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第1章 图形设备、系统和应用1

1.1 计算机图形学的发展及应用1

1.1.1 计算机图形学硬件的发展1

1.1.2 计算机图形学软件及算法的发展3

1.1.3 计算机图形学在我国的发展4

1.1.4 计算机图形学的应用5

1.2 图形输入设备7

1.2.1 鼠标器7

1.2.2 光笔8

1.2.3 触摸屏9

1.2.4 坐标数字化仪10

1.2.5 图形扫描仪11

1.3 图形显示设备12

1.3.1 阴极射线管12

1.3.2 彩色阴极射线管13

1.3.3 随机扫描的图形显示器13

1.3.4 存储管式的图形显示器13

1.3.5 光栅扫描式图形显示器14

1.3.6 液晶显示器(LCD)19

1.3.7 等离子显示器19

1.4.1 喷墨打印机20

1.3.8 几种显示技术的比较20

1.4 图形绘制设备20

1.4.2 激光打印机21

1.4.3 静电绘图仪22

1.4.4 笔式绘图仪23

1.5 图形处理器24

1.5.1 简单图形处理器24

1.5.2 单片图形处理器27

1.5.3 个人计算机图形卡28

1.5.4 图形并行处理器32

1.6.1 计算机图形系统的功能及组成34

1.6 图形系统和工作站34

1.6.2 个人计算机图形系统35

1.6.3 工作站的发展和特点38

1.6.4 几种精简指令集工作站41

1.6.5 工作站的性能评测与选择49

1.7 虚拟现实系统51

1.7.1 系统构成51

1.7.2 三维输入设备53

1.7.4 头盔显示器54

1.7.3 跟踪器54

1.7.5 应用前景55

习题56

第2章 计算机图形标准化和窗口系统57

2.1 计算机图形接口(CGI)58

2.1.1 控制功能集58

2.1.2 输出功能集58

2.1.4 输入和应答功能集59

2.1.5 光栅功能集59

2.1.3 图段功能集59

2.2 计算机图形元文件(CGM)60

2.2.1 图形元文件60

2.2.2 图形元文件的解释60

2.2.3 CGM的组成61

2.3 图形核心系统(GKS)63

2.3.1 GKS的功能63

2.3.2 图形输入与输出64

2.3.8 GKS-3D65

2.3.7 GKS的分级管理65

2.3.6 GKS的文件接口65

2.3.4 坐标系65

2.3.3 工作站65

2.3.5 图段65

2.4 程序员层次交互式图形系统(PHIGS)67

2.4.1 模块化的功能结构67

2.4.2 动态的结构、元素管理68

2.4.3 GKS-3D和PHIGS的比较70

2.4.4 PHIGS的扩充版本PHIGS-72

2.4.5 网络窗口环境下的PHIGS-PEX73

2.4.6 图形程序库GL75

2.5.1 IGES的作用77

2.5 基本图形转换规范(IGES)77

2.5.2 IGES的实体78

2.5.3 IGES的文件结构78

2.5.4 EGES的出错处理78

2.6 产品模型数据转换标准(STEP)79

2.6.1 STEP的产品模型数据79

2.6.2 STEP的概念模式80

2.6.3 STEP中特征的定义81

2.6.4 STEP的基本组成81

2.7.1 基本概念82

2.7 计算机图形参考模型(CGRM)82

2.7.2 CGRM的外部关系83

2.7.2 CGRM的环境模型83

2.7.2 CGRM的数据元素84

2.8 窗口系统85

2.8.1 窗口系统的特点85

2.8.2 几种常用的窗口系统88

2.8.3 窗口系统的输入处理96

2.8.4 窗口系统的输出处理100

2.8.5 窗口系统工具箱102

2.8.6 流行的图形用户接口105

2.8.7 从窗口系统Windows到窗口操作系统Windows NT108

2.8.8 如何用窗口系统编应用程序111

习题128

第3章 交互技术与用户接口130

3.1 用户接口的常用形式130

3.1.1 子程序库130

3.1.2 专用语言131

3.1.3 交互命令132

3.2 交互设备、交互任务和交互技术135

3.2.1 交互设备135

3.2.2 交互任务137

3.2.3 交互技术140

3.2.4 拾取图形142

3.3 输入控制144

3.3.1 三种输入控制方式144

