计算机图形学及数字化快速成型

计算机图形学和数字化快速成型技术相结合,实现了计算机建模、CAD数据直接制造模型或零件,更加快速而精密地制造出任意复杂的模型和零件。本书讲解了计算机图形学和数字化快速成型技术的基本原理和方法,着重介绍了OpenGL编程、算法、曲线曲面、仿射变换,衔接计算机图形学和数字化快速成型的关键技术——数字化快速成型的前处理,以及三维数字化快速成型技术和实践案例。 本书可供高等学校机械制造、计算机图形学、数字化制造、材料成型、汽车等相关专业的师生和企事业单位从事相关技术的专业人员使用。

张秀芬，内蒙古工业大学机械工程学院，副教授，2011年3月毕业于浙江大学机械设计及理论专业，获工学博士学位。现在内蒙古工业大学从事教学科研工作，主要研究方向为计算机辅助设计、产品绿色设计等。以首作者发表学术论文20余篇，其中SCI收录3篇，EI收录8篇。获实用新型专利1项，计算机软件著作权2项，主持和参与多项自然科学基金项目。 教学方面，培养硕士研究生3名，自2011年以来开设并主讲1门硕士研究生专业选修课程《产品绿色设计》，旨在培养学生绿色环保意识和了解绿色设计相关方法和技术。绿色设计是一种先进的设计理念，为了支持绿色设计，需要进行产品结构、材料、布局等方面的改变，绿色设计涉及面广，过程复杂，而且新方法、新理论、新技术层出不穷。

