计算机图形学实用教程-(第3版)

目　录



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　2

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　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　5

1.3　本章小结　8

习题1　8



第2章　交互式计算机图形处理系统　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　14

2.2.3　3d图形输入设备　16

2.3　视频显示设备　17

2.3.1　光栅扫描显示器　17

2.3.2　光栅扫描显示系统　22

2.3.3　crt显示器的现在与未来　30

2.3.4　平板显示器　30

2.3.5　三维立体显示技术　34

2.3.6　新一代显示器　35

2.4　图形绘制设备　36

2.4.1　绘图仪　36

2.4.2　打印机　38

2.4.3　3d打印机　38

2.5　虚拟现实中的动态交互感知设备　39

2.6　opengl图形标准　41

2.6.1　opengl简介　41

2.6.2　opengl的主要特点和功能　41

2.6.3　opengl的工作流程　42

2.6.4　opengl开发库的基本组成　43

2.6.5　如何在visual c++环境中使用opengl库函数　43

2.7　本章小结　44

习题2　44



第3章　基本图形生成算法　46

3.1　直线的扫描转换　46

3.1.1　光栅图形中点的表示　46

3.1.2　绘制直线的要求　46

3.1.3　数值微分画线法　47

3.1.4　中点画线法　49

3.1.5　bresenham画线算法　50

3.2　圆和圆弧的扫描转换　52

3.2.1　圆的特性　52

3.2.2　数值微分画圆法　52

3.2.3　中点画圆法　54

3.2.4　bresenham画圆算法　55

3.2.5　多边形逼近画圆法　58

3.3　线宽与线型的处理　59

3.3.1　线宽的处理　60

3.3.2　线型的处理　61

3.4　实区域填充算法　62

3.4.1　实区域填充算法的基本思路　62

3.4.2　一般多边形的填充过程及其存在的问题　62

3.4.3　有序边表算法　65

3.4.4　边填充算法　68

3.4.5　简单的种子填充算法　70

3.4.6　扫描线种子填充算法　72

3.5　图形反走样技术　74

3.5.1　光栅图形的走样现象及其原因　74

3.5.2　常用反走样技术　75

3.5.3　bresenham 区域反走样算法　77

3.6　本章小结　79

习题3　79



第4章　自由曲线和曲面　80

4.1　计算机辅助几何设计概述　80

4.1.1　cagd的研究内容　80

4.1.2　对形状数学描述的要求　81

4.1.3　自由型曲线和曲面的一般设计过程和数学表示　83

4.1.4　自由曲线曲面的发展历程　85

4.2　参数样条曲线　86

4.2.1　线性插值与抛物线插值　86

4.2.2　参数样条曲线与样条插值　87

4.3　bézier曲线　93

4.3.1　bézier曲线的数学表示　93

4.3.2　bézier曲线的性质　94

4.3.3　常用的bézier曲线　96

4.3.4　bézier曲线的拼接　98

4.3.5　de casteljau递推算法　99

4.3.6　反求bézier曲线控制点　100

4.3.7　有理bézier曲线　101

4.4　b样条曲线　101

4.4.1　问题的提出　101

4.4.2　b样条曲线的数学表示　102

4.4.3　二次b样条曲线　103

4.4.4　三次b样条曲线　104

4.4.5　b样条曲线的几种特殊情况　105

4.4.6　反求b样条曲线控制顶点　107

4.4.7　均匀b样条、准均匀b样条与非均匀b样条　112

4.4.8　b样条曲线的离散生成——deboor分割算法　115

4.4.9　非均匀有理b样条(nurbs)曲线　116

4.5　自由曲面　117

4.5.1　参数多项式曲面　118

4.5.2　coons曲面　119

4.5.3　bézier曲面　120

4.5.4　b样条曲面　122

4.6　本章小结　123

习题4　124



第5章　图形变换与裁剪　125

5.1　窗口视图变换　125

5.2　二维图形几何变换　126

5.2.1　二维图形几何变换原理　126

