計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教程

前言

本書是1990年4月版的修訂本。該版前后印刷了7次。由于取材全面，內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)，該書被很多學(xué)校和研究所選為本科生和研究生的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材，并被指定為有關(guān)專業(yè)2000年前自學(xué)考試的參考書。該書曾于1995年獲得電子工業(yè)部?jī)?yōu)秀圖書一等獎(jiǎng)。10年前本書初版時(shí)，國(guó)內(nèi)有關(guān)圖形學(xué)的教材和參考資料還很少。現(xiàn)在情況已經(jīng)有了很大的變化。隨著微機(jī)的日益普及，以AutoCAD和3DStudio為代表的一批高性能、低價(jià)位的計(jì)算機(jī)圖形和動(dòng)畫軟件已成為人們最為常用的軟件。CAD取代了傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)，建筑院全面采用計(jì)算機(jī)生成的渲染圖作為投標(biāo)用的設(shè)計(jì)效果圖。在文化娛樂方面，國(guó)外進(jìn)口大片中的特技鏡頭使觀眾驚心動(dòng)魄之余，領(lǐng)略到圖形高技術(shù)的神奇魅力。電腦游戲的趣味性和刺激性使參與者完全沉浸在用計(jì)算機(jī)圖形交互技術(shù)營(yíng)造的虛擬環(huán)境中。每日電視中插播的形形色色的廣告中，不時(shí)可以欣賞到純?nèi)S的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫片斷。顯然，時(shí)至今日，CAD和圖形學(xué)已不再是一個(gè)陌生的名詞。走進(jìn)書店，裝幀精美的各種圖形軟件使用說(shuō)明書琳瑯滿目，均稱可以無(wú)師自通。要想找圖形程序，C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言的各種著作也很多，而且附有源程序光盤。在這種情況下，圖形學(xué)教材應(yīng)該怎樣寫才好？我們認(rèn)為，一本好的教材應(yīng)該系統(tǒng)準(zhǔn)確地講述該學(xué)科所需的基礎(chǔ)知識(shí)和基本概念，內(nèi)容安排有較廣的適應(yīng)面，能滿足各類專業(yè)的基本教學(xué)需要；注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，用典型算法和習(xí)題啟迪讀者的思維，培養(yǎng)其獨(dú)立研究工作的能力；及時(shí)反映該學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)向，開闊讀者眼界，適應(yīng)高新技術(shù)的快速發(fā)展?；谏鲜隹紤]，我們保留了原書中內(nèi)容相對(duì)較穩(wěn)定的基礎(chǔ)性、原理性章節(jié)，即第三、四、七、八、九章。第九章增加了一節(jié)“有理形式的曲線曲面”，因?yàn)镹URBS非均勻有理B樣條已經(jīng)成為CAD中產(chǎn)品形狀數(shù)字化描述的一種通用標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)形式。這些章節(jié)里的算法也在不斷精化，新發(fā)表的程序更加精練，計(jì)算速度更快。但是我們覺得保留一些經(jīng)典性的算法，介紹一些早期的原始構(gòu)思并非無(wú)益。

內(nèi)容概要

本書是講述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本原理和算法的一本教材，是１９９０年４月版的修訂本。全書共分十三章。包括常用的計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備的簡(jiǎn)單工作原理，直線和圓弧的生成算法，圖形的各種變換，裁剪，層次結(jié)構(gòu)，交互技術(shù)，光柵圖形的掃描轉(zhuǎn)換和區(qū)域填充，消隱，曲面，實(shí)體 和特征造型，真實(shí)感圖形繪制，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫和科學(xué)計(jì)算可視化。

