交互式计算机图形学 基于WEBGL的自顶向下方法 第7版2025|PDF|Epub|mobi|kindle电子书版本百度云盘下载

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第1章 图形系统和模型1

1.1 计算机图形学的应用1

1.1.1 信息的显示1

1.1.2 设计2

1.1.3 仿真和动画2

1.1.4 用户界面3

1.2 图形系统3

1.2.1 像素和帧缓存4

1.2.2 CPU与GPU5

1.2.3 输出设备5

1.2.4 输入设备7

1.3 物理图像与合成图像7

1.3.1 对象和观察者8

1.3.2 光和图像9

1.3.3 成像模型10

1.4 成像系统11

1.4.1 针孔照相机11

1.4.2 人类视觉系统12

1.5 虚拟照相机模型13

1.6 应用程序编程接口15

1.6.1 笔式绘图仪模型15

1.6.2 三维API17

1.6.3 使用WebGLAPI绘制的一系列图像19

1.6.4 建模－绘制模式20

1.7 图形绘制系统的体系结构21

1.7.1 显示处理器21

1.7.2 流水线体系结构21

1.7.3 图形绘制流水线22

1.7.4 顶点处理22

1.7.5 裁剪和图元组装23

1.7.6 光栅化23

1.7.7 片元处理23

1.8 可编程流水线24

1.9 性能特征24

1.10 OpenGL版本和WebGL25

小结和注释26

建议阅读资料27

习题27

第2章 图形学编程29

2.1 Sierpinski镂垫29

2.2 编写二维图形应用程序31

2.3 WebGL应用程序编程接口35

2.3.1 图形函数35

2.3.2 图形绘制流水线和状态机36

2.3.3 OpenGL和WebGL37

2.3.4 WebGL接口37

2.3.5 坐标系38

2.4 图元和属性39

2.4.1 多边形的基本概念41

2.4.2 WebGL中的多边形42

2.4.3 利用多边形近似球面43

2.4.4 三角剖分43

2.4.5 文本44

2.4.6 曲线和曲面对象45

2.4.7 属性45

2.5 颜色46

2.5.1 RGB颜色47

2.5.2 索引颜色49

2.5.3 设置颜色属性50

2.6 观察51

2.6.1 正投影51

2.6.2 二维观察52

2.7 控制函数53

2.7.1 和窗口系统的交互53

2.7.2 宽高比和视口54

2.7.3 应用程序组织结构55

2.8 Sierpinski镂垫绘制程序56

2.8.1 向GPU发送数据58

2.8.2 绘制Sierpinski镂垫的点数据59

2.8.3 顶点着色器59

2.8.4 片元着色器60

2.8.5 组合代码段60

2.8.6 initShaders()函数61

2.8.7 init()函数62

2.8.8 从应用程序读入着色器63

2.9 多边形和递归63

2.10 三维Sierpinski镂垫65

2.10.1 使用三维点65

2.10.2 命名规范66

2.10.3 使用多边形的三维Sierpinski镂垫66

2.10.4 隐藏面消除69

小结和注释70

建议阅读资料71

习题72

第3章 交互和动画75

3.1 动画75

3.1.1 旋转的正方形75

3.1.2 显示过程77

3.1.3 双缓存78

3.1.4 使用定时器79

3.1.5 使用requestAnimFrame函数79

3.2 交互80

3.3 输入设备81

3.4 物理输入设备82

3.4.1 键盘码82

3.4.2 光笔82

3.4.3 鼠标和跟踪球82

3.4.4 数据板、触摸板和触摸屏83

3.4.5 操作杆84

3.4.6 多维输入设备84

3.4.7 逻辑设备85

3.4.8 输入模式86

3.5 客户和服务器87

3.6 事件驱动输入编程88

3.6.1 事件和事件监听器88

3.6.2 增加按钮89

3.6.3 菜单90

3.6.4 使用键码91

3.6.5 滑动条91

3.7 位置输入92

3.8 窗口事件94

3.9 拾取94

3.10 建立交互式模型95

3.11 交互式程序的设计99

小结和注释99

建议阅读资料100

习题101

第4章 几何对象和变换103

4.1 标量、点和向量103

4.1.1 几何对象103

