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第1章 计算机图形学综述1

1．1 计算机辅助设计1

1．2 图示图形学3

1．3 计算机艺术3

1．4 娱乐5

1．5 教学与培训6

1．6 可视化7

1．7 图象处理7

1．8 图形用户接口8

第2章 图形系统综述10

2．1 视频显示设备10

2．1．1 刷新式CRT10

2．1．2 光栅扫描显示器13

2．1．3 随机扫描显示器14

2．1．4 彩色CRT监视器15

2．1．5 直视存储管17

2．1．6 平板显示器17

2．1．7 三维观察设备19

2．1．8 立体感和虚拟现实系统21

2．2 光栅扫描系统21

2．2．1 视频控制器21

2．2．2 光栅扫描显示处理器23

2．3 随机扫描系统24

2．4 图形监视器与工作站25

2．5 输入设备27

2．5．1 键盘27

2．5．2 鼠标27

2．5．4 操纵杆28

2．5．3 跟踪球和空间球28

2．5．5 数据手套29

2．5．6 数字化仪30

2．5．7 图象扫描仪31

2．5．8 触摸板32

2．5．9 光笔33

2．5．10 声音系统33

2．6 硬拷贝设备34

2．7 图形软件35

2．7．1 坐标表示36

2．7．2 图形功能37

2．7．3 软件标准38

2．7．4 PHIGS工作站38

小结39

参考文献40

练习题40

第3章 输出图元42

3．1 点和线42

3．2 画线算法43

3．2．1 DDA算法44

3．2．2 Bresenham画线算法45

3．2．3 并行画线算法50

3．3 帧缓冲器的装载51

3．4 画线函数52

3．5 圆生成算法53

3．5．1 圆的特征53

3．5．2 中点圆算法54

3．6．1 椭圆的特征58

3．6 椭圆生成算法58

3．6．2 中点椭圆算法59

3．7 其它曲线66

3．7．1 圆锥曲线67

3．7．2 多项式和样条曲线68

3．8 并行曲线算法69

3．9 曲线函数69

3．10 象素编址和物体的几何表示69

3．10．1 屏幕网格坐标70

3．10．2 保留显示物体的几何特性70

3．11 填充区域图元71

3．11．1 扫描线多边形填充算法72

3．11．2 内-外测试80

3．11．4 边界填充算法81

3．11．3 曲线边界区域的扫描线填充81

3．11．5 泛滥填充算法83

3．12 区域填充函数85

3．13 单元阵列85

3．14 字符生成86

小结87

参考文献94

练习题94

第4章 输出图元的属性96

4．1 线属性96

4．1．1 线型96

4．1．2 线宽98

4．1．3 笔和刷选择100

4．1．4 线颜色101

4．2 曲线属性102

4．3 颜色和亮度等级103

4．3．1 彩色表105

4．3．2 灰度等级106

4．4 区域填充属性106

4．4．1 填充模式106

4．4．2 图案填充107

4．4．3 软填充110

4．5 字符属性112

4．5．1 文本属性112

4．5．2 标记属性115

4．6 束属性116

4．6．1 线的束属性116

4．6．4 标记的束属性117

4．7 查询函数117

4．6．3 文本的束属性117

4．6．2 区域填充束属性117

4．8 反走样118

4．8．1 直线段的过取样119

4．8．2 象素加权掩模120

4．8．3 直线段的区域取样120

4．8．4 过滤技术121

4．8．5 象素移相121

4．8．6 线亮度差的校正121

4．8．7 反走样区域边界122

小结124

参考文献125

练习题126

5．1 基本变换128

5．1．1 平移128

第5章 二维几何变换128

5．1．2 旋转129

5．1．3 缩放131

5．2 矩阵表示和齐次坐标132

5．3 复合变换134

5．3．1 平移134

5．3．2 旋转134

5．3．3 缩放135

5．3．4 通用基准点旋转135

5．3．5 通用固定点缩放136

5．3．6 通用定向缩放136

5．3．7 合并特性137

5．3．8 通用复合变换和计算效率138

5．4．1 反射143

5．4 其它变换143

5．4．2 错切145

5．5 坐标系间的变换147

5．6 仿射变换149

5．7 变换函数149

5．8 变换的光栅方法151

小结152

参考文献154

练习题154

第6章 两维观察156

6．1 观察流程156

6．2 观察参考坐标系158

6．3 窗口到视区的坐标变换158

6．4 两维观察函数160

6．6 点的裁剪162

6．5 裁剪操作162

6．7 线段的裁剪163

6．7．1 Cohen-Sutherland线段裁剪算法164

6．7．2 梁友栋-Barsky直线裁剪算法167

6．7．3 Nicholl-Lee-Nicholl直线裁剪算法170

6．7．4 非矩形裁剪窗口的线段裁剪172

6．7．5 划分凹多边形172

6．8 多边形的裁剪173

6．8．1 Sutherland-Hodgernan多边形裁剪173

6．8．2 Weiler-Atherton算法178

6．8．3其它多边形的裁剪算法179

6．9曲线的裁剪179

6．10 文字的裁剪180

小结181

6．11 外部裁剪181

参考文献184

练习题184

第7章 结构和层次模型186

7．1 结构的概念186

