计算机图形学实用教程

章节摘录

插图：1.1.1什么是计算机图形学国际标准化组织（ISO）给出的计算机图形学的定义为：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。简单地说，计算机图形学就是研究怎样用计算机生成、处理和显示图形的一门学科。从用户与计算机的关系上来看，计算机图形学可以分为两大类，一类为非交互式计算机图形学（Nonintemctive Computer Graphics），另一类为交互式计算机图形学（Interactive Computer Graphics）。交互式计算机图形学也称为主动式计算机图形学或者对话式计算机图形学，它允许人与机器之间进行对话。计算机通过接收输入设备送来的信号（数据或操作命令）来修改所显示的图形，而用户可将自己对图形的修改意见等通过输入设备“通知”计算机，并能立刻得到机器的反应。交互式计算机图形学的出现给计算机图形学的发展与应用开辟了广阔的空间，带来了巨大的经济效益和良好的社会效益。例如，飞行训练模拟器就是一个交互式图形学的成功范例。它的应用为飞行员的训练带来的好处不仅仅是节省了设备（飞机）和燃料，而且还提高了放单飞的成功率，降低了飞行事故率。它还可以模拟那些无法抵达机场的实景，进行起降训练，具有重要的应用价值。非交互式计算机图形学也称为被动式计算机图形学，用户不能直接控制与修改所显示的图形。如果要修改图形，只能去修改相关的图形文件，然后再运行它，以观察修改的结果。

前言

本书是《计算机图形学实用教程》的第2版，是黑龙江省省级精品课程配套教材。本书内容丰富，可作为本科生或研究生计算机图形学课程的教学用书或学生自学的参考书。在内容编排上，本书侧重于图形学基本算法的介绍，同时还介绍了实体几何造型、真实感图形显示、分形几何、色彩管理、计算机动画、基于图像的三维重建等最新的计算机图形学实用技术。在第2章中还介绍了目前最新的图形输入／输出设备。作者曾长期与日本canon公司进行有关色彩匹配方面的合作研究，并在《计算机学报》等刊物上发表研究论文。本书中汇集了作者近年来在色彩管理与色彩匹配、彩色半色调打印、分形几何与分形艺术、计算机辅助几何设计、基于图像的三维重建等方面的研究成果，内容兼顾计算机图形学基础算法和最新的计算机图形学研究内容，力求给读者以耳目一新之感。本书在语言叙述上，力求简明扼要、通俗易懂，并辅以丰富的图例进行解释说明。为节省篇幅，书中没有给出算法的源代码，部分算法的源程序将随多媒体教学课件一起免费为使用本教材的教学单位提供。有需要者可与作者本人直接联系。学时建议：对本科生30学时的课程，建议：第1章2学时；第2章2学时；第3章4学时；第4章6学时；第5章4学时；第6章4学时；第7章4学时；第10章4学时。对研究生30学时的课程，建议：第1章2学时；第2章2学时；第4章4学时；第5章4学时；第6章4学时；第7章4学时；第8章6学时；第10章4学时。对研究生40学时的课程，建议：第1章2学时；第2章2学时；第4章6学时；第5章4学时；第6章4学时；第7章6学时；第8章6学时；第9章2学时；第10章4学时；第11章4学时。全书的统稿工作由苏小红教授完成，第2、4、7、8、9、10章由苏小红教授编写，第1、3、5、6章由李东教授编写，第11章以及7.5节由唐好选老师编写，蔡则苏等老师进行了书稿校对工作。

