通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形的生成、表示和圖形變換的原理、數(shù)學(xué)方法和算法的學(xué)習(xí)，使用戶充分領(lǐng)略到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

實(shí)例豐富、講解清晰、力求避免內(nèi)容復(fù)雜冗長(zhǎng)。簡(jiǎn)短實(shí)例特別有助于初學(xué)者仿效理解、把握問(wèn)題精髓和對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的整體認(rèn)識(shí)。

書(shū)中課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和課程實(shí)驗(yàn)參考解決方案能讓讀者學(xué)會(huì)怎樣利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖形的生成。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是近50年來(lái)發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的新興學(xué)科，各種新媒體技術(shù)的蓬勃發(fā)展大大促進(jìn)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，計(jì)算機(jī)圖形方法普遍地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、音樂(lè)視頻、廣告、動(dòng)畫(huà)、模擬培訓(xùn)、數(shù)據(jù)分析、科學(xué)研究以及其他應(yīng)用之中。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備輸入、輸出、生成、表示、變換的原理、算法和系統(tǒng)，涉及數(shù)學(xué)、物理、工程圖學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多門學(xué)科。本書(shū)主要介紹計(jì)算機(jī)圖形的生成、表示和圖形變換的原理、數(shù)學(xué)方法和算法。

本書(shū)從提高廣大讀者計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用水平出發(fā)，深入淺出、循序漸進(jìn)，內(nèi)容涵蓋了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)理論和基本算法。全書(shū)共8章，主要內(nèi)容包括緒論、圖形系統(tǒng)、基本圖形生成算法、圖形變換、曲線和曲面、幾何造型、消隱、真實(shí)圖形。并有4個(gè)附錄，內(nèi)容包括圖形變換的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、Turbo C繪圖功能、三套模擬試題及參考答案、課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和課程實(shí)驗(yàn)參考解決方案。

本書(shū)在繼承第一版特色的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，特別根據(jù)近幾年對(duì)人才培養(yǎng)的高標(biāo)準(zhǔn)要求以及教學(xué)改革的實(shí)踐，對(duì)第一版內(nèi)容做了進(jìn)一步的優(yōu)化、補(bǔ)充和完善，使理論部分更通俗易懂，同時(shí)實(shí)踐部分更易于實(shí)施。第二版在第一版的基礎(chǔ)上做了如下修訂：第1章充實(shí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域；第2章適當(dāng)增加一些圖形設(shè)備介紹和圖示說(shuō)明，完善圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)的介紹；第3章對(duì)基本圖形生成算法的文字?jǐn)⑹龌蚬�式推�?dǎo)進(jìn)行了修改完善，增加平面圖形繪制的若干實(shí)例源程序；第4章增加左手坐標(biāo)系和右手坐標(biāo)系的變換矩陣推導(dǎo)；第5章增加了如何反求Bezier曲線控制點(diǎn)的討論；第6章完善形體模型的定義方法，增加點(diǎn)云表示方法；第7章增加新的一節(jié)“區(qū)域分割算法”；第8章對(duì)光照模型的文字?jǐn)⑹鲞M(jìn)行了修改和補(bǔ)充。各章均補(bǔ)充適量的習(xí)題，便于讀者舉一反三，靈活運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。附錄中增加新的一節(jié)“Turbo C繪圖功能”，便于讀者理解各章節(jié)的例題，并能夠用C語(yǔ)言繪圖及開(kāi)發(fā)圖形軟件，同時(shí)在“課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”一節(jié)中完善課程實(shí)驗(yàn)解決方案。

本書(shū)選題適當(dāng)，以必需、夠用為度，講清概念、結(jié)合實(shí)際、強(qiáng)化訓(xùn)練，突出適應(yīng)性、實(shí)用性和針對(duì)性，有利于學(xué)生學(xué)以致用，解決實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題，是一本計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)用教材。

本書(shū)具有教材和技術(shù)資料的雙重特征，既可以作為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)及相近專業(yè)教材，也適合作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的培訓(xùn)、自學(xué)教材，同時(shí)也是從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域研究的工程技術(shù)人員的技術(shù)參考資料。建議課堂講授48課時(shí)，上機(jī)實(shí)踐32課時(shí)。各院校可根據(jù)教學(xué)實(shí)際情況適當(dāng)增刪。