4.1.2 与坐标无关的几何105

4.1.3 数学的观点：向量空间和仿射空间106

4.1.4 计算机科学的观点106

4.1.5 几何ADT107

4.1.6 直线108

4.1.7 仿射加法108

4.1.8 凸性108

4.1.9 点积和叉积109

4.1.10 平面110

4.2 三维图元111

4.3 坐标系和标架112

4.3.1 向量的表示和n元组114

4.3.2 坐标系的变换114

4.3.3 举例：不同基下的表示之间的变换116

4.3.4 齐次坐标117

4.3.5 举例：标架变换119

4.3.6 对表示进行处理120

4.4 WebGL中的标架122

4.5 矩阵和向量类型125

4.6 建模一个彩色立方体127

4.6.1 建模立方体的面127

4.6.2 向内和向外的面128

4.6.3 表示对象的数据结构128

4.6.4 彩色立方体129

4.6.5 颜色插值130

4.6.6 显示立方体131

4.6.7 使用元素绘制网格132

4.7 仿射变换133

4.8 平移、旋转和缩放135

4.8.1 平移135

4.8.2 旋转135

4.8.3 缩放137

4.9 变换的齐次坐标表示137

4.9.1 平移138

4.9.2 缩放138

4.9.3 旋转139

4.9.4 错切140

4.10 变换的级联141

4.10.1 不动点在任意位置的旋转142

4.10.2 一般的旋转142

4.10.3 实例变换143

4.10.4 绕任意轴的旋转144

4.11 WebGL中的变换矩阵147

4.11.1 当前变换矩阵147

4.11.2 基本矩阵函数148

4.11.3 旋转、平移和缩放148

4.11.4 绕任意不动点的旋转149

4.11.5 变换的顺序149

4.12 使立方体旋转起来150

4.13 三维应用程序的接口153

4.13.1 使用屏幕区域154

4.13.2 虚拟跟踪球154

4.13.3 平滑的旋转155

4.13.4 增量式旋转156

4.14 四元数157

4.14.1 复数和四元数157

4.14.2 四元数和旋转158

4.14.3 四元数和万向节死锁159

小结和注释160

建议阅读资料160

习题161

第5章 观察164

5.1 经典观察和计算机观察164

5.1.1 经典观察165

5.1.2 正投影166

5.1.3 轴测投影166

5.1.4 斜投影167

5.1.5 透视观察168

5.2 计算机观察169

5.3 定位照相机170

5.3.1 照相机标架的定位170

5.3.2 两个观察API174

5.3.3 lookAt函数176

5.3.4 其他观察API177

5.4 平行投影178

5.4.1 正投影178

5.4.2 WebGL中的平行投影179

5.4.3 投影的规范化179

5.4.4 正投影变换矩阵180

5.4.5 斜投影181

5.4.6 交互式观察立方体184

5.5 透视投影185

5.6 WebGL中的透视投影188

5.7 透视投影变换矩阵189

5.7.1 透视投影的规范化190

5.7.2 WebGL中的透视投影变换192

5.7.3 透视投影示例程序193

5.8 隐藏面消除193

5.9 显示网格195

5.9.1 显示网格曲面198

5.9.2 多边形偏移199

5.9.3 在场景中漫游200

5.10 投影和阴影200

5.11 阴影映射204

小结和注释204

建议阅读资料205

习题205

第6章 光照和着色207

6.1 光线和材质207

6.2 光源209

6.2.1 彩色光源210

6.2.2 环境光210

6.2.3 点光源211

6.2.4 聚光灯212

6.2.5 远距离光源212

6.3 Phong反射模型213

6.3.1 环境光反射214

6.3.2 漫反射215

6.3.3 镜面反射216

6.3.4 改进的Phong模型217

6.4 计算向量218

6.4.1 法向量218

6.4.2 反射角220

6.5 多边形的着色221

6.5.1 均匀着色221

6.5.2 平滑着色222

6.5.3 Phong着色223

6.6 通过递归细分逼近球面224

6.7 指定光照参数226

6.7.1 光源226

