計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

前言

計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在圖形處理領(lǐng)域中的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要分支。近幾十年來(lái)，計(jì)算機(jī)硬件、軟件性能的飛速發(fā)展、價(jià)格的大幅下降及計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展十分迅速。在此形勢(shì)下，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為相當(dāng)成熟的重要學(xué)科，并滲透到各行各業(yè)，在各個(gè)領(lǐng)域中起著越來(lái)越大的作用。國(guó)內(nèi)外各高等院校對(duì)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)非常重視，基本上都為研究生和本科生開(kāi)設(shè)了“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程。但是國(guó)內(nèi)圖形學(xué)的高級(jí)人才還十分匱乏，培養(yǎng)合格的圖形學(xué)人才，是高等院校計(jì)算機(jī)教學(xué)急待解決的問(wèn)題。本書(shū)是為適應(yīng)高等院校本科“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程教學(xué)需要而編寫(xiě)的一本教材。目前，圖形學(xué)方面的教材根據(jù)內(nèi)容可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是講解圖形學(xué)基本原理和底層細(xì)節(jié)的；另一類(lèi)是講解如何使用現(xiàn)代圖形學(xué)API如OpenGL、Direct3D和Java3D的。編者相信，無(wú)論圖形學(xué)還是其他學(xué)科，傳授基本原理都是正確的選擇?；诖擞^點(diǎn)，本書(shū)定位于前一種類(lèi)型。它面向教學(xué)，面向本科，理論與應(yīng)用并重，通過(guò)簡(jiǎn)潔的圖形學(xué)基礎(chǔ)理論與算法介紹，結(jié)合具體的例程，層層深入地講解圖形學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及編程開(kāi)發(fā)的各個(gè)要素，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)讀者將圖形學(xué)理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，為讀者今后從事圖形學(xué)理論研究或更大規(guī)模的圖形學(xué)工程開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。它將會(huì)很好地滿足大學(xué)“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程教與學(xué)的真正需求，并具有以下特點(diǎn)。一1.面向教學(xué)需求。從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)需求出發(fā)，結(jié)合作者多年圖形學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，合理地編排內(nèi)容結(jié)構(gòu)，并附有課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、模擬試題與習(xí)題來(lái)滿足教學(xué)需求。2.面向本科學(xué)習(xí)需要。以清晰的本科學(xué)習(xí)需要為定位，在內(nèi)容上以經(jīng)典的圖形學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)作為主線來(lái)介紹，基本上不涉及圖形學(xué)的高級(jí)主題和艱深內(nèi)容，非常適于本科學(xué)生學(xué)習(xí)和自學(xué)需要。3.理論與應(yīng)用并重。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材主要討論圖形學(xué)的基礎(chǔ)理論與算法，而社會(huì)上的培訓(xùn)班多以培訓(xùn)3D Max、AutoCAD、Maya等建模工具的使用為主。本書(shū)希望在二者之間求得較好的平衡，以培養(yǎng)具備一定理論基礎(chǔ)，又具有較強(qiáng)動(dòng)手能力的圖形開(kāi)發(fā)人才為目標(biāo)。因此，在理論上以圖形學(xué)的經(jīng)典基礎(chǔ)理論與算法為主，應(yīng)用上配有相關(guān)算法的C及OpenGL的代碼例程。值得一提的是，教材附錄中的課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容也以VC++及OpenGL的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)容概要

　　《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》經(jīng)典計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本知識(shí)、原理及相關(guān)技術(shù)，包括圖形系統(tǒng)、經(jīng)典光柵圖形學(xué)、實(shí)體造型、曲線曲面、圖形變換與觀察、交互技術(shù)、消隱，同時(shí)還對(duì)真實(shí)感圖形繪制技術(shù)作了詳細(xì)的介紹。書(shū)后有3個(gè)附錄，分別為圖形學(xué)的相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與模擬試題及答案。《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》可作為高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科生教材，也可供從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或相關(guān)領(lǐng)域的科技人員和愛(ài)好者參考。

