计算机图形学基础教程

　　计算机图形学是计算机学科中最活跃的分支之一。本书以独特的视角对计算机图形学的基本概念、原理方法和应用方式进行了全面的介绍。在内容选取上，本书既对计算机图形学所涉及的图形显示、图形生成和操纵、图形表示和建模等基础理论和技术进行了系统讲解，也对诸如图形动画原理及基本二维动画制作方法等计算机图形学综合应用方法进行了适当介绍；既包括了传统计算机图形学内容的讲解，也不乏诸如非规则形体建模、表现和人脸动画、可缩放矢量和数字墨水等计算机图形学最新进展的介绍。在结构编排上，本书采取将计算机图形学内容归结为基础概念、图形显示、图形生成、图形观察、图形建模和图形动画一条主线，便于读者真正系统地领悟计算机图形学“逼真”地模拟现实世界物体的发展和应用宗旨。在描述方式上，本书摒弃了传统计算机图形学教材中繁琐复杂的算法推导和连篇累牍的软件程序，采取启发式方法，注重于使读者能从概念、技术和应用三个不同层次上理解计算机图形学的内容，并使用大量图示以易于学习和理解。另外，本教材还得到了国家自然科学基金资助。本书是作为计算机图形学基础教材而编写的，不仅可作为高等学校、高等职业学校等计算机、医学、机械、天文、物理、化学、环境、地学、军事等理工科师生作为教材使用，而且对于想了解计算机图形学及其应用知识的读者也是一本很好的参考资料。计算机图形学影响着每一个使用计算机的人，正是计算机图形学中图形用户界面技术的产生和发展才使得计算机及其应用能够如此普及。有些人认为自身并不从事计算机图形学方面的工作而不重视甚至放弃对计算机图形学的学习，孰不知只要你想通过显示器来学习和工作，图形学就会悄然来到你身边。实际上，计算机图形学及其应用已经渗透到科研、工程、商业、艺术等社会生活和工业生产的几乎一切领域，并与这些领域自身发展相互推动和促进，计算机图形学已成为信息技术中不可缺少的内容，社会也将需要有更多的人能够全面了解和正确理解计算机图形学的本质。计算机图形学应用十分广泛，因而在编写作为基础课程的计算机图形学教材时要考虑多种因素。首先，就相关学科而言，诸如人机交互技术、计算机动画技术、可视化技术、真实感图形显示技术、虚拟现实、多媒体技术、计算机视觉、基于内容的视觉信息检索、多媒体挖掘、可视化软件工程、计算机辅助几何设计和造型、计算机辅助设计和制造、地理信息系统、艺术和网页设计等课程或技术都以计算机图形学为基础，教材内容必须能够包含其共性，真正为学习者提供进一步学习这些课程或技术的基础。其次，从传授知识的方式来讲，是采取传之以“鱼”，还是授之以“渔”。“鱼”注重于计算机图形学中的具体算法、特定工具或专门技能，“渔”则强调计算机图形学的算法原理、方法思想和概念内涵。在信息技术及其工具迅猛发展的今天，孰优孰劣，不言自明。第三，从学习者角度来看，有两种不同的要求：一种是从事计算机图形学及其相关领域的开发和研究者，他们要求书的内容应注重系统、深入和完善的知识；另一类读者主要将计算机图形学作为学习和工作的基础或工具，这类读者从事的工作包括：信息工程相关学科、计算机辅助设计和制造等工程以及网页、艺术、工程等，他们更关心的是图形学的原理和使用方法。显然，在有限的篇幅内要做到两全其美是困难的，而且，读者想通过一个学期或更短时间的学习就能达到开发和应用的水平也是不大可能的，而应该注重于深刻理解和正确应用计算机图形学的原理和概念。本书是作为计算机图形学的基础教材而编写的，目的就是让读者能够全面而系统地理解计算机图形学的相关概念、原理和知识。