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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4

1.3 计算机艺术6

1.4 娱乐8

1.5 教学与培训9

1.6 可视化12

1.7 图像处理16

1.8 图形用户界面17

第2章 图形系统综述18

2.1 视频显示设备18

2.1.1 刷新式CRT18

2.1.2 光栅扫描显示器21

2.1.3 随机扫描显示器22

2.1.4 彩色CRT监视器23

2.1.5 直视存储管25

2.1.6 平板显示器25

2.1.7 三维观察设备27

2.1.8 立体感和虚拟现实系统29

2.2 光栅扫描系统29

2.2.1 视频控制器29

2.2.2 光栅扫描显示处理器31

2.3 随机扫描系统32

2.4 图形监视器与工作站33

2.5 输入设备35

2.5.1 键盘35

2.5.4 操纵杆37

2.5.2 鼠标37

2.5.3 跟踪球和空间球37

2.5.5 数据手套38

2.5.6 数字化仪39

2.5.7 图像扫描仪40

2.5.8 触摸板41

2.5.9 光笔42

2.5.10 声音系统43

2.6 硬拷贝设备44

2.7 图形软件46

2.7.1 坐标表示46

2.7.2 图形功能47

2.7.3 软件标准48

小结49

2.7.4 PHIGS工作站49

参考文献50

练习题50

第3章 输出图元52

3.1 点和线52

3.2 画线算法53

3.2.1 DDA算法54

3.2.2 Bresenham画线算法56

3.2.3 并行画线算法59

3.3 帧缓冲器的装载61

3.4 画线函数62

3.5 圆生成算法63

3.5.1 圆的特性63

3.5.2 中点圆算法64

3.6 椭圆生成算法68

3.6.1 椭圆的特征68

3.6.2 中点椭圆算法70

3.7 其他曲线76

3.7.1 圆锥曲线76

3.7.2 多项式和样条曲线78

3.8 并行曲线算法78

3.9 曲线函数79

3.10 像素编址和物体的几何表示80

3.10.1 屏幕网格坐标80

3.10.2 保留显示的物体的几何特性81

3.11 填充区域图元82

3.11.1 扫描线多边形填充算法83

3.11.2 内-外测试90

3.11.3 曲线边界区域的扫描线填充91

3.11.4 边界填充算法91

3.11.5 泛滥填充算法94

3.12 区域填充函数95

3.13 单元阵列95

3.14 字符生成96

小结98

参考文献104

练习题104

第4章 输出图元的属性107

4.1 线属性107

4.1.1 线型107

4.1.2 线宽109

4.1.3 画笔或笔刷的选择111

4.1.4 线颜色112

4.2 曲线属性113

4.3 颜色和亮度等级115

4.3.1 颜色表116

4.3.2 灰度等级117

4.4 区域填充属性118

4.4.1 填充模式118

4.4.2 图案填充119

4.4.3 软填充122

4.5 字符属性123

4.5.1 文本属性123

4.5.2 标记属性127

4.6.1 线的束属性128

4.6 束属性128

4.6.2 区域填充束属性129

4.6.3 文本的束属性129

4.6.4 标记的束属性129

4.7 查询函数130

4.8 反走样130

4.8.1 直线段的过取样131

4.8.2 加权的像素掩模132

4.8.3 直线段的区域取样133

4.8.4 过滤技术133

4.8.5 像素移相134

4.8.6 直线亮度差的校正134

4.8.7 对区域边界进行反走样134

小结137

练习题138

参考文献138

第5章 二维几何变换141

5.1 基本变换141

5.1.1 平移141

5.1.2 旋转142

5.1.3 缩放144

5.2 矩阵表达式和齐次坐标145

5.3 复合变换147

5.3.1 平移147

5.3.3 缩放148

5.3.4 通用基准点旋转148

5.3.2 旋转148

5.3.5 通用固定点缩放149

5.3.6 通用定向缩放150

5.3.7 连接特性150

5.3.8 通用复合变换和计算效率151

5.4 其他变换155

5.4.1 反射156

5.4.2 错切159

5.5 坐标系间的变换160

5.6 仿射变换162

5.7 变换函数163

5.8 变换的光栅方法164

小结166

练习题167

参考文献167

第6章 二维观察169

6.1 观察流程169

6.2 观察参照坐标系171

6.3 窗口到视口的坐标变换171

6.4 二维观察函数173

6.5 裁剪操作174

6.6 点的裁剪175

6.7 线段的裁剪175

6.7.1 Cohen-Sutherland线段裁剪算法176

6.7.2 梁友栋-Barsky线段裁剪算法180

6.7.3 Nicholl-Lee-Nicholl线段裁剪算法182

6.7.5 划分凹多边形184

6.7.4 非矩形裁剪窗口的线段裁剪184

6.8 多边形的裁剪186

6.8.1 Sutherland-Hodgeman多边形裁剪186

6.8.2 Weiler-Atherton算法190

