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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1 19

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2 63

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3 80

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4 106

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5 144

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6 176

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7 213

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8 249

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9 260

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10 278

参考文献 280