书中并没有将计算机图形学的算法推导和严格定义作为重点（读者不必担心被繁琐复杂的图形学算法过程和严格定义所困扰，假如你需要，这种面向计算机图形学专业人员的书籍在参考文献中可以找到），也没有强调计算机图形学的使用技能（使用技能培养的惟一解决办法不是去看多少书籍，而是不断地对特定工具或软件使用），而是介绍了必要的、最小限度的内容，并介绍了计算机图形学领域中的一些最新的研究方法和成果，重点放在概念的解释、原理的讲解和方法的使用等方面，力图使读者易于正确地理解计算机图形学的基本知识。本书的特点是：①重概念。本书摈弃了繁琐的公式推导和繁杂的软件实现技术，而主要从图形学应用角度讲述概念。内容上选取图形学的应用和深入研究所必备的知识，不追求“罗列式的全面”，而追求“透彻型的精炼”。②重系统。本书不是支离破碎地罗列概念和定义，而是注重概念的系统性，使读者能学以致用。在内容的编排上，不是采用传统的二维与三维或硬件和软件的分类方式，而是归结为以基础概念、图形显示、图形生成、图形观察、图形建模和图形动画为主线，使读者能从概念、技术和应用三个不同层次上同时理解图形学内容。③重形象。“一幅画胜过千句话”在图形图像领域是句名言，然而很多教材缺乏对这一优势的利用。本书并没有简单地罗列各种概念，也没有严格地定义每个概念，而是将概念的图解放在十分重要的位置，书中采用了很多图示来对各种概念进行解释，便于读者学习时理解和记忆。本书包括6章。第1章全面介绍计算机图形学的研究内容、发展状况、学科范畴、软件标准、系统构成及发展方向，尤其是透彻阐述了计算机图形学的定义及其过程以及图形和图像的联系和区别，这是理解计算机图形学中的相关技术和概念，及其作为相关学科基础和关联的理论基础。第2章从作为人类视觉系统基础的颜色模型开始，详细介绍了图形的显示原理及相关技术，主要包括：作为显示器技术基础的图形显示原理，作为图形显示核心的线画图形、填充图形和字符的生成原理和方法，为提高图形显示质量的反走样技术的主要思想。第3章从分析图形的显示过程入手，重点介绍了图形显示过程中涉及的基础技术，既包括作为图形观察和操纵基础的基本二维和三维几何变换，也包括实现图形观察和操纵的投影变换、观察变换，还包括为确保图形显示真实性的图形裁剪和可见面判别方法。第4章从规则形体建模、非规则形体建模和图形光照模型这三个方面介绍了作为计算机图形学核心技术的图形表示和建模方法，既包括传统的线架模型、多边形模型、扫掠模型、空间分割、边界表示、实体表示和特征表示等几何造型方法，也包括诸如分形几何、形状文法、粒子系统及基于物理造型等最新非规则过程建模方法，并介绍了作为真实感图形显示基础的几种基本光照模型。第5章以曲线曲面的基本原理为基础，重点介绍了Bezier曲线曲面、B样条曲线曲面和NURBS曲线曲面这三种最常用曲面模型的基本概念和性质。第6章作为全书的综合应用，概括了图形动画的基本原理、分类和发展，并以GIF、PhotoMorph和Flash为例简单介绍了二维图形动画的制作方式。附录中简单介绍了计算机图形学的两个最新技术，即可缩放矢量图形（SVG）标准和数字墨水（DigitalInk）。学习本书可如下安排：对于计算机专业或具备相应计算机基础知识的人员，可选择第1章至第5章作为重点内容，第6章作为自学和综合练习使用；对于非计算机专业或缺乏计算机系统知识的人员，可选择第1章至第4章及第6章的部分内容；对于高职或技能人员可以选择第1、第2和第6章的内容重点学习，而粗读第3、第4和第5章的内容。学习方式可以先将内容粗略地看一遍，然后，参照教学幻灯片学习或由教师讲解重点，并完成有关思考题。需要指出的是：计算机图形学是一门有用的、有趣的课程，但也是难学的课程。“难”体现在整个学科发展日新月异，应用领域不断拓展，相关学科相互重叠和渗透，难以把握和区分；同时，图形学涉及的内容和应用很广，学科交叉繁杂，难以形成一个简单、独立和明确的知识体系。