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第1章 图形设备、系统和应用 1

1.1 计算机图形学的发展及应用 1

1.1.1 计算机图形学硬件的发展 1

1.1.2 计算机图形学软件及算法的发展 3

1.1.3 计算机图形学在我国的发展 4

1.1.4 计算机图形学的应用 5

1.2 图形输入设备 7

1.2.1 鼠标器 7

1.2.2 光笔 8

1.2.3 触摸屏 9

1.2.4 坐标数字化仪 10

1.2.5 图形扫描仪 11

1.3 图形显示设备 12

1.3.1 阴极射线管 12

1.3.2 彩色阴极射线管 13

1.3.3 随机扫描的图形显示器 13

1.3.4 存储管式的图形显示器 13

1.3.5 光栅扫描式图形显示器 14

1.3.6 液晶显示器(LCD) 19

1.3.7 等离子显示器 19

1.4.1 喷墨打印机 20

1.3.8 几种显示技术的比较 20

1.4 图形绘制设备 20

1.4.2 激光打印机 21

1.4.3 静电绘图仪 22

1.4.4 笔式绘图仪 23

1.5 图形处理器 24

1.5.1 简单图形处理器 24

1.5.2 单片图形处理器 27

1.5.3 个人计算机图形卡 28

1.5.4 图形并行处理器 32

1.6.1 计算机图形系统的功能及组成 34

1.6 图形系统和工作站 34

1.6.2 个人计算机图形系统 35

1.6.3 工作站的发展和特点 38

1.6.4 几种精简指令集工作站 41

1.6.5 工作站的性能评测与选择 49

1.7 虚拟现实系统 51

1.7.1 系统构成 51

1.7.2 三维输入设备 53

1.7.4 头盔显示器 54

1.7.3 跟踪器 54

1.7.5 应用前景 55

习题 56

第2章 计算机图形标准化和窗口系统 57

2.1 计算机图形接口(CGI) 58

2.1.1 控制功能集 58

2.1.2 输出功能集 58

2.1.4 输入和应答功能集 59

2.1.5 光栅功能集 59

2.1.3 图段功能集 59

2.2 计算机图形元文件(CGM) 60

2.2.1 图形元文件 60

2.2.2 图形元文件的解释 60

2.2.3 CGM的组成 61

2.3 图形核心系统(GKS) 63

2.3.1 GKS的功能 63

2.3.2 图形输入与输出 64

2.3.8 GKS-3D 65

2.3.7 GKS的分级管理 65

2.3.6 GKS的文件接口 65

2.3.4 坐标系 65

2.3.3 工作站 65

2.3.5 图段 65

2.4 程序员层次交互式图形系统(PHIGS) 67

2.4.1 模块化的功能结构 67

2.4.2 动态的结构、元素管理 68

2.4.3 GKS-3D和PHIGS的比较 70

2.4.4 PHIGS的扩充版本PHIGS- 72

2.4.5 网络窗口环境下的PHIGS-PEX 73

2.4.6 图形程序库GL 75

2.5.1 IGES的作用 77

2.5 基本图形转换规范(IGES) 77

2.5.2 IGES的实体 78

2.5.3 IGES的文件结构 78

2.5.4 EGES的出错处理 78

2.6 产品模型数据转换标准(STEP) 79

2.6.1 STEP的产品模型数据 79

2.6.2 STEP的概念模式 80

2.6.3 STEP中特征的定义 81

2.6.4 STEP的基本组成 81

2.7.1 基本概念 82

2.7 计算机图形参考模型(CGRM) 82

2.7.2 CGRM的外部关系 83

2.7.2 CGRM的环境模型 83

2.7.2 CGRM的数据元素 84

2.8 窗口系统 85

2.8.1 窗口系统的特点 85

2.8.2 几种常用的窗口系统 88

2.8.3 窗口系统的输入处理 96

2.8.4 窗口系统的输出处理 100

2.8.5 窗口系统工具箱 102

2.8.6 流行的图形用户接口 105

2.8.7 从窗口系统Windows到窗口操作系统Windows NT 108

2.8.8 如何用窗口系统编应用程序 111

习题 128

第3章 交互技术与用户接口 130

3.1 用户接口的常用形式 130

3.1.1 子程序库 130

3.1.2 专用语言 131

3.1.3 交互命令 132

3.2 交互设备、交互任务和交互技术 135

3.2.1 交互设备 135

3.2.2 交互任务 137

3.2.3 交互技术 140

3.2.4 拾取图形 142

3.3 输入控制 144

3.3.1 三种输入控制方式 144

