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第1章　计算机图形学概论1

1.1　计算机图形学及其研究内容1

1.2　计算机图形学的发展历程2

1.3　计算机图形学的应用4

1.3.1　图形用户界面4

1.3.2　计算机辅助设计与制造5

1.3.3　科学计算可视化6

1.3.4　图形实时绘制与自然景物仿真6

1.3.5　计算机动画7

1.3.6　计算机艺术7

1.3.7　地理信息系统8

1.3.8　虚拟现实8

1.4　计算机图形系统9

1.4.1　计算机图形系统的功能及系统结构9

1.4.2　图形输入设备10

1.4.3　图形显示设备15

1.4.4　光栅图形扫描系统25

1.4.5　图形硬拷贝输出设备27

1.4.6　图形软件28

习题31

第2章 Visual C＋＋环境下OpenGL图形开发33

2.1 OpenGL概述33

2.1.1　OpenGL基本功能和操作33

2.1.2　OpenGL工作方式35

2.1.3　OpenGL相关库函数36

2.1.4　OpenGL数据类型和函数名37

2.2 Visual C＋＋环境下OpenGL开发框架37

2.2.1　OpenGL控制台应用程序框架38

2.2.2　MFC环境下OpenGL单文档应用程序框架40

2.2.3　OpenGL绘制描述表与设备描述表42

2.2.4　OpenGL像素格式设置43

2.3　基本图元绘制44

2.3.1　图形显示控制44

2.3.2　设置3D画布47

2.3.3　点绘制49

2.3.4　线段绘制50

2.3.5　多边形绘制51

习题52

第3章　基本图元生成算法53

3.1　线段的生成53

3.1.1　DDA画线算法54

3.1.2　中点画线算法56

3.1.3　Bresenham画线算法58

3.1.4　并行画线算法60

3.2　圆的生成61

3.2.1 圆的特性61

3.2.2　中点画圆算法61

3.2.3　Bresenham画圆算法63

3.3　区域填充64

3.3.1　多边形分类与识别65

3.3.2　扫描线填色算法66

3.3.3　种子填色算法70

3.3.4　OpenGL多边形区域填充函数、像素阵列函数71

3.4　字符的生成75

3.4.1　点阵式字符75

3.4.2　矢量字符76

3.4.3　OpenGL字符函数76

3.5　其他曲线76

3.5.1 圆锥曲线77

3.5.2　多项式和样条曲线77

3.6　图元属性控制77

3.6.1 颜色78

3.6.2　点的属性81

3.6.3　线的属性81

3.7　反走样83

3.7.1　直线段的过取样83

3.7.2　区域取样85

3.7.3　像素移相87

3.7.4　OpenGL反走样函数87

习题88

第4章 曲线和曲面89

4.1 曲线、曲面表示基础知识89

4.1.1 曲线、曲面的显式、隐式和参数表示89

4.1.2　插值和逼近样条91

4.1.3　参数曲线的连续性条件92

4.1.4　样条描述93

4.2　三次插值样条94

4.2.1　自然三次样条94

4.2.2　三次Hermite样条94

4.3　Bézier曲线、曲面96

4.3.1　Bézier曲线的定义及性质96

4.3.2　Bézier曲线的矩阵表示98

4.3.3　Bézier曲线的生成99

4.3.4　Bézier曲面101

4.4　B样条曲线、曲面102

4.4.1　定义及性质103

4.4.2　均匀周期二次B样条曲线104

4.4.3　三次周期B样条曲线106

4.4.4　开放均匀B样条曲线107

4.4.5　B样条曲面109

4.5　有理样条曲线、曲面110

4.6　样条曲线、曲面的离散生成112

4.7　OpenGL逼近样条函数115

4.7.1　Bézier样条曲线函数115

4.7.2　Bézier样条曲面函数117

4.7.3　NURBS样条曲线函数118

4.7.4　NURBS曲面函数120

4.7.5　曲面的剪切121

习题123

第5章 图形的几何变换124

5.1　齐次坐标表示124

5.2　二维几何变换124

5.2.1　二维平移变换125

5.2.2　二维旋转变换125

5.2.3　二维缩放变换126

5.2.4　反射变换127

5.2.5　错切变换129

5.3　通用二维复合变换129

5.3.1　复合二维平移130

5.3.2　复合二维旋转130

5.3.3　复合二维缩放130

5.3.4　相对任一参考点的二维几何变换131

5.4　二维坐标系变换131

5.4.1 指定角度和原点位置的2个笛卡尔坐标系间的转换131

5.4.2　指定向量和原点位置的2个笛卡尔坐标系间的转换132

5.5　三维空间的几何变换133

5.5.1　三维平移变换133

5.5.2　简单三维旋转变换134

5.5.3　简单三维缩放变换135

5.5.4　三维反射变换135

5.5.5　三维错切变换136

5.5.6　三维复合变换136

5.5.7　三维坐标系间的变换138

5.6 OpenGL几何变换函数139

5.6.1　几何变换139

5.6.2　OpenGL矩阵操作141