但是，计算机图形学是沿着“逼真”地模拟现实世界物？逭馓踔飨叻⒄沟模裕涓拍詈痛矸椒ň哂邢嗟焙玫囊恢滦裕虼耍琳咧灰谘笆弊⒁狻扒昂罅搿保湍艽锏健耙煌ò偻ā钡男ЧＡ硗猓扑慊夹窝Ф杂诖蠖嗍琳叨允粲谟τ眯图际酰虼耍谘暗耐北匦胱⒅厥迪昂陀τ茫乙桓瞿闶直咦钍煜せ蛳胧煜さ墓ぞ呋蛉砑肪常宰抛瞿阕钕胱龌蛳不蹲龅氖虑椋突岣钋刑寤岬郊扑慊夹窝侨绾斡杏煤陀腥ぃ嬲煳蚋拍钣爰寄芗涞奈⒚罟叵怠？本书以笔者近年来承担南京大学计算机科学与技术系相应课程的教学讲义为基础编写而成，凝聚了多年来对计算机图形学及其应用的理解。在写作过程中，与南京航空航天大学周良和郑宏源两位老师进行了紧密的合作和详细的讨论，融入了他们对工科院校各专业同类课程的许多教学经验和思想，并与他们共同完成本书。在课程教学和本书编写过程中，得到了笔者的博士后导师张福炎教授以及博士学位导师丁秋林教授、蔡士杰教授等前辈的许多悉心指点和帮助，在此谨表深深的敬意和衷心的感谢！硕士生周若鸿和张莉莎花费了大量精力和时间对全稿进行了认真校正，并提出了许多有益的修改意见，同时硕士生孙建勇、邱庆华、张斌和李曼舞在本书编写过程中也给予了最大的帮助，在此一并表示感谢！对书中存在的不足，恳请读者和同行指正.

暂缺《计算机图形学基础教程》作者简介

第1章 图形学概论
1. 1 计算机图形学的内容及其发展
1. 1. 1 计算机图形学的研究内容
1. 1. 2 计算机图形学的发展概况
1. 1. 3 计算机图形学中的图形定义和形式
1. 1. 4 计算机图形学的学科范畴
1. 2 计算机图形学软件标准
1. 2. 1 图形软件标准的发展
1. 2. 2 图形软件标准的类型
1. 2. 3 标准图形支撑软件
1. 3 计算机图形系统
1. 3. 1 计算机图形系统的基本功能
1. 3. 2 计算机图形系统的组成
1. 4 图形学应用及其发展
1. 4. 1 人机交互技术
1. 4. 2 计算可视化
1. 4. 3 真实感图形显示
1. 4. 4 虚拟现实技术
1. 4. 5 计算机辅助设计
1. 4. 6 计算机动画
1. 5 思考和练习
第2章 图形显示与生成
2. 1 颜色模型
2. 1. 1 颜色特征描述：颜色空间
2. 1. 2 颜色的基色混合描述
2. 1. 3 图形显示的颜色模型
2. 2 图形显示原理
2. 2. 1 阴极射线管
2. 2. 2 光栅扫描显示原理
2. 2. 3 随机扫描显示原理
2. 2. 4 其他图形输出设备
2. 3 线图形生成原理
2. 3. 1 线图形生成的基本概念
2. 3. 2 线生成DDA算法
2. 3. 3 Bresenham线生成算法
2. 3. 4 中点圆生成算法
2. 3. 5 中点椭圆生成算法
2. 3. 6 其他曲线生成算法
2. 4 填充图元生成原理
2. 4. 1 多边形扫描转换填充
2. 4. 2 区域填充
2. 4. 3 扫描转换填充与区域填充的比较
2. 5 字符图元生成
2. 5. 1 字符编码标准
2. 5. 2 点阵字符生成
2. 5. 3 矢量字符生成
2. 5. 4 点阵字符和矢量字符的比较
2. 6 反走样技术
2. 6. 1 反走样的基本原理
2. 6. 2 常用的反走样技术
2. 7 思考和练习
第3章 图形观察与变换
3. 1 图形观察和变换原理
3. 1. 1 图形的观察和变换过程
3. 1. 2 计算机图形系统中的坐标系
3. 1. 3 计算机图形系统中的图形变换
3. 2 图形的二维几何变换
3. 2. 1 二维基本几何变换
3. 2. 2 几何变换的齐次表示
3. 2. 3 复合变换
3. 2. 4 特殊几何变换
3. 3 图形的三维几何变换
3. 3. 1 三维基本几何变换