书籍目录

第1章 绪论

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 什么是计算机图形学

1.1.2 计算机图形学的研究内容

1.1.3 计算机图形学与其他相关学科的关系

1.2 计算机图形学的发展与应用

1.2.1 计算机图形学的发展简史和发展方向

1.2.2 计算机图形学的应用领域

1.3 本章小结

习题1

第2章 交互式计算机图形处理系统

2.1 交互式计算机图形系统的组成

2.2 图形输入设备

2.2.1 一般输入设备

2.2.2 图形输入设备

2.3 视频显示设备

2.3.1 光栅扫描显示器

2.3.2 平板显示器

2.3.3 未来的显示器

2.4 图形绘制设备

2.4.1 绘图仪

2.4.2 打印机

2.5 虚拟现实应用中的动态交互感知设备

2.6 OpenGL图形标准

2.6.1 OpenGL简介

2.6.2 OpenGL的主要特点和功能

2.6.3 OpenGL的工作流程

2.6.4 OpenGL开发库的基本组成

2.6.5 如何在Visualc++环境中使用OpenGL库函数

2.7 本章小结

习题2

第3章 基本图形生成算法

3.1 直线的扫描转换

3.1.1 光栅图形中点的表示

3.1.2 绘制直线的要求

3.1.3 数值微分画线法

3.1.4 扣点画线法

3.1.5 Bresenham画线算法

3.2 圆和圆弧的扫描转换

3.2.1 圆的特性

3.2.2 数值微分画圆法

3.2.3 中点画圆法

3.2.4 Bresenham画圆算法

3.2.5 多边形逼近画圆法

3.3 线宽与线型的处理

3.3.1 线宽的处理

3.3.2 线型的处理

3.4 实区域填充算法

3.4.1 实区域填充算法的基本思路

3.4.2 一般多边形的填充过程及其存在的问题

3.4.3 有序边表算法

3.4.4 边填充算法

3.4.5 简单的种子填充算法

3.4.6 扫描线种子填充算法

3.5 图形反走样技术

3.5.1 光栅图形的走样现象及其原因

3.5.2 常用反走样技术

3.5.3 Bresenham区域反走样算法

3.6 本章小结

习题3

第4章 自由曲线和曲面

4.1 计算机辅助几何设计概述

4.1.1 CAGD的研究内容

4.1.2 对形状数学描述的要求

4.1.3 自由型曲线和曲面的一般设计过程和数学表示

4.1.4 自由曲线曲面的发展历程

4.2 参数样条曲线

4.2.1 线性插值与抛物线插值

4.2.2 参数样条曲线与样条插值

4.3 Bézier曲线

4.3.1 Bérzier曲线的数学表示

4.3.2 Bérzier曲线的性质

4.3.3 常用的Brzier曲线

4.3.4 Bérziel曲线的拼接

4.3.5 de Casteljau递推算法

4.3.6 反求Bérzier曲线控制点

4.3.7 有理：Bézier曲线

4.4 B样条曲线

4.4.1 问题的提出

4.4.2 B样条曲线的数学表示

4.4.3 二次B样条曲线

4.4.4 三次B样条曲线

4.4.5 B样条曲线的几种特殊情况

4.4.6 反求B样条曲线控制顶点

4.4.7 均匀B样条、准均匀B样条与非均匀B样条

4.4.8 B样条曲线的离散生成——deBoor分割算法

4.4.9 非均匀有理B样条(NURBS)曲线

4.5 自由曲面

4.5.1 参数多项式曲面

4.5.2 Coons曲面

4.5.3 Bézier曲面

4.5.4 B样条曲面

4.6 本章小结

习题4

第5章 图形变换与裁剪

5.1 窗口视图变换

5.2 二维图形几何变换

5.2.1 二维图形几何变换原理

5.2.2 齐次坐标技术

5.2.3 二维组合变换

5.3 三维图形几何变换

5.3.1 三维空间坐标系

5.3.2 三维图形几何变换

5.3.3 三维图形的组合变换

5.4 投影变换

5.4.1 投影变换的分类

5.4.2 平行投影

5.4.3 透视投影

5.5 二维线段裁剪

5.5.1 矩形窗口裁剪算法

5.5.2 圆形窗口裁剪算法

5.5.3 多边形窗口裁剪算法

5.6 多边形的裁剪

5.6.1 Sutherland-Hodgman算法

5.6.2 Weiler-Athelton算法

5.7 三维线段裁剪

5.7.1 平行投影中的三维裁剪

5.7.2 透视投影中的三维裁剪

5.8 本章小结

习题5

第6章 实体几何造型基础

6.1 多面体模型和曲面模型

6.1.1 多面体模型

6.1.2 曲面模型

6.2 线框模型、表面模型和实体模型

6.3 实体几何造型系统的发展

6.4 实体的定义与运算

6.4.1 实体的定义

6.4.2 欧拉公式与欧拉运算

6.4.3 实体的正则集合运算

6.5 实体的表示方法

6.5.1 实体的边界表示

6.5.2 实体的分解表示

6.5.3 实体的构造实体几何表示

6.5.4 实体的扫描表示

6.5.5 实体的元球表示

6.6 本章小结

习题6

第7章 自然景物模拟与分形艺术

7.1 分形几何的基础知识

7.1.1 分形几何学的产生

7.1.2 分形维数与分形几何

7.1.3 什么是分形

7.2 分形图形的生成方法

7.2.1 随机插值模型

7.2.2 迭代函数系统

7.2.3 L系统

7.2.4 粒子系统

7.3 Julia集与Mandelbrot集

7.3.1 概述

7.3.2 Julia集与Mandelbrot集

7.3.3 广义Julia集与Mandelbrot集