3.3.2 请求方式145

3.3.3 取样方式145

3.3.4 事件方式146

3.4 如何构造一个交互系统147

3.4.1 交互式用户接口的表现形式147

3.3.5 输入控制方式的混合使用147

3.4.2 交互式用户接口常见的工作方式150

3.4.3 用户命令集的描述150

3.4.4 人机对话序列的设计151

3.4.5 交互式用户接口的实现153

3.4.6 交互式用户接口简例159

3.5 基于知识的用户接口设计环境161

3.5.1 目标162

3.5.2 结构162

3.5.3 基于知识的用户接口162

习题163

3.5.4 用户接口变换器163

第4章 基本图形生成算法165

4.1 直线的扫描转换165

4.1.1 数值微分法166

4.1.2 中点画线法167

4.1.3 Bresenham画线算法169

4.2 圆与椭圆的扫描转换170

4.2.1 圆的扫描转换170

4.2.2 Bresenham画圆算法173

4.2.3 椭圆的扫描转换176

4.3 区域填充178

4.3.1 多边形域的填充179

4.3.2 边填充算法182

4.3.3 种子填充算法185

4.3.4 圆域的填充187

4.3.5 区域填充图案187

4.4 线宽与线型的处理190

4.4.1 直线线宽的处理190

4.4.2 圆弧线宽的处理192

4.5 字符193

4.4.3 线型的处理193

4.5.1 矢量字符194

4.5.2 点阵字符195

4.5.3 字型技术195

4.5.4 字符输出197

4.6 裁剪199

4.6.1 线段裁剪200

4.6.2 多边形裁剪206

4.6.3 字符裁剪209

4.7.1 提高分辨率210

4.7 反走样210

4.7.2 简单的区域取样211

4.7.3 加权区域取样213

习题215

第5章 交互式图形程序库--GIL217

5.1 应用GIL的预备知识217

5.1.1 为什么要用GIL217

5.1.2 GIL的运行环境218

5.1.3 变量、坐标及控制流程218

5.1.4 用户界面219

5.1.5 文件格式220

5.1.6 设置光标223

5.1.7 系统初始化224

5.2 如何用GIL画图225

5.2.1 窗口的创建和管理225

5.2.2 画基本图形229

5.2.3 区域填充231

5.2.4 设属性232

5.2.5 象素操作235

5.2.6 字符和汉字236

5.3.1 人的因素238

5.3 如何用GIL实现人-机交互操作238

5.3.2 内存空间的申请和释放239

5.3.3 对话框240

5.3.4 提示信息和出错信息245

5.3.5 拖动画图方式的设备246

5.3.6 拾取几何信息247

5.3.7 输入数据247

5.3.8 定义热键250

5.3.9 用GIL构造交互系统实例251

5.4 GIL中基本数据类型定义258

5.5 GIL中函数一览表259

习题260

第6章 曲线和曲面262

6.1 曲线、曲面参数表示的基础知识262

6.1.1 显式、隐式和参数表示262

6.1.2 参数曲线的定义及其切矢量、法矢量、曲率和挠率265

6.1.3 插值、逼近、拟合和光顺267

6.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式270

6.1.5 调和函数271

6.1.6 曲线段间C1，C2和C1，G2连续性定义272

6.1.7 重新参数化273

6.1.8 四点式曲线275

6.1.9 有理参数多项式曲线276

6.2 常用的参数曲线276

6.2.1 Bezier曲线277

6.2.2 B样条曲线284

6.2.3 非均匀有理B样条(NURBS)曲线294

6.2.4 常用参数曲线的等价表示302

6.2.5 等距线302

6.2.6 圆锥曲线305

6.2.7 等值线306

6.3.1 参数曲面的定义309

6.3 常用的参数曲面309

6.3.2 参数曲面的重新参数化314

6.3.3 平面、二次面和直纹面316

6.3.4 Coons曲面和张量积面319

6.3.5 Bezier曲面321

6.3.6 B样条曲面323

6.3.7 非均匀有理B样条(NURBS)曲面324

6.3.8 常用双三次参数曲面的等价表示326

