研究生計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材分析

壽華好

摘要：計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)是我校培養(yǎng)應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與圖形學(xué)研究方向碩士生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，本文根據(jù)作者八年的研究生計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)課程教學(xué)經(jīng)歷分析了國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材共六種，分析結(jié)果對(duì)選擇合適的研究生計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材，從而提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：研究生教學(xué)；計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)；教材分析

中圖分類號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）16-0222-02

一、引言

研究生教育屬于國(guó)民教育序列中的高等教育，是學(xué)生在本科畢業(yè)后繼續(xù)深造的一種教育形式，分為碩士研究生教育和博士研究生教育。中國(guó)研究生教育的發(fā)展歷史并不長(zhǎng)，在舊中國(guó)，高等教育發(fā)展非常緩慢，新中國(guó)成立后，研究生教育得到一定的發(fā)展。1978年恢復(fù)研究生招生制度以后，中國(guó)的研究生教育才進(jìn)入蓬勃發(fā)展的時(shí)期。高等學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)招收攻讀碩士學(xué)位研究生的培養(yǎng)目標(biāo)是：德、智、體全面發(fā)展，在本門學(xué)科內(nèi)掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專門知識(shí)；掌握一門外國(guó)語(yǔ)；具有從事科學(xué)研究、教學(xué)工作或獨(dú)立擔(dān)負(fù)專門技術(shù)工作的能力。

筆者在2007年開(kāi)始招收應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與圖形學(xué)研究方向的碩士研究生，擔(dān)任過(guò)計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)、曲線曲面設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、真實(shí)感圖形這四門研究生課的教學(xué)任務(wù)，在8年的教學(xué)過(guò)程中筆者深深感到選擇一本好的教材對(duì)研究生教學(xué)起到至關(guān)重要的作用。本文的目的就是分析國(guó)內(nèi)外研究生計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材，相信分析結(jié)果對(duì)選擇合適的研究生計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材，從而提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量有一定的參考價(jià)值。

二、國(guó)外計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材分析

國(guó)外比較著名的研究生計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材有三本。

第一本是Gerald Farin的Curves and Surfaces for CAGD：a Practical Guide，F(xiàn)ifth Edition[1]，共24章。第1章 P. Bézier：How a simple system was born，第2章 Introductory material，第3章 Linear interpolation，第4章 The de Casteljau algorithm，第5章 The Bernstein form of a Bézier curve，第6章 Bézier curve topics，第7章 Polynomial curve constructions，第8章 B-spline curves，第9章 Construction spline curves，第10章 W. Boehm：differential geometry I，第11章 Geometric continuity，第12章 Conic sections，第13章 Rational Bézier and B-spline curves，第14章 Tensor product patches，第15章 Constructing polynomial patches，第16章 Composite surfaces，第17章 Bézier triangles，第18章 Practical aspects of Bézier triangles，第19章 W. Boehm：differential geometry II，第20章 Geometric continuity for surfaces，第21章 Surfaces with arbitrary topology，第22章 Coons patches，第23章 Shape，第24章 Evaluation of some methods.該書的特色在于理論和實(shí)際相結(jié)合。理論部分由于使用了“開(kāi)花”（Blossoming）的方法而顯得精練，應(yīng)用部分除了經(jīng)典的插值方法以外還包括了最小二乘法，借助于配套網(wǎng)站，該書還提供了曲線曲面設(shè)計(jì)算法的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，這對(duì)讀者來(lái)說(shuō)非常有用。

第二本是Josef Hoschek和Dieter Lasser的Fundamentals of Computer Aided Geometric Design[2]，共16章。第1章 Transformations and projections，第2章 Basics from geometry and numerical analysis，第3章 Spline curves，第4章 Bézier and B-spline curves，第5章 Geometric spline curves，第6章 Spline surfaces，第7章 Geometric spline surfaces，第8章 Gordon-Coons surfaces，第9章 Scattered data interpolation，第10章 Basic transformations for curve and surface representations，第11章 Multivariate methods，第12章 Intersections of curves and surfaces，第13章 Smoothing of curves and surfaces，第14章 Blending methods，第15章 Offset curves and surfaces，第16章 Mathematical modeling of cutting paths.該書的特點(diǎn)在于借助線性代數(shù)、解析幾何、二維和三維空間中的數(shù)學(xué)分析對(duì)自由曲線曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)、表達(dá)和變換，重點(diǎn)放在Bézier方法和B樣條方法的應(yīng)用上，內(nèi)容全面，參考文獻(xiàn)豐富。

第三本是Les Piegl和Wayne Tiller的The NURBS Book[3]，共13章。第1章 Curve and surface basics，第2章 B-spline basic functions，第3章 B-spline curves and surfaces，第4章 Rational B-spline curves and surfaces，第5章 Fundamental geometric algorithms，第6章 Advanced geometric algorithms，第7章 Conics and circles，第8章 Construction of commom surfaces，第9章 Curve and surface fitting，第10章 Advanced surface construction techniques，第11章 Shape modification tools，第12章 Standards and data exchange，第13章 B-spline programming concepts. 該書的特點(diǎn)在于把本來(lái)非常難懂的非均勻有理B樣條方法用通俗易懂的方法介紹出來(lái)，全書配有大量的實(shí)例和C語(yǔ)言源代碼，是非均勻有理B樣條方法的一本經(jīng)典之作。endprint

