交互式計算機圖形學

前言

　　本書是計算機圖形學入門教材,重點介紹應用程序的編寫，在1997年出版本書第一版之前我曾寫過一本圖形學的教材,這兩本書相隔了7年,在此期間,計算機圖形學有了巨大的發(fā)展,發(fā)展速度之快超出大多數(shù)人的預期,也包括我自己，從那以后到現(xiàn)在的11年里(本書出到了第四版),我們看到計算機圖形學發(fā)生了更多的變化,長篇計算機動畫電影在商業(yè)和藝術兩方面都獲得了成功,在電影中使用計算機效果已經(jīng)成為標準,實景拍攝和計算機合成效果常常很難區(qū)分，現(xiàn)在從硬件上已難以區(qū)分計算機和游戲電玩(gamebox),可編程圖形處理器在商品系統(tǒng)中提供了相當?shù)撵`活性,而在幾年前即使是最昂貴的工作站也不可能達到這種層次。　　現(xiàn)在,不但圖形系統(tǒng)的功能大為增強,而且從高端到低端工作站的價格也大幅下降，最近幾年,圖形系統(tǒng)每秒鐘能夠繪制超過1億個具有光照效果和經(jīng)過紋理映射的三維多邊形,價格已經(jīng)從超過10萬美元下降到不足1000美元，用于個人計算機的商用圖形板的出現(xiàn)具有特別重要的意義,這些圖形板支持復雜的三維應用程序,最低價格大約為100美元，在軟件方面,OpenGL仍舊是編寫應用程序和為多平臺應用開發(fā)高級產(chǎn)品的標準程序員接口,OpenGL支持從大型科學計算可視化到手機游戲的廣闊應用領域，　　自頂向下的方法　　圖形學的新進展和本書前4版的成功使我一直堅持采用一種自頂向下的，面向編程的方法來介紹計算機圖形學的基本知識，雖然現(xiàn)在許多院校的計算機科學和工程系在圖形學方面開設了多門課程,但是多數(shù)學生只選修其中的一門課程，學生們在已經(jīng)學習了程序設計，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，算法，軟件工程和基礎數(shù)學以后,給他們安排一門計算機圖形學課程,將允許教師以內(nèi)容充實并且有趣的方式按上述已學課程來組織課程內(nèi)容,我想學生們會盡可能地編寫出三維應用程序，底層的算法,例如繪制線段或者填充多邊形,可以在學生們編寫了圖形程序之后再考慮，　　計算機教育的先驅(qū)JohnKemeny曾經(jīng)把自頂向下的編程方法與我們熟悉的汽車來類比：你沒必要知道汽車罩下面是什么,但是如果知道內(nèi)部的工作原理,你就會去駕駛汽車而不是坐在汽車后座上，同樣的類比適用于講授計算機圖形學的方法，第一種方法(算法的方法)是把汽車工作原理的方方面面都交代清楚：發(fā)動機，傳動裝置，燃燒過程等，第二種方法(概覽的方法)是雇一名司機,自己坐在后面觀光，第三種方法(本書采用的編程方法)是教會你如何駕駛并把車開到想要去的地方,正如一句過時的汽車租賃廣告詞所說的那樣：“讓我們把你放到駕駛員的位子上去。”

內(nèi)容概要

在廣泛結(jié)合OpenGL并注重圖形應用編程的基礎上，本書向讀者介紹了計算機圖形學的核心概念。書中代碼采用C和C＋＋語言，并使用了自頂向下和面向編程的方法，使讀者能夠迅速地創(chuàng)建自己的三維圖形。在結(jié)構(gòu)安排上，本書在讀者學會了編寫交互式圖形程序之后再介紹底層的算法，如線段的繪制以及多邊形填充等算法。    本書覆蓋了計算機圖形學基礎課程中的所有主題，包括光與材質(zhì)的相互作用、明暗繪制、建模、曲線和曲面、反走樣、光柵化、紋理映射和圖像合成等內(nèi)容。    本書可作為計算機及相關專業(yè)本科生和研究生的計算機圖形學教材，也適合作為相關程序員、工程技術人員及科研人員的參考書。

作者簡介

　　安吉爾（Edward Angel），美國新墨西哥大學計算機科學系、  電氣與計算機工程系以及媒體藝術系榮譽退休教授，他曾經(jīng)是該大學首位兼任教學工作的研究生。Edward獲得了美國南加州大學哲學博士學位和加州理工學院工程理學學士學位。他還是新墨西哥大學藝術、研究、技術和科

