计算机图形学实用教程(第4版)

第1章　绪论 1

1.1　计算机图形学的研究内容及其与相关

学科的关系　1

1.1.1　什么是计算机图形学　1

1.1.2　计算机图形学的研究内容　1

1.1.3　计算机图形学与其他相关学科的关系　2

1.2　计算机图形学的发展与应用领域　3

1.2.1　计算机图形学的发展简史和发展方向　3

1.2.2　计算机图形学的应用领域　4

1.3　本章小结　8

习题1　8

第2章　交互式计算机图形系统　9

2.1　交互式计算机图形系统的组成　9

2.2　图形输入设备　10

2.2.1　一般输入设备　10

2.2.2　图形输入设备　12

2.2.3　3D图形输入设备　14

2.3　视频显示设备　15

2.3.1　光栅扫描显示器　15

2.3.2　光栅扫描显示系统　20

2.3.3　平板显示器　26

2.3.4　三维立体显示技术　29

2.3.5　新一代显示器　31

2.4　图形绘制设备　32

2.4.1　绘图仪　32

2.4.2　打印机　32

2.4.3　3D打印机　32

2.5　虚拟现实的动态交互感知设备　33

2.5.1　数据手套　33

2.5.2　头盔显示器　33

2.5.3　三维立体眼镜　34

2.5.4　三维鼠标　34

2.5.5　虚拟现实力反馈器　34

2.5.6　数据衣　34

2.6　本章小结　35

习题2　35

第3章　基本图形生成算法　36

3.1　直线的扫描转换　36

3.1.1　光栅图形中点的表示　36

3.1.2　绘制直线的要求　36

3.1.3　数值微分分析法（画线）　37

3.1.4　中点画线算法　38

3.1.5　Bresenham画线算法　40

3.2　圆和圆弧的扫描转换　41

3.2.1　圆的特性　41

3.2.2　数值微分分析法（画圆）　42

3.2.3　中点画圆算法　43

3.2.4　Bresenham画圆算法　45

3.2.5　多边形逼近画圆算法　48

3.3　线宽与线型的处理　49

3.3.1　线宽的处理　49

3.3.2　线型的处理　51

3.4　实区域填充算法　51

3.4.1　实区域填充算法的基本思路　51

3.4.2　一般多边形的填充过程及其存在的问题　53

3.4.3　有序边表算法　55

3.4.4　边填充算法　59

3.4.5　简单的种子填充算法　60

3.4.6　扫描线种子填充算法　63

3.5　图形反走样技术　65

3.5.1　光栅图形的走样现象及其原因　65

3.5.2　常用反走样技术　66

3.5.3　Bresenham区域反走样算法　67

3.6　本章小结　69

习题3　69

第4章　自由曲线和曲面　70

4.1　计算机辅助几何设计概述　70

4.1.1　计算机辅助几何设计的研究内容　70

4.1.2　对形状的数学描述的要求　71

4.1.3　自由曲线的一般设计过程和数学表示　73

4.1.4　自由曲线和曲面的发展历程　75

4.2　参数样条曲线　76

4.2.1　线性插值与抛物线插值　76

4.2.2　参数样条曲线与样条插值　77

4.3　Bézier曲线　83

4.3.1　Bézier曲线的数学表示　83

4.3.2　Bézier曲线的性质　84

4.3.3　常用的Bézier曲线　86

4.3.4　Bézier曲线的拼接　88

4.3.5　de Casteljau算法的递推过程　89

4.3.6　反求Bézier曲线控制点　90

4.3.7　有理Bézier曲线　90

4.4　B样条曲线　91

4.4.1　问题的提出　91

4.4.2　B样条曲线的数学表示　92

4.4.3　二次B样条曲线　93

4.4.4　三次B样条曲线　93

4.4.5　B样条曲线的几种特殊情况　94

4.4.6　反求B样条曲线控制顶点　96

4.4.7　均匀B样条曲线、准均匀B样条曲线与非均匀B样条曲线　102

4.4.8　B样条曲线的离散生成——deBoor分割算法　105

4.4.9　非均匀有理B样条曲线　106

4.5　自由曲面　107

4.5.1　参数多项式曲面　108

4.5.2　Bézier曲面　109

4.5.3　B样条曲面　111

4.6　本章小结　113

习题4　113

第5章　图形变换与裁剪　115

5.1　窗口视图变换　115

5.2　二维图形几何变换　116

5.2.1　二维图形几何变换原理　116

5.2.2　齐次坐标技术　118

5.2.3　二维组合变换　119

5.3　三维图形几何变换　123

5.3.1　三维空间坐标系　123

5.3.2　4种三维图形几何变换　123

5.3.3　三维图形的组合变换　128

5.4　投影变换　130

5.4.1　投影变换的分类　130

5.4.2　平行投影　131

5.4.3　透视投影　135

5.5　二维线段裁剪　138

5.5.1　Cohen-Sutherland裁剪算法　139

5.5.2　中点分割裁剪算法　140

5.5.3　Liang-Barsky裁剪算法　141

5.6　多边形的裁剪　143

5.6.1　Sutherland-Hodgman算法　144

5.6.2　Weiler-Atherton算法　145

5.7　三维线段裁剪　147

5.7.1　平行投影中的三维裁剪　148

5.7.2　透视投影中的三维裁剪　149

5.8　本章小结　150

习题5　151

第6章　实体几何造型基础　152

6.1　多面体模型和曲面模型　152

6.1.1　多面体模型　152

6.1.2　曲面模型　154

6.2　线框模型、表面模型和实体模型　156

6.3　实体几何造型系统的发展　157

