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Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
Einführung in CAD
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
Einführung in CAD
• Organisatorisches
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
Einführung in CAD
Auszug aus „Erläuterungen zum Bachelorstudium Bauingenieurwesen“
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
Einführung in CAD
Auszug aus „Erläuterungen zum Bachelorstudium Umweltingenieurwesen“
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
Einführung in CADAuszug aus „Erläuterungen zum Bachelorstudium Wirtschaftsingenieurwesen / Bau“
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Einführung in CAD
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Einführung in CAD
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Einführung in CAD
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Einführung in CAD
Rechneranmeldung zum Üben mit AutoCAD (1):
CIP-Pool (Raum 204, 2. Stock, BI-Hochhaus):Es stehen 17 Rechner zur Verfügung.
Anmeldung : mit eigenem Account am Server„cippool“
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Einführung in CAD
Rechneranmeldung zum Üben mit AutoCAD (2):
CA-Pool (Raum 203, 2. Stock, BI-Hochhaus):
Es stehen 17 Rechner zur Verfügung.
Anmeldung am Server „capoolhh“: Name: studentKennwort: student
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Einführung in CAD
Rechneranmeldung zum Üben mit AutoCAD (3):
CA-Pool (Statik, Beethovenstr.):Es stehen 21 Rechner zur Verfügung.
Anmeldung am Server „capool51“: Name: studentKennwort: student
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Einführung in CAD
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Einführung in CAD
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Einführung in CAD
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Einführung in CAD
Zeiten für die Magnetkartenausgabe:
im 5. OG des Okerhochhauses
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Einführung in CAD
Anmeldung in die Praktika-Gruppen unter:
studip.tu-bs.de
ab
30.10.2015
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Einführung in CAD
Gruppeneinteilung für Rechner-Praktikum
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Einführung in CAD
Hinweis zur Literatur
AutoCAD 2016Grundlagen
oder
AutoCAD 2014Grundlagen
ca. € 6,00
Im Rechenzentrum erhältlich:
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Einführung in CAD
Computer Aided Design
Rechnergestütztes Konstruieren,Entwerfen und Projektieren
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
Übersicht
1. Grundbegriffe
2. Hardware- und Softwarevoraussetzungen
3. 2D – Konstruktionssysteme
4. CAD als Kern eines integrierten Planungsprozesses
5. Geometrische Modelle in 3D
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1 Grundbegriffe
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CAD steht als Abkürzung für Computer Aided Design. „Design“ in der ursprünglichen Definition umfasst in seiner Bedeutung den gesamten Bereich der Bauwerksplanung.
DESIGN
Entwerfen 2D- und 3D-Zeichnen
Berechnen Vorbemessung
Bemessung
Konstruieren Konstruktionsdetails
Berechnung (statisch, dynamisch)
Gesamt-/Teil-System optimieren
Was ist CAD?
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Überwiegend wird der Begriff „CAD“ für Computer Aided Draftingeingesetzt. Damit ist nur der begrenzte Bereich der Erstellung von technischen Zeichnungen gemeint.
DRAFTING
Zeichnen
Konstruieren
Bewehren} { 3 D
2 D
2 1/2 D
MassenermittlungAusschreibungBauablaufplanung
Ziel ist, die Information, die durch die technischeZeichnung erarbeitet wurde, weiter zu nutzen,z. B. für:
Gebäudeverwaltung
Was ist CAD?
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Das Ziel von CAD istdie „virtuelle“ Abbildung von räumlichen Elementen als 3-dimensionale Objekte im Rechner. Dann können sie als Kern eines Bauwerkmodells dienen. In diesem können neben den topologisch/geometrischen Daten auch Informationen enthalten sein, die vom statischen Modell bis hin zu Daten über die aktuelle Nutzung des Objekts reichen.
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CAD
• Einsatzbereiche, Nutzung, Auswirkung• Funktion• Gestaltung (Topologie, Geometrie auch
dreidimensional)• Physikalische Eigenschaften• Material• Fertigung• Wartung, Entsorgung• Kosten
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2 Hardware- und Software-voraussetzungen
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2 Hardware- und Softwarevoraussetzungen
• 2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
• 2.2 Interaktionen zwischen Rechner und Benutzer
• 2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Massenspeicher:Band-Laufwerk, Bildschirm
Plotter
Festplatte
Grafiktablett + Tastatur PC oder Workstation Drucker
NetzArbeitspeicher Zentraleinheit Ein- und Ausgabe-
Interne Verbindung (BUS)
(Prozessor) schnittstellen
oder Mouse
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Massenspeicher:Band-Laufwerk, Bildschirm
Plotter
Festplatte
Grafiktablett + Tastatur PC oder Workstation Drucker
NetzArbeitspeicher Zentraleinheit Ein- und Ausgabe-
Interne Verbindung (BUS)
(Prozessor) schnittstellen
oder Mouse
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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Das Kontrastverhältnis ist der Quotient aus der maximal und der minimal darstellbaren Leuchtdichte.