書籍目錄

第1章  圖形系統(tǒng)和模型  1.1  計算機圖形學的應用  1.2  圖形系統(tǒng)  1.3  圖像：物理的和合成的  1.4  成像系統(tǒng)  1.5  虛擬照相機模型  1.6  程序員接口  1.7  圖形繪制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)  1.8　可編程流水線  1.9　性能特征  小結(jié)和注釋  建議閱讀資料  習題第2章  圖形學編程  2.1  Sierpinski鏤墊  2.2  編寫二維圖形應用程序  2.3  OpenGL API  2.4  圖元和屬性  2.5  顏色  2.6  觀察  2.7  控制函數(shù)  2.8  Sierpinski鏤墊繪制程序  2.9　多邊形和遞歸  2.10　三維Sierpinski鏤墊  2.11　繪制隱函數(shù)曲線  小結(jié)和注釋  建議閱讀資料  習題第3章  輸入和交互  3.1  交互  3.2  輸入設備  3.3　客戶和服務器  3.4  顯示列表  3.5  顯示列表和建模  3.6　事件驅(qū)動輸入編程  3.7  菜單  3.8  拾取  3.9　一個簡單的CAD程序  3.10　建立交互式模型  3.11　交互式動畫程序  3.12　交互式程序的設計  3.13　邏輯運算  小結(jié)和注釋  建議閱讀資料  習題第4章  幾何對象和變換  4.1  標量、點和向量  4.2  三維圖元  4.3  坐標系和標架  4.4  OpenGL中的標架  4.5  建模一個彩色立方體  4.6　仿射變換  4.7　平移、旋轉(zhuǎn)和縮放  4.8  變換的齊次坐標表示  4.9　變換的級聯(lián)  4.10 OpenGL變換矩陣  4.11　三維應用程序的接口  4.12　四元數(shù)  小結(jié)和注釋  建議閱讀資料  習題第5章  觀察  5.1  經(jīng)典觀察和計算機觀察  5.2　計算機觀察  5.3　定位照相機  5.4  簡單的投影  5.5  OpenGL中的投影  5.6　隱藏面消除  5.7  交互式網(wǎng)格顯示  5.8  平行投影變換矩陣  5.9  透視投影變換矩陣  5.10　投影和陰影  小結(jié)和注釋  建議閱讀資料  習題第6章　光照和明暗繪制　……第7章　從頂點到片元第8章　離散技術第9章　可編程著色器第10章　層級建模方法第11章　過程建模方法第12章　曲線和曲面第13章　高級繪制附錄A　示例程序附錄B  空間附錄C　矩陣附錄D　OpenGL函數(shù)簡介參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　圖形系統(tǒng)和模型　　也許，21世紀最顯著的特征是：計算機和通信技術成為了人們生活中的支配力量。當這些技術改變我們?nèi)粘Ｉ罘绞降臅r候，社會活動的許多方面，比如電影制作、出版業(yè)、銀行業(yè)和教育業(yè)，都在持續(xù)地經(jīng)歷著翻天覆地的變化。計算機、網(wǎng)絡和復雜的人類視覺系統(tǒng)通過計算機圖形學結(jié)合起來，使得我們能夠以嶄新的方式來顯示信息、觀察虛擬世界以及與人和機器進行通信?！　∮嬎銠C圖形學（computer graphics）考慮的是用計算機生成圖片或者圖像的方方面面。大約在50年前，陰極射線管（CRT）可以顯示幾條線，這個領域由此起步，不過在當時并沒有受到重視；而現(xiàn)在，我們可以用計算機生成和真實物體的照片不可區(qū)分的圖像。仿真飛機能夠生成虛擬環(huán)境的實時圖形顯示，由此可以訓練飛行員，這已經(jīng)不稀奇了。完全由計算機制作的長篇電影不僅獲得了好評，在經(jīng)濟上也取得了成功。大型多人游戲可以同時容納上萬名玩家?！　∵@一章將首先簡短地討論計算機圖形學的應用，然后簡單介紹圖形系統(tǒng)和圖像的生成。自始至終，本書的方法是強調(diào)計算機圖形學與手畫或者拍照這些人們更熟悉的成像過程之間的聯(lián)系。后面會講到，這種聯(lián)系可以幫助人們設計應用程序、圖形庫和圖形系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)?！　”緯鴮⒔榻B一個特定的圖形軟件系統(tǒng)——OpenGL。在開發(fā)圖形應用程序方面，OpenGL已經(jīng)成為一個被廣泛接受的標準。很幸運，OpenGL易于學習，而且它也具備其他流行的圖形系統(tǒng)的大多數(shù)特征。本書采用自頂向下的方法。我們希望讀者能夠盡快開始編寫具有圖形輸出的應用程序。在讀者開始編寫簡單的程序之后，會討論底層的圖形庫和硬件是如何實現(xiàn)的。本章將為讀者開始編寫程序提供足夠的概要介紹。

編輯推薦

　　《交互式計算機圖形學：基于OpenGL的自頂向下方法（第5版）》主要特點：新！覆蓋最新的紋理技術，如多通道紋理映射和凹凸映射；新！擴充了建模和過程建模方法的內(nèi)容，包括過程噪聲；新！擴充了場景圖和實時繪制的內(nèi)容；新！擴充了可編程著色器的內(nèi)容；重新修訂了演示程序。

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