書(shū)籍目錄

出版說(shuō)明前言第1章 緒論1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究領(lǐng)域1.1.1 圖形概念1.1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究?jī)?nèi)容1.1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域1.2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD／CAM）1.2.2 計(jì)算機(jī)仿真和模擬1.2.3 娛樂(lè)動(dòng)畫(huà)1.2.4 地理信息系統(tǒng)1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展1.3.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的誕生（1950-1960）1.3.2 線框圖形學(xué)（1960-1970）1.3.3 光柵圖形學(xué)（1970-1980）1.3.4 真實(shí)感圖形學(xué)（1980-1990）1.3.5 實(shí)時(shí)圖形學(xué)（1990-至今）1.4 習(xí)題第2章 圖形系統(tǒng)2.1 圖形系統(tǒng)概述2.1.1 圖形系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)2.1.2 圖形系統(tǒng)分類(lèi)2.2 圖形硬件顯示原理2.2.1 圖形顯示設(shè)備及工作原理2.2.2 圖形顯示方式2.2.3 光柵掃描圖形顯示系統(tǒng)2.3 圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)2.3.1 概述2.3.2 應(yīng)用程序階段2.3.3 幾何處理階段2.3.4 光柵階段2.4 圖形支撐軟件2.4.1 OpenGL2.4.2 DirectX2.4.3 Java2D和3D2.5 習(xí)題第3章 基本圖形光柵化3.1 直線光柵化3.1.1 DDA畫(huà)線算法3.1.2 中點(diǎn)畫(huà)線算法3.1.3 Bresenham畫(huà)線算法3.2 圓的光柵化3.2.1 圓的八對(duì)稱(chēng)性3.2.2 中點(diǎn)畫(huà)圓算法3.2.3 Bresenham畫(huà)圓算法3.3 區(qū)域填充3.3.1 多邊形填充算法3.3.2 邊填充算法3.3.3 種子填充算法3.4 字符表示3.4.1 點(diǎn)陣字符3.4.2 矢量字符3.5 反走樣3.5.1 光柵圖形走樣3.5.2 常用反走樣技術(shù)3.6 習(xí)題第4章 實(shí)體造型與曲線曲面4.1 三維實(shí)體表示基礎(chǔ)4.1.1 基本幾何元素4.1.2 幾何信息與拓?fù)湫畔?.1.3 實(shí)體定義4.2 三維實(shí)體表示方法4.2.1 邊界表示4.2.2 掃描表示4.2.3 構(gòu)造實(shí)體幾何表示4.2.4 空間細(xì)分表示4.3 三次參數(shù)曲線4.3.1 基本知識(shí)4.3.2 Hermite曲線4.3.3 Bezier曲線4.3.4 B樣條曲線4.4 雙三次參數(shù)曲面4.4.1 Coons曲面4.4.2 Bezier曲面4.4.3 B樣條曲面4.4.4 雙三次參數(shù)曲面片的繪制4.5 習(xí)題第5章 圖形變換與觀察5.1 二維幾何變換5.1.1 基本幾何變換5.1.2 齊次坐標(biāo)5.1.3 變換矩陣功能分區(qū)5.1.4 復(fù)合變換5.2 三維幾何變換5.2.1 基本幾何變換5.2.2 復(fù)合變換5.3 投影變換5.3.1 基本概念5.3.2 平行投影5.3.3 透視投影5.4 三維觀察流程5.4.1 坐標(biāo)系統(tǒng)5.4.2 建模變換5.4.3 觀察變換5.4.4 投影變換5.4.5 窗口一視區(qū)變換5.5 裁剪5.5.1 點(diǎn)的裁剪5.5.2 直線裁剪5.5.3 多邊形裁剪5.5.4 其他裁剪5.6 OpenGL中的圖形變換5.6.1 視點(diǎn)變換與模型變換5.6.2 投影變換與視口變換5.7 習(xí)題第6章 交互技術(shù)6.1 基本交互技術(shù)6.1.1 定位6.1.2 選擇6.1.3 數(shù)值輸入和文字輸入6.2 高級(jí)交互技術(shù)6.2.1 分組與圖層6.2.2 幾何約束6.2.3 拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放與形變6.2.4 橡皮筋6.2.5 雙緩存6.2.6 全圖的漫游、縮放6.2.7 三維交互6.3 習(xí)題第7章 消隱7.1 概述7.1.1 消隱的定義7.1.2 消隱算法的分類(lèi)7.1.3 消隱的基本原則7.2 多面體的消隱算法7.2.凸多面體消隱7.2.2 任意多面體的消隱7.3 深度緩沖器算法7.3.1 算法基本思想7.3.2 算法描述7.3.3 深度值的計(jì)算7.3.4 深度緩沖器算法特點(diǎn)7.4 掃描線深度緩存算法7.4.1 算法基本思想7.4.2 算法描述7.4.3 掃描線與多邊形面片求交算法的實(shí)現(xiàn)7.4.4 掃描線消隱算法特點(diǎn)7.5 畫(huà)家算法7.5.1 畫(huà)家算法的基本思想7.5.2 深度優(yōu)先級(jí)表的建立7.5.3 深度優(yōu)先級(jí)沖突解決的排序算法7.5.4 畫(huà)家算法的特點(diǎn)7.6 光線追蹤算法（RayCasting）7.6.1 算法基本思想7.6.2 算法描述7.7 習(xí)題第8章 真實(shí)感圖形繪制8.1 簡(jiǎn)單光照明模型8.1.1 基本光學(xué)原理8.1.2 環(huán)境光8.1.3 漫反射光8.1.4 鏡面反射光8.1.5 Phong光照明模型8.2 多邊形繪制8.2.1 恒定光強(qiáng)的多邊形繪制8.2.2 雙線性光強(qiáng)明暗處理8.2.3 雙線性法向明暗處理8.3 透明與陰影8.3.1 透明處理8.3.2 