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第1章 绪论1

1.1 计算机图形学及其相关概念1

1.2 计算机图形学的发展1

1.2.1 计算机图形学的确立2

1.2.2 硬设备的发展3

1.2.3 图形软件的发展及软件标准的形成4

1.3 计算机图形学的应用4

1.3.1 计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)5

1.3.2 计算机辅助绘图6

1.3.3 计算机辅助教学(CAI)6

1.3.4 办公自动化和电子出版技术(Electronic Publication)6

1.3.5 计算机艺术7

1.3.6 在工业控制及交通方面的应用7

1.3.7 在医疗卫生方面的应用8

1.3.8 图形用户界面8

1.4 计算机图形系统8

1.4.1 计算机图形系统的功能8

1.4.2 计算机图形系统的结构9

1.5 计算机图形学研究动态13

1.5.1 计算机动画13

1.5.2 地理信息系统13

1.5.3 人机交互14

1.5.4 真实感图形显示14

1.5.5 虚拟现实15

1.5.6 科学计算可视化18

1.5.7 并行图形处理19

习题119

第2章 图形设备20

2.1 图形输入设备20

2.1.1 键盘(Keyboard)20

2.1.2 鼠标器(Mouse)20

2.1.3 光笔(Light Pen)21

2.1.4 触摸屏(Touch Screen)21

2.1.5 操纵杆(Joystick)22

2.1.6 跟踪球(Trackball)和空间球(Spacegall)22

2.1.7 数据手套(Data Glove)23

2.1.8 数字化仪(Digitizer)23

2.1.9 图像扫描仪(Scaner)24

2.1.10 声频输入系统24

2.1.11 视频输入系统24

2.2 图形显示设备25

2.2.1 阴极射线管(CRT)25

2.2.2 CRT图形显示器32

2.2.3 平板显示器35

2.2.4 三维观察设备38

2.3 图形显示子系统39

2.3.1 显示子系统结构40

2.3.2 相关概念41

2.3.3 PC图形显示卡45

2.4 图形绘制设备61

2.4.1 打印机61

2.4.2 绘图仪62

习题263

第3章 用户接口及交互式技术64

3.1 用户接口设计64

3.1.1 用户模型64

3.1.2 显示屏幕的有效利用65

3.1.3 反馈66

3.1.4 一致性原则67

3.1.5 减少记忆量67

3.1.6 回退和出错处理67

3.1.7 联机帮助67

3.1.8 视觉效果设计68

3.1.9 适应不同的用户68

3.2 逻辑输入设备与输入处理68

3.2.1 逻辑输入设备68

3.2.2 输入模式72

3.3 交互式绘图技术75

3.3.1 基本交互绘图技术75

3.3.2 三维交互技术79

习题380

第4章 图形的表示与数据结构81

4.1 基本概念81

4.1.1 基本图形元素与段的概念81

4.1.2 几何信息与拓扑信息82

4.1.3 坐标系84

4.1.4 几何元素85

4.1.5 实体的定义86

4.1.6 正则集合运算88

4.1.7 平面多面体与欧拉公式89

4.2 三维形体的表示90

4.2.1 多边形表面模型91

4.2.2 扫描表示(Sweep Representation)95

4.2.3 构造实体几何法95

4.2.4 空间位置枚举表示97

4.2.5 八叉树99

4.2.6 BSP树100

4.3 非规则对象的表示100

4.3.1 分形几何100

4.3.2 形状语法101

4.3.3 微粒系统102

4.3.4 基于物理的建模102

4.3.5 数据场的可视化103

4.4 图形的层次结构104

4.4.1 段的层次概念105

4.4.2 层次结构的实现105

习题4106

第5章 基本图形生成算法107

5.1 直线的扫描转换107

5.1.1 数值微分法108

5.1.2 中点Bresenham算法109

5.1.3 改进的Bresenham算法112

5.2 圆的扫描转换114

5.2.1 八分法画圆114

5.2.2 简单方程产生圆弧115

5.2.3 中点Bresenham画圆115

5.3 椭圆的扫描转换117

5.3.1 椭圆的特征117

5.3.2 椭圆的中点Bresenham算法118

5.4 多边形的扫描转换与区域填充122

5.4.1 多边形的扫描转换123

5.4.2 边缘填充算法127

5.4.3 区域填充128

5.4.4 其他相关的概念132

5.5 字符处理133

5.5.1 点阵字符134

5.5.2 矢量字符134

5.6 属性处理135

5.6.1 线型和线宽135

