计算机图形学基础教程

第1章 导论

1.1 计算机图形学的应用领域

1.1.1 计算机游戏

1.1.2 计算机辅助设计

1.1.3 计算机艺术

1.1.4 虚拟现实

1.1.5 计算机辅助教学

1.2 计算机图形学的概念

1.3 计算机图形学的相关学科

1.4 计算机图形学的确立与发展

1.5 图形显示器的发展及其工作原理

1.5.1 阴极射线管

1.5.2 随机扫描显示器

1.5.3 直视存储管显示器

1.5.4 光栅扫描显示器

1.5.5 液晶显示器

1.5.6 三维图形显示原理及立体显示器

1.6 图形软件标准

1.7 计算机图形学研究的热点技术

1.7.1 层次细节技术

1.7.2 图像绘制技术

1.8 本章小结

习题

第2章 MFC绘图基础

2.1 面向对象程序设计基础

2.1.1 类和对象

2.1.2 构造函数与析构函数

2.1.3 对象的动态建立与释放

2.1.4 继承与派生

2.2 MFC上机操作步骤

2.3 MFC基本绘图函数

2.3.1 CDC类结构与GDI对象

2.3.2 映射模式

2.3.3 使用GDI对象

2.3.4 CDC类绘图成员函数

2.3.5 双缓冲机制

2.3.6 设备上下文的调用与释放

2.3.7 MFC绘图的几种方法

2.4 本章小结

习题

第3章 基本图形的扫描转换

3.1 直线的扫描转换

3.1.1 算法原理

3.1.2 构造中点误差项

3.1.3 递推公式

3.1.4 绘制任意斜率的直线

3.2 圆的扫描转换

3.2.1 算法原理

3.2.2 构造中点误差项

3.2.3 递推公式

3.3 椭圆的扫描转换

3.3.1 算法原理

3.3.2 构造上半部分I的中点误差项

3.3.3 上半部分I的递推公式

3.3.4 构造下半部分II的中点误差项

3.3.5 下半部分II的递推公式

3.4 反走样技术

3.5 Wu反走样算法

3.5.1 算法原理

3.5.2 构造距离误差项

3.5.3 计算机化

3.5.4 彩色直线段的反走样

3.6 本章小结

习题3

第4章 多边形填充

4.1 多边形的扫描转换

4.1.1 多边形的定义

4.1.2 多边形的表示

4.1.3 多边形着色模式

4.1.4 填充多边形

4.1.5 填充区域

4.2 有效边表填充算法

4.2.1 填充原理

4.2.2 边界像素的处理原则

4.2.3 有效边与有效边表

4.2.4 桶表与边表

4.3 边缘填充算法

4.3.1 填充原理

4.3.2 填充过程

4.4 区域填充算法

4.4.1 填充原理

4.4.2 四邻接点与八邻接点

4.4.3 四连通域与八连通域

4.4.4 种子填充算法

4.4.5 扫描线种子填充算法

4.5 本章小结

习题4

第5章 二维变换与裁剪

5.1 图形几何变换基础

5.1.1 规范化齐次坐标

5.1.2 矩阵相乘

5.1.3 二维几何变换矩阵

5.1.4 物体变换与坐标变换

5.1.5 二维几何变换形式

5.2 二维图形基本几何变换矩阵

5.2.1 平移变换矩阵

5.2.2 比例变换矩阵

5.2.3 旋转变换矩阵

5.2.4 反射变换矩阵

5.2.5 错切变换矩阵

5.3 二维复合变换

5.3.1 复合变换原理

5.3.2 相对于任意参考点的二维几何变换

5.3.3 相对于任意方向的二维几何变换

5.4 二维图形裁剪

5.4.1 图形学中常用的坐标系

5.4.2 窗口与视区

5.4.3 窗视变换矩阵

5.5 Cohen-Sutherland直线段裁剪算法

5.5.1 编码原理

5.5.2 裁剪步骤

5.5.3 交点计算公式

5.6 中点分割直线段裁剪算法

5.6.1 中点分割算法原理

5.6.2 中点计算公式

5.7 Liang-Barsky直线段裁剪算法

5.7.1 Liang-Barsky裁剪算法原理

5.7.2 算法分析

5.7.3 算法的几何意义

5.8 多边形裁剪算法

5.9 本章小结

习题5

第6章 三维变换与投影

6.1 三维图形几何变换

6.1.1 三维几何变换矩阵

6.1.2 三维几何变换形式

6.2 三维基本几何变换矩阵

6.2.1 平移变换

6.2.2 比例变换

6.2.3 旋转变换

6.2.4 反射变换

6.2.5 错切变换

6.3 三维复合变换

6.3.1 相对于任意参考点的三维几何变换

6.3.2 相对于任意方向的三维几何变换

6.4 坐标系变换

6.4.1 二维坐标系变换

6.4.2 三维坐标系变换

6.5 平行投影

6.5.1 正交投影矩阵

6.5.2 三视图

6.5.3 斜投影

6.6 透视投影

6.6.1 透视变换坐标系

6.6.2 世界坐标系到观察坐标系的变换

6.6.3 观察坐标系到屏幕坐标系的变换

6.6.4 透视投影分类

6.5.5 屏幕坐标系的透视深度坐标

6.7 本章小结

习题6

第7章 自由曲线与曲面

7.1 基本概念

