冰冻后，用工业铣床逐层铣去、逐层照相，输入计算机获得连续断面图象，然后进行人体结构的三维重建。1995年获得了第一例女性数据集，片间间距为0.33mm，数据量为30G。美国可视人男性美国可视人计划的实施在全世界引起了巨大反响，从1996年开始由美国发起召开的可视人国际会议每两年举行一次，已经连续举办了四届。不少研究机构或大学利用VHP的连续断面图象数据，已经或正在开发新的计算机人体模拟系统和实用产品。如华盛顿大学开发的数字解剖学家系统、哈佛大学开发的全脑图谱及外科手术规划系统、斯坦福大学开发的虚拟内窥镜系统、汉堡大学的开发的Voxel-Man系统、美国伦斯利尔理工学院开发的核医学虚拟仿真系统，等等。目前，韩国、日本、德国、澳大利亚纷纷启动了可视人体计划。美国男可视人体的精细重构2.我国数字化虚拟人发展概况由于可视人体研究是一项人类借助计算机技术进一步认识自身，同时在医学、仿生学等多个领域具有广阔应用前景的重大课题，2001年11月5-7日，第174次香山科学会议认为，虽然美国已有了世界上第一套人体结构数据，但具有明显的缺点：一，是数据来源于白种人，不完全适合于中国人的结构特点；二，是VHP将尸体截为4段，造成了交接处的数据缺损；三，是断面间距为1mm和0.33mm，仍然不够细致。会议认为，中国作为一个具有13亿人口的大国，不能没有自己的可视化人体，而且，以我们现有的技术，可以克服上述三个缺点，在先进性和准确性上可以超过美国的VHP。目前，我国第一军医大学和第三军医大学已获取中国虚拟人体数据集。现介绍第一军医大学的情况：在国家863高科技发展项目支持下，中科院计算所、第一军医大学、首都医科大学、华中理工大学联合攻关，由第一军医大学切片完成的我国女性数据集，切片层厚为0.2mm，共切片8556片,每片图像600万像素；对获得的数据进行几何色彩校正，全部数据为149GB。我国女性虚拟人是发育健康的19岁广西人，因急性食物中毒死亡，由家属捐献遗体，这比一般消耗性疾病死亡者更具正常人的代表性；由于第一军医大学将获得国家科技进步二等奖的血管铸型技术，应用于虚拟人数据集的建模，解决了目前国际上尚未解决的血管显示技术难题。女一号模型3.韩国可视化人体进展2000年韩国启动为期5年的可视韩国人计划，已完成2个预试验数据集。2.三维复杂模型实时动态显示方法目前大多数虚拟现实系统的主要部分是构造一个虚拟环境并从不同的视点按不同的方向进行漫游，以获得身临其境的感受。要达到这个目标，一是构造虚拟环境，二是模拟虚拟摄像机在环境中以6个自由度运动，并得到相应的图像画面，相当于人在环境中可以自由地行走、飞行。如果要达到身临其境的效果，一是要图形的真实感很强，二是要图形刷新显示的速度快，以使得由于刷新引起的闪烁达到人眼不能察觉的水平，也就是说至少要大于10帧/秒。当模型比较简单时，图形的显示速度可以达到交互实时，当模型的复杂程度超过了机器硬件的能力时，图形的显示开始出现间隔和跳动。一般来说，所谓复杂模型，并没有绝对的概念，称之为复杂，是与机器的性能相联系的。当一个模型在某种性能的机器上的显示速度不能达到实时的要求（即刷新频率至少为10帧/秒）时，我们便称这个模型相对于这种机器是复杂模型。具体措施:采用软件的方法或软硬件相结合的方法在相应的机器上实现该模型的实时动态显示。这里主要介绍软件处理方法.三维复杂模型的实时动态显示方法可以归为两类：基于几何模型的实时动态显示和基于图像的实时动态显示。2.1基于几何模型的绘制方法多年来，我们的研究对象一直是几何模型。我们通常用三维几何实体模型来表示虚拟环境，然后通过投影变换、裁剪、消隐、明暗计算来实现绘制。用户输入纹理信息和测量数据建模几何模型（几何信息、反射率和光源）绘制图象基于几何模型的实时动态显示所采用的方法有三种:一是降低模型的几何复杂度。主要包括纹理映射和多分辨率表示两种方法。二是进行可见性测试。由于视线的方向性，视角的局限性以及物体之间的相互遮挡，人眼所看到的往往只是整个场景中的一部分。因此有效地利用物体空间、图像空间以及时间上的相关性来进行可见性的计算，是加快绘制速度的关键。三是预处理。预处理的方法是将与视点无关的计算放在预处理阶段，或是说将能预先计算好的部分尽量都放在预处理阶段，这是实时显示方法所共同具有的策略，用存储空间来换取时间。大规模地表模型多分辨率漫游演示系统清华大学计算机系可视化技术与图形学实验室原始网格模型与简化网格模型对比原始网格数据量大，绘制速度很慢相应的简化网格，绘制速度较快漫游时绘制带纹理图像的对比结果，左图为原始网格模型，右图为简化网格模型(a)原始数据规模为513×513的地表简化网格模型原始三角形数量为524,288简化后三角形数量6,596约为全分辨率网格模型的1.26%(b)相对于视点a移动后生成的另一简化网格，三角形数量7,685右图为两帧图像间视点移动情况地表模型的俯瞰图及侧视图某时刻可见部分简化网格模型的顶视图及其对应绘制结果纹理图像漫游网格图像漫游简化地表模型的实时漫游效果演示右图演示地表模型各种绘制状态首先对原始网格模型进行简化其后依次为顶点绘制模式、网格绘制模式、表面绘制模式、光照绘制模式、纹理绘制模式。基于几何模型方法的有以下优点：1.基于几何模型的方法有统一的理论框架。它用解析几何和投影几何来描述物体的形状，用物理表示来描述物体的表面性质和光对表面的影响，采用投影变换、裁剪、消隐、明暗计算的绘制方法对模型进行显示，所以对于任意的几何模型，在任意的视点参数下，都可以得到正确的输出图像。2.几何模型数据占用的存储空间较小。采用几何模型表示时，数据都是必要的，没有冗余。3.可以显示复杂的动态场景。无论怎样复杂的动态场景，在某一时刻，几何模型都是一定的，只要得到每一时刻对几何模型的描述，就可以正确显示出任一时刻的动态场景。基于几何模型方法构造和显示虚拟环境存在的问题：1.构造几何模型复杂而繁琐，需要大量的人力和手工。对于非常复杂的场景，例如如果要绘制巴黎的埃菲尔铁塔，可能需要借助于工程设计图纸，这其中需要大量的几何造型工