7．1．1 基本结构函数186

7．1．2 设置结构属性187

7．2 编辑结构188

7．2．1 结构表和元素指针189

7．2．2 设置编辑模式190

7．2．3 插入结构元素190

7．2．4 替代结构元素190

7．2．5 删除结构元素191

7．2．6 标识结构元素192

7．3．1 模型表示194

7．2．7 从一个结构中将元素拷贝到另一个结构194

7．3 基本建模概念194

7．3．2 符号层次195

7．3．3 建模软件包196

7．4 用结构来建立层次式模型197

7．4．1 局部坐标和建模变换197

7．4．2 模型变换197

7．4．3 结构层次198

小结199

参考文献200

练习题200

8．1 用户对话201

8．1．1 窗口和图符201

第8章 图形用户接口和交互输入方法201

8．1．2 适应多种熟练程度的用户202

8．1．3 一致性202

8．1．4 减少记忆量202

8．1．5 回退和出错处理203

8．1．6 反馈203

8．2 图形数据的输入204

8．2．1 输入设备的逻辑分类204

8．2．2 定位设备204

8．2．3 笔画设备205

8．2．4 字符串设备205

8．2．5 定值设备205

8．2．6 选择设备206

8．2．7 拾取设备206

8．3．1 输入模式208

8．3 输入功能208

8．3．2 请求模式209

8．3．3 取样模式211

8．3．4 事件模式211

8．3．5 输入模式的并行使用213

8．4 输入设备参数的初值213

8．5 交互式构图技术214

8．5．1 基本的定位方法214

8．5．2 约束214

8．5．3 网格215

8．5．4 引力场216

8．5．5 橡皮条方法216

8．5．6 拖曳216

8．5．7 着色和绘图216

8．6 虚拟现实环境217

小结218

参考文献219

练习题219

第9章 三维概念221

9．1 三维显示方法221

9．1．1 平行投影221

9．1．2 透视投影222

9．1．3 深度提示222

9．1．4 可见线面的标识222

9．1．5 面绘制223

9．1．6 分解图和剖面图223

9．1．7 三维和立体视图223

9．2 三维图体软件包223

10．1．1 多边形表225

10．1 多边形表面225

第10章 三维物体的表示225

10．1．2 平面方程227

10．1．3 多边形网格229

10．2 曲线和曲面229

10．3 二次曲面230

10．3．1 球面230

10．3．2 椭球面230

10．3．3 环面230

10．4 超二次曲面231

10．4．1 超椭圆231

10．4．2 超椭球面232

10．5 柔性物体233

10．6 样条表示234

10．6．1 插值和逼近样条235

10．6．2 参数连续性条件237

10．6．3 几何连续性条件237

10．6．4 样条描述237

10．7 三次样条插值方法239

10．7．1 自然三次样条239

10．7．2 Hermite插值240

10．7．3 Cardinal样条242

10．7．4 Kochanek-Bartels样条244

10．8 Bézier曲线和曲面245

10．8．1 Bézier曲线245

10．8．2 Bézier曲线的特性248

10．8．3 使用Bézier曲线的设计技术248

10．8．4 三次Bézier曲线250

10．8．5 Bézier曲面251

10．9 B-样条曲线和曲面252

10．9．1 B-样条曲线253

10．9．2 均匀周期性B-样条曲线254

10．9．3 三次周期性B-样条曲线256

10．9．4 开放均匀B-样条曲线258

10．9．5 非均匀B-样条曲线259

10．9．6 B-样条曲面261

10．10 Beta-样条曲线261

10．10．1 Beta-样条连续性条件262

10．10．2 三次周期性Beta-样条曲线矩阵表示263

10．11 有理样条263

10．12 两种样条表达式间的转换265

10．13．1 Horner规则266

10．13 样条曲线和曲面的显示266

10．13．2 向前差分计算267

10．13．3 细分方法268

10．14 扫描表示270

10．15 结构实体几何法271

10．16 八叉树273

10．17 BSP树276

10．18 分形几何方法276

10．18．1 分形生成过程277

10．18．2 分形分类277

10．18．3 分形的维数277

10．18．4 确定性自相似分形几何构造279

10．18．5 统计自相似分形几何构造282

10．18．6 仿射分形构造方法282

10．18．7 随机中点位移方法283

10．18．8 地面图控制285

10．18．9 自平方分形286

10．18．10 自逆分形292

10．19 形状语法和其它过程性方法293

10．20 微粒系统293

10．21 基于物理的建模294

10．22 数据集的可视化295

10．22．1 标量场的可视表示296

10．22．2 向量场的可视表示297

10．22．3 张量场的可视表示298

10．22．4 多变量数据场的可视表示299

小结299

参考文献299

练习题300

11．2 旋转302

第11章 三维几何和建模变换302

11．1 平移302

11．2．1 坐标轴旋转303

11．2．2 一般三维旋转305

11．2．3 四元数旋转311