3. 3. 2 三维特殊几何变换
3. 3. 3 三维坐标系的变换
3. 4 投影变换
3. 4. 1 平面几何投影
3. 4. 2 平面投影变换原理
3. 5 图形观察变换
3. 5. 1 三维观察变换
3. 5. 2 一般投影变换
3. 5. 3 二维观察变换
3. 6 图形的裁剪
3. 6. 1 点的裁剪
3. 6. 2 线段的裁剪
3. 6. 3 非矩形裁剪窗口的线段裁剪
3. 6. 4 多边形裁剪
3. 7 可见面判别
3. 7. 1 可见面判别中的连贯性
3. 7. 2 后向面判别
3. 7. 3 深度缓冲器算法
3. 7. 4 A缓冲器算法
3. 7. 5 深度排序算法
3. 7. 6 BSP树算法
3. 8 思考和练习
第4章 图形表示与建模
4. 1 规则形体的精确表示
4. 1. 1 规则形体表示的基本概念
4. 1. 2 实体的定义与运算
4. 1. 3 三维形体的表示方法
4. 2 非规则形体的表示
4. 2. 1 分形几何
4. 2. 2 形状文法
4. 2. 3 粒子系统
4. 2. 4 基于物理的建模
4. 3 图形光照模型
4. 3. 1 简单光照模型
4. 3. 2 面绘制模型
4. 3. 3 整体光照模型
4. 3. 4 基本效果模型
4. 4 思考和练习
第5章 曲线曲面基础
5. 1 曲线曲面的基本概念
5. 1. 1 曲线曲面的参数化表示
5. 1. 2 曲线曲面的基本类型
5. 1. 3 曲线曲面的基函数表示
5. 1. 4 曲线的连续性
5. 2 参数三次插值样条曲线
5. 2. 1 参数三次插值样条曲线的类型和性质
5. 2. 2 自然三次插值样条
5. 2. 3 Hermite三次插值样条
5. 2. 4 Cardinal样条
5. 2. 5 Kochanel-Bartels样条
5. 3 Bezier曲线曲面
5. 3. 1 Bemstein基函数及其性质
5. 3. 2 Bezier曲线的定义和性质
5. 3. 3 Bezier曲线的离散生成
5. 3. 4 Bezier曲线分割和逼近
5. 3. 5 Bezier曲线的拼接
5. 3. 6 Bezier曲线的升降阶
5. 3. 7 Bezier曲面的定义和性质
5. 4 B样条曲线曲面
5. 4. 1 B样条基函数
5. 4. 2 B样条曲线的定义
5. 4. 3 B样条曲线的性质
5. 4. 4 B样条曲线的类型
5. 4. 5 B样条曲线的离散生成
5. 4. 6 B样条曲线的节点插入
5. 4. 7 B样条曲线的形状控制
5. 4. 8 B样条曲面的定义
5. 5 NURBS曲线曲面
5. 5. 1 有理样条曲线定义
5. 5. 2 NURBS曲线的优缺点
5. 5. 3 NURBS曲线的表示
5. 5. 4 NURBS曲线的形状因子
5. 5. 5 NURBS曲面的表示与性质
5. 6 思考和练习
第6章 图形动画原理
6. 1 动画的概念和原理
6. 1. 1 动画的基本原理
6. 1. 2 计算机动画的概念
6. 2 计算机动画的基本原理
6. 2. 1 计算机动画的基本类型
6. 2. 2 计算机动画的关键技术
6. 3
维简单动画的制作
6. 3. 1 二维动画的特点
6. 3. 2 GIF简单动画的应用
6. 3. 3 PhotoMorph动画的应用
6. 3. 4 Flash动画的应用
6. 4 计算机动画的最新发展
6. 4. 1 表演动画及其原理
6. 4. 2 表演动画的关键技术
6. 4. 3 几种典型的表演动画系统
6. 4. 4 人脸动画
6. 5 思考和练习
附录A 可缩放矢量图形 SVG 标准
附录B 笔式交互与数字墨水
参考文献