5.2.2　齐次坐标技术　128

5.2.3　二维组合变换　128

5.3　三维图形几何变换　132

5.3.1　三维空间坐标系　132

5.3.2　三维图形几何变换　133

5.3.3　三维图形的组合变换　138

5.4　投影变换　139

5.4.1　投影变换的分类　139

5.4.2　平行投影　140

5.4.3　透视投影　145

5.5　二维线段裁剪　147

5.5.1　矩形窗口裁剪算法　148

5.5.2　圆形窗口裁剪算法　153

5.5.3　多边形窗口裁剪算法　155

5.6　多边形的裁剪　158

5.6.1　sutherland-hodgman算法　158

5.6.2　weiler-atherton算法　160

5.7　三维线段裁剪　162

5.7.1　平行投影中的三维裁剪　162

5.7.2　透视投影中的三维裁剪　163

5.8　本章小结　165

习题5　165



第6章　实体几何造型基础　166

6.1　多面体模型和曲面模型　166

6.1.1　多面体模型　166

6.1.2　曲面模型　168

6.2　线框模型、表面模型和实体模型　170

6.3　实体几何造型系统的发展　172

6.4　实体的定义与运算　172

6.4.1　实体的定义　172

6.4.2　欧拉公式与欧拉运算　175

6.4.3　实体的正则集合运算　177

6.5　实体的表示方法　179

6.5.1　实体的边界表示　179

6.5.2　实体的分解表示　181

6.5.3　实体的构造实体几何表示　183

6.5.4　实体的扫描表示　184

6.5.5　实体的元球表示　186

6.6　本章小结　186

习题6　186



第7章　自然景物模拟与分形艺术　187

7.1　分形几何的基础知识　187

7.1.1　分形几何学的产生　187

7.1.2　分形维数与分形几何　189

7.1.3　什么是分形　191

7.2　分形图形的生成方法　192

7.2.1　随机插值模型　192

7.2.2　迭代函数系统　193

7.2.3　l系统　198

7.2.4　粒子系统　202

7.3　julia集与mandelbrot集　203

7.3.1　概述　203

7.3.2　julia集与mandelbrot集　203

7.3.3　广义julia集与mandelbrot集　207

7.4　复平面域的newton-raphson方法　207

7.4.1　概述　207

7.4.2　改进的newton-raphson方法生成分形艺术图形　209

7.5　自然景物模拟实例　211

7.5.1　分形山模拟实例　212

7.5.2　植物形态模拟实例　218

7.5.3　雨雪现象的模拟实例　221

7.5.4　液态流体模拟实例　224

7.5.5　气态流体模拟实例　228

7.6　本章小结　231

习题7　231



第8章　真实感图形显示　232

8.1　三维图形显示的基本流程　232

8.2　取景变换　232

8.3　隐藏面的消除　235

8.3.1　背面剔除算法　236

8.3.2　画家算法　237

8.3.3　weiler-atherton算法　238

8.3.4　bsp树算法　239

8.3.5　深度缓冲器算法　240

8.3.6　扫描线z缓冲器算法　242

8.3.7　区间扫描线算法　244

8.3.8　warnock算法　245

8.3.9　光线投射算法　246

8.4　阴影生成　247

8.5　基本光照模型　248

8.5.1　环境光模型　249

8.5.2　lambert漫反射模型　250

8.5.3　镜面反射和phong模型　251

8.5.4　简单的透明模型　253

8.6　整体光照模型　254

8.7　多边形表示的明暗处理　255

8.7.1　gouraud明暗处理　255

8.7.2　phong明暗处理　257

8.8　半色调技术　258

8.8.1　模式单元法　258

8.8.2　抖动技术　259

8.9　光线跟踪技术　262

8.9.1　光线跟踪的基本原理　262

8.9.2　光线跟踪的求交计算　263

8.10　纹理细节模拟　264

8.10.1　纹理分类　264

8.10.2　颜色纹理　264

8.10.3　几何纹理　267

8.10.4　过程纹理　268

8.11　本章小结　268

习题8　268



第9章　颜色科学基础及其应用　269

9.1　颜色的基本知识　269

9.1.1　颜色的基本概念　269

9.1.2　视觉现象　270

9.1.3　颜色视觉的机理　272

