計算機圖形學

前言

本書是計算機圖形學精品教材，在重點介紹圖形學原理的同時，還利用圖形軟件包訓練學生的編程能力，熟悉和使用交互式圖形系統(tǒng)。圖形學的發(fā)展迅速，出乎人們的預料，可以說所有的領域都從計算機圖形學的發(fā)展和應用中獲得了巨大的好處。尤其是在電影產(chǎn)業(yè)中，已經(jīng)在商業(yè)與藝術效果上成功地使用了計算機三維圖形模擬角色的特技，人們很難區(qū)分影片中出現(xiàn)的角色是真實的生物還是計算機造型；美國的立體電影“阿凡達”，正是采用立體顯示技術的典型示例。擁有立體顯示技術的立體電視也許是未來電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。在互聯(lián)網(wǎng)上，圖形學的影響也持續(xù)激增，圖形顯示為理解復雜枯燥的信息提供了直觀手段，使互聯(lián)網(wǎng)世界更加豐富多彩。由于計算機圖形在人與計算機之間能建立起直觀的形象及高效率的對話手段，所以圖形學隨著計算機的發(fā)展和應用而滲透到各個領域中。通常人們會利用辦公軟件繪制圖表；編輯由數(shù)碼相機獲取的圖像；利用數(shù)字視頻的圖像整理家庭照片等。在國際互聯(lián)網(wǎng)上還可找到免費的相當于計算機圖形專業(yè)人員所用的三維圖形軟件，計算機圖形系統(tǒng)出現(xiàn)了初級免費軟件與昂貴的高端軟件兩極分化的局面。圖形學及其硬件設備的發(fā)展不僅使圖形學的實際能力得到了提高，而且也降低了圖形工作站的成本。隨著圖形學的不斷發(fā)展，圖形軟件標準不斷地更新和完善。 從第一個圖形國際標準GKS（Graphical Kernel System）出現(xiàn)之后， 又有GKS3D和PHIGS（Programmer s Hierarchical Interactive Graphics System）圖形標準相繼公布為國際標準（ISO standard）。 特別是PHIGS的擴充版PHIGS+，它不僅包含PHIGS全部功能，還增加了曲線、曲面、光源與光線、真實圖形顯示等功能。PHIGS與PHIGS+在科學與工程應用中，特別是實時幾何圖形中被廣泛地應用。國際圖形標準與那些更有效的事實上的標準(De Facto Standards)相互補充，這些有效的圖形軟件有：APPLE公司的QuickDraw；工作站上基于X Window系統(tǒng)的Xlib二維整數(shù)型光柵圖形包；Silicon Graphics公司的OpenGL；另外還有Pixar公司的RenderMan界面工具，它用于光原理仿真繪制，以及Adobe System公司的PostScript頁描述語言 (PDL)，使用向量來產(chǎn)生圖形及字形，它用于印刷紙上的頁面描述及屏幕映像描述，PostScript在此領域被其后續(xù)版本Portable Document Format（PDF）所取代，而對于字體領域也相繼被后續(xù)實現(xiàn)版本TrueType和OpenType所取代；在CAD領域，Autodesk 公司的AutoCAD軟件所提供的.dwg文件格式是二維繪圖設計領域中的事實標準格式。豐富多彩的圖形軟件，使得用戶界面的感觀更加真實，三維效果的加入使得在信息的管理、表現(xiàn)、檢索上更加方便和形象。圖形學的發(fā)展越來越重視在物體的建模和繪制兩方面的仿真、動畫以及物理過程，從而盡可能真實地表達所建立的物體外觀及其行為。由于繪制圖形工作不再是瓶頸問題， 所以研究人員正在利用人工智能技術來輔助物體模型設計、輔助運動布局設計以及輔助二維、三維圖形顯示的設計。