6.8.3 其他多边形的裁剪算法191

6.9 曲线的裁剪192

6.10 文字的裁剪192

6.11 外部裁剪193

小结194

参考文献196

练习题196

第7章 结构和层次建模198

7.1 结构的概念198

7.1.1 基本结构函数198

7.1.2 设置结构属性199

7.2 编辑结构200

7.2.2 设置编辑模式201

7.2.1 结构表和元素指针201

7.2.3 插入结构元素202

7.2.4 替代结构元素202

7.2.5 删除结构元素203

7.2.6 标识结构元素204

7.2.7 从一个结构中将元素复制到另一个结构205

7.3 基本建模概念205

7.3.1 模型表示206

7.3.2 符号层次207

7.3.3 建模软件包208

7.4 使用结构来建立层次式模型208

7.4.1 局部坐标和建模变换208

7.4.3 结构层次209

7.4.2 模型变换209

小结211

参考文献211

练习题211

第8章 图形用户界面和交互输入方法213

8.1 用户对话213

8.1.1 窗口和图符213

8.1.2 适应多种熟练程度的用户214

8.1.3 一致性214

8.1.4 减少记忆量214

8.1.5 回退和出错处理215

8.1.6 反馈215

8.2.2 定位设备216

8.2 图形数据的输入216

8.2.1 输入设备的逻辑分类216

8.2.3 笔划设备217

8.2.4 字符串设备217

8.2.5 定值设备217

8.2.6 选择设备218

8.2.7 拾取设备219

8.3 输入功能220

8.3.1 输入模式220

8.3.2 请求模式221

8.3.3 请求模式下的定位和笔划输入221

8.3.7 请求模式下的拾取输入222

8.3.6 请求模式下的选择输入222

8.3.5 请求模式下的定值输入222

8.3.4 请求模式下的字符串输入222

8.3.8 取样模式223

8.3.9 事件模式223

8.3.10 输入模式的并行使用225

8.4 输入设备参数的初值225

8.5 交互式构图技术226

8.5.1 基本的定位方法226

8.5.2 约束226

8.5.3 网格227

8.5.4 引力场228

8.5.5 橡皮条方法228

8.5.6 拖曳228

8.6 虚拟现实环境229

8.5.7 着色和绘图229

小结230

参考文献231

练习题231

第9章 三维概念233

9.1 三维显示方法233

9.1.1 平行投影233

9.1.2 透视投影234

9.1.3 深度提示234

9.1.4 可见线面的标识234

9.1.7 三维和立体视图235

9.2 三维图形软件包235

9.1.6 分解图和剖面图235

9.1.5 表面绘制235

第10章 三维物体的表示237

10.1 多边形表面237

10.1.1 多边形表237

10.1.2 平面方程239

10.1.3 边多形网格241

10.2 曲线和曲面241

10.3 二次曲面242

10.3.1 球面242

10.3.2 椭球面243

10.3.3 环面243

10.4 超二次曲面244

10.4.1 超椭圆244

10.4.2 超椭球面244

10.5 柔性物体245

10.6.1 插值和逼近样条247

10.6 样条表示247

10.6.2 参数连续性条件249

10.6.3 几何连续性条件250

10.6.4 样条描述250

10.7 三次样条插值方法251

10.7.1 自然三次样条252

10.7.2 Hermite插值252

10.7.3 Cardinal样条255

10.7.4 Kochanek-Bartels样条257

10.8 Bézier曲线和曲面257

10.8.1 Bézier曲线257

10.8.3 使用Bézier曲线的设计技术260

10.8.2 Bézier曲线的特性260

10.8.4 三次Bézier曲线261

10.8.5 Bézier曲面263

10.9 B-样条曲线和曲面264

10.9.1 B-样条曲线264

10.9.2 均匀的周期性B-样条曲线266

10.9.3 三次周期性B-样条曲线268

10.9.4 开放均匀的B-样条曲线270

10.9.5 非均匀B-样条曲线271

10.9.6 B-样条曲面272

10.10 beta-样条273

10.10.1 beta-样条连续性条件273

10.10.2 三次周期性beta-样条曲线的矩阵表示274

10.11 有理样条275

10.12 两种样条表达式间的转换277

10.13 样条曲线和曲面的显示278

10.13.1 Homer规则278

10.13.2 向前差分计算279

10.13.3 细分方法280

10.14 扫描表示282

10.15 结构实体几何法283

10.16 八叉树285

10.17 BSP树287

10.18 分形几何方法288

10.18.2 分形分类289

10.18.3 分形的维数289

10.18.1 分形生成过程289

10.18.4 确定性自相似分形几何构造291

10.18.5 统计自相似分形的几何构造293

10.18.6 仿射分形构造方法294

10.18.7 随机中点位移方法295