5.6.3　OpenGL短阵栈142

习题142

第6章　二维观察143

6.1　二维观察变换143

6.2　观察坐标系变换146

6.3　窗口到视区的变换147

6.3.1　从窗口到视区的一般变换过程147

6.3.2　窗口到视区的变换148

6.4 OpenGL二维观察函数149

6.4.1　指定投影模式149

6.4.2　设置裁剪窗口函数149

6.4.3　视区设置函数149

6.4.4　建立GLUT显示窗口150

6.4.5 设定GLUT显示窗口的模式和颜色150

6.4.6　GLUT显示窗口位置和大小的修改150

6.4.7　在GLUT显示窗口中观察图形对象151

6.4.8　执行应用程序151

6.5　裁剪算法151

6.5.1　二维点裁剪152

6.5.2　二维直线裁剪152

6.5.3　Cohen_Sutherland线段裁剪算法153

6.5.4　Liang-Barsky线段裁剪算法155

6.5.5　Nicholl-Lee-Nicholl线段裁剪算法157

6.6　多边形裁剪159

6.6.1　Sutherland-Hodgman多边形裁剪算法159

6.6.2　Weiler-Atherton多边形裁剪算法161

6.7　文字裁剪163

习题163

第7章　三维观察164

7.1　三维观察与观察流程164

7.2　三维观察坐标系165

7.2.1　三维观察坐标系定义165

7.2.2　世界坐标系向三维观察坐标系的变换166

7.2.3　生成观察效果167

7.3　投影变换167

7.3.1　平行投影168

7.3.2　透视投影174

7.4　三维裁剪算法183

7.4.1 三维Cohen-Sutherland线段裁剪算法183

7.4.2　其他三维形体的裁剪184

7.4.3　OpenGL附加裁剪面185

习题186

第8章 交互式输入技术与图形用户界面187

8.1　用户接口模型187

8.2　逻辑输入设备189

8.3　图形输入控制方式191

8.3.1　请求方式192

8.3.2　取样方式193

8.3.3　事件方式194

8.4　交互式绘图技术195

8.4.1 回显195

8.4.2　约束196

8.4.3　橡皮筋技术196

8.4.4　拖曳技术197

8.4.5 网格技术197

8.4.6　拾取技术197

8.4.7 吸附技术198

8.5　三维交互技术198

8.6　OpenGL交互式输入函数200

8.6.1　交互式输入设备接受函数200

8.6.2　选择、拾取和反馈操作202

8.7 图形用户界面设计204

8.7.1　用户模型205

8.7.2　显示屏幕的有效利用205

8.7.3　反馈206

8.7.4 一致性原则206

8.7.5　减少记忆量206

8.7.6　回退与出错处理207

8.7.7　视觉效果设计207

8.7.8　适应不同用户207

习题207

第9章　三维对象的表示209

9.1 图形对象的定义及性质209

9.1.1　图形对象的定义209

9.1.2　几何信息与拓扑关系211

9.1.3 正则物体的性质和欧拉公式212

9.2　三维图形对象的表示方法215

9.3　规则欧氏几何对象表示216

9.3.1　边界表示法216

9.3.2　扫描表示法218

9.3.3　构造实体几何法219

9.3.4　八叉树221

9.3.5　BSP树223

9.4　非规则对象表示223

9.4.1　分形几何223

9.4.2　形状语法226

9.4.3　粒子系统226

9.4.4　基于物理的建模226

9.5　科学计算可视化227

9.5.1　标量场的可视化228

9.5.2　向量场的可视化229

9.5.3　张量场的可视化230

习题231

第10章　真实感图形绘制232

10.1　隐藏线、面消隐232

10.1.1　凸多面体的隐藏线消除233

10.1.2　凹多面体的隐藏线消除234

10.1.3　区域排序面消隐算法237

10.1.4　深度缓存算法238

10.1.5　光线投射算法239

10.1.6　扫描线Z缓冲区算法239

10.2　OpenGL可见性检查函数241

10.2.1　多边形隐藏面剔除函数241

10.2.2　深度缓存函数241

10.3　光照模型242

10.3.1　光源特性243

10.3.2　物体表面特性244

10.3.3　简单光照模型244

10.3.4　光强衰减246

10.4　基于简单光照模型的多边形绘制246

10.4.1　恒定光强多边形绘制246

10.4.2　Gouraud明暗处理247

10.4.3　Phong明暗处理248

10.5　阴影生成249

10.6　景物表面细节模拟249

10.6.1　用多边形模拟表面细节250

10.6.2　纹理映射250

10.6.3　凹凸纹理映射251

10.7　整体光照模型与光线跟踪252

10.7.1　整体光照模型252

10.7.2　光线跟踪253

10.8　OpenGL光照和物体表面特性函数258

10.8.1 OpenGL光照函数258

10.8.2　物体表面特性函数262

10.9 OpenGL纹理映射263

习题266

附录268

参考文献296