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Lichtquelle
Gitterförmig mit Leiterbahnenbedampfte Glas-platten
Flüssigkristalle
Polarisationsfolie
Polarisationsfolie
lichtdurchlässig lichtundurchlässig
Prinzip eines Liquid-Crystal-Displays
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Aufbau eines Plasma-Displays
d
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Aufbau eines Plasma-Displays
d
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Aufbau eines Plasma-Displays
d
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Funktion eines Plasma-Displays
d
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Funktion eines Plasma-Displays
d
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Funktion eines Plasma-Displays
d
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Massenspeicher:Band-Laufwerk, Bildschirm
Plotter
Festplatte
Grafiktablett + Tastatur PC oder Workstation Drucker
NetzArbeitspeicher Zentraleinheit Ein- und Ausgabe-
Interne Verbindung (BUS)
(Prozessor) schnittstellen
oder Mouse
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Phase 1: Aufladung der Schreibtrommel
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Phase 2: Belichtung der Schreibtrommel
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Phase 3: Anziehen von Tonerpartikeln an geladene Stellen der Schreibtrommel entsprechend der zu druckenden Informationen
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Phase 4: Übertragen der Tonerpartikel auf das Papier
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Phase 5: Fixierung
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Phase 6: Entladung und Reinigung
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Massenspeicher:Band-Laufwerk, Bildschirm
Plotter
Festplatte
Grafiktablett + Tastatur PC oder Workstation Drucker
NetzArbeitspeicher Zentraleinheit Ein- und Ausgabe-
Interne Verbindung (BUS)
(Prozessor) schnittstellen
oder Mouse
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Massenspeicher:Band-Laufwerk, Bildschirm
Plotter
Festplatte
Grafische Eingabegeräte PC oder Workstation Drucker
NetzArbeitspeicher Zentraleinheit Ein- und Ausgabe-
Interne Verbindung (BUS)
(Prozessor) schnittstellen
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Funktionsprinzip einer optischen Maus
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Funktionsprinzip einer Kugelmaus
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2.1 Hardware für einen CAD-ArbeitsplatzFunktionsprinzip einer Kugelmaus
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Massenspeicher:Band-Laufwerk, Bildschirm
Plotter
Festplatte
Grafische Eingabegeräte PC oder Workstation Drucker
NetzArbeitspeicher Zentraleinheit Ein- und Ausgabe-
Interne Verbindung (BUS)
(Prozessor) schnittstellen
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Festplatte
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
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2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
Struktur der Festplatte
Track Sektor
Zylinder
Angaben: Zylinder, Köpfe, Sektoren
z.B.: CHS = 3158/16/63 (1 Sektor enthält 512 Byte)
Kapazität der Festplatte = C x H x S x 512 = 1,6 GB
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2 Hardware- und Softwarevoraussetzungen
• 2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
• 2.2 Interaktionen zwischen Rechner und Benutzer
• 2.3 Grafisch-interaktive Systeme
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2.2 Interaktionen zwischen Rechner und Benutzer
• Stapel- oder Batchbetrieb
• Interaktiver Betrieb
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Batchbetrieb
Eingabedaten werden aus einer Eingabedatei gelesen
Ausgabedaten werden erzeugt
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Interaktiver Betrieb
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Interaktiver Betrieb
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2 Hardware- und Softwarevoraussetzungen
• 2.1 Hardware für einen CAD-Arbeitsplatz
• 2.2 Interaktionen zwischen Rechner und Benutzer
• 2.3 Grafisch-interaktive Systeme
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Betrachtung grafisch-interaktiver Systeme als ineinander liegende schalenförmige Struktur
Jede betrachtete Schale baut auf den Funktionen der innen liegenden Schalen auf.
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Betrachtung grafisch-interaktiver Systeme als ineinander liegende schalenförmige Struktur
Jede betrachtete Schale baut auf den Funktionen der innen liegenden Schalen auf.
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Fachspezifische CAD-Systeme
• ALLPLAN (Nemetschek)• ArchiCAD (Graphisoft)• SOFiCAD (SOFiSTiK)• STRATIS/RIBTEC (RIB)• Aristoteles (Hochtief Software GmbH)
Im CA-Pool installierte Software (Beispiele):• PROVI (Bahntrassierung)• VESTRA (Staßenbau)• Cyclone (3D-Scanner-Auswertesoftware)• Arcgis (Geoinformationssystem)
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Betrachtung grafisch-interaktiver Systeme als ineinander liegende schalenförmige Struktur
Jede betrachtete Schale baut auf den Funktionen der innen liegenden Schalen auf.
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Fachunabhängige CAD-Systeme
• AUTOCAD (Autodesk)• MICROSTATION (Bentley)• CATIA (Dassault Systèmes)
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Betrachtung grafisch-interaktiver Systeme als ineinander liegende schalenförmige Struktur
Jede betrachtete Schale baut auf den Funktionen der innen liegenden Schalen auf.
