计算机图形学基础

第1章绪论

1.1计算机图形学及其相关概念

1.2计算机图形学的发展

1.2.1计算机图形学学科的发展

1.2.2图形硬件设备的发展

1.2.3图形软件的发展

1.3计算机图形学的应用

1.3.1计算机辅助设计与制造

1.3.2计算机辅助绘图

1.3.3计算机辅助教学

1.3.4办公自动化和电子出版技术

1.3.5计算机艺术

1.3.6在工业控制及交通方面的应用

1.3.7在医疗卫生方面的应用

1.3.8图形用户界面

1.4计算机图形学研究动态

1.4.1计算机动画

1.4.2地理信息系统

1.4.3人机交互

1.4.4真实感图形显示

1.4.5虚拟现实

1.4.6科学计算可视化

1.4.7并行图形处理

习题1

第2章计算机图形系统及图形硬件

2.1计算机图形系统概述

2.1.1计算机图形系统的功能

2.1.2计算机图形系统的结构

2.2图形输入设备

2.2.1键盘

2.2.2鼠标器

2.2.3光笔

2.2.4触摸屏

2.2.5操纵杆

2.2.6跟踪球和空间球

2.2.7数据手套

2.2.8数字化仪

2.2.9图像扫描仪

2.2.10声频输入系统

2.2.11视频输入系统

2.3图形显示设备

2.3.1阴极射线管

2.3.2CRT图形显示器

2.3.3平板显示器

2.3.4三维观察设备

2.4图形显示子系统

2.4.1光栅扫描图形显示子系统的结构

2.4.2绘制流水线

2.4.3相关概念

2.5图形硬拷贝设备

2.5.1打印机

2.5.2绘图仪

2.6OpenGL图形软件包

2.6.1OpenGL的主要功能

2.6.2OpenGL的绘制流程

2.6.3OpenGL的基本语法

2.6.4一个完整的OpenGL程序

习题2

第3章用户接口与交互式技术

3.1用户接口设计

3.1.1用户模型

3.1.2显示屏幕的有效利用

3.1.3反馈

3.1.4一致性原则

3.1.5减少记忆量

3.1.6回退和出错处理

3.1.7联机帮助

3.1.8视觉效果设计

3.1.9适应不同的用户

3.2逻辑输入设备与输入处理

3.2.1逻辑输入设备

3.2.2输入模式

3.3交互式绘图技术

3.3.1基本交互式绘图技术

3.3.2三维交互技术

3.4OpenGL中橡皮筋技术的实现

3.4.1基于鼠标的实现

3.4.2基于键盘的实现

3.5OpenGL中拾取操作的实现

3.6OpenGL的菜单功能

习题3

第4章图形的表示与数据结构

4.1基本概念

4.1.1基本图形元素

4.1.2几何信息与拓扑信息

4.1.3坐标系

4.1.4实体的定义

4.1.5正则集合运算

4.1.6平面多面体与欧拉公式

4.2三维形体的表示

4.2.1多边形表面模型

4.2.2扫描表示

4.2.3构造实体几何法

4.2.4空间位置枚举表示

4.2.5八叉树

4.2.6BSP树

4.2.7OpenGL中的实体模型函数

4.3非规则对象的表示

4.3.1分形几何

4.3.2形状语法

4.3.3粒子系统

4.3.4基于物理的建模

4.3.5数据场的可视化

4.4层次建模

4.4.1段与层次建模

4.4.2层次模型的实现

4.4.3OpenGL中层次模型的实现

习题4

第5章基本图形生成算法

5.1直线的扫描转换

5.1.1数值微分法

5.1.2中点Bresenham算法

5.1.3Bresenham算法

5.2圆的扫描转换

5.2.1八分法画圆

5.2.2中点Bresenham画圆算法

5.3椭圆的扫描转换

5.3.1椭圆的特征

5.3.2椭圆的中点Bresenham算法

5.4多边形的扫描转换与区域填充

5.4.1多边形的扫描转换

5.4.2边缘填充算法

5.4.3区域填充

5.4.4其他相关的概念

5.5字符处理

5.5.1点阵字符

5.5.2矢量字符

5.6属性处理

5.6.1线型和线宽

5.6.2字符的属性

5.6.3区域填充的属性

5.7反走样

5.7.1过取样

5.7.2简单的区域取样

5.7.3加权区域取样

5.8在OpenGL中绘制图形

5.8.1点的绘制

5.8.2直线的绘制

5.8.3多边形面的绘制

5.8.4OpenGL中的字符函数

5.8.5OpenGL中的反走样

习题5

第6章二维变换及二维观察

6.1基本概念

6.1.1几何变换

6.1.2齐次坐标

6.1.3二维变换矩阵

6.2基本几何变换

6.2.1平移变换

6.2.2比例变换

6.2.3旋转变换

6.2.4对称变换

6.2.5错切变换

6.2.6二维图形几何变换的计算

6.3复合变换

6.3.1二维复合平移变换

6.3.2二维复合比例变换

6.3.3二维复合旋转变换

6.3.4其他二维复合变换

6.3.5相对任一参考点的二维几何变换

6.3.6相对于任意方向的二维几何变换