7.4 复平面域的Newton-Raphson方法

7.4.1 概述

7.4.2 改进的Newton-Raphson方法生成分形艺术图形

7.5 自然景物模拟实例

7.5.1 分形山模拟实例

7.5.2 植物形态模拟实例

7.5.3 雨雪现象的模拟实例

7.5.4 液态流体模拟实例

7.5.5 气态流体模拟实例

7.6 本章小结

习题7

第8章 真实感图形显示

8.1 三维图形显示的基本流程

8.2 取景变换

8.3 隐藏面的消除

8.3.1 背面剔除算法

8.3.2 画家算法

8.3.3 Weiler-Atherton算法

8.3.4 BSP树算法

8.3.5 深度缓冲器算法

8.3.6 扫描线z缓冲器算法

8.3.7 区间扫描线算法

8.3.8 Warnock算法

8.3.9 光线投射算法

8.4 阴影生成

8.5 基本光照模型

8.5.1 环境光模型

8.5.2 Lambert漫反射模型

8.5.3 镜面反射和Phong模型

8.5.4 简单的透明模型

8.6 整体光照模型

8.7 多边形表示的明暗处理

8.7.1 Gouraud明暗处理

8.7.2 Phong明暗处理

8.8 半色调技术

8.8.1 模式单元法

8.8.2 抖动技术

8.9 光线跟踪技术

8.9.1 光线跟踪的基本原理

8.9.2 光线跟踪的求交计算

8.10 纹理细节模拟

8.10.1 纹理分类

8.10.2 颜色纹理

8.10.3 几何纹理

8.10.4 过程纹理

8.11 本章小结

习题8

第9章 颜色科学基础及其应用

9.1 颜色的基本知识

9.1.1 颜色的基本概念

9.1.2 视觉现象

9.1.3 颜色视觉的机理

9.2 常用的颜色空间

9.2.1 与图形处理相关的颜色空间

9.2.2 与设备无关的颜色空间

9.2.3 电视系统颜色空间

9.3 色彩设计

9.3.1 色彩的情感

9.3.2 面向色彩设计的HSV颜色模型

9.3.3 HSV与RGB的相互转换及其应用

9.3.4 数字图像颜色类型

9.4 颜色再现与色彩管理

9.4.1 颜色再现的目标

9.4.2 颜色再现的科学性与艺术性

9.4.3 颜色再现质量的评价

9.4.4 为什么要进行色彩管理

9.4.5 基于ICC标准的色彩管理

9.4.6 色彩管理系统分类

9.5 基于ICC Profile的色彩管理

9.5.1 ICC Profile的类型及文件结构

9.5.2 基于ICC Profile的颜色空间变换

9.5.3 ICC Profile的局限性

9.6 色彩匹配

9.6.1 彩色喷墨打印机工作原理

9.6.2 影响色彩匹配质量的因素分析

9.6.3 色彩匹配的难点

9.6.4.常用的色彩匹配方法

9.7 黑色生成与灰度平衡

9.8 本章小结

习题9

第10章 计算机动画

10.1 动画技术的起源、发展与应用

10.1.1 动画技术的起源与发展

10.1.2 计算机动画的应用

10.1.3 计算机动画的未来

10.2 传统动画

10.2.1 什么是动画

10.2.2 传统动画片的制作过程

10.2.3 动作特效与画面切换方式

10.3 计算机动画

10.3.1 计算机在动画中所起的作用

10.3.2 计算机动画系统的分类

10.3.3 计算机辅助二维动画

10.3.4 计算机辅助三维动画

10.3.5 实时动画和逐帧动画

10.4 计算机动画中的常用技术

10.4.1 关键帧技术

10.4.2 样条驱动技术

10.4.3 Morphing和FFD变形技术

10.4.4 运动捕获技术

10.4.5 其他动画技术

10.5 动画文件格式

10.5.1 GIF格式

10.5.2 FLI／FLC格式

10.5.3 SWF格式

10.5.4 AVI格式

10.5.5 MOV格式

10.6 计算机上的二维动画软件简介

10.7 常用的三维动画软件简介

10.7.1 3DStudio与3DSMAX

10.7.2 Softimage3D

10.7.3 Maya3D

10.7.4 LIGHTWAVE3D

10.8 本章小结

习题10

第11章 基于图像的三维重建

11.1 基于图像的三维重建技术简介

11.1.1 明暗恢复形状法

11.1.2 纹理恢复形状法

11.1.3 光度立体学方法

11.1.4 运动图像序列法

11.1.5 立体视觉法

11.1.6 各种三维重建方法的比较

11.2 基于图像三维重建的基本步骤

11.3 图像采集及摄像机定标

11.3.1 图像采集

11.3.2 图像预处理

11.3.3 摄像机定标

11.4 特征提取与匹配

11.4.1 特征提取

11.4.2 特征匹配

11.5 重建三维轮廓

11.6 恢复模型的视觉外观

11.7 本章小结

习题11

参考文献

作者简介

《计算机图形学实用教程(第2版)》是《计算机图形学实用教程》的第2版，是黑龙江省省级精品课程配套教材。全书由11章组成，内容主要包括绪论，交互式计算机图形处理系统，基本图形生成算法，自由曲线和曲面，图形变换与裁剪，实体几何造型基础，自然景物模拟与分形艺术，真实感图形显示，颜色科学基础及其应用，计算机动画、基于图像的三维重建等。

《计算机图形学实用教程(第2版)》内容丰富，可作为本科生或研究生计算机图形学课程的教学用书或学生自学的参考书。《计算机图形学实用教程(第2版)》还将为任课教师免费提供电子课件和书中部分算法的源程序(可按前言提供的方式索取)。

图书封面

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