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Grafiksysteme (Kernsysteme)
• GKS (Graphical Kernel System), 1985Grafisches Kernsystem, Standard für grafische Ein- und Ausgabe
• PHIGS (Programmers Hierarchical Interactive Graphics Systems), 1988Ein ANSI/ISO Standard zur Darstellung von 3D-Objekten
• OpenGL (Open Graphics Library), 1993
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
• OpenGL oder Direct3D als Bestandteil von DirectX sind Standards für Graphiksysteme
• OpenGL, Direct3D und DirectX erlauben die hardwarenahe Darstellung von 3D-Geometrien
• Bereitstellung von Methoden zum Rendern komplexer 3D-Geometrien
• Funktionen u. a. für Texture-Mapping, Transparenz, Anti-Aliasing und Effekte wie Nebel und Rauch
Grafiksysteme (Kernsysteme)OpenGL (Open Graphics Library), Direct3D, DirectX
Direct3DDirectX
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Betrachtung grafisch-interaktiver Systeme als ineinander liegende schalenförmige Struktur
Jede betrachtete Schale baut auf den Funktionen der innen liegenden Schalen auf.
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Graphische Grundfunktionen
• X-WINDOW (UNIX)
• GDI: Graphics Device Interface (MS-WINDOWS)
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Graphische GrundfunktionenX-WINDOW
• stellt Routinen bereit zur maschinenunabhängigen Formulierung von interaktiven grafischen Bedienoberflächen
• Fenstertechnik
• Unabhängig von Betriebssystem, Prozessor, Hersteller und Programmiersprache
• X ist netzwerktransparent. Anwendungsprogramme können gleichzeitig auch auf Bildschirmen anderer Rechner im Netzwerk ausgeben
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Graphische GrundfunktionenGDI: Graphics Device Interface
• GDI ist die Komponente des Windows für Grafikprimitive
• GDI32.DLL, die alle grafischen API-Funktionen von Windows enthält
• API (Application Programmers Interface): Funktionen, die das Betriebssystem den Anwendungsprogrammen zur Verfügung stellt
• Objekte des GDI sind z.B. Pen, Brush, Font, Palette, Region und Bitmap
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2.3 Grafisch-interaktive Systeme
Betrachtung grafisch-interaktiver Systeme als ineinander liegende schalenförmige Struktur
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2.3 Grafisch-interaktive SystemeGerätetreiber
übersetzt Funktionen der Grundgrafik in geräte-spezifische Signale
Ausgabegeräte
• Plotter
• Drucker
Eingabegeräte
• Mouse
• Tastatur
• Digitalisierer, Scanner
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3 2D – Konstruktions-systeme
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3 2D – Konstruktionssysteme
• 3.1 Grundprinzipien des CAD
• 3.2 Vorteile von 2D - CAD gegenüber manuellem Zeichnen
• 3.3 Planstruktur
• 3.4 Grundlegende Funktionalitäten von CAD – Systemen
• 3.5 Weiterführende CAD – Techniken
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3.1 Grundprinzipien des CAD
Sinnvolles Arbeiten mit CAD baut auf drei grundlegendenPrinzipien auf:
• Zusammenfassung von Objekten zu größeren Einheiten.Dies kann nach geometrischen oder inhaltlichenGesichtspunkten erfolgen.
• Veränderung bereits vorhandener Objekte.• Ableitung neuer Objekte aus bereits bestehenden
Objekten.
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3.2 Vorteile von 2D - CAD gegenüber manuellem Zeichnen
Aufteilung der einzelnen Phasen bei traditioneller Zeichenarbeit:
1. In Blei vorzeichnen 23%2. In Tusche zeichnen 18%3. Maßhilfslinien 16%4. Vermaßung 22%5. Texte 17%6. Prüfung 4%
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3.2 Vorteile von 2D - CAD gegenüber manuellem Zeichnen
Vorteile von 2 D - Konstruktionssystemen sind:
• Verkürzung der Bearbeitungszeit (besonders bei Wiederholungen)
• Erhöhung der Wirtschaftlichkeit (Ein 2D - CAD -System ist dann wirtschaftlich, wenn etwa die 1.5-fache Leistung gegenüber der Arbeit am Zeichenbrett erreicht wird)
• Verbesserte Entwurfsqualität• Anpassungsfähigkeit bei Änderungen• Rückgriff auf vorangegangene Entwürfe
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3.3 Planstruktur
Ein Plan wird aus Teilbildern (Ansichtsfenstern), die im Rechner getrennt verwaltet werden, zusammengesetzt.
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3.3 Planstruktur: Teilbilder
Jedes Teilbild gliedert sich in Folien oder Ebenen, in vielen CAD-Systemen auch Layer genannt, die über-einandergelegt werden können. Layer können zu jedem Bearbeitungszeitpunkt sichtbar oder unsichtbar gewählt werden. In der aktiven Folie werden Zeichnungs-elemente eingetragen bzw. verändert.