書籍目錄

一．緒論
二．計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)及其設(shè)備
三．生成直線和圓弧的算法
四．變換
五．層次結(jié)構(gòu)
六．交互技術(shù)
七．光柵圖形的掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充
八．隱藏面和隱藏線的消除
九．曲線曲面的表示
十．三維實(shí)體造型
十一．真實(shí)感圖形的基本理論與算法
十二．計(jì)算機(jī)動(dòng)畫
十三．科學(xué)計(jì)算可視化
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：點(diǎn)陣圖像在計(jì)算機(jī)圖形輸入、輸出中得到普遍應(yīng)用，促使計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理兩個(gè)學(xué)科分支間的聯(lián)系變得更加緊密。前面已經(jīng)提到，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的任務(wù)是用計(jì)算機(jī)從無(wú)到有生成景物的數(shù)字模型，并將它顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，或者繪制成紙張或膠片上的圖形。因此，它所研究的主要對(duì)象是景物的幾何建模方法（modeling），數(shù)字模型的繪制技術(shù)（rendering），圖形輸入和控制的人機(jī)交互界面（user interface），以及計(jì)算機(jī)動(dòng)畫（animation）。圖像處理則是用攝像機(jī)或掃描儀等觀測(cè)手段將客觀世界中原來(lái)存在的景物攝制成數(shù)字化圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析，理解圖像的內(nèi)涵，進(jìn)而從圖像中提取所關(guān)注的景物的二維或三維幾何模型。從某種意義上說(shuō)，圖像處理是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)逆過程，它可應(yīng)用于微小細(xì)胞的顯微觀測(cè)；用合成孔徑干涉成像雷達(dá)測(cè)繪地球表面的三維地形圖；用衛(wèi)星遙感技術(shù)估產(chǎn)農(nóng)作物收成；用CT或核磁共振成像檢查人體病理……。它所研究的內(nèi)容有圖像增強(qiáng)、邊緣提取、圖像分割、圖像壓縮、紋理分析、圖像序列分析、形狀特征提取、模式識(shí)別、機(jī)器人視覺、三維形體重建等。數(shù)字化信息時(shí)代的到來(lái)，使計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)與電視網(wǎng)、電話網(wǎng)合一，多媒體技術(shù)應(yīng)用日益深入，計(jì)算機(jī)圖形與圖像技術(shù)的相互滲透、緊密結(jié)合則是確鑿無(wú)疑的一種發(fā)展潮流。以公路建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全生命周期為例，當(dāng)工程立項(xiàng)后，首先要通過航空攝影、GPS衛(wèi)星測(cè)量、野外測(cè)量和地質(zhì)勘察，獲取整個(gè)地區(qū)的地理、人文環(huán)境信息，建立地形地貌的三維數(shù)字模型，進(jìn)行線路的優(yōu)化規(guī)劃，然后進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)，確定公路的平面線形，設(shè)計(jì)線路的縱斷面和橫斷面，計(jì)算施工中挖掘和填充的土石方工程量，構(gòu)建沿線的涵洞、橋梁和隧道，規(guī)劃線路的立體交叉點(diǎn)。一些先進(jìn)的公路設(shè)計(jì)軟件還可以作待建公路的行車駕駛仿真和橋梁等重要構(gòu)筑物的景觀模擬，即將公路和橋梁的三維CAD模型融合進(jìn)沿線的自然、社會(huì)環(huán)境照片中，實(shí)現(xiàn)圖形和圖像的疊加。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用無(wú)所不在。其中涉及面最廣、數(shù)據(jù)量最大的一種應(yīng)用，可能要算“數(shù)字地球”。1998年1月31日美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栐诼迳即壥屑永Ｄ醽喛茖W(xué)中心召開的地理信息系統(tǒng)年會(huì)上提出了這一思想。這是指以地球坐標(biāo)為依據(jù)，全方位采集和應(yīng)用地球表層各種綜合信息的宏偉計(jì)劃。設(shè)想若干年后，一位小學(xué)生可以來(lái)到當(dāng)?shù)氐囊患也┪镳^，戴上帶有立體視覺的頭盔顯示鏡，遙望漂浮在浩瀚星空中的數(shù)字地球。通過數(shù)據(jù)手套的指引，地球越來(lái)越近，呈現(xiàn)出海洋、大陸、國(guó)家、城市、街道和建筑……。她好像正坐在魔毯上漫游世界，可以隨時(shí)停留下來(lái)，駐足觀望，通過語(yǔ)音系統(tǒng)了解當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)土人情、名勝古跡、資源分布……。她可以逐個(gè)訪問埃及金字塔、巴黎盧孚宮、西安兵馬俑、北京紫禁城，并且走進(jìn)故宮博物館，盡情欣賞里面收藏的奇珍異寶?！皵?shù)字地球”作為地理信息系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展，可以在國(guó)土資源規(guī)劃、水資源和環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)、自然災(zāi)害預(yù)防、城市規(guī)劃、管網(wǎng)管理、社區(qū)管理以及城市災(zāi)害、緊急事務(wù)動(dòng)態(tài)管理等方面發(fā)揮巨大的作用，是世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展的必然依托，是新的經(jīng)濟(jì)建設(shè)增長(zhǎng)點(diǎn)，是科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)、歷史發(fā)展的必然產(chǎn)物。

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