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目录 1

第1章　计算机图形学概述 1

1.1 图形的概念与计算机图形学的研究内容 1

1.1.1　图形的概念 1

1.1.2　计算机图形学的研究内容 2

1.2　计算机图形学的发展史 2

1.2.1　计算机图形设备和交互技术 2

1.2.2　计算机图形系统 3

1.2.3　计算机图形的标准化 4

1.3　计算机图形学的应用 5

第2章　计算机图形系统及硬件基础 8

2.1 概述 8

2.1.1　计算机系统中的图形设备 8

2.1.2　图形的输入输出处理流程 8

2.1.3　图形工作站与PC机 9

2.2.1　CRT显示器 10

2.2　图形显示原理 10

2.2.2　液晶显示器 18

2.2.3　等离子显示器 20

2.2.4　3种显示技术的比较 21

2.2.5　显卡 21

2.2.6　显卡对OpenGL的支持 23

2.3　绘图设备 23

2.3.1　喷墨绘图机 23

2.3.2　激光打印机 24

2.3.3　笔式绘图机 25

2.4　图形输入设备 26

2.4.1　光笔 26

2.4.2　数字化仪和手写输入板 27

2.4.3　触摸屏 28

2.4.4　图形扫描仪 28

2.4.5　数字墨水 29

2.4.6　数据手套 30

2.4.7　三维鼠标 30

习题 31

第3章　基本光栅图形生成算法 32

3.1　如何在计算机上绘图 32

3.1.1　在计算机上绘图的一般方法 32

3.1.2　用OpenGL绘图 33

3.2　直线生成算法 36

3.2.1　生成直线的DDA方法 36

3.2.2　正负法 37

3.2.3　Bresenham算法 39

3.2.4　改进后的Bresenham算法 40

3.3　圆弧生成算法 41

3.3.1　正负法 41

3.3.2　Bresenham算法 42

3.3.3　圆弧的离散生成 44

3.3.4　椭圆生成算法 45

3.4　多边形的填充 46

3.4.2　多边形填充的扫描线算法 47

3.4.1　多边形的表示方法 47

3.4.3　边缘填充算法 51

3.4.4　边界标志算法 51

3.5 区域填充 53

3.5.1　区域的基本概念 53

3.5.2　简单的种子填充算法 55

3.5.3　扫描线种子填充算法 55

3.6.1　光栅图形的走样现象 57

3.6　光栅图形的反走样算法 57

3.6.2　提高分辨率的反走样算法 58

3.6.3　线段反走样算法 59

3.6.4　多边形反走样算法 59

习题 60

第4章　变换 61

4.1　OpenGL中简单的变换实例 61

4.2　一般图形的显示流程 62

4.3　几何变换 63

4.3.1　基本变换 64

4.3.2　齐次坐标与变换的矩阵表示 67

4.3.3　变换的模式 68

4.4　投影变换 70

4.4.1　透视投影 71

4.4.2　平行投影 72

4.4.3　投影平面是任意平面的情况 73

4.4.4　射影变换 75

4.5　裁剪 76

4.5.1　Sutherland-Cohen算法 76

4.5.2　Cyrus-Beck算法和梁友栋-Barsky算法 78

4.5.3　多边形裁剪 82

4.5.4　三维裁剪 83

4.6　视口变换 85

4.7　GKS-3D图形显示流程 86

4.7.1　连续变换的处理 86

4.7.2　图形显示流程的进一步讨论 87

4.7.3　至规范化坐标空间的变换 87

4.7.4　视见体至三维视口的变换 90

4.8　OpenGL图形变换 92

4.8.1　OpenGL中的图形变换 92

4.8.2　OpenGL中的图形变换应用举例 93

习题 98

第5章　图形的层次结构 100

5.1 图形的层次结构概述 100

5.2　面向对象的图形层次结构实现 101

5.2.1　面向对象的层次结构表示 101

5.2.2　面向对象的层次结构编辑 106

5.2.3　面向对象的层次结构讨论 106

5.3　用结构方法实现层次结构 107

5.3.1　基本的结构函数 107

5.3.2　设置结构属性 109

5.3.3　结构编辑 110

习题 113

6.1 基本图形输入设备和基本交互任务 114

6.1.1　基本的图形输入设备 114

第6章　人机交互绘图技术 114

6.1.2　基本交互任务 115

6.2　人机交互输入模式 117

6.2.1　请求模式 118

6.2.2　样本模式 118

6.2.3　事件模式 119

6.3　常见的辅助交互技术 120

6.3.1　几何约束 120

6.2.4　输入模式的混合使用 120

6.3.2　拖拽 121

6.3.3　在三视图上进行三维输入 122

6.3.4　结构平面 122

6.3.5　新的交互技术 123

6.4　OpenGL中的交互式绘图技术 125

6.4.1　选择模式 125

6.4.2　反馈模式 128

6.5 人机交互的发展 132

习题 133

第7章　隐藏线和隐藏面的消除 134

7.1 可见面判断的有效技术 135

7.1.1　边界盒 135

7.1.2　后向面消除 136

7.1.3　非垂直投影转换成垂直投影 137

7.2　多面体隐藏线消除算法 138

7.2.1　算法的基本思想 138

7.2.2　确定边L和多边形E关系的技术 139

7.2.3　确定L的可见部分 140

7.3　基于窗口的子分算法 141

7.4　基于多边形的子分算法 142

7.5　z缓冲器算法和扫描线算法 143

7.6　优先级排序表算法 146

7.7　光线投射算法 148

7.8　曲面隐藏线的消除 149

习题 150

8.1　简单光照明模型 151

第8章　光照明模型 151

8.1.1　光源 152

8.1.2　材质 153

8.1.3　简单光照明模型概述 153

8.2　光滑明暗处理技术 157

8.2.1　Gouraud明暗处理技术 157

8.2.2　Phong明暗处理技术 158

8.3　OpenGL环境下的光照明模型 160

8.3.1　OpenGL中的颜色设置及光照明模型 160