Teilbilder können sein:• Verschiedene Ansichten oder Schnitte• Detailzeichnungen
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3.3 Planstruktur: Teilbilder
Eine gesamte Konstruktion wird nach inhaltlichen Gesichtspunkten in Layer gegliedert. So können z.B. unterschiedliche Layer verwendet werden für:
• Grundrißzeichnung• Schraffur• Bemaßung• Elektroinstallation• Ausbauteile, z.B. Treppen etc.• Bewehrung
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3.3 Planstruktur: Zeichnungselemente
• Punkte (z.B. Eckpunkte eines Polygonzugs oder einer Fläche)• Linien, Kanten, Polygone, Kurven (z.B. Kreisbögen, Splines)• Flächen (Rechteckflächen, Kreisflächen etc.)• Textbausteine• Schraffuren, Muster• Vermaßungen• Hilfslinien, Raster, etc.
Auf der elementarsten Ebene setzt sich jeder Plan ausgrafischen Primitiven zusammen. Diese sind:
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3.3 Planstruktur: Zeichnungselemente
Grafische Primitive werden zu Komplexteilenzusammengesetzt:
Beispiel 1: Segmente (= Block in AutoCAD)
= Vereinigung aller unter einem Begriff zusammengefassten Zeichnungselemente, z.B. Treppenlauf,Fenster.
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3.3 Planstruktur: Zeichnungselemente
Grafische Primitive werden zu Komplexteilenzusammengesetzt:
Beispiel 2: Symbole, Muster
= oft sich wiederholende Zeichnungselemente, die aus Symbol- / Musterdateien (/ -bibliotheken) abrufbar sind, z.B. Plankopf, Firmenzeichen, Mauerwerk etc.Symbole werden oft mit dem CAD-System mitgeliefert oder können vom Anwender erzeugt werden.
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3.3 Planstruktur: Zeichnungselemente
Grafische Primitive werden zu Komplexteilenzusammengesetzt:
Beispiel 3: Parametrisierte Makros
= Variantenkonstruktion mit variablen Abmessungen. Die aktuellen Maße werden vom Benutzer abgefragt, z.B. T-Querschnitt:
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3.3 Planstruktur: Zeichnungselemente
Zeichnungselemente können mit elementbezogenen Parametern versehen werden:• Punkte: Punktsymbole, Farben• Linien: Strichstärke, -farbe, -art• Flächen: Schraffuren, Muster, Farbe, Füllungen• Texte: Schrifthöhe, Schriftart, Farbe, Richtung• Vermaßungen: Maßkettensymbole, Anordnung der
Maße, Schrifthöhe• Blöcke: Bauelementform als elementbezogener
Parameter eines Symbols (Elektrotechnik)
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3.3 Planstruktur: Zeichnungselemente
Zeichnungselemente können mit elementbezogenen Parametern versehen werden:Beispiel für die Bauelementform als elementbezogener Parameter eines Symbols (Elektrotechnik)
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
• Zeichenfunktionen• Konstruktionsfunktionen• Hilfsfunktionen
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
Zeichenfunktionen
Mit elementaren Zeichenfunktionen werden (1)
Primitive definiert:• durch auswählen (z.B. Punkt, Linie, Kreis) und• mit Parametern versehen (z.B. X-Koordinate, Y-
Koordinate)
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
ZeichenfunktionenMit elementaren Zeichenfunktionen werden (2)
Elemente identifiziert:• Anklicken in Verbindung mit einem Fangradius
Suche nach dem Element, dessen Abstand a zur Fadenkreuzpositionkleiner als der Fangradius e ist, d.h. innerhalb des Fangradius e liegt
• Rechteck-FunktionAlle Elemente innerhalb eines durch zweiKoordinatenpunkte gebildeten Bereichs
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
Zeichenfunktionen
Mit elementaren Zeichenfunktionen werden (3)
geometrische Operationen durchgeführt:• Schnittpunkt von Geraden ermittelt• Lot auf Gerade gelegt• Tangente an Kreis gelegt
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
• Zeichenfunktionen• Konstruktionsfunktionen• Hilfsfunktionen
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
Konstruktionsfunktionen
Konstruktionsfunktionen manipulieren die Zeichnungs-elemente. Sie verändern sowohl die rechnerinterne Datenstruktur als auch ihre Darstellung am Bildschirm.
Einige wesentliche Konstruktionsfunktionen sind:
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
Konstruktionsfunktionen
Beispiel 1: Versetzen
Verschieben, Drehen, Spiegeln
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
Konstruktionsfunktionen
Beispiel 2: Kopieren
Je geschickter alle Gesetzmäßigkeiten (Wieder-holungen, Regeln) eines Planes erkannt und ausgenutzt werden, desto wirtschaftlicher wird das Arbeiten)
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
Konstruktionsfunktionen
Beispiel 3: Verzerren (Dehnen)
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
Konstruktionsfunktionen
Beispiel 4: Bool´sche Operationen
Schnittmenge
Abzug „1 / 2“ (Reihenfolge !)