今天，圖形學的發(fā)展如此迅速，作為圖形學的教科書也需要周期性地更新與擴充。本書重點介紹了圖形學的基礎知識和實踐，并對當前圖形學發(fā)展的最新技術也提供了實例介紹。作為該書的讀者，需具備一些高級語言程序設計知識、基本數(shù)據(jù)結構與算法基礎以及具備簡單線性代數(shù)基礎，一些必要的數(shù)學基礎可參見附錄A。讀者可以通過書中組織的單元順序，從簡單的應用基礎開始，循序漸進，逐步掌握圖形學中一些較高深的內(nèi)容。本書第1章，介紹了圖形學的發(fā)展史以及相關硬、軟件的應用情況；第2章，對當前在PC上流行的一些常用圖形軟件和圖像處理軟件進行了簡單介紹；第3章，描述了二維圖形光柵掃描算法的實現(xiàn)，目的是加強二維圖形系統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)。第4章，介紹圖形學硬件以及軟件，主要涉及圖形系統(tǒng)的輸入/出設備及其相關硬件以及計算機圖形軟件標準；第5章、第6章，介紹在平面及三維空間中的變換概念、矩陣表示、統(tǒng)一線性變換與仿射變換的齊次坐標的使用，以及三維視圖的描述；第7章，介紹三維圖形系統(tǒng)的應用實例，目的是加強三維圖形系統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)，同時也希望讀者通過本章的學習，能夠掌握OpenGL的基礎編程方法；第8章，主要介紹交互技術；第9章，描述真實感圖形的顯示；第10章，介紹曲線與曲面生成算法； 第11章，介紹實體造型算法；第12章，是動畫技術簡介；第13章，介紹兩個實際的交互式圖形系統(tǒng)，二維的畫板系統(tǒng)與三維交互式環(huán)境的編程實現(xiàn)；第14章，配合實例介紹虛擬現(xiàn)實與可視化的基本實現(xiàn)技術；第15章，介紹了立體顯示的相關技術。附錄A中給出了空間與矩陣的基礎知識，附錄B中提供了二維動畫程序開發(fā)的實例。本書用簡單的實例程序闡述復雜晦澀的圖形學概念與理論，方便讀者對其算法與原理的理解。在上述章節(jié)中，第3章二維圖形掃描算法和第10章曲線與曲面的光柵掃描生成算法，主要是描述基本圖形的繪制算法，針對每個算法，配有在TC3.0環(huán)境下的實現(xiàn)程序及其流程圖。其余章節(jié)也都基于各章節(jié)所述知識點給出實例程序，結合知識點幫助讀者深入了解原理的實現(xiàn)技術。本書授課建議學時數(shù)為36學時，每章學時數(shù)具體安排見表1。本書附帶有光盤，其結構如圖a所示。表1    圖形學課時分配章 節(jié)  學時數(shù)第1章   2第2章   1第3章   4第4章   1第5章   6第6章   6第7章   2第8章   2第9章   2第10章   2第11章   2第12章   2第13章   2第14章   1第15章   1圖a  光盤目錄結構Graphics.exe，為光盤實例演示程序，插入光驅中自動運行。Source文件夾中包含如下兩個子目錄：算法解析實例教程其中，“算法解析”文件夾中包含第3章和第10章介紹的畫線算法的C語言源代碼；而“實例程序”文件夾中包含除了第3和10章之外，其他各章實例程序的源文件，文件中的源代碼已加入了詳細注釋?！霸O計文檔”文件夾中包含了書中關鍵實例的設計方案，讀者可以配合Source目錄下的相應源程序進行閱讀。教案文件夾中包含了計算機圖形學本科課程所用課件，供教師參考，同時也方便讀者根據(jù)課件內(nèi)容自學本課程。