6.7.2 材质227

6.8 实现光照模型227

6.8.1 在WebGL应用程序代码中应用光照模型228

6.8.2 绘制效率230

6.8.3 在顶点着色器中实现光照计算231

6.9 球面模型的着色234

6.10 基于每个片元的光照计算235

6.11 非真实感着色237

6.12 全局光照238

小结和注释239

建议阅读资料239

习题240

第7章 离散技术242

7.1 缓存242

7.2 数字图像244

7.3 映射方法246

7.4 二维纹理映射248

7.5 WebGL的纹理映射252

7.5.1 纹理对象253

7.5.2 纹理图像数组253

7.5.3 纹理坐标和纹理采样器255

7.5.4 纹理采样259

7.5.5 使用纹理坐标261

7.5.6 多纹理映射262

7.6 纹理生成264

7.7 环境贴图265

7.8 反射贴图示例程序268

7.9 凹凸映射271

7.9.1 计算凹凸贴图272

7.9.2 凹凸贴图示例程序274

7.10 融合技术278

7.10.1 不透明度与融合278

7.10.2 图像融合279

7.10.3 WebGL中图像的融合279

7.10.4 再探反走样280

7.10.5 从后向前或从前向后绘制多边形282

7.10.6 场景反走样和多重采样282

7.10.7 图像处理283

7.10.8 其他的多通道绘制方法284

7.11 GPGPU284

7.12 帧缓存对象287

7.13 缓存交换292

7.14 拾取294

小结和注释298

建议阅读资料299

习题299

第8章 从几何到像素301

8.1 图形绘制流水线的基本实现策略301

8.2 图形绘制系统的四个主要任务303

8.2.1 建模303

8.2.2 几何处理304

8.2.3 光栅化305

8.2.4 片元处理305

8.3 裁剪306

8.4 线段的裁剪306

8.4.1 Cohen-Sutherland裁剪算法307

8.4.2 Liang-Barsky裁剪算法308

8.5 多边形的裁剪310

8.6 其他图元的裁剪312

8.6.1 包围盒与包围体312

8.6.2 曲线、曲面和字符的裁剪313

8.6.3 帧缓存中的裁剪314

8.7 三维裁剪314

8.8 光栅化316

8.9 Bresenham算法318

8.10 多边形光栅化算法320

8.10.1 内外测试法320

8.10.2 WebGL与凹多边形321

8.10.3 填充与分类322

8.10.4 漫水填充算法322

8.10.5 处理奇点323

8.11 隐藏面消除323

8.11.1 对象空间和图像空间消隐算法324

8.11.2 排序与隐藏面消除325

8.11.3 扫描线填充算法325

8.11.4 背面剔除326

8.11.5 z缓存算法327

8.11.6 基于z缓存的扫描转换算法329

8.11.7 深度排序和画家算法330

8.12 反走样332

8.13 显示方面的问题333

8.13.1 颜色系统334

8.13.2 颜色矩阵336

8.13.3 γ校正337

8.13.4 抖动输出技术和半色调输出技术337

小结和注释338

建议阅读资料339

习题340

第9章 层级建模方法342

9.1 图符和实例342

9.2 层级模型344

9.3 机器人手臂345

9.4 树与遍历348

9.5 使用树数据结构351

9.6 动画354

9.7 图形对象355

9.7.1 方法、属性和消息356

9.7.2 一个立方体对象357

9.7.3 对象与层级结构357

9.7.4 几何和非几何对象358

9.8 场景图359

9.9 实现场景图361

9.10 其他树结构362

9.10.1 CSG树362

9.10.2 BSP树363

9.10.3 四叉树和八叉树365

小结和注释367

建议阅读资料367

习题368

第10章 过程建模方法369

10.1 基于算法的建模369

10.2 基于物理的建模和粒子系统370

10.3 牛顿粒子371

10.3.1 独立的粒子373

10.3.2 弹簧力373

10.3.3 吸引力与排斥力374

10.4 求解粒子系统方程375

10.5 约束条件377

10.5.1 碰撞377

10.5.2 软约束379