6.3.10 基于三维散列数据构造曲面327

6.3.9 等距面327

6.3.11 扫描面329

习题331

第7章 图形变换333

7.1 图形变换的数学基础333

7.1.1 矢量运算333

7.1.2 矩阵运算333

7.1.3 齐次坐标336

7.2.3 窗口区和视图区的坐标变换337

7.2.2 屏幕域和视图区337

7.2.1 用户域和窗口区337

7.2 窗口视图变换337

7.2.4 从规格化坐标(NDC)到设备坐标(DC)的变换339

7.3 图形的几何变换340

7.3.1 二维图形的几何变换341

7.3.2 三维图形的几何变换344

7.3.3 参数图形的几何变换348

7.4 形体的投影变换353

7.4.1 投影变换分类353

7.4.2 正平行投影(三视图)353

7.4.3 斜平行投影354

7.4.4 透视投影355

7.4.5 投影空间359

7.4.6 用户坐标系到观察坐标系的变换360

7.4.7 规格化裁剪空间和图像空间362

7.5 三维线段裁剪365

习题366

第8章 几何造型368

8.1 形体在计算机内的表示368

8.1.1 表示形体的坐标系368

8.1.2 几何元素的定义371

8.1.3 表示形体的线框、表面、实体模型373

8.1.4 形体的边界及其连接关系374

8.1.5 常用的形体表示方式376

8.2 边界表示的数据结构与欧拉操作380

8.2.1 翼边结构380

8.2.2 对称结构380

8.2.3 基于面的多表结构382

8.2.4 欧拉操作383

8.3.1 点与各几何元素的求交计算388

8.3 求交算法388

8.3.2 直线与各几何元素求交393

8.3.3 曲线与各几何元素求交396

8.3.1 面与面求交398

8.4 集合运算409

8.4.1 一维几何元素的集合运算410

8.4.2 一维几何元素的集合运算414

8.4.3 一维几何元素的集合运算420

8.5 常用的其他造型方法439

8.5.1 分数维(Fractal)造型439

8.5.2 特征(Feature)造型443

8.5.3 从二维正投影图构造三维形体448

8.5.4 从二维图象信息构造三维形体453

习题458

第9章 真实图形459

9.1 消除隐藏线459

9.1.1 凸多面体的隐藏线消除461

9.1.2 凹多面体的隐藏线消除462

9.1.3 二次曲面体的隐藏线消除467

9.2.1 画家算法473

9.2 消除隐藏面473

9.2.2 Z缓冲区算法475

9.2.3 扫描线算法476

9.2.4 区域采样算法478

9.3 明暗效应481

9.3.1 明暗模型482

9.3.2 处理方法483

9.3.3 透明效果485

9.4 颜色模型486

9.4.1 基本概念486

9.4.2 CIE色度图487

9.4.3 常用的颜色模型490

9.4.4 颜色的选择插值和复制495

9.5 纹理497

9.5.1 纹理的定义和映射498

9.5.2 纹理的反走样处理501

9.6 光线跟踪504

9.6.1 求交算法505

9.6.2 法向量计算509

9.6.3 反射与折射方向510

9.6.4 光照模型511

9.6.6 加速算法515

9.7 幅射度520

9.7.1 基本算法521

9.7.2 有遮挡关系环境中幅射度的计算523

9.7.3 半阴影区域的特殊处理525

9.8 科学计算的可视化528

9.8.1 数据场528

9.8.2 体绘制技术的基本原理528

9.8.3 以图象空间为序的体绘制算法529

习题531

10.1 图象数据533

第10章 图象处理533

10.1.1 图解的表示534

10.1.2 图象的采样535

10.1.3 图象的数据格式537

10.1.4 图象的灰度直方图542

10.1.5 图象的二值化545

10.2 图解变换546

10.2.1 图象的空间变换546

10.2.2 傅里叶变换550

10.3.1 细线化技术554

10.3 图象解析554

10.3.2 轮廓线追踪557

10.4 图象数据压缩558

10.4.1 步长法559

10.4.2 差值法560

10.4.3 块域符号法562

10.5 图象识别564

10.5.1 手写文字的识别565

10.5.2 印刷体文字识别566

习题567

参考文献569