6.3.7坐标系之间的变换

6.3.8光栅变换

6.3.9变换的性质

6.4二维观察

6.4.1基本概念

6.4.2用户坐标系到观察坐标系的变换

6.4.3窗口到视区的变换

6.5裁剪

6.5.1点的裁剪

6.5.2直线段的裁剪

6.5.3多边形的裁剪

6.5.4其他裁剪

6.6OpenGL中的二维观察变换

习题6

第7章三维变换及三维观察

7.1三维变换的基本概念

7.1.1几何变换

7.1.2三维齐次坐标变换矩阵

7.1.3平面几何投影

7.2三维几何变换

7.2.1三维基本几何变换

7.2.2三维复合变换

7.3三维投影变换

7.3.1正投影

7.3.2斜投影

7.4透视投影

7.4.1一点透视

7.4.2二条透视

7.4.3三点透视

7.5观察坐标系及观察空间

7.5.1观察坐标系

7.5.2观察空间

7.6三维观察流程

7.6.1用户坐标系到观察坐标系的变换

7.6.2平行投影的规范化投影变换

7.6.3透视投影的规范化投影变换

7.7三维裁剪

7.7.1关于规范化观察空间的裁剪

7.7.2齐次坐标空间的裁剪

7.8OpenGL中的变换

7.8.1矩阵堆栈

7.8.2模型视图变换

7.8.3投影变换

7.8.4实例

习题7

第8章曲线与曲面

8.1基本概念

8.1.1曲线/曲面数学描述的发展

8.1.2曲线/曲面的表示要求

8.1.3曲线/曲面的表示

8.1.4插值与逼近

8.1.5连续性条件

8.1.6样条描述

8.2三次样条

8.2.1自然三次样条

8.2.2Heranite插值样条

8.3Bezier曲线/曲面

8.3.1Bezier曲线的定义

8.3.2Bezier曲线的性质

8.3.3Bezier曲线的生成

8.3.4Bezier曲面

8.4B样条曲线/曲面

8.4.1B样条曲线

8.4.2B样条曲线的性质

8.4.3B样条曲面

8.5有理样条曲线/曲面

8.5.1NURBS曲线/曲面的定义

8.5.2有理基函数的性质

8.5.3NURBS曲线/曲面的特点

8.6曲线/曲面的转换和计算

8.6.1样条曲线/曲面的转换

8.6.2样条曲线/曲面的离散生成

8.7OpenGL生成曲线/曲面

8.7.1Bezier曲线/曲面函数

8.7.2GLU中的B样条曲线/曲面函数

习题8

第9章消隐

9.1深度缓存器算法

9.2区间扫描线算法

9.3深度排序算法

9.4区域细分算法

9.5光线投射算法

9.6BSP树

9.7多边形区域排序算法

9.8OpenGL中的消隐处理

习题9

第10章真实感图形绘制

10.1简单光照模型

10.1.1环境光

10.1.2漫反射光

10.1.3镜面反射光

10.1.4光强衰减

10.1.5颜色

10.2基于简单光照模型的多边形绘制

10.2.1恒定光强的多边形绘制

10.2.2Gouraud明暗处理

10.2.3Phong明暗处理

10.3透明处理

10.4产生阴影

10.5模拟景物表面细节

10.5.1用多边形模拟表面细节

10.5.2纹理的定义和映射

10.5.3凹凸映射

10.6整体光照模型与光线追踪

10.6.1整体光照模型

10.6.2Whitted光照模型

10.6.3光线跟踪算法

10.6.4光线跟踪反走样

10.7OpenGL中的光照与表面绘制函数

10.7.1OpenGL点光源

10.7.2OpenGL全局光照

10.7.3OpenGL表面材质

10.7.4OpenGL透明处理

10.7.5OpenGL表面绘制

10.7.6实例

10.8OpenGL中的纹理映射

习题10

参考文献

　　本次修订在第1版的基础上，结合教学实践、教材使用反馈和最新技术发展，进行了修订和改写，特别增加了基于OpenGL的编程实例。本书保持了上一版的风格，内容全面翔实，概念简明清晰，实例丰富实用，教学资源配套。书中还配有教学资源，包含数学大纲作者多年来教学改革和实践的成果电子教案和相关教学编程实例。全书共分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、图形对象在计算机内的表示以及基本图素的生成算法等；第6章，主要介绍二维变换和二维观察的概念；第7-10章，主要涉及三维图形的变换、处理和绘制；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。该书可供各大专院校作为教材使用，也可供从事相关工作的人员作为参考用书使用。　　本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。全书共分10章，第l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、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。