Vereinigung
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
• Zeichenfunktionen• Konstruktionsfunktionen• Hilfsfunktionen
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3.4 Grundlegende Funktionalitätenvon CAD – Systemen
HilfsfunktionenCAD-Systeme sind oft mit einer Vielzahl von Hilfsfunktionen zur Unterstützung einer effektiven Arbeit ausgestattet.
Beispiele:• Raster =vordefinierte Rastergeometrie (Kreuzungspunkt, Linien)• Linealfunktion = Übernahme der x-Koordinate eines angepickten
Punktes• Messungen
– Längenabstände (zwischen Punkten, Geraden etc.)– Winkelmaße (zwischen Geraden)– Flächenwerte von geschlossenen Polygonen
• Einblenden bzw. Ausblenden von Folien• Zooming, um im vergrößerten Bild zu konstruieren
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
• Das Arbeiten mit grafischen Makros• Bemaßungen• Assoziationen
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Das Arbeiten mit grafischen Makros
Ein Makro ist eine Zusammenfassung einer Folge von Konstruktionsfunktionen.
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Das Arbeiten mit grafischen Makros
Man unterscheidet zwischen verschiedenen Arten vonMakros:
• Folienmakros• Parametrisierte Makros
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Das Arbeiten mit grafischen MakrosFolienmakros:Grafikprimitive werden z.B. zu Zeichnungselementen für Türen und Fenster oder Möblierungen, Sanitär-einrichtungen, etc. zusammengefasst. Sie können vom Benutzer entsprechend den Anforderungen in x- und/oder y-Richtung verzerrt und durch Verschieben, Verdrehen, Spiegeln etc. plaziert werden.
Beispiele:
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Das Arbeiten mit grafischen Makros
Parametrisierte Makros:Hier liegen nur die Konstruktionsvorschrift, die Topologie und evtl. einzelne geometrische Abmessungen fest. Die fehlenden Daten werden durch freie Parameter definiert, die nach dem Aufruf mit aktuellen Werten gefüllt werden.
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Das Arbeiten mit grafischen Makros
Erstellung parametrisierter Makros:• Konstruktion eines Makros mit festen Abmessungen und• Definition bestimmter Maße als Variable• Speichern in den Katalog der Makros
Beispiel:
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Das Arbeiten mit grafischen MakrosMakrobefehle:Häufig auftretende Folgen von Konstruktionsbefehlen (= Aufruf von Konstruktionsfunktionen) können zu einem 'Makrobefehl' zusammengefasst werden.
Beispiel:
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
• Das Arbeiten mit grafischen Makros• Bemaßungen• Assoziationen
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Bemaßungen
Die Bemaßung macht oft etwa 35-40% der Zeichentätigkeit aus. Bei manueller Zeichnungserstellung ist sie zudem fehleranfällig. CAD-Systeme haben Topologie und Geometrie intern als 'digitales Datenmodell' gespeichert. In der Unterstützung der Bemaßung liegt deshalb ihr besonderer Vorteil. Die Bemaßung erfolgt:
• Halbautomatisch: Der Benutzer gibt interaktiv an, was vermaßt werden soll und wo die Maßkette angeordnet werden soll
• Vollautomatisch
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Bemaßungen
Bemaßungsarten:
• Punktbemaßung• Schnittbemaßung
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3.5 Weiterführende CAD – TechnikenBemaßungen
Punktbemaßung:Die zu vermaßenden Punkte werden 'angepickt'. Das CAD-System entnimmt aus der Punkttabelle die Koordinaten und trägt aus den daraus gewonnenen Differenzen die Maßkette ein.
Beispiel:
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Bemaßungen
Schnittbemaßung:Alle durch eine Schnittlinie getroffenen Elemente (Kanten) werden vermaßt.
Beispiel:
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
• Das Arbeiten mit grafischen Makros• Bemaßungen• Assoziationen
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
Assoziationen
Als Assoziation wird die Verknüpfung von Zeichnungs-und Konstruktionselementen verstanden. Dadurch wird es möglich, durch die Änderung vorhandener Objekte verknüpfte Objekte 'automatisch' mitzuändern.
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
AssoziationenBeispiel 1:Beim Ändern einer Zeichnung sollen Maßketten und Schraffur automatisch mit verändert werden. D.h., die Daten für Bemaßung und Schraffur dürfen nicht autonom verwaltet werden, sondern sie ergeben sich aus Verweisen ("Zeigern") z.B. zu den Punktkoordinaten. Ändern sich die Punkte, dann ändern sich auch Maße und Schraffur.
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
AssoziationenBeispiel 2:Ein Installationsmakro an einer Wand soll mitwandern, wenn die Wand gedreht wird. Die Position des Makros wird dazu relativ zum Wandanfang über einen sog. 'Ankerpunkt' gespeichert.
