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