7.1.1 曲线与曲面的表示形式

7.1.2 插值与逼近

7.1.3 连续性条件

7.2 Bezier曲线

7.2.1 Bezier曲线的定义

7.2.2 Bernstein基函数的性质

7.2.3 Bezier曲线的性质

7.2.4 de Casteljau递推算法

7.2.5 Bezier曲线的拼接

7.3 Bezier曲面

7.3.1 Bezier曲面的定义

7.3.2 双三次Bezier曲面的定义

7.3.3 双三次Bezier曲面的拼接

7.4 B样条曲线

7.4.1 B样条曲线的定义

7.4.2 二次B样条曲线

7.4.3 三次B样条曲线

7.4.4 B样条曲线的性质

7.4.5 构造特殊的三次B样条曲线的技巧

7.5 B样条曲面

7.5.1 B样条曲面的定义

7.5.2 双三次B样条曲面的定义

7.5.3 双三次B样条曲面的连续性

7.6 本章小结

习题7

第8章 分形几何

8.1 分形与分维

8.1.1 分形的诞生

8.1.2 分形的基本特征

8.1.3 分形的定义

8.1.4 分形维数的定义

8.2 递归模型

8.2.1 Cantor集

8.2.2 Koch曲线

8.2.3 Peano-Hilbert曲线

8.2.4 Sierpinski垫片与地毯

8.2.5 Menger海绵

8.2.6 C字曲线

8.2.7 Cayley树

8.3 L系统模型

8.3.1 L系统文法构图法

8.3.2 Koch曲线

8.3.3 分形草

8.3.4 Peano-Hilbert曲线

8.3.5 分形灌木丛

8.4 IFS迭代函数系统模型

8.4.1 仿射变换

8.4.2 IFS

8.4.3 Koch曲线

8.4.4 Sierpinski垫片

8.4.5 Barnsley蕨

8.4.6 拼贴与IFS码的确定

8.5 本章小结

习题8

第9章 建模与消隐

9.1 三维物体的数据结构

9.1.1 物体的几何信息与拓扑信息

9.1.2 三表结构

9.1.3 物体的描述模型

9.1.4 双表结构

9.1.5 常用物体的几何模型

9.2 消隐算法分类

9.3 隐线算法

9.3.1 凸多面体消隐算法

9.3.2 曲面体消隐算法

9.4 隐面算法

9.4.1 深度缓冲器算法

9.4.2 深度排序算法

9.5 本章小结

习题9

第10章 真实感图形

10.1 颜色模型

10.1.1 原色系统

10.1.2 RGB颜色模型

10.1.3 HSV颜色模型

10.1.4 CMYK颜色模型

10.2 简单光照模型

10.2.1 材质模型

10.2.2 环境光模型

10.2.3 漫反射光模型

10.2.4 镜面反射光模型

10.2.5 光强衰减

10.2.6 增加颜色

10.3 光滑着色

10.3.1 直线的光滑着色

10.3.2 Gouraud明暗处理

10.3.3 Phong明暗处理

10.4 简单透明模型

10.5 阴影模型

10.6 纹理映射

10.6.1 颜色纹理

10.6.2 三维纹理

10.6.3 几何纹理

10.6.4 简单纹理反走样

10.7 本章小结

习题10

附录A 配套实践教程的案例设置及与本书的对应关系

参考文献

为省级精品课程“计算机图形学”的建设成果，本书采用面向对象语言Visual C++ 6.0的MFC框架作为开发平台，系统地讲解“基本图形的扫描转换”、“多边形填充”、“二维变换与裁剪”、“三维变换与投影”、“自由曲线与曲面”、“分形几何”、“建模与消隐”和“真实感图形”的实现原理及算法。本书以生成真实感光照模型为主线，引导读者重点掌握直线的扫描转换原理、多边形的填充原理、三维物体的几何变换与透视投影原理、光滑曲面的建模与深度缓冲动态隐面原理、Gouraud双线性光强插值与Phong双线性法矢插值原理、图像纹理与几何纹理映射原理、基于简单光照模型、简单透明模型与简单阴影模型的真实感图形绘制等原理。系统学习完本书后，读者可以在简单光照模型场景中渲染出光源与材质交互作用的真实感三维物体，同时支持鼠标与键盘的交互操作，为进一步从事游戏开发奠定理论基础。本书配套的《计算机图形学实践教程（Visual C++版）（第2版）》 (ISBN 978-7-302-29751-2）给出了与本书各章节原理相对应的源程序代码，共计60个案例。这些配套教学资源可以从作者的个人网站（http://www.klingde.com）免费下载。本书不仅可以作为大学本科生教材，还可供计算机图形学爱好者的自学使用。

提供了丰富的教学资源，涵盖了计算机图形学原理的主要知识点，由于采用VC++的MFC编程可以模拟真实感光照以及纹理等效果，对学生很有吸引力，对提升计算机图形学的教学效果也很有帮助。原理的案例化可以让学生面对枯燥的图形数学模型及绘制算法，能尽快直观地体验到真实效果并深刻理解绘制算法的原理。《高等学校计算机专业教材精选•图形图像与多媒体技术:计算机图形学基础教程(Visua·C++版)(第2版)》不仅可以作为大学本科生教材，还可供计算机图形学爱好者的自学使用。