计算机图形学及数字化快速成型

本书主要介绍了计算机图形学和数字化快速成型技术。全书共分8章，其中第1章主要简要介绍了计算机图形学和数字化快速成型技术的基本知识及其二者之间的关系；第2~5章主要介绍了计算机图形学，包括OpenGL编程、基本图形光栅化算法、自由曲线曲面、仿射变换；第6~8章主要介绍了数字化快速成型技术，包括产品数字化造型基础、数字化快速成型的前处理、三维数字化快速成型技术与实践。

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。绿色设计是一种优选的设计理念，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