8.3.2　OpenGL应用举例 164

习题 168

第9章　Bézier曲线曲面 169

9.1 曲线曲面的基础知识 169

9.1.1 曲线的表示 169

9.1.2　参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率 171

9.1.3　参数曲面的切平面和法矢量 173

9.1.4　参数曲线的多项式表示 174

9.1.5　参数连续性与几何连续性 175

9.2　Bézier曲线 176

9.2.1 Bézier曲线的定义 176

9.2.2 Bézier曲线的性质 177

9.2.3 Bézier曲线的其他性质 178

9.2.4 Bézier曲线的拼接 180

9.2.5 Bézier曲线的离散生成 181

9.3 Bézier曲面 184

9.3.1 Bézier曲面的定义和性质 184

9.3.2 Bézier曲面的拼接 185

9.3.3 Bézier曲面的离散生成 186

习题 187

第10章　B样条曲线曲面、Coons曲面和有理样条曲线曲面 188

10.1 B样条曲线曲面 188

10.1.1 B样条基函数的定义和性质 188

10.1.2 B样条曲线的定义和性质 189

10.1.3 B样条曲线的计算 191

10.1.4 三次B样条曲线 192

10.1.5 B样条曲面的定义和性质 194

10.2 Coons曲面 195

10.2.1　双线性Coons曲面 195

10.2.2　双三次Coons曲面 195

10.3　曲面的互化 197

10.3.1　三次Bézier曲线、B样条曲线和Hermite曲线的互化 197

10.3.2　双三次Bézier曲面、B样条曲面和Coons曲面的互化 200

10.4　有理Bézier曲线曲面 201

10.4.1　有理曲线 201

10.4.2　有理Bézier曲线 201

10.4.3　有理Bézier曲线的齐次表示 201

10.4.4　二次有理Bézier曲线 202

10.4.5　有理Bezier曲线对圆的表示 203

10.4.6　有理Bézier曲面 205

习题 205

11.1.1 三维物体的表示模型 206

11.1 三维物体在计算机内的表示 206

第11章　三维实体造型 206

11.1.2 三维物体的表示方式 208

11.2 CSG树表示 208

11.2.1　物体间的正则集合运算 208

11.2.2　物体的CSG树表示 209

11.2.3　CSG物体性质的计算 210

11.2.4　用光线投射算法进行CSG物体的图形显示 212

11.3.1 三维物体的边界表示 213

11.3　边界表示法 213

11.3.2　半边数据结构 214

11.3.3　欧拉运算 216

11.3.4　集合运算 218

11.3.5　Sweep运算和局部运算 221

11.4　空间分割表示 222

11.4.1　单元分解表示 222

11.4.2　八叉树表示 223

11.5　基于图像的三维造型 225

11.5.1　双目视觉的基本原理 226

11.5.2　双目视觉算法的具体实现 227

习题 230

第12章　真实感图形的绘制 231

12.1　光线跟踪技术 231

12.1.1　简单透明模型 232

12.1.2　Whitted光照明模型 233

12.1.3　光线跟踪技术 234

12.1.4 加速光线跟踪技术 235

12.2.1　基本光照模型 238

12.2　基于物理的光照明模型 238

12.2.2　Torrance-Sparrow光照明模型 240

12.2.3　Cook-Torrance光照明模型 243

12.3 阴影 243

12.3.1　z缓冲器阴影算法 244

12.3.2　阴影体算法 245

12.3.3　光线跟踪阴影技术及半影算法 247

12.4.1　纹理的生成 248

12.4　纹理 248

12.4.2　纹理的映射 250

12.4.3　Catmull纹理映射算法 252

12.4.4　Mip-map纹理映射技术 253

12.4.5　凹凸纹理映射技术 255

12.5　图形反走样技术 256

12.5.1　A缓冲器方法 257

12.5.2　光线跟踪的图形反走样技术 260

12.6　辐射度方法 261

12.6.1　辐射度方程 262

12.6.2　形状因子 264

12.6.3　半立方体 265

12.7　基于图像的绘制 267

12.7.1　基于图像的绘制技术 268

12.7.2　图像的拼接 271

习题 273

13.1.1　科学计算可视化的基本步骤 275

第13章　科学计算可视化 275

13.1　科学计算可视化的基本步骤和方法分类 275

13.1.2　科学计算可视化的方法分类 276

13.2　科学计算可视化处理的数据 277

13.3　面绘制方法 278

13.3.1　基于等值线的生成方法 278

13.3.2　基于体素的生成方法 280

13.3.3　几何变形模型方法 283

13.4　体绘制方法 283

13.4.2　体光照模型 284

13.4.1　体绘制方法出现的背景 284

13.4.3　以图像空间为序的体绘制方法 286

13.4.4　以物体空间为序的体绘制方法 287

13.4.5　体绘制方法中的一些典型的加速方法 288

13.4.6　Shear-warp体绘制方法 288

13.5　矢量场和张量场的可视化 289

13.5.1　矢量场的可视化 289

习题 290

13.5.2　张量场的可视化 290

第14章　颜色 291

14.1 颜色特性 291

14.2　标准基色和色彩图 294

14.2.1　XYZ颜色模型 294

14.2.2　CIE色度图 295

14.3　颜色模型 297

14.3.1 RGB模型 297

14.3.2　CMY模型 298

14.3.3　YIQ模型 298

14.3.4　HSV模型 299

14.4　颜色模型间的相互转换 299

14.5　颜色的交互选择及应用 301

习题 302

附录　OpenGL 303

主要参考文献 309