3.3.2 请求方式 145

3.3.3 取样方式 145

3.3.4 事件方式 146

3.4 如何构造一个交互系统 147

3.4.1 交互式用户接口的表现形式 147

3.3.5 输入控制方式的混合使用 147

3.4.2 交互式用户接口常见的工作方式 150

3.4.3 用户命令集的描述 150

3.4.4 人机对话序列的设计 151

3.4.5 交互式用户接口的实现 153

3.4.6 交互式用户接口简例 159

3.5 基于知识的用户接口设计环境 161

3.5.1 目标 162

3.5.2 结构 162

3.5.3 基于知识的用户接口 162

习题 163

3.5.4 用户接口变换器 163

第4章 基本图形生成算法 165

4.1 直线的扫描转换 165

4.1.1 数值微分法 166

4.1.2 中点画线法 167

4.1.3 Bresenham画线算法 169

4.2 圆与椭圆的扫描转换 170

4.2.1 圆的扫描转换 170

4.2.2 Bresenham画圆算法 173

4.2.3 椭圆的扫描转换 176

4.3 区域填充 178

4.3.1 多边形域的填充 179

4.3.2 边填充算法 182

4.3.3 种子填充算法 185

4.3.4 圆域的填充 187

4.3.5 区域填充图案 187

4.4 线宽与线型的处理 190

4.4.1 直线线宽的处理 190

4.4.2 圆弧线宽的处理 192

4.5 字符 193

4.4.3 线型的处理 193

4.5.1 矢量字符 194

4.5.2 点阵字符 195

4.5.3 字型技术 195

4.5.4 字符输出 197

4.6 裁剪 199

4.6.1 线段裁剪 200

4.6.2 多边形裁剪 206

4.6.3 字符裁剪 209

4.7.1 提高分辨率 210

4.7 反走样 210

4.7.2 简单的区域取样 211

4.7.3 加权区域取样 213

习题 215

第5章 交互式图形程序库--GIL 217

5.1 应用GIL的预备知识 217

5.1.1 为什么要用GIL 217

5.1.2 GIL的运行环境 218

5.1.3 变量、坐标及控制流程 218

5.1.4 用户界面 219

5.1.5 文件格式 220

5.1.6 设置光标 223

5.1.7 系统初始化 224

5.2 如何用GIL画图 225

5.2.1 窗口的创建和管理 225

5.2.2 画基本图形 229

5.2.3 区域填充 231

5.2.4 设属性 232

5.2.5 象素操作 235

5.2.6 字符和汉字 236

5.3.1 人的因素 238

5.3 如何用GIL实现人-机交互操作 238

5.3.2 内存空间的申请和释放 239

5.3.3 对话框 240

5.3.4 提示信息和出错信息 245

5.3.5 拖动画图方式的设备 246

5.3.6 拾取几何信息 247

5.3.7 输入数据 247

5.3.8 定义热键 250

5.3.9 用GIL构造交互系统实例 251

5.4 GIL中基本数据类型定义 258

5.5 GIL中函数一览表 259

习题 260

第6章 曲线和曲面 262

6.1 曲线、曲面参数表示的基础知识 262

6.1.1 显式、隐式和参数表示 262

6.1.2 参数曲线的定义及其切矢量、法矢量、曲率和挠率 265

6.1.3 插值、逼近、拟合和光顺 267

6.1.4 参数曲线的代数形式和几何形式 270

6.1.5 调和函数 271

6.1.6 曲线段间C1，C2和C1，G2连续性定义 272

6.1.7 重新参数化 273

6.1.8 四点式曲线 275

6.1.9 有理参数多项式曲线 276

6.2 常用的参数曲线 276

6.2.1 Bezier曲线 277

6.2.2 B样条曲线 284

6.2.3 非均匀有理B样条(NURBS)曲线 294

6.2.4 常用参数曲线的等价表示 302

6.2.5 等距线 302

6.2.6 圆锥曲线 305

6.2.7 等值线 306

6.3.1 参数曲面的定义 309

6.3 常用的参数曲面 309

6.3.2 参数曲面的重新参数化 314

6.3.3 平面、二次面和直纹面 316

6.3.4 Coons曲面和张量积面 319

6.3.5 Bezier曲面 321

6.3.6 B样条曲面 323

6.3.7 非均匀有理B样条(NURBS)曲面 324

6.3.8 常用双三次参数曲面的等价表示 326

6.3.10 基于三维散列数据构造曲面 327