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
AssoziationenBeispiel 3: Veränderung der Dachneigung eines PultdachsBei komplexeren Zusammenhängen muß die Konstruktionsvorschrift eines Objekts als Grundlage für eine Assoziation verwendet werden:
Ohne Assoziation tritt eine Klaffung auf; der 'Gebäudekörper' muss neu konstruiert werden.
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3.5 Weiterführende CAD – Techniken
AssoziationenLösung zu Beispiel 3:Konstruktionsvorschrift des Pultdachgebäudes wird als Grundlage der Veränderung genommen wird. Ausgangspunkt ist ein quaderförmiger Hilfskörper, der von der Dachfläche geschnitten wird. Das Gebäude ergibt sich dann durch Subtraktion des über der Schnittfläche liegenden Teilkörpers.
Diese Konstruktions-vorschrift ist unabhängig von der Neigung der Dachfläche richtig.
Gebäude =
Quader - Teil über der Schnittfläche
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4 Austauschformate
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4 Austauschformate
Werden Daten zwischen unterschiedlichen Programmen ausgetauscht, so ist dazu eine Vereinbarung über das zu verwendende Datenformat notwendig. Diese Vereinbarung liegt einer Standardschnittstelle zugrunde.
Je nach Art der auszutauschenden Daten werden unterschiedliche Austauschformate verwendet.
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4 Austauschformate
zwischen 2D/3D - CAD - Systemen
• DXF (Data Exchange Format) Quasistandard von AUTOCAD, nicht bauspezifisch
• STEP 2D BS (Standard Exchange of Produkt Data 2D, bauspezifisch)
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zwischen grafischen Systemen
• GKS - Graphisches Kernsystem nach ISO 7942- anwendungsunabhängig- hardwareunabhängig- Entwicklung peripherieunabhängiger Software möglich
• CGM - Computer Graphics Metafile nach ISO 8632- geeignet für Vektor – und Rastergrafik
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für Bilder und Textseiten
• TIFF (Tag Image File Format)• GIF (Graphics Interchange Format)• PNG (Portable Network Graphics)• BMP (Bitmap)• WMF (Windows Metafile)• JPEG (Joint Photographic Exports Group)• HPGL (HP-Graphics Language): nur Vektorinformation
(z.B. Plotter)• PS (PostScript): Seitenbeschreibungssprache für
Druckausgabe
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für Bilder und Textseiten
IN;SP1;PU;PA0,6831;PD;PA0,768;PU;PA353,1140;PD;PA9687,1140;PU;PA9900,6831;PD;PA0,6831;PU;PA353,6460;PD;PA353,1140;
Beispiel: Anfang eines HPGL – Files:
Das HPGL-Format ist wie folgt aufgebaut:• Befehle getrennt durch Semikolon• mehrere Befehle pro Zeile möglich• jeder Befehl besteht aus mindestens 2 Buchstaben• jeder Befehl kann zusätzlich 2 Byte große Integer-Zahlen
enthalten. Bei mehr als einer Integer-Zahl sind diese durch Komma abzutrennen.
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für Bilder und Textseiten
IN;SP1;PU;PA0,6831;PD;PA0,768;PU;PA353,1140;PD;PA9687,1140;PU;PA9900,6831;PD;PA0,6831;PU;PA353,6460;PD;PA353,1140;
Beispiel: Anfang eines HPGL – Files:
Die fünf wichtigsten HPGL-Befehle:IN = Initialisieren = Anfang eines neuen PlanesSP1 = Stift (Nr. = 1)PAx,y = Pen Absolute CoordinatesPD = Pen DownPU = Pen Up
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für Bilder und TextseitenZiele des Datenaustauschs:
Mit Hilfe des Datenaustauschs sollen mehrerevoneinander unabhängig entwickelte Programmeverknüpft werden, damit
• einmal eingegebene Daten und Informationen auchin anderen Programmen verwendet werden können,
• Ergebnisdaten nicht erneut eingegeben werdenmüssen,
• Datenredundanz vermieden wird.Hierbei kann es sich um Programme gleicher Funk-tionalität handeln, z.B. CAD-Programme oder unter-schiedlicher Funktionalität, wie z.B. CAD- und FEM-Programme.
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5 Geometrische Modelle in 3D
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5 Geometrische Modelle in 3D
• 5.1 Constructive Solid Geometry (CSG-Modell)
• 5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
• 5.3 Sweeping-Modelle
• 5.4 Lineare Transformationen
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5 Geometrische Modelle in 3D
Wozu 3D-Modelle ?Mit 2D-Modellen ist eine hinreichend anschauliche Beschreibung eines 3D-Objekts nicht immer möglich.
Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen
5 Geometrische Modelle in 3DWozu 3D-Modelle ?Selbst bei sehr einfachen Konstruktionen ist ein 3D-Modell vor allem in Verbindung mit der Konstruktionshistorie die bessere und verständlichere Variante:
2D-Zeichnung mit den Standardansichten:
•Vorderansicht
•Draufsicht
•Seitenansicht
Wie sieht das 3D-Modell aus ?
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Lösung:
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Bei 3D - Modellen unterscheidet man zwischen Datenstrukturen für:
• Kantenmodelle• Flächenmodelle• Volumenmodelle
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1. Kantenmodell (Drahtmodell):Kantenmodelle beschreiben ein 3D-Objekt lediglich durch seine Kanten.
• Einfache rechnerinterne Beschreibung durch die Listen der Kanten und Eckpunkte.
• Geringer Speicherplatzbedarf und niedrige Rechenzeiten.
• Keine Bestimmung der unsichtbaren Kanten und damit auch keine Schattierungen oder sonstige Visualisierungseffekte möglich.
• Keine Volumenberechnungen sind möglich.
• Gestaltungsmehrdeutigkeit
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Beispiel für Kantenmodell: Datenstruktur für einen Tetraeder
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Beispiel zur Gestaltungsmehrdeutigkeit beim Kantenmodell:
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2. Flächenmodell
• Beschreibung eines 3D-Objekts durch Flächen, die lediglich durch ihre Konturen beschrieben werden.
• Realisierung verdeckter Kanten und Schattierungen ist möglich.
• Keine Volumenberechnung ist möglich, da die Flächenorientierung fehlt. (Körper ist „hohl“, es kann noch nicht entschieden werden, welche Seite einer Fläche innen bzw. außen ist)
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Beispiel für Flächenmodell: Datenstruktur für einen Tetraeder
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Gegenüberstellung verschiedener Modellformen:
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3. Volumenmodell
Bei Volumenmodellen unterscheidet man grundsätzlich zwischen den Typen:
- Constructive Solid Geometry (CSG-Modell)
Körper wird aus elementaren Grundkörpern zusammengesetzt
- Oberflächenmodell (B-rep: 'Boundary representation')
Körper wird durch die ihn umschließenden Oberflächen beschrieben
- Sweeping Modelle
Körper wird durch Verschieben einer Grundfläche entlang einer „erzeugenden Kurve“ gebildet
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5.1 Constructive Solid Geometry (CSG-Modell)
Das CSG-Modell geht von einfachen, definierten Grundkörpern aus (Quader, Pyramide, Kugel, Zylinder, Torus etc.). Die zugehörige Datenstruktur enthält die Lage der Grundkörper im Raum (x,y,z,,,) sowie Skalierungsfaktoren (a,b,c) bzgl. der x-, y- und z-Achse.
Durch Bool'sche Operationen (Vereinigung , Durchschnitt , und Differenz \ ) werden daraus fortlaufend Bauglieder entwickelt.
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Beschreibung komplexer 3D-Objekte durch mengentheoretische Verknüpfung von Raumprimitiven(Würfel, Quader, Zylinder, Kugel etc.)
Rechnerinterne Repräsentation durch einen (CSG-) Baum, dessen „Blätter“ die Raumprimitive unddessen Knoten logische Verknüpfungsoperationen darstellen
Programmtechnisch ist jedem Knoten und Blatt eine Transformationsmatrix zuzuordnen, die die Lageund Größe im Raum festlegt.
O4Das Objekt O4 entstehtdurch die Vereinigung zweier Quader abzüglich eines Zylinders
5.1 Constructive Solid Geometry (CSG-Modell)
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5.1 Constructive Solid Geometry (CSG-Modell)
Unterschiedliche rechnerinterne Darstellung desselben Objekts in CSG-Systemen:
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5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
Dieses Modell verbindet Punkte durch Kanten, verwendet Kantenzüge zur Umschreibung von Flächen und definiert den Körper über seine Oberfläche (Boundary representation = B-rep).
Gekrümmte Kanten oder von der Ebene abweichende Flächengeometrienkönnen in Topologie-Tabellen als Eigenschaften festgehalten werden. Läßt ein System nur gerade Kanten und ebene Flächen zu, dann werden gekrümmte Kanten durch Polygonzüge (Kreis z.B. durch 16-Eck) und gekrümmte Flächen durch Facetten aus ebenen Dreiecken ersetzt.
