計算機圖形學(xué)（第二版）

通過對計算機圖形的生成、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)略到計算機圖形學(xué)在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

實例豐富、講解清晰、力求避免內(nèi)容復(fù)雜冗長。簡短實例特別有助于初學(xué)者仿效理解、把握問題精髓和對計算機圖形學(xué)的整體認識。

書中課程實驗指導(dǎo)和課程實驗參考解決方案能讓讀者學(xué)會怎樣利用計算機實現(xiàn)圖形的生成。

計算機圖形學(xué)是近50年來發(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)展大大促進了計算機圖形學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，計算機圖形方法普遍地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、音樂視頻、廣告、動畫、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。

計算機圖形學(xué)主要研究計算機及其圖形設(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)、計算機科學(xué)等多門學(xué)科。本書主要介紹計算機圖形的生成、表示和圖形變換的原理、數(shù)學(xué)方法和算法。

本書從提高廣大讀者計算機圖形學(xué)的應(yīng)用水平出發(fā)，深入淺出、循序漸進，內(nèi)容涵蓋了計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)理論和基本算法。全書共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、真實圖形。并有4個附錄，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、課程實驗指導(dǎo)和課程實驗參考解決方案。

本書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)驗和體會，特別根據(jù)近幾年對人才培養(yǎng)的高標準要求以及教學(xué)改革的實踐，對第一版內(nèi)容做了進一步的優(yōu)化、補充和完善，使理論部分更通俗易懂，同時實踐部分更易于實施。第二版在第一版的基礎(chǔ)上做了如下修訂：第1章充實計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域；第2章適當增加一些圖形設(shè)備介紹和圖示說明，完善圖形軟件標準的介紹；第3章對基本圖形生成算法的文字敘述或公式推導(dǎo)進行了修改完善，增加平面圖形繪制的若干實例源程序；第4章增加左手坐標系和右手坐標系的變換矩陣推導(dǎo)；第5章增加了如何反求Bezier曲線控制點的討論；第6章完善形體模型的定義方法，增加點云表示方法；第7章增加新的一節(jié)“區(qū)域分割算法”；第8章對光照模型的文字敘述進行了修改和補充。各章均補充適量的習(xí)題，便于讀者舉一反三，靈活運用理論知識解決實際問題。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語言繪圖及開發(fā)圖形軟件，同時在“課程實驗指導(dǎo)”一節(jié)中完善課程實驗解決方案。

本書選題適當，以必需、夠用為度，講清概念、結(jié)合實際、強化訓(xùn)練，突出適應(yīng)性、實用性和針對性，有利于學(xué)生學(xué)以致用，解決實際工作中遇到的問題，是一本計算機圖形學(xué)的實用教材。

本書具有教材和技術(shù)資料的雙重特征，既可以作為高等學(xué)校計算機及相近專業(yè)教材，也適合作為計算機圖形學(xué)的培訓(xùn)、自學(xué)教材，同時也是從事計算機圖形學(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，上機實踐32課時。各院校可根據(jù)教學(xué)實際情況適當增刪。

本書編寫過程中，編者參閱了許多計算機圖形學(xué)的參考書和有關(guān)資料，現(xiàn)謹向這些參考文獻的作者和譯者表示衷心的感謝。

本書主要由銀紅霞、杜四春、蔡立軍編寫。參加本書編寫大綱討論與部分編寫工作的還有李根強、賈宜、雷飛躍、張曉萍等，李向軍、杜炎、李武、張宏宇、李曉杰等承擔了本書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，書中不足之處在所難免，歡迎讀者批評指正。

編 者

2015年4月于長沙岳麓山

第1章 緒論 1
1.1 計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容 1
1.2 計算機圖形學(xué)與圖像處理 2
1.3 計算機圖形學(xué)的發(fā)展 3
1.4 計算機圖形學(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 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 圖形軟件標準 31
2.3.3 OpenGL簡介 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畫線算法 41
3.1.2 中點畫線算法 43
3.1.3 Bresenham畫線算法 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 中點畫圓算法 51
3.2.3 Bresenham畫圓算法 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 字符存儲與顯示 70
3.4.2 字符屬性 72
3.5 裁剪 73
3.5.1 點的裁剪 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 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 坐標系統(tǒng)及其變換 133
4.4.1 坐標系統(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 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 平面立體的拓撲關(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 畫家算法 203
7.2.1 算法的基本思想 203
7.2.2 深度優(yōu)先級表的建立 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 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 課程實驗指導(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 296

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2. Office高級應(yīng)用項目式教程（第2版） [主編 李觀金 張倩文 黎夏克 ]
3. 巧用翻譯學(xué)英語：英漢互譯500例 [王學(xué)文 著]
4. 高等教育多維評價體系構(gòu)建與高質(zhì)量發(fā)展研究 [張妍 著]
5. 系統(tǒng)規(guī)劃與管理師章節(jié)習(xí)題與考點特訓(xùn)（第二版） [主編 薛大龍]
6. 計算機操作系統(tǒng)實踐指導(dǎo)（openEuler版） [主編 秦光 曾陳萍 岳付強]
7. 信息系統(tǒng)管理工程師真題及模考卷精析（適用機考） [主 編 薛大龍 程 剛 上官緒]
8. 航海類院校體育教育教學(xué)研究 [張利超 李寧 著]
9. 新時代背景下我國職業(yè)教育產(chǎn)教融合長效機制建設(shè)研究 [王玉賢 著]
10. 電路分析 [主編 李飛 毛先柏]
11. 信息系統(tǒng)管理工程師（適用第2版大綱）一站通關(guān) [指尖瘋　編著]
12. 傳統(tǒng)山水畫論解讀與實踐 [陳鈉 著]
13. 網(wǎng)絡(luò)工程師備考一本通（適配第6版考綱） [夏杰 編著]
14. 陳孝云的職教理想與情懷 [祝吉太 江傳瑞 張義廷 著]
15. 地方本科院校電子信息學(xué)科課程思政案例集 [王甫]
16. Excel數(shù)據(jù)處理與分析（第二版） [主編 張志明 鄒 蕾]
17. 網(wǎng)絡(luò)工程師5天修煉（適配第6版考綱） [主編　朱小平 施游]
18. 倉儲管理實務(wù)（第二版） [周寧武 編著]
19. 基于AE與C#的地理信息系統(tǒng)二次開發(fā) [李小根 賈艷昌 喬翠平 姜彤 ]
20. 2023年長沙市文化和旅游業(yè)發(fā)展報告 [主編 陳莉]
21. 舞臺化妝造型設(shè)計 [主編 劉思彤 張 濤 張憶雨]
22. 產(chǎn)教融合視角高校體育專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建研究 [楊柳青 葉華兵 著]
23. 知識圖譜及應(yīng)用案例 [張善文 黃文準 于長青 陳明淑]
24. Python程序設(shè)計案例教程（微課版） [主編　石利平　田輝平　余以勝]
25. 皓月繁星：青少年兒童心理成長手冊 [主　編　林贊歌 副主編　杜志南]
26. 材料力學(xué) [章寶華 趙新勝 徐斌]
27. 系統(tǒng)集成項目管理工程師考試32小時通關(guān)（第3版） [主編　薛大龍 副主編　上官緒陽]
28. 軟考論文高分特訓(xùn)與范文10篇——系統(tǒng)分析師（第二版） [薛大龍 鄒月平 施游]
29. 黃河海勃灣水利樞紐防凌安全運行 [王戰(zhàn)領(lǐng) 王叢發(fā) 范瑜彬 著]
30. 大學(xué)生心理健康教育 [方雄 著]