三、國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材分析

國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材有很多，限于篇幅這里只分析三本。

第一本是浙江大學(xué)王國(guó)瑾教授等的專著計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)[4]，共20章。第1章 Bézier曲線，第2章 B樣條曲線，第3章 有理Bézier曲線，第4章 有理B樣條曲線，第5章 有理圓弧段與有理圓錐曲線段，第6章 幾何樣條插值、逼近及平面點(diǎn)列光順，第7章 矩形域和三角域上的參數(shù)函數(shù)曲面，第8章 廣義Ball曲線與廣義Ball曲面，第9章 曲線曲面的插值與擬合，第10章 曲線曲面的幾何連續(xù)性，第11章 參數(shù)曲線曲面的求交技術(shù)，第12章 有理Bézier曲線曲面的多項(xiàng)式逼近，第13章 有理Bézier曲線曲面的求導(dǎo)和求積，第14章 Bézier曲線曲面的降階逼近，第15章 曲線曲面形式之間的互化，第16章 等距曲線與等距曲面，第17章 區(qū)間曲線與區(qū)間曲面，第18章 基于切割磨光的曲線曲面離散造型，第19章 曲面的形狀調(diào)配和變形，第20章 曲面重建與簡(jiǎn)化。該書的第一個(gè)特點(diǎn)是題材新穎、接觸前沿，第二個(gè)特點(diǎn)是內(nèi)容豐富、涉獵廣泛，第三個(gè)特點(diǎn)是自成體系、浙大特色，重點(diǎn)介紹了浙江大學(xué)數(shù)學(xué)系計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與圖形學(xué)小組獨(dú)立創(chuàng)造的計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的許多新技術(shù)和新方法。

第二本是北京航空航天大學(xué)朱心雄教授的自由曲線曲面造型技術(shù)[5]，共18章。第1章 微分幾何基礎(chǔ)，第2章 插值樣條函數(shù)，第3章 參數(shù)樣條曲線、曲面，第4章 Coons曲面，第5章 Bézier曲線與曲面，第6章 B樣條的定義和性質(zhì)，第7章 均勻B樣條曲線與曲面，第8章 非均勻有理B樣條曲線和曲面，第9章 Coons類混合B樣條曲面及其向NURBS曲面的轉(zhuǎn)化，第10章 NURBS方法的其他應(yīng)用，第11章 三角曲面，第12章 散亂數(shù)據(jù)插值曲面，第13章 變形造型技術(shù)，第14章 用偏微分方程構(gòu)造曲面，第15章 能量?jī)?yōu)化法曲線曲面造型，第16章 小波技術(shù)在曲線、曲面造型中的應(yīng)用，第17章 曲面求交算法，第18章 曲線、曲面的光順處理。該書的特點(diǎn)是從應(yīng)用角度論述自由曲線曲面造型方法，書中曲線曲面的處理有作者自己的消化。該書可作為工科相關(guān)研究方向的研究生教材，對(duì)從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)開(kāi)發(fā)或?qū)η嬖煨陀信d趣的研究人員和工程技術(shù)人員也具有重要的參考價(jià)值。

第三本是北京航空航天大學(xué)施法中教授的計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與非均勻有理B樣條[6]，共14章。第1章 緒論，第2章 曲線和曲面的基本理論，第3章 參數(shù)多項(xiàng)式插值與逼近，第4章 參數(shù)樣條曲線曲面，第5章 貝齊爾曲線曲面，第6章 幾何連續(xù)性，第7、8章 B樣條曲線曲面，第9、10、11、12章 有理B樣條曲線曲面，第13章 孔斯曲面，第14章 三邊貝齊爾曲面片。該教材從形狀數(shù)學(xué)描述的實(shí)際要求出發(fā)，以作為標(biāo)準(zhǔn)形式的參數(shù)曲線曲面基本理論為基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹了自20世紀(jì)80年代中后期以來(lái)，在Bézier方法與B樣條方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，為STEP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)唯一采用的非均勻有理B樣條方法，其中包括了國(guó)際、國(guó)內(nèi)及作者的最新研究成果。該書特點(diǎn)是系統(tǒng)性、新穎性，強(qiáng)調(diào)幾何原理與面向工程應(yīng)用。可作為高等工科院校機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造專業(yè)碩士研究生教材，也可供從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)工作的廣大科技人員參考。

四、結(jié)論

計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)是應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與圖形學(xué)研究方向碩士生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外共6本計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材進(jìn)行了比較和分析，不同的教材有不同的特點(diǎn)，分析結(jié)果對(duì)選擇合適的研究生計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)教材，從而提高課堂效率，保證研究生的培養(yǎng)質(zhì)量有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]Gerald Farin.Curves and Surfaces for CAGD：a Practical Guide，F(xiàn)ifth Edition[J].Morgan Kaufmann Publishers，2002.

[2]Josef Hoschek，Dieter Lasser. Fundamentals of Computer Aided Geometric Design[J].A K Peters，1993.

[3]Les Piegl，Wayne Tiller. The NURBS Book，Second Edition[J].Springer，1997.

[4]王國(guó)瑾，汪國(guó)昭，鄭建民.計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5]朱心雄.自由曲線曲面造型技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2000.

[6]施法中.計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)與非均勻有理B樣條[M].北京：高等教育出版社，2001.endprint