Voraussetzung für die B-rep-Darstellung ist, dass1. die beteiligten Flächen eine geschlossene Hülle bilden2. die Flächen zweiseitig sein müssen, d.h. eine Innen- und eine
Außenseite besitzen (kein Möbiusband)
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5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
Beispiel für ein Möbiusband:
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5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
Beschreibung eines B-rep-Modells durch die Beziehungen zwischen den Flächen, Kanten und Ecken am Beispiel eines Polyeders:
Nachbarschaftsbeziehungena) einer Flächeb) einer Kantec) eines Eckpunktes
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5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
Bestimmung der Knotenliste:
x
y
z
Nullpunkt
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5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
Bestimmung der Kantenliste:
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5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
Bestimmung der Flächenliste:
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5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
Bestimmung der Volumenliste:
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1.) Jeder Punkt ist Eckpunkt von mindestens zwei Kanten2.) Jede Kante gehört zu mindestens einem Polygon3.) Jedes Polygon ist geschlossen4.) Jede Fi teilt mindestens eine Kante mit einem anderen Fj5.) Eulerscher Polyedersatz muss gelten
Eulerscher Polyedersatz: F - k + e = 2 F - Flächenk - Kantene - Ecken
Tetraeder Würfel
Tetraeder
Würfel
F k e
4 6 4
6 12 8
5.2 Oberflächenmodell (B-rep)
Nicht jedes Modell aus Flächen, Kanten und Eckpunkten stellt ein Volumenmodell dar: Konsistenzprüfung für komplexe Modelle erforderlich, die zeigt, ob Volumenmodell vorliegt.
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5.3 Sweeping-Modelle
Unter 'Sweeping' versteht man das Bilden eines Körpers durch Verschieben einer Grundfläche entlang einer 'erzeugenden Kurve', z.B. einer Geraden oder eines Kreisbogens.
Für die interne Darstellung genügt• die Beschreibung der Grundfläche• die Beschreibung der erzeugenden Kurve.
Läßt man nur translatorische Sweeps orthogonal zur Ebene der Leitkurve zu, so kommt man zu einem sogenannten 2½-D-Modell.
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5.3 Sweeping-Modelle
Beispiel 1: Rotatorisches und translatorisches Sweeping
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5.3 Sweeping-Modelle
Beispiel 2: Zylinder mit variabler Mittellinie und variablen Radien
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5.3 Sweeping-Modelle
Beispiel 3: 2D- und 3D-Sweeping
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5.4 Lineare Transformationen
Vorbemerkung:
Lineare Transformationen spielen sowohl bei der Erzeugung von Volumenmodellen als auch bei deren Visualisierung eine entscheidende Rolle. Diesen Transformationen werden z.B. alle Knotenkoordinaten eines elementaren Grundkörpers unterworfen und damit ein verschobener, gedrehter oder skalierterKörper erzeugt.
Aus linearen Transformationen leitet sich auch eine Projektion eines räumlichen Körpers auf die Bildschirmebene ab.
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen in der Ebene: Translation
yx dyydxx ','
TPPdydx
Tyx
Pyx
P
',,
''
',
Vektoraddition
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen in der Ebene: Skalierung
yx syysxx ','
yx
ss
yx
y
x
00
''
Matrixmultiplikation
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen in der Ebene: Rotation
yx
yx
yxyyxx
rrryrrrx
ryrx
cossinsincos
''
cossin'sincos'
cossinsincos)sin('sinsincoscos)cos('
sincos
Matrixmultiplikation
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5.4 Lineare Transformationen
Homogene Koordinaten:
Bei homogenen Koordinaten werden die Koordinaten eines Punktes nicht mehr durch 2 Werte beschrieben, sondern durch 3 Werte:
P = (xn, yn, n) n ist eine Dummy-Koordinate, die bei einer Transformationsberechnung herausfällt
Beispiel: Das homogene Koordinatentripel (6,8,2) gehört zum Punkt P mit den kartesischen Koordinaten P = (3,4).
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5.4 Lineare Transformationen
Erweiterung der 2x2 Transformationsmatrix am Beispiel der Skalierungsmatrix:
0( , )
0
0 0( , ) 0 0
0 0 1
xx y
y
x
x y y
SS S S
S
SS S S S
kartesisch
homogen
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5.4 Lineare Transformationen
Transformation homogen:
Transformation kartesisch:
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen in der Ebene mit homogenen Koordinaten:
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5.4 Lineare Transformationen
Beispiel für Translation:
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen in der Ebene mit homogenen Koordinaten:
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen in der Ebene mit homogenen Koordinaten:
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0 02D-Bereich: ( , ) 0 0
0 0 1
Erweiterung um z-Koordinate für den 3D-Bereich:0 0 0
0 0 0 ( , )
0 0 00 0 0 1
x
x y y
x
yx y
z
SS S S S
SS
S S SS
5.4 Lineare Transformationen
Erweiterung der 2D-Transformationsmatrizen auf 3D-AnwendungenBeispiel: Skalierungsmatrix in homogenen Koordinaten
S(Sx,Sy,Sz)
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen im Raum mit homogenen Koordinaten:
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen im Raum mit homogenen Koordinaten:
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen im Raum mit homogenen Koordinaten:
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5.4 Lineare Transformationen
Einfache Transformationen im Raum mit homogenen Koordinaten:
P´= R · P
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5.4 Lineare Transformationen
Beispiel:
Der neue Wert für x´ ergibt sich aus –yDer neue Wert für y´ ergibt sich aus xz´ bleibt z
P´ = R • P
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5.4 Lineare Transformationen
T R P R T P