本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中，編者參閱了許多計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的參考書(shū)和有關(guān)資料，現(xiàn)謹(jǐn)向這些參考文獻(xiàn)的作者和譯者表示衷心的感謝。

本書(shū)主要由銀紅霞、杜四春、蔡立軍編寫(xiě)。參加本書(shū)編寫(xiě)大綱討論與部分編寫(xiě)工作的還有李根強(qiáng)、賈宜、雷飛躍、張曉萍等，李向軍、杜炎、李武、張宏宇、李曉杰等承擔(dān)了本書(shū)的文字錄入和圖表制作工作，在此向他們一一表示感謝。

由于作者水平有限，書(shū)中不足之處在所難免，歡迎讀者批評(píng)指正。

編 者

2015年4月于長(zhǎng)沙岳麓山

第1章 緒論 1
1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 1
1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與圖像處理 2
1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展 3
1.4 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 4
習(xí)題一 6
第2章 圖形系統(tǒng) 7
2.1 圖形系統(tǒng)的組成 7
2.1.1 圖形系統(tǒng)的功能 7
2.1.2 圖形系統(tǒng)的分類 8
2.2 圖形硬件設(shè)備 9
2.2.1 主機(jī) 9
2.2.2 圖形顯示設(shè)備 9
2.2.3 圖形繪制設(shè)備 20
2.2.4 圖形輸入設(shè)備 25
2.3 圖形軟件系統(tǒng) 30
2.3.1 圖形軟件的層次 30
2.3.2 圖形軟件標(biāo)準(zhǔn) 31
2.3.3 OpenGL簡(jiǎn)介 32
習(xí)題二 39
第3章 基本圖形生成算法 40
3.1 生成直線的常用算法 40
3.1.1 DDA畫(huà)線算法 41
3.1.2 中點(diǎn)畫(huà)線算法 43
3.1.3 Bresenham畫(huà)線算法 45
3.1.4 直線屬性 49
3.2 生成圓弧的常用算法 51
3.2.1 圓的特性 51
3.2.2 中點(diǎn)畫(huà)圓算法 51
3.2.3 Bresenham畫(huà)圓算法 53
3.3 區(qū)域填充 55
3.3.1 區(qū)域的表示和類型 55
3.3.2 掃描線多邊形填充算法 57
3.3.3 邊填充算法 64
3.3.4 種子填充算法 66
3.3.5 圓域的填充 68
3.3.6 區(qū)域填充屬性 69
3.4 字符 70
3.4.1 字符存儲(chǔ)與顯示 70
3.4.2 字符屬性 72
3.5 裁剪 73
3.5.1 點(diǎn)的裁剪 74
3.5.2 直線裁剪 74
3.5.3 多邊形裁剪 82
3.5.4 曲線裁剪 86
3.5.5 字符裁剪 87
3.5.6 三維圖形的裁剪 87
3.6 反走樣 88
3.6.1 光柵圖形的走樣現(xiàn)象 88
3.6.2 常用反走樣技術(shù) 90
3.7 平面圖形的繪制 93
3.7.1 直線的繪制 93
3.7.2 圓的繪制 94
3.7.3 利用圓繪制的圖形 94
習(xí)題三 97
第4章 圖形變換 99
4.1 二維圖形幾何變換 99
4.1.1 齊次坐標(biāo) 99
4.1.2 二維圖形的基本變換 100
4.1.3 復(fù)合變換 107
4.2 三維圖形幾何變換 113
4.2.1 三維圖形的基本變換 114
4.2.2 復(fù)合變換 122
4.3 投影變換 124
4.3.1 投影變換的基本概念 124
4.3.2 平行投影 125
4.3.3 透視投影 130
4.4 坐標(biāo)系統(tǒng)及其變換 133
4.4.1 坐標(biāo)系統(tǒng) 133
4.4.2 模型變換 135
4.4.3 觀察變換 135
4.4.4 窗口—視區(qū)變換 138
習(xí)題四 140
第5章 曲線和曲面 142
5.1 參數(shù)表示曲線和曲面的基礎(chǔ)知識(shí) 142
5.1.1 曲線和曲面的表示方法 142
