计算机图形学基础（第3版）

　　本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。全书共10章，第1章简要介绍计算机图形学的基本概念、应用和发展动态。第2～5章由“外”到“内”介绍计算机图形处理系统的硬件设备、人机交互处理技术、图形对象在计算机内的表示以及基本图形的生成算法等。第6章主要介绍二维变换和二维观察的概念。第7章介绍三维变换及三维观察的基本内容，包括几何变换和投影变换等。第8章介绍曲线和曲面的生成。第9章简要介绍常用的消隐算法。第10章对真实感图形绘制的基本思想做了简单描述。本书内容全面翔实，概念简明清晰，实例丰富实用。配套教学资源，包含教学大纲、电子课件和相关教学编程实例等，可免费下载。本书可作为高等学校计算机等相关专业本科生教材和科技人员参考书。

　　陆枫，女，博士，华中科技大学计算机科学与技术学院计算所副教授，主要从事移动互联网体系结构、移动视频云服务、社会网络等方向的研究。

第1章 绪论 1

1．1 计算机图形学及其相关概念 1

1．2 计算机图形学的发展 2

1．2．1 计算机图形学学科的发展 2

1．2．2 图形硬件设备的发展 3

1．2．3 图形软件的发展 4

1．3 计算机图形学的应用 4

1．3．1 计算机辅助设计与制造 4

1．3．2 计算机辅助绘图 5

1．3．3 计算机辅助教学 5

1．3．4 办公自动化和电子出版技术 5

1．3．5 计算机艺术 6

1．3．6 在工业控制及交通方面的应用 6

1．3．7 在医疗卫生方面的应用 6

1．3．8 图形用户界面 6

1．4 计算机图形学研究动态 7

1．4．1 计算机动画 7

1．4．2 地理信息系统 8

1．4．3 人机交互 9

1．4．4 真实感图形显示 10

1．4．5 虚拟现实 10

1．4．6 科学计算可视化 12

1．4．7 并行图形处理 13

习题1 13

第2章 计算机图形系统及图形硬件 15

2．1 计算机图形系统概述 15

2．1．1 计算机图形系统的功能 15

2．1．2 计算机图形系统的结构 16

2．2 图形输入设备 18

2．2．1 键盘 18

2．2．2 鼠标器 19

2．2．3 光笔 19

2．2．4 触摸屏 20

2．2．5 操纵杆 20

2．2．6 跟踪球和空间球 20

2．2．7 数据手套 21

2．2．8 数字化仪 21

2．2．9 图像扫描仪 22

2．2．10 声频输入系统 22

2．2．11 视频输入系统 23

2．3 图形显示设备 23

2．3．1 阴极射线管 23

2．3．2 CRT图形显示器 27

2．3．3 平板显示器 30

2．3．4 三维观察设备 33

2．4 图形显示子系统 34

2．4．1 光栅扫描图形显示子系统的结构 34

2．4．2 绘制流水线 36

2．4．3 相关概念 37

2．5 图形硬拷贝设备 40

2．5．1 打印机 40

2．5．2 绘图仪 41

2．6 OpenGL图形软件包 41

2．6．1 OpenGL的主要功能 42

2．6．2 OpenGL的绘制流程 42

2．6．3 OpenGL的基本语法 43

2．6．4 一个完整的OpenGL程序 44

习题2 47

第3章 用户接口与交互式技术 48

3．1 用户接口设计 48

3．1．1 用户模型 48

3．1．2 显示屏幕的有效利用 48

3．1．3 反馈 49

3．1．4 一致性原则 50

3．1．5 减少记忆量 50

3．1．6 回退和出错处理 51

3．1．7 联机帮助 51

3．1．8 视觉效果设计 51

3．1．9 适应不同的用户 52

3．2 逻辑输入设备与输入处理 52

3．2．1 逻辑输入设备 52

3．2．2 输入模式 55

3．3 交互式绘图技术 56

3．3．1 基本交互式绘图技术 56

3．3．2 三维交互技术 58

3．4 OpenGL中橡皮筋技术的实现 59

3．4．1 基于鼠标的实现 60

3．4．2 基于键盘的实现 62

3．5 OpenGL中拾取操作的实现 63