6.3.9 等距面 327

6.3.11 扫描面 329

习题 331

第7章 图形变换 333

7.1 图形变换的数学基础 333

7.1.1 矢量运算 333

7.1.2 矩阵运算 333

7.1.3 齐次坐标 336

7.2.3 窗口区和视图区的坐标变换 337

7.2.2 屏幕域和视图区 337

7.2.1 用户域和窗口区 337

7.2 窗口视图变换 337

7.2.4 从规格化坐标(NDC)到设备坐标(DC)的变换 339

7.3 图形的几何变换 340

7.3.1 二维图形的几何变换 341

7.3.2 三维图形的几何变换 344

7.3.3 参数图形的几何变换 348

7.4 形体的投影变换 353

7.4.1 投影变换分类 353

7.4.2 正平行投影(三视图) 353

7.4.3 斜平行投影 354

7.4.4 透视投影 355

7.4.5 投影空间 359

7.4.6 用户坐标系到观察坐标系的变换 360

7.4.7 规格化裁剪空间和图像空间 362

7.5 三维线段裁剪 365

习题 366

第8章 几何造型 368

8.1 形体在计算机内的表示 368

8.1.1 表示形体的坐标系 368

8.1.2 几何元素的定义 371

8.1.3 表示形体的线框、表面、实体模型 373

8.1.4 形体的边界及其连接关系 374

8.1.5 常用的形体表示方式 376

8.2 边界表示的数据结构与欧拉操作 380

8.2.1 翼边结构 380

8.2.2 对称结构 380

8.2.3 基于面的多表结构 382

8.2.4 欧拉操作 383

8.3.1 点与各几何元素的求交计算 388

8.3 求交算法 388

8.3.2 直线与各几何元素求交 393

8.3.3 曲线与各几何元素求交 396

8.3.1 面与面求交 398

8.4 集合运算 409

8.4.1 一维几何元素的集合运算 410

8.4.2 一维几何元素的集合运算 414

8.4.3 一维几何元素的集合运算 420

8.5 常用的其他造型方法 439

8.5.1 分数维(Fractal)造型 439

8.5.2 特征(Feature)造型 443

8.5.3 从二维正投影图构造三维形体 448

8.5.4 从二维图象信息构造三维形体 453

习题 458

第9章 真实图形 459

9.1 消除隐藏线 459

9.1.1 凸多面体的隐藏线消除 461

9.1.2 凹多面体的隐藏线消除 462

9.1.3 二次曲面体的隐藏线消除 467

9.2.1 画家算法 473

9.2 消除隐藏面 473

9.2.2 Z缓冲区算法 475

9.2.3 扫描线算法 476

9.2.4 区域采样算法 478

9.3 明暗效应 481

9.3.1 明暗模型 482

9.3.2 处理方法 483

9.3.3 透明效果 485

9.4 颜色模型 486

9.4.1 基本概念 486

9.4.2 CIE色度图 487

9.4.3 常用的颜色模型 490

9.4.4 颜色的选择插值和复制 495

9.5 纹理 497

9.5.1 纹理的定义和映射 498

9.5.2 纹理的反走样处理 501

9.6 光线跟踪 504

9.6.1 求交算法 505

9.6.2 法向量计算 509

9.6.3 反射与折射方向 510

9.6.4 光照模型 511

9.6.6 加速算法 515

9.7 幅射度 520

9.7.1 基本算法 521

9.7.2 有遮挡关系环境中幅射度的计算 523

9.7.3 半阴影区域的特殊处理 525

9.8 科学计算的可视化 528

9.8.1 数据场 528

9.8.2 体绘制技术的基本原理 528

9.8.3 以图象空间为序的体绘制算法 529

习题 531

10.1 图象数据 533

第10章 图象处理 533

10.1.1 图解的表示 534

10.1.2 图象的采样 535

10.1.3 图象的数据格式 537

10.1.4 图象的灰度直方图 542

10.1.5 图象的二值化 545

10.2 图解变换 546

10.2.1 图象的空间变换 546

10.2.2 傅里叶变换 550

10.3.1 细线化技术 554

10.3 图象解析 554

10.3.2 轮廓线追踪 557

10.4 图象数据压缩 558

10.4.1 步长法 559

10.4.2 差值法 560

10.4.3 块域符号法 562

10.5 图象识别 564

10.5.1 手写文字的识别 565

10.5.2 印刷体文字识别 566

习题 567

参考文献 569