第1章　绪论 / 1 　1.1　计算机图形学概述 / 1 　　1.1.1　基本概念 / 1 　　1.1.2　计算机图形学的发展简史 / 2 　　1.1.3　计算机图形学的基本研究内容 / 3 　　1.1.4　计算机图形系统的功能 / 4 　　1.1.5　计算机图形系统的组成 / 9 　1.2　数字化快速成型技术概述 / 11 　　1.2.1　基本概念及特点 / 11 　　1.2.2　三维数字化快速成型的发展 / 14 　　1.2.3　三维数字化快速成型基本研究内容 / 17 　1.3　三维数字化快速成型与计算机图形学的关系 / 19 　本章习题 / 19 第2章　OpenGL编程基础 / 20 　2.1　OpenGL工作流程 / 20 　2.2　OpenGL函数库 / 22 　2.3　OpenGL的功能 / 23 　2.4　配置绘图环境 / 26 　　2.4.1　VS环境配置 / 26 　　2.4.2　基于MFC的编程环境配置 / 27 　本章习题 / 32 第3章　基本图形光栅化算法 / 33 　3.1　直线的光栅化 / 34 　　3.1.1　数值微分法 / 34 　　3.1.2　Bresenham画线算法 / 35 　3.2　圆的光栅化 / 38 　　3.2.1　中点画圆算法 / 39 　　3.2.2　Bresenham画圆算法 / 41 　3.3　多边形的填充 / 44 　　3.3.1　扫描线填充算法 / 45 　　3.3.2　边缘填充算法 / 53 　　3.3.3　区域填充算法 / 54 　3.4　反走样 / 56 　　3.4.1　提高显示器分辨率 / 56 　　3.4.2　超采样 / 57 　　3.4.3　区域采样 / 58 　3.5　上机实践 / 59 　　3.5.1　个性化名字案例 / 60 　　3.5.2　京东狗图案的设计 / 62 　　3.5.3　人脸图案的设计 / 67 　　3.5.4　猫头图案设计 / 70 　　3.5.5　五星红旗设计 / 74 　本章习题 / 76 第4章　自由曲线曲面 / 78 　4.1　曲线和曲面表示的基础知识 / 78 　　4.1.1　基本概念 / 78 　　4.1.2　曲线和曲面的表示方式 / 79 　　4.1.3　参数曲线的参数 / 80 　　4.1.4　参数连续性和几何连续性 / 81 　　4.1.5　参数曲线的代数和几何形式 / 82 　　4.1.6　参数曲面的参数 / 83 　4.2　Bezier参数曲线曲面 / 84 　　4.2.1　Bezier曲线的背景和基本定义 / 84 　　4.2.2　Bezier曲线的性质 / 85 　　4.2.3　Bezier曲线的生成 / 86 　　4.2.4　Bezier参数曲面 / 87 　4.3　B样条曲线曲面 / 88 　　4.3.1　B样条曲线 / 88 　　4.3.2　B样条曲面 / 89 　4.4　多边形网格曲面 / 90 　　4.4.1　多边形网格的定义 / 90 　　4.4.2　多边形网格的性质 / 91 　　4.4.3　网格简化 / 91 　4.5　细分曲面 / 93 　　4.5.1　细分曲面的概念 / 93 　　4.5.2　细分曲面的关键技术 / 93 　　4.5.3　细分曲面的应用 / 95 　本章习题 / 98 第5章　仿射变换 / 99 　5.1　三维图形的显示流程 / 100 　　5.1.1　基本原理 / 100 　　5.1.2　OpenGL的视景转换 / 102 　5.2　窗口到视口的变换 / 104 　　5.2.1　基本原理 / 104 　　5.2.2　OpenGL中的视口变换 / 106 　5.3　物体的二维仿射变换 / 109 　　5.3.1　点的变换 / 110 　　5.3.2　二维图形的仿射变换 / 112 　　5.3.3　仿射变换的逆变换 / 114 　　5.3.4　仿射变换的复合变换 / 115 　5.4　三维仿射变换 / 117 　　5.4.1　基本三维变换 / 118 　　5.4.2　三维复合仿射变换 / 120 　本章习题 / 121 第6章　产品数字化造型基础 / 123 　6.1　基本定义 / 123 　6.2　三维物体的存储模型 / 124 　　6.2.1　线框模型 / 124 　　6.2.2　表面模型 / 125 　　6.2.3　实体模型 / 126 　6.3　三维实体的表示方法 / 126 　　6.3.1　构造实体几何表示法 / 127 　　6.3.2　边界表示法 / 129 　　6.3.3　分解表示法 / 134 　　6.3.4　扫描表示法 / 136 　　6.3.5　特征造型 / 136 　本章习题 / 138 第7章　数字化快速成型的前处理 / 139 　7.1　数字化快速成型概述 / 139 　7.2　三维数字化正向建模 / 140 　　7.2.1　三维数字化造型发展历程 / 140 　　7.2.2　参数化造型 / 143 　　7.2.3　变量化造型 / 147 　　7.2.4　两种造型技术的比较 / 149 　　7.2.5　其他造型方法 / 151 　　7.2.6　商业软件系统 / 151 　7.3　三维数字化逆向建模 / 155 　　7.3.1　基本概念 / 155 　　7.3.2　数据采集 / 157 　　7.3.3　数据处理 / 158 　　7.3.4　曲面重构 / 161 　　7.3.5　坐标配准 / 162 　　7.3.6　误差分析 / 162 　7.4　三维模型的近似处理 / 163 　　7.4.1　STL文件格式 / 163 　　7.4.2　STL文件的转换 / 165 　　7.4.3　模型的检验与修补 / 165 　本章习题 / 167 第8章　三维数字化快速成型技术与实践 / 168 　8.1　概述 / 168 　8.2　熔融沉积成型技术 / 169 　　8.2.1　FDM成型原理与系统组成 / 169 　　8.2.2　FDM成型过程 / 171 　　8.2.3　FDM的技术难点 / 172 　8.3　立体光刻 / 172 　　8.3.1　SLA成型原理 / 172 　　8.3.2　SLA成型过程 / 174 　　8.3.3　SLA技术难点 / 175 　8.4　选择性激光烧结技术 / 175 　　8.4.1　SLS成型原理 / 176 　　8.4.2　SLS的成型过程 / 177 　　8.4.3　SLS的技术难点 / 178 　8.5　分层实体制造 / 178 　　8.5.1　LOM成型原理与系统组成 / 179 　　8.5.2　LOM成型过程 / 180 　　8.5.3　LOM的技术难点 / 180 　8.6　三维印刷技术 / 181 　　8.6.1　3DP成型原理 / 181 　　8.6.2　3DP成型过程 / 182 　　8.6.3　3DP的技术难点 / 183 　8.7　直接金属激光烧结 / 183 　　8.7.1　DMLS成型原理 / 184 　　8.7.2　DMLS成型过程 / 187 　　8.7.3　DMLS的技术难点 / 187 　8.8　桌面三维打印机组装实践 / 188 　　8.8.1　机械部件及机体框架的安装 / 189 　　8.8.2　步进电动机和电子系统 / 193 　　8.8.3　软件安装与调试 / 196 　8.9　三维打印实践 / 200 　　8.9.1　打印机调整 / 200 　　8.9.2　打印步骤 / 200 　本章习题 / 203 附录　OpenGL常用函数一览表 / 204 参考文献 / 208