5.6.2 字符的属性138

5.6.3 区域填充属性139

5.7 反走样140

5.7.1 过取样141

5.7.2 简单的区域取样142

5.7.3 加权区域取样143

习题5144

第6章 二维变换及二维观察146

6.1 基本概念146

6.1.1 齐次坐标146

6.1.2 几何变换147

6.1.3 二维变换矩阵147

6.2 基本几何变换147

6.2.1 平移变换147

6.2.2 比例变换148

6.2.3 旋转变换148

6.2.4 对称变换149

6.2.5 错切变换151

6.2.6 二维图形几何变换的计算152

6.3 复合变换153

6.3.1 二维复合平移153

6.3.2 二维复合比例154

6.3.3 二维复合旋转154

6.3.4 其他二维复合变换154

6.3.5 相对任一参考点的二维几何变换155

6.3.6 相对任意方向的二维几何变换155

6.3.7 坐标系之间的变换156

6.3.8 光栅变换157

6.3.9 变换的性质159

6.4 二维观察159

6.4.1 基本概念159

6.4.2 用户坐标系到观察坐标系的变换162

6.4.3 窗口到视区的变换162

6.5 裁剪163

6.5.1 点的裁剪164

6.5.2 直线段的裁剪164

6.5.3 多边形的裁剪172

6.5.4 其他裁剪175

习题6176

第7章 三维变换及三维观察178

7.1 三维变换的基本概念178

7.1.1 三维齐次坐标变换矩阵178

7.1.2 几何变换178

7.1.3 平面几何投影178

7.1.4 观察投影179

7.2 三维几何变换180

7.2.1 三维基本几何变换181

7.2.2 三维复合变换186

7.3 平行投影189

7.3.1 正投影189

7.3.2 斜投影195

7.4 透视投影196

7.4.1 一点透视197

7.4.2 二点透视198

7.4.3 三点透视200

7.5 观察坐标系及观察空间201

7.5.1 观察坐标系201

7.5.2 观察空间202

7.6 三维观察流程205

7.6.1 用户坐标系到观察坐标系的变换206

7.6.2 平行投影的规范化投影变换206

7.6.3 透视投影的规范化投影变换208

7.7 三维裁剪210

7.7.1 关于规范化观察空间的裁剪211

7.7.2 齐次坐标空间的裁剪212

习题7213

第8章 曲线和曲面214

8.1 曲线曲面基础214

8.1.1 曲线曲面数学描述的发展214

8.1.2 曲线曲面的表示要求215

8.1.3 曲线曲面的表示216

8.1.4 插值和逼近样条217

8.1.5 连续性条件218

8.1.6 样条描述219

8.2 三次样条219

8.2.1 自然三次样条220

8.2.2 三次Hermite样条220

8.3 Bezier曲线曲面222

8.3.1 Bezier曲线的定义222

8.3.2 Bezier曲线的性质224

8.3.3 Bezier曲线的生成226

8.3.4 Bezier曲面229

8.4 B样条曲线曲面231

8.4.1 B样条曲线的定义231

8.4.2 B样条曲线的性质238

8.4.3 B样条曲面240

8.5 有理样条曲线曲面241

8.5.1 NURBS曲线曲面的定义242

8.5.2 有理基函数的性质243

8.5.3 NURBS曲线曲面的特点244

8.6 曲线曲面的转换和计算245

8.6.1 样条曲线曲面的转换245

8.6.2 样条曲线曲面的离散生成246

习题8249

第9章 消隐250

9.1 深度缓存器算法250

9.2 区间扫描线算法252

9.3 深度排序算法254

9.4 区域细分算法256

9.5 光线投射算法258

9.6 BSP树算法258

9.7 多边形区域排序算法259

习题9260

第10章 真实感图形绘制261

10.1 简单光照模型261

10.1.1 环境光262

10.1.2 漫反射光262

10.1.3 镜面反射光263

10.1.4 光强衰减265

10.1.5 颜色266

10.2 基于简单光照模型的多边形绘制267

10.2.1 恒定光强的多边形绘制267

10.2.2 Gouraud明暗处理267

10.2.3 Phong明暗处理269

10.3 透明处理270

10.4 产生阴影271

10.5 模拟景物表面细节272

10.5.1 用多边形模拟表面细节272

10.5.2 纹理的定义和映射272

10.5.3 凹凸映射274

10.6 整体光照模型与光线跟踪274

10.6.1 整体光照模型274

10.6.2 Whitted光照模型275

10.6.3 光线跟踪算法275

10.6.4 光线跟踪反走样277

习题10278

参考文献280