9.2　常用的颜色空间　274

9.2.1　与图形处理相关的颜色空间　274

9.2.2　与设备无关的颜色空间　278

9.2.3　电视系统颜色空间　282

9.3　色彩设计　285

9.3.1　色彩的情感　285

9.3.2　面向色彩设计的hsv颜色模型　286

9.3.3　hsv与rgb的相互转换及其应用　287

9.3.4　数字图像颜色类型　290

9.4　颜色再现与色彩管理　291

9.4.1　颜色再现的目标　291

9.4.2　颜色再现的科学性与艺术性　292

9.4.3　颜色再现质量的评价　292

9.4.4　为什么要进行色彩管理　292

9.4.5　基于icc标准的色彩管理　293

9.4.6　色彩管理系统分类　296

9.5　基于icc profile的色彩管理　297

9.5.1　icc profile的类型及文件结构　297

9.5.2　基于icc profile的颜色空间变换　301

9.5.3　icc profile的局限性　303

9.6　色彩匹配　304

9.6.1　彩色喷墨打印机工作原理　304

9.6.2　影响色彩匹配质量的因素分析　305

9.6.3　色彩匹配的难点　306

9.6.4　常用的色彩匹配方法　307

9.7　黑色生成与灰度平衡　308

9.8　本章小结　310

习题9　310



第10章　计算机动画　311

10.1　动画技术的起源、发展与应用　311

10.1.1　动画技术的起源与发展　311

10.1.2　计算机动画的应用　312

10.1.3　计算机动画的未来　312

10.2　传统动画　313

10.2.1　什么是动画　313

10.2.2　传统动画片的制作过程　313

10.2.3　动作特效与画面切换方式　314

10.3　计算机动画　315

10.3.1　计算机在动画中所起的作用　315

10.3.2　计算机动画系统的分类　316

10.3.3　计算机辅助二维动画　316

10.3.4　计算机辅助三维动画　317

10.3.5　实时动画和逐帧动画　317

10.4　计算机动画中的常用技术　318

10.4.1　关键帧技术　318

10.4.2　样条驱动技术　320

10.4.3　morphing和ffd变形技术　320

10.4.4　运动捕获技术　321

10.4.5　其他动画技术　321

10.5　动画文件格式　322

10.5.1　gif格式　322

10.5.2　fli/flc格式　322

10.5.3　swf格式　322

10.5.4　avi格式　323

10.5.5　mov格式　323

10.6　计算机上的二维动画软件简介　323

10.7　常用的三维动画软件简介　324

10.7.1　3d studio与3ds max　324

10.7.2　softimage 3d　325

10.7.3　maya 3d　325

10.7.4　lightwave 3d　326

10.8　本章小结　326

习题10　327



第11章　基于图像的三维重建　328

11.1　基于图像的三维重建技术简介　328

11.1.1　明暗恢复形状法　330

11.1.2　纹理恢复形状法　330

11.1.3　光度立体学方法　330

11.1.4　运动图像序列法　331

11.1.5　立体视觉法　331

11.1.6　各种三维重建方法的比较　331

11.2　基于图像三维重建的基本步骤　332

11.3　图像采集及摄像机定标　333

11.3.1　图像采集　333

11.3.2　图像预处理　334

11.3.3　摄像机定标　334

11.4　特征提取与匹配　338

11.4.1　特征提取　338

11.4.2　特征匹配　339

11.5　重建三维轮廓　342

11.6　恢复模型的视觉外观　344

11.7　本章小结　345

习题11　345



第12章　虚拟现实技术及其应用实例　346

12.1　虚拟人体及其运动仿真　346

12.1.1　虚拟人几何建模　347

12.1.2　虚拟人运动控制　350

12.2　虚拟战场建模与仿真　353

12.2.1　虚拟战场环境的构成　354

12.2.2　地形模型的建立　354

12.2.3　虚拟兵力建模　355

12.2.4　战场特效建模　357

12.2.5　战场仿真系统　359

12.3　虚拟机器人仿真　361

12.3.1　人在回路中的仿真系统　361

12.3.2　空间机器人建模　362

12.3.3　遥控操作仿真系统　363

12.4　本章小结　364

习题12　364



参考文献　365