11．3 缩放313

11．4 其它变换314

11．4．1 反射314

11．4．2 错切315

11．5 复合变换315

11．6 三维变换函数318

11．7 建模变换和坐标变换319

小结320

练习题321

参考文献321

第12章 三维观察323

12．1 观察流水线323

12．2 观察坐标323

12．2．1 指定观察平面324

12．2．2 从世界坐标到观察坐标的变换326

12．3 投影328

12．3．1 平行投影328

12．3．2 透视投影332

12．4 观察体和一般投影变换335

12．4．1 一般平行投影变换339

12．4．2 一般透视投影变换341

12．5 裁剪343

12．5．1 规范化观察体345

12．5．2 视口裁剪346

12．5．3 齐次坐标裁剪348

12．6 硬件实现349

12．7 三维观察函数349

小结351

参考文献352

练习题352

第13章 可见面判别算法354

13．1 可见面判别算法的分类354

13．2 后向面判别354

13．3 深度缓冲器算法355

13．4 A缓冲器算法357

13．5 扫描线算法359

13．6 深度排序算法361

13．7 BSP树算法363

13．8 区域细分算法364

13．9 八叉树算法366

13．10 光线投射算法369

13．11 曲面370

13．11．1 曲面表示370

13．11．2 曲面的层位线显示370

13．12 线框算法371

13．13 可见性判别函数371

小结372

参考文献373

练习题373

第14章 光照模型和面绘制算法375

14．1 光源375

14．2 基本光照模型376

14．2．2 漫反射377

14．2．1 环境光377

14．2．3 镜面反射和Phong模型379

14．2．4 多光源漫反射和镜而反射的合并383

14．2．5 Warn模型383

14．2．6 强度衰减384

14．2．7 颜色384

14．2．8 透明度385

14．2．9 阴影387

14．3 光强度显示387

14．3．1 分配强度等级388

14．3．2 Gamma校正和视频查找表389

14．3．3 显示连续色调的图象390

14．4 半色调模式和抖动技术390

14．4．1 半色调近似391

14．4．2 抖动技术394

14．5 多边形绘制算法396

14．5．1 恒定光强度的明暗处理397

14．5．2 Gouraud明暗处理397

14．5．3 Phong明暗处理399

14．5．4 快速Phong明暗处理399

14．6 光线跟踪算法400

14．6．1 基本光线跟踪算法401

14．6．2 光线与物体表面的求交计算402

14．6．3 减少物体求交计算量405

14．6．4 空间分割方法406

14．6．5 光线跟踪反走样408

14．6．6 分布式光线跟踪410

14．7．1 基本幅射度模型412

14．7 幅射度光照模型412

14．7．2 逐步求精幅射度方法415

14．8 环境映射416

14．9 添加表面细节417

14．9．1 用多边形模拟表面细节417

14．9．2 纹理映射417

14．9．3 过程式纹理映射方法419

14．9．4 凹凸映射420

14．9．5 帧映射421

小结421

参考文献422

练习题423

第15章 颜色模型和颜色应用425

15．1 光的特性425

15．2．1 XYZ颜色模型427

15．2 标准基色和色彩图427

15．2．2 CIE色度图428

15．3 直观的颜色概念429

15．4 RGB颜色模型430

15．5 YIQ颜色模型431

15．6 CMY颜色模型432

15．7 HSV颜色模型433

15．8 HSV和RGB模型之间的转换434

15．9 HLS颜色模型436

15．10 颜色选择及其应用436

小结437

参考文献438

练习题438

16．1 动画序列的设计439

第16章 计算机动画439

16．2 通用计算机动画功能440

16．3 光栅动画440

16．4 计算机动画语言440

16．5 关键帧系统441

16．5．1 变形442

16．5．2 模拟加速度443

16．6 运动的描述446

16．6．1 直接运动描述446

16．6．2 目标导向系统446

16．6．3 运动学和动力学447

小结448

参考文献448

练习题448

A．1．2 xy平面的极坐标450

A．1．1 二维笛卡儿参照系450

附录A 计算机图形学的数学基础450

A．1 坐标参照系450

A．1．3 三维笛卡儿参照系451

A．1．4 三维曲线坐标系452

A．1．5 立体角453

A．2 点与向量453

A．2．1 向量加与定比例乘455

A．2．2 两向量的标量积456

A．2．3 两向量的向量积456

A．3 基向量和度量张量457

A．3．1 正交量458

A．3．2 度量张量458

A．4 矩阵459

A．4．2 矩阵乘法460

A．4．1 标量乘法与矩阵加法460

A．4．3 矩阵转置461

A．4．4 矩阵的秩461

A．4．5 矩阵的逆462

A．5 复数462

A．6 四元数464

A．7 非参数表示465

A．8 参数表示466

A．9 数值方法467

A．9．1 求解线性方程组467

A．9．2 非线性方程的求根468

A．9．3 积分估值469

A．9．4 为数据集拟合曲线471

总参考文献473