內(nèi)容概要

　　本書是北京航空航天大學教學研究成果。從計算機應用的角度出發(fā)，對計算機圖形學的基本概念、原理和方法進行了全面的介紹。全書共分15章，內(nèi)容包括：緒論;常用圖形軟件簡介；基于光柵掃描的二維圖元生成算法；圖形硬件與圖形軟件的標準化；幾何變換；三維視圖；三維圖形的繪制實踐；圖形用戶界面與交互技術；真實感圖形的顯示；曲線與曲面；實體建模；計算機動畫技術簡介；簡單圖形系統(tǒng)的實現(xiàn)；虛擬現(xiàn)實與可視化技術，以及立體顯示技術。書中的兩個附錄主要介紹圖形學中用到的空間矩陣的數(shù)學基礎以及二維動畫系統(tǒng)的程序開發(fā)實例。在本書所附光盤中，提供了書中涉及的所有實驗用例的演示及講解、編程實現(xiàn)的全部源代碼、設計文檔，以及教師講課用幻燈片PPT講稿?！　”緯谙到y(tǒng)地介紹了圖形學的基本原理和方法的基礎上，針對圖形學的應用特點，在應用層面上為讀者提供了廣泛的視野；提供學習和掌握對各種圖形軟件的一般實踐方法；為讀者今后在圖形學專業(yè)領域的深入學習打下必要基礎?！　”緯捎米饔嬎銠C專業(yè)的本科生的教材，其內(nèi)容注重基礎性、實用性及先進性，也可供研究生或者應用計算機圖形學的科技工作者學習參考。

書籍目錄

第1章　緒論　1.1　計算機圖形學基本概念　1.2　計算機圖形學的典型應用領域及其分類　　1.2.1　典型應用領域　　1.2.2　應用分類　1.3　交互式圖形學　　1.3.1　交互式概念　　1.3.2　交互式圖形系統(tǒng)框架　1.4　計算機圖形學及相關技術的發(fā)展　　1.4.1　圖形學發(fā)展歷程　　1.4.2　輸出技術　　1.4.3　輸入技術　　1.4.4　軟件可移植性及圖形標準　1.5　圖形學當前的研究動態(tài)　　1.5.1　真實感圖形實時繪制　　1.5.2　計算機動畫　　1.5.3　與計算機網(wǎng)絡技術的緊密結合　1.6　本章小結　1.7　習題與思考　1.8　參考文獻第2章　常用圖形軟件簡介　2.1　平面類　　2.1.1　ANIMO　　2.1.2　CorelDRAW　　2.1.3　Illustrator　　2.1.4　ImageReady　　2.1.5　PageMaker與InDesign　　2.1.6　Painter　　2.1.7　Paint　Shop　Pro　　2.1.8　PhotoImpact　　2.1.9　PhotoLine　　2.1.10　PhotoShop　　2.1.11　Photoshop　Elements　2.2　三維類　　2.2.1　3D　Studio　Max　　2.2.2　Bryce　　2.2.3　Canoma　　2.2.4　COOL　3D　　2.2.5　Dimensions　　2.2.6　Extreme　3D　　2.2.7　Houdini　　2.2.8　Lightscape　　2.2.9　LightWave　3D　　2.2.10　Maya　　2.2.11　Mental　Ray　　2.2.12　Poser　　2.2.13　RenderMan　　2.2.14　Rhino　3D　　2.2.15　SoftImage　3D/XSI　　2.2.16　Sumatra　　2.2.17　Swift　3D　2.3　多媒體類　　2.3.1　After　Effects　　2.3.2　Authorware　　2.3.3　Combustion　　2.3.4　Digital　Fusion　　2.3.5　Director　　2.3.6　Premiere　　2.3.7　Ulead　Video　Studio　　2.3.8　Toolbook　2.4　網(wǎng)絡類　　2.4.1　DreamWeaver　　2.4.2　Drumbeat　　2.4.3　Fireworks　　2.4.4　Flash　　2.4.5　FreeHand　　2.4.6　FrontPage　　2.4.7　GIF　Animator　　2.4.8　Swish　2.5　工程類　　2.5.1　ACIS　　2.5.2　3D　Studio　VIZ　　2.5.3　AutoCAD　　2.5.4　AutoDesk　VIZ　　2.5.5　CAXA　　2.5.6　MicroStation　　2.5.7　Pro/Enginer　　2.5.8　Unigraphics　2.6　工具類　　2.6.1　ACDSee　　2.6.2　SWF　Browse　　2.6.3　EXE2SWF　　2.6.4　FiLMBOX　　2.6.5　FlashForge　　2.6.6　Konvertor　　2.6.7　SnagIt　2.7　編程類　　2.7.1　Cg圖形編程語言　　2.7.2　C#中圖形編程　　2.7.3　Delphi中圖形編程　　2.7.4　OpenGL　　2.7.5　RomPager　Java圖形包　　2.7.6　VC++中圖形編程功能　　2.7.7　VRML虛擬現(xiàn)實建模語言　2.8　本章小結　2.9　習題與思考第3章　基于光柵掃描的二維圖元生成算法第4章　圖形硬件與圖形軟件標準化第5章　幾何變換第6章　三維視圖第7章　三維圖形的繪制實踐第8章　圖形用戶界面與交互技術第9章　真實感圖形的顯示第10章　曲線與曲面第11章　實體建模第12章　計算機動畫技術簡介第13章　簡單圖形系統(tǒng)的實現(xiàn)第14章　虛擬現(xiàn)實與可視化技術第15章　立體顯示技術附錄A　空間與矩陣概念附錄B　動畫制作綜合實例之摔跤游戲的制作參考文獻圖形學概念索引