6.4　实体的定义与运算　158

6.4.1　实体的定义　158

6.4.2　欧拉公式与欧拉运算　161

6.4.3　实体的正则集合运算　162

6.5　实体的表示方法　164

6.5.1　实体的边界表示　164

6.5.2　实体的分解表示　166

6.5.3　实体的构造实体几何表示　168

6.5.4　实体的扫描表示　169

6.5.5　实体的元球表示　171

6.6　本章小结　171

习题6　171

第7章　自然景物模拟与分形艺术　172

7.1　分形几何的基础知识　172

7.1.1　分形几何学的产生　172

7.1.2　分形维数与分形几何　174

7.1.3　什么是分形　176

7.2　分形图形的生成方法　177

7.2.1　随机插值模型　177

7.2.2　迭代函数系统　178

7.2.3　L系统　183

7.2.4　粒子系统　186

7.3　Julia集与Mandelbrot集　187

7.3.1　概述　187

7.3.2　Julia集与Mandelbrot集　188

7.3.3　广义Julia集与Mandelbrot集　192

7.4　复平面域的Newton-Raphson方法　192

7.4.1　概述　192

7.4.2　改进的复平面域的Newton-Raphson方法　194

7.5　自然景物模拟实例　196

7.5.1　分形山脉模拟实例　196

7.5.2　植物形态模拟实例　202

7.5.3　雨雪现象模拟实例　205

7.5.4　液态流体模拟实例　208

7.5.5　气态流体模拟实例　211

7.6　本章小结　215

习题7　215

第8章　真实感图形显示　216

8.1　三维图形显示的基本流程　216

8.2　取景变换　216

8.3　隐藏面的消除　220

8.3.1　背面剔除算法　220

8.3.2　画家算法　221

8.3.3　Weiler-Atherton算法　223

8.3.4　BSP树算法　223

8.3.5　深度缓冲器算法　224

8.3.6　扫描线Z缓冲器算法　226

8.3.7　区间扫描线算法　228

8.3.8　Warnock算法　229

8.3.9　光线投射算法　230

8.4　阴影生成　231

8.5　基本光照模型　232

8.5.1　环境光模型　233

8.5.2　Lambert漫反射模型　234

8.5.3　镜面反射和Phong模型　235

8.5.4　简单的透明模型　237

8.6　整体光照模型　238

8.7　多边形表示的明暗处理　239

8.7.1　Gouraud明暗处理　239

8.7.2　Phong明暗处理　241

8.8　光线跟踪技术　242

8.8.1　光线跟踪的基本原理　242

8.8.2　光线跟踪的求交计算　243

8.9　纹理细节模拟　244

8.9.1　纹理分类　244

8.9.2　颜色纹理　244

8.9.3　几何纹理　247

8.9.4　过程纹理　248

8.10　本章小结　249

习题8　249

第9章　计算机动画　250

9.1　动画技术的起源、发展与应用　250

9.1.1　动画技术的起源与发展　250

9.1.2　计算机动画的应用　251

9.1.3　计算机动画的未来　251

9.2　传统动画　252

9.2.1　什么是动画　252

9.2.2　传统动画片的制作过程　252

9.2.3　动作特效与画面切换方式　253

9.3　计算机动画　254

9.3.1　计算机在动画中所起的作用　254

9.3.2　计算机动画系统的分类　255

9.3.3　计算机辅助二维动画　255

9.3.4　计算机辅助三维动画　256

9.3.5　实时动画和逐帧动画　256

9.4　计算机动画中的常用技术　257

9.4.1　关键帧技术　257

9.4.2　样条驱动技术　258

9.4.3　Morphing和FFD变形技术　259

9.4.4　运动捕获技术　260

9.4.5　双缓冲技术　260

9.4.6　其他动画技术　261

9.5　动画文件格式　262

9.5.1　GIF格式　262

9.5.2　FLI/FLC格式　262

9.5.3　AVI格式　262

9.5.4　MOV格式　262

9.6　计算机上的二维动画软件简介　263

9.7　常用的三维动画软件简介　263

9.7.1　3D Studio与3ds Max　263

9.7.2　Maya 3D　264

9.7.3　动画后期制作软件　264

9.8　本章小结　265

习题9　265

第10章　图形开发环境与编程实例　266

10.1　OpenGL图形标准　266

10.1.1　OpenGL简介　266

10.1.2　OpenGL的主要特点和功能　266

10.1.3　OpenGL的工作机制和流程　267

10.1.4　OpenGL开发库的基本组成　269

10.2　Visual Studio 2017集成开发环境简介　270

10.2.1　在VS 2017下配置EasyX图形库　270

10.2.2　在VS 2017下配置OpenGL图形库　275

10.3　Code::Blocks集成开发环境简介　282

10.3.1　在Code::Blocks下配置EGE图形库　282

10.3.2　在Code::Blocks下配置OpenGL图形库　284

10.4　编程实例　286

10.4.1　实时时钟　286

10.4.2　带二维纹理的自动旋转的立方体　293

10.4.3　小球自由落体运动模拟　297

10.4.4　“贪吃蛇”游戏　301

10.4.5　智能Flappy Bird游戏　304

参考文献　312