10.6 一个简单的粒子系统379

10.6.1 绘制粒子380

10.6.2 更新粒子的位置380

10.6.3 碰撞380

10.6.4 作用力381

10.6.5 群聚行为382

10.7 基于agent的建模383

10.8 基于语言的建模384

10.9 递归方法和分形387

10.9.1 标尺和长度388

10.9.2 分形维数388

10.9.3 中点划分及布朗运动389

10.9.4 分形山脉390

10.9.5 Mandelbrot集391

10.9.6 Mandelbrot片元着色器393

10.10 过程噪声394

小结和注释396

建议阅读资料397

习题397

第11章 曲线和曲面399

11.1 曲线和曲面的表示形式399

11.1.1 显式表示形式399

11.1.2 隐式表示形式400

11.1.3 参数表示形式401

11.1.4 参数多项式曲线402

11.1.5 参数多项式曲面402

11.2 设计准则403

11.3 三次参数多项式曲线404

11.4 插值405

11.4.1 调和函数406

11.4.2 三次插值曲面片407

11.5 Hermite曲线和曲面408

11.5.1 Hermite形式409

11.5.2 几何与参数连续性410

11.6 Bézier曲线和曲面411

11.6.1 Bézier曲线411

11.6.2 Bézier曲面片413

11.7 三次B样条413

11.7.1 三次B样条曲线414

11.7.2 B样条和基函数416

11.7.3 样条曲面416

11.8 普通B样条417

11.8.1 B样条的递归定义417

11.8.2 均匀样条418

11.8.3 非均匀B样条418

11.8.4 NURBS419

11.8.5 Catmull-Rom样条420

11.9 曲线和曲面的绘制420

11.9.1 多项式求值方法421

11.9.2 递归细分Bézier多项式422

11.9.3 基于细分算法的其他多项式曲线的绘制423

11.9.4 细分Bézier曲面424

11.10 Utah茶壶模型425

11.11 代数曲面427

11.11.1 二次曲面427

11.11.2 使用光线跟踪绘制曲面428

11.12 曲线和曲面的细分429

11.13 从数据生成网格431

11.13.1 回顾高度场431

11.13.2 Delaunay三角剖分432

11.13.3 点云435

11.14 支持曲线和曲面的图形API435

11.14.1 曲面细分着色435

11.14.2 几何着色436

小结和注释436

建议阅读资料437

习题437

第12章 高级绘制439

12.1 超越流水线绘制结构439

12.2 光线跟踪440

12.3 构建…个简单的光线跟踪器442

12.3.1 光线跟踪递归算法442

12.3.2 计算交点443

12.3.3 其他不同形式的光线跟踪445

12.4 绘制方程446

12.5 辐射度方法448

12.5.1 辐射度方程449

12.5.2 求解辐射度方程450

12.5.3 计算排列因子450

12.5.4 实现辐射度算法452

12.6 全局光照和路径跟踪453

12.7 RenderMan454

12.8 并行绘制455

12.8.1 sort-middle绘制方法456

12.8.2 sort-last绘制方法457

12.8.3 sort-first绘制方法459

12.9 GPU硬件实现460

12.10 隐函数和等高线图461

12.10.1 步进方格461

12.10.2 步进三角形465

12.11 体绘制466

12.11.1 体数据集466

12.11.2 隐函数的可视化467

12.12 等值面与步进立方体468

12.13 步进四面体470

12.14 网格简化471

12.15 直接体绘制471

12.15.1 指定颜色和透明度472

12.15.2 抛雪球算法472

12.15.3 体光线跟踪473

12.15.4 基于纹理映射的体绘制474

12.16 基于图像的绘制474

小结和注释476

建议阅读资料477

习题478

附录A 初始化着色器480

附录B 空间484

附录C 矩阵490

附录D 采样与走样497

参考文献503