3．6 OpenGL的菜单功能 67

习题3 68

第4章 图形的表示与数据结构 69

4．1 基本概念 69

4．1．1 基本图形元素 69

4．1．2 几何信息与拓扑信息 70

4．1．3 坐标系 71

4．1．4 实体的定义 73

4．1．5 正则集合运算 74

4．1．6 平面多面体与欧拉公式 76

4．2 三维形体的表示 77

4．2．1 多边形表面模型 78

4．2．2 扫描表示 81

4．2．3 构造实体几何法 81

4．2．4 空间位置枚举表示 83

4．2．5 八叉树 84

4．2．6 BSP树 85

4．2．7 OpenGL中的实体模型函数 85

4．3 非规则对象的表示 90

4．3．1 分形几何 90

4．3．2 形状语法 92

4．3．3 粒子系统 93

4．3．4 基于物理的建模 93

4．3．5 数据场的可视化 93

4．4 层次建模 94

4．4．1 段与层次建模 94

4．4．2 层次模型的实现 95

4．4．3 OpenGL中层次模型的实现 96

习题4 98

第5章 基本图形生成算法 99

5．1 直线的扫描转换 99

5．1．1 数值微分法 99

5．1．2 中点Bresenham算法 101

5．1．3 Bresenham算法 103

5．2 圆的扫描转换 105

5．2．1 八分法画圆 105

5．2．2 中点Bresenham画圆算法 106

5．3 椭圆的扫描转换 107

5．3．1 椭圆的特征 108

5．3．2 椭圆的中点Bresenham算法 109

5．4 多边形的扫描转换与区域填充 112

5．4．1 多边形的扫描转换 112

5．4．2 边缘填充算法 116

5．4．3 区域填充 118

5．4．4 其他相关概念 122

5．5 字符处理 123

5．5．1 点阵字符 123

5．5．2 矢量字符 124

5．6 属性处理 124

5．6．1 线型和线宽 124

5．6．2 字符的属性 127

5．6．3 区域填充的属性 127

5．7 反走样 128

5．7．1 过取样 129

5．7．2 简单的区域取样 130

5．7．3 加权区域取样 131

5．8 在OpenGL中绘制图形 132

5．8．1 点的绘制 132

5．8．2 直线的绘制 133

5．8．3 多边形面的绘制 134

5．8．4 OpenGL中的字符函数 138

5．8．5 OpenGL中的反走样 139

习题5 141

第6章 二维变换及二维观察 143

6．1 基本概念 143

6．2 基本几何变换 144

6．2．1 平移变换 144

6．2．2 比例变换 145

6．2．3 旋转变换 146

6．2．4 对称变换 146

6．2．5 错切变换 148

6．2．6 二维图形几何变换的计算 149

6．3 复合变换 150

6．3．1 二维复合平移变换和比例变换 150

6．3．2 二维复合旋转变换 150

6．3．4 其他二维复合变换 151

6．3．5 相对任一参考点的二维几何变换 151

6．3．6 相对于任意方向的二维几何变换 152

6．3．7 坐标系之间的变换 153

6．3．8 光栅变换 154

6．3．9 变换的性质 155

6．4 二维观察 156

6．4．1 基本概念 156

6．4．2　用户坐标系到观察坐标系的变换 158

6．4．3　窗口到视区的变换 158

6．5　裁剪 159

6．5．1　点的裁剪 160

6．5．2 直线段的裁剪 160

6．5．3 多边形的裁剪 166

6．5．4 其他裁剪 169

6．6 OpenGL中的二维观察变换 170

习题6 172

第7章 三维变换及三维观察 173

7．1 三维变换的基本概念 173

7．1．1 几何变换 173

7．1．2 三维齐次坐标变换矩阵 173

7．1．3 平面几何投影 174

7．2 三维几何变换 175

7．2．1 三维基本几何变换 175

7．2．2 三维复合变换 180

7．3 三维投影变换 183