章節(jié)摘錄

插圖：1.2.1 典型應用領域計算機圖形學所應用的領域已無處不在，如在工業(yè)、商業(yè)、政府部門、教育領域、娛樂及家庭方面的應用最為廣泛。下面列舉一些典型的應用領域。1 圖形用戶界面圖形所具有的直觀和逼真的特點是文字和報表所無法比擬的。所謂“一目了然”、“耳聞不如目睹”，都是說明形象觀察的優(yōu)越性和必要性。圖、文結合改變了計算機交互操作的用戶界面，開辟了計算機應用的很多新領域?，F(xiàn)在，不論大、小計算機（臺式機還是筆記本電腦）上運行的應用程序，提供圖形用戶界面是非常普遍的。這些用戶界面依賴于窗口系統(tǒng)來管理多重同步任務，并且通過單擊鼠標，允許用戶選擇屏幕上的菜單、項目、圖標和物體，只是在正文輸入操作時才有必要使用鍵盤，如文字處理軟件、桌面出版系統(tǒng)都是用戶界面技術的典型應用。2 圖示用圖形該應用領域將計算機圖形用于生成報告的插圖、生成投影設備的透明膠片或幻燈片。這些圖示圖形出現(xiàn)在各類報告和公告中用于歸納、總結、統(tǒng)計和分析信息。典型的圖示圖形有：條形圖、折線圖、曲面圖、餅圖等，總之是那些可以給出多個參數(shù)之間關系的演示圖。3 辦公自動化與電子出版系統(tǒng)自從個人計算機的桌面出版系統(tǒng)出現(xiàn)以來，以圖形方式建立和傳播信息手段與日俱增，人們以往把出版工作送到專門的出版社去完成，而如今在自己的辦公室里便可以完成。辦公自動化與電子出版可以產(chǎn)生傳統(tǒng)的打印文檔（硬拷貝）以及電子文檔（軟拷貝），文檔中可包括正文、表格、圖形和圖像?，F(xiàn)在發(fā)展起來的超媒體（Hypemedia）系統(tǒng)可以方便地瀏覽互聯(lián)網(wǎng)上的多媒體文檔。4 計算機輔助設計與制圖計算機輔助設計與制造（CAD／CAM）是計算機圖形學在工業(yè)界應用的最重要領域。交互式的圖形工作站在機械、電子、建筑等行業(yè)中早已取代了繪圖板加丁字尺的傳統(tǒng)設計方法，擔負起繁重的日常出圖任務及總體方案的優(yōu)化和細節(jié)設計工作。

編輯推薦

《計算機圖形學》是高等學校創(chuàng)新型“十二五”規(guī)劃計算機教材。

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