5.1.2 位置矢量、切矢量、法矢量、
曲率與撓率 143
5.1.3 樣條表示 144
5.2 Hermite曲線 146
5.2.1 n次參數(shù)多項(xiàng)式曲線 146
5.2.2 三次Hermite曲線的定義 147
5.2.3 三次Hermite曲線的矩陣表示 148
5.2.4 三次Hermite曲線的算法 149
5.3 Bezier曲線 150
5.3.1 Bezier曲線的定義 150
5.3.2 Bernstein基函數(shù)的性質(zhì) 152
5.3.3 Bezier曲線的性質(zhì) 153
5.3.4 Bezier曲線的生成 156
5.4 B樣條曲線 163
5.4.1 B樣條曲線的定義 163
5.4.2 B樣條曲線的表示及性質(zhì) 164
5.4.3 B樣條曲線的生成 168
5.5 Coons曲面 171
5.5.1 參數(shù)曲面的基本概念 171
5.5.2 Coons曲面的定義 172
5.5.3 Coons曲面的拼合 173
5.6 Bezier曲面 173
5.6.1 Bezier曲面的定義及性質(zhì) 173
5.6.2 Bezier曲面的生成 175
5.7 B樣條曲面 180
5.7.1 B樣條曲面的定義 180
5.7.2 B樣條曲面的生成 181
習(xí)題五 186
第6章 幾何造型 187
6.1 簡(jiǎn)單幾何形體 187
6.1.1 幾何元素的定義 187
6.1.2 平面立體的拓?fù)潢P(guān)系 188
6.2 形體的常用模型 188
6.2.1 線框模型 189
6.2.2 表面模型 190
6.2.3 實(shí)體模型 190
6.3 形體的常用表示方法 191
6.3.1 分解表示 191
6.3.2 構(gòu)造表示 192
6.3.3 邊界表示 193
6.3.4 點(diǎn)云表示 197
習(xí)題六 198
第7章 消隱 200
7.1 基本概念 200
7.1.1 消隱的定義 200
7.1.2 消隱的分類 200
7.1.3 消隱算法的基本原則 201
7.2 畫(huà)家算法 203
7.2.1 算法的基本思想 203
7.2.2 深度優(yōu)先級(jí)表的建立 203
7.3 Z緩沖區(qū)（Z-Buffer）算法 204
7.3.1 算法的基本思想 204
7.3.2 算法的描述 205
7.3.3 算法的改進(jìn) 206
7.4 掃描線Z緩沖區(qū)算法 206
7.4.1 算法的基本思想 206
7.4.2 算法的描述 206
7.5 光線追蹤算法 207
7.5.1 算法的基本思想 207
7.5.2 算法的描述 208
7.6 區(qū)域分割算法 208
7.6.1 算法的基本思想 208
7.6.2 算法的描述 209
習(xí)題七 210
第8章 真實(shí)圖形 211
8.1 光照模型 211
8.1.1 基本光學(xué)原理 211
8.1.2 環(huán)境光 212
8.1.3 漫反射光 212
8.1.4 鏡面反射光和馮（Phong）
反射模型 213
8.2 明暗處理 215
8.2.1 雙線性光強(qiáng)插值（Gouraud
明暗處理） 215
8.2.2 雙線性法向插值（Phong明暗
處理） 216
8.3 紋理 217
8.3.1 概述 218
8.3.2 二維紋理域的映射 218
8.3.3 三維紋理域的映射 220
8.3.4 幾何紋理 220
8.4 光線跟蹤 221
8.4.1 基本光線跟蹤算法 221
8.4.2 光線與物體的求交 224
8.4.3 光線跟蹤算法的加速 226
習(xí)題八 228
附錄 229
附錄A 圖形變換的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 229
附錄B Turbo C繪圖功能 232
附錄C 模擬試題 236
附錄D 課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 255
習(xí)題參考答案 281
習(xí)題一 281
習(xí)題二 281
習(xí)題三 283
習(xí)題四 286
習(xí)題五 290
習(xí)題六 292
習(xí)題七 292
習(xí)題八 294
參考文獻(xiàn) 296

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