7．3．1 正投影 183

7．3．2 斜投影 189

7．4 透视投影 190

7．4．1 一点透视 192

7．4．2 二点透视 193

7．4．3 三点透视 194

7．5 观察坐标系及观察空间 195

7．5．1 观察坐标系 195

7．5．2 观察空间 196

7．6 三维观察流程 199

7．6．1 用户坐标系到观察坐标系的变换 200

7．6．2 平行投影的规范化投影变换 200

7．6．3 透视投影的规范化投影变换 202

7．7 三维裁剪 205

7．7．1 关于规范化观察空间的裁剪 205

7．7．2 齐次坐标空间的裁剪 206

7．8 OpenGL中的变换 207

7．8．1 矩阵堆栈 207

7．8．2 模型视图变换 208

7．8．3 投影变换 209

7．8．4 实例 211

习题7 213

第8章 曲线与曲面 215

8．1 基本概念 215

8．1．1 曲线/曲面数学描述的发展 215

8．1．2 曲线/曲面的表示要求 216

8．1．3 曲线/曲面的表示 217

8．1．4 插值与逼近 218

8．1．5 连续性条件 218

8．1．6 样条描述 219

8．2 三次样条 220

8．2．1 自然三次样条 220

8．2．2 Hermite插值样条 221

8．3 Bezier曲线/曲面 222

8．3．1 Bezier曲线的定义 223

8．3．2 Bezier曲线的性质 224

8．3．3 Bezier曲线的生成 226

8．3．4 Bezier曲面 229

8．4 B样条曲线/曲面 230

8．4．1 B样条曲线 230

8．4．2 B样条曲线的性质 235

8．4．3 B样条曲面 237

8．5 有理样条曲线/曲面 237

8．5．1 NURBS曲线/曲面的定义 238

8．5．2 有理基函数的性质 239

8．5．3 NURBS曲线/曲面的特点 240

8．6 曲线/曲面的转换和计算 241

8．6．1 样条曲线/曲面的转换 241

8．6．2 样条曲线/曲面的离散生成 242

8．7 OpenGL生成曲线/曲面 244

8．7．1 Bezier曲线/曲面函数 244

8．7．2 GLU中的B样条曲线/曲面函数 247

习题8 252

第9章 消隐 253

9．1 深度缓存器算法 253

9．2 区间扫描线算法 255

9．3 深度排序算法 257

9．4 区域细分算法 258

9．5 光线投射算法 260

9．6 BSP树 260

9．7 多边形区域排序算法 261

9．8 OpenGL中的消隐处理 262

习题9 267

第10章 真实感图形绘制 268

10．1 简单光照模型 268

10．1．1 环境光 268

10．1．2 漫反射光 269

10．1．3 镜面反射光 270

10．1．4 光强衰减 271

10．1．5 颜色 272

10．2 基于简单光照模型的多边形绘制 273

10．2．1 恒定光强的多边形绘制 274

10．2．2 Gouraud明暗处理 274

10．2．3 Phong明暗处理 276

10．3 透明处理 277

10．4 产生阴影 278

10．5 模拟景物表面细节 278

10．5．1 用多边形模拟表面细节 279

10．5．2 纹理的定义和映射 279

10．5．3 凹凸映射 280

10．6 整体光照模型与光线追踪 281

10．6．1 整体光照模型 281

10．6．2 Whitted光照模型 281

10．6．3 光线跟踪算法 282

10．6．4 光线跟踪反走样 284

10．7 OpenGL中的光照与表面绘制函数 285

10．7．1 OpenGL点光源 285

10．7．2 OpenGL全局光照 286

10．7．3 OpenGL表面材质 287

10．7．4 OpenGL透明处理 288

10．7．5 OpenGL表面绘制 289

10．7．6 实例 289

10．8 OpenGL中的纹理映射 291

习题10 293

参考文献 295