10.18.8 地面图控制297

10.18.9 自平方分形298

10.18.10 自逆分形304

10.19 形状语法和其他过程性方法305

10.20 微粒系统306

10.21 基于物理的建模307

10.22 数据集的可视化308

10.22.1 标量场的可视化表示308

10.22.3 张量场的可视表示311

10.22.2 向量场的可视表示311

10.22.4 多变量数据场的可视表示312

小结312

参考文献312

练习题313

第11章 三维几何和建模变换315

11.1 平移315

11.2 旋转316

11.2.1 坐标轴旋转316

11.2.2 一般三维旋转319

11.2.3 四元数旋转324

11.3 缩放326

11.4.1 反射327

11.4 其他变换327

11.4.2 错切328

11.5 复合变换328

11.6 三维变换函数331

11.7 建模变换和坐标变换332

小结333

参考文献334

练习题334

第12章 三维观察336

12.1 观察流水线336

12.2 观察坐标337

12.2.1 指定观察平面337

12.2.2 从世界坐标到观察坐标的变换339

12.3 投影342

12.3.1 平行投影342

12.3.2 透视投影346

12.4 观察体和一般投影变换348

12.4.1 一般平行投影变换352

12.4.2 一般透视投影变换355

12.5 裁剪357

12.5.1 规范化观察体358

12.5.2 视口裁剪360

12.5.3 齐次坐标裁剪361

12.6 硬件实现362

12.7 三维观察函数363

小结365

参考文献365

练习题365

13.2 后向面判别367

第13章 可见面判别算法367

13.1 可见面判别算法的分类367

13.3 深度缓冲器算法368

13.4 A缓冲器算法371

13.5 扫描线算法372

13.6 深度排序算法373

13.7 BSP树算法376

13.8 区域细分算法376

13.9 八叉树算法378

13.10 光线投射算法381

13.11 曲面382

13.11.2 曲面的层位线显示383

13.12 线框算法383

13.11.1 曲面表示383

13.13 可见性判别函数384

小结384

参考文献385

练习题385

第14章 光照模型与面绘制算法387

14.1 光源387

14.2 基本光照模型389

14.2.1 环境光389

14.2.2 漫反射389

14.2.3 镜面反射和Phong模型392

14.2.4 多光源漫反射和镜面反射的合并395

14.2.5 Wam模型395

14.2.7 颜色396

14.2.6 强度衰减396

14.2.8 透明度397

14.2.9 阴影399

14.3 光强度显示400

14.3.1 分配强度等级400

14.3.2 gamma校正与视频查找表401

14.3.3 显示连续色调的图像402

14.4 半色调模式和抖动技术402

14.4.1 半色调近似403

14.4.2 抖动技术406

14.5 多边形绘制算法409

14.5.1 恒定光强度的明暗处理409

14.5.2 Gouraud明暗处理409

14.5.3 Phong明暗处理411

14.5.4 快速Phong明暗处理412

14.6 光线跟踪算法413

14.6.1 基本光线跟踪算法413

14.6.2 光线与物体表面的求交计算416

14.6.3 减少物体求交的计算量419

14.6.4 空间分割方法419

14.6.5 光线跟踪反走样421

14.6.6 分布式光线跟踪423

14.7 辐射度光照模型425

14.7.1 基本辐射度模型425

14.7.2 逐步求精的辐射度方法428

14.8 环境映射430

14.9.2 纹理映射431

14.9.1 用多边形模拟表面细节431

14.9 添加表面细节431

14.9.3 过程式纹理映射方法434

14.9.4 凹凸映射434

14.9.5 帧映射436

小结436

参考文献437

练习题437

第15章 颜色模型和颜色应用440

15.1 光的特性440

15.2 标准基色和色彩图442

15.2.1 XYZ颜色模型442

15.2.2 CIE色度图443

15.4 RGB颜色模型445

15.3 直观的颜色概念445

15.5 YIQ颜色模型447

15.6 CMY颜色模型447

15.7 HSV颜色模型448

15.8 HSV和RGB模型之间的转换450

15.9 HLS颜色模型452

15.10 颜色选择及其应用453

小结453

参考文献453

练习题454

第16章 计算机动画455

16.1 动画序列的设计455

16.4 计算机动画语言456

16.3 光栅动画456

16.2 通用计算机动画功能456

16.5 关键帧系统457

16.5.1 变形458

16.5.2 模拟加速度460

16.6 运动的描述463

16.6.1 直接运动描述463

16.6.2 目标导向系统463

16.6.3 运动学和动力学464

小结464

参考文献465

练习题465

附录A 计算机图形学的数学基础466

参考文献488