陰影8.4 紋理與紋理映射8.4.1 紋理概述8.4.2 常見(jiàn)紋理映射技術(shù)8.5 整體光照模型和光線跟蹤8.5.1 整體光照模型8.5.2 Whitted光照模型8.5.3 光線跟蹤算法8.6 實(shí)時(shí)真實(shí)感圖形學(xué)技術(shù)8.6.1 層次細(xì)節(jié)顯示和簡(jiǎn)化8.6.2 基于圖像的繪制技術(shù)8.7 OpenGL光照8.7.1 OpenGL顏色模型8.7.2 光源8.7.3 光照模型8.7.4 材質(zhì)和紋理8.8 習(xí)題附錄附錄A 線性代數(shù)基礎(chǔ)知識(shí)A.1 矢量及其運(yùn)算A.2 矩陣及其運(yùn)算附錄B 課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)B.1 實(shí)驗(yàn)總體方案B.2 實(shí)驗(yàn)具體方案附錄C 模擬試題及參考答案模擬試題A模擬試題B模擬試題A參考答案模擬試題B參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章　緒論圖形圖像是現(xiàn)代社會(huì)信息化的重要支柱。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)便是與圖形圖像密切聯(lián)系的一門(mén)綜合性學(xué)科。所有現(xiàn)代科學(xué)和工程領(lǐng)域幾乎都可以采用計(jì)算機(jī)圖形以加強(qiáng)信息的傳遞與表達(dá)，因此無(wú)論科學(xué)家還是工程師都需要具備計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本知識(shí)。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在造船、航空航天、汽車(chē)、電子、機(jī)械、建筑、影視、輕紡化工等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而這些應(yīng)用又在不斷地推動(dòng)著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，進(jìn)一步充實(shí)和豐富了它的內(nèi)容。本章將從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究領(lǐng)域、應(yīng)用領(lǐng)域及其歷史發(fā)展三方面概括地介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的有關(guān)內(nèi)容，使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究領(lǐng)域計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)旨在研究用計(jì)算機(jī)來(lái)生成、顯示和處理圖形信息的學(xué)科。毫無(wú)疑問(wèn)，它的研究對(duì)象是圖形。1.1.1　圖形概念人們生活在一個(gè)客觀的世界中，大部分的事物都是有“形”的，看得見(jiàn)摸得著，可以描述它們的形狀?！靶巍币虼顺蔀槿藗冋J(rèn)識(shí)事物和相互交流的一個(gè)關(guān)鍵元素，正是因?yàn)樗拇嬖?，人們?cè)诮涣鲿r(shí)，一談到某種事物，人們首先就會(huì)聯(lián)想到它的形狀。圖形具有不同于語(yǔ)言和文字的獨(dú)特功能，它能夠表達(dá)一些語(yǔ)言和文字難以表達(dá)的信息。圖形信息表達(dá)直觀，易于理解。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，圖形信息顯示出任何語(yǔ)言無(wú)法比擬的優(yōu)越性，它能直接反映出客觀世界變幻無(wú)窮的圖像，供全人類(lèi)所共享，不受語(yǔ)言和文化的限制。圖形還具有讓人在一瞬間把握整體的特點(diǎn)，它比文字更加簡(jiǎn)明精練，不像文字那樣需要逐字、逐句、逐段聯(lián)系起來(lái)才能理解，這就是為什么有時(shí)通篇大段的語(yǔ)言文字所描述的信息反倒不及一幅簡(jiǎn)單圖形所包含的信息清楚明晰的原因。另外，圖形包含的信息量較大，所謂“一圖勝千言”，“百聞不如一見(jiàn)”，圖1.1正是體現(xiàn)了圖形表達(dá)信息準(zhǔn)確、直觀、海量的這些優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，圖形信息是人類(lèi)從外界獲得信息的主要來(lái)源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)人所獲得的所有信息中，約有80％～90％的信息來(lái)自視覺(jué)。人們認(rèn)識(shí)客觀世界，首先是靠眼睛觀察事物的外表形象，至于語(yǔ)言、文字、符號(hào)，都是在此以后經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的進(jìn)化才逐漸形成的。 如今，圖形已成為科技與工程領(lǐng)域中的一門(mén)通用語(yǔ)言，在工程上用來(lái)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、指導(dǎo)生產(chǎn)、交流；在科學(xué)研究中用來(lái)處理各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖示和圖解各種研究問(wèn)題等?？梢哉f(shuō)，各行各業(yè)都離不開(kāi)圖形。

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《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》由機(jī)械工業(yè)出版社出版。

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