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第1章 绪论 1

1.1计算机图形学的研究内容及其与相关学科的关系 1

1.1.1什么是计算机图形学 1

1.1.2计算机图形学的研究内容 2

1.1.3计算机图形学与其他相关学科的关系 2

1.2计算机图形学的发展与应用 3

1.2.1计算机图形学的发展简史和发展方向 3

1.2.2计算机图形学的应用领域 5

1.3本章小结 8

习题1 8

第2章 交互式计算机图形处理系统 9

2.1交互式计算机图形系统的组成 9

2.2图形输入设备 10

2.2.1一般输入设备 10

2.2.2图形输入设备 14

2.2.3 3D图形输入设备 16

2.3视频显示设备 17

2.3.1光栅扫描显示器 17

2.3.2光栅扫描显示系统 22

2.3.3 CRT显示器的现在与未来 30

2.3.4平板显示器 30

2.3.5三维立体显示技术 34

2.3.6新一代显示器 35

2.4图形绘制设备 36

2.4.1绘图仪 36

2.4.2打印机 38

2.4.3 3D打印机 38

2.5虚拟现实中的动态交互感知设备 39

2.6 OpenGL图形标准 41

2.6.1 OpenGL简介 41

2.6.2 OpenGL的主要特点和功能 41

2.6.3 OpenGL的工作流程 42

2.6.4 OpenGL开发库的基本组成 43

2.6.5如何在Visual C＋＋环境中使用OpenGL库函数 43

2.7本章小结 44

习题2 44

第3章 基本图形生成算法 46

3.1直线的扫描转换 46

3.1.1光栅图形中点的表示 46

3.1.2绘制直线的要求 46

3.1.3数值微分画线法 47

3.1.4中点画线法 49

3.1.5 Bresenham画线算法 50

3.2圆和圆弧的扫描转换 52

3.2.1圆的特性 52

3.2.2数值微分画圆法 52

3.2.3中点画圆法 54

3.2.4 Bresenham画圆算法 55

3.2.5多边形逼近画圆法 58

3.3线宽与线型的处理 59

3.3.1线宽的处理 60

3.3.2线型的处理 61

3.4实区域填充算法 62

3.4.1实区域填充算法的基本思路 62

3.4.2一般多边形的填充过程及其存在的问题 62

3.4.3有序边表算法 65

3.4.4边填充算法 68

3.4.5简单的种子填充算法 70

3.4.6扫描线种子填充算法 72

3.5图形反走样技术 74

3.5.1光栅图形的走样现象及其原因 74

3.5.2常用反走样技术 75

3.5.3 Bresenham区域反走样算法 77

3.6本章小结 79

习题3 79

第4章 自由曲线和曲面 80

4.1计算机辅助几何设计概述 80

4.1.1 CAGD的研究内容 80

4.1.2对形状数学描述的要求 81

4.1.3自由型曲线和曲面的一般设计过程和数学表示 83

4.1.4自由曲线曲面的发展历程 85

4.2参数样条曲线 86

4.2.1线性插值与抛物线插值 86

4.2.2参数样条曲线与样条插值 87

4.3 Bézier曲线 93

4.3.1 Bézier曲线的数学表示 93

4.3.2 Bézier曲线的性质 94

4.3.3常用的Béezier曲线 96

4.3.4 Bézier曲线的拼接 98

4.3.5 de Casteljau递推算法 99

4.3.6反求Bézier曲线控制点 100

4.3.7有理Bézier曲线 101

4.4 B样条曲线 101

4.4.1问题的提出 101

4.4.2 B样条曲线的数学表示 102

4.4.3二次B样条曲线 103

4.4.4三次B样条曲线 104

4.4.5 B样条曲线的几种特殊情况 105

4.4.6反求B样条曲线控制顶点 107

4.4.7均匀B样条、准均匀B样条与非均匀B样条 112

4.4.8 B样条曲线的离散生成——deBoor分割算法 115

4.4.9非均匀有理B样条（NURBS）曲线 116

4.5自由曲面 117

4.5.1参数多项式曲面 118

4.5.2 Coons曲面 119

4.5.3 Bézier曲面 120

4.5.4 B样条曲面 122

4.6本章小结 123

习题4 124

第5章 图形变换与裁剪 125

5.1窗口视图变换 125

5.2二维图形几何变换 126

5.2.1二维图形几何变换原理 126

5.2.2齐次坐标技术 128

5.2.3二维组合变换 128

5.3三维图形几何变换 132

5.3.1三维空间坐标系 132

5.3.2三维图形几何变换 133

5.3.3三维图形的组合变换 138

5.4投影变换 139

5.4.1投影变换的分类 139

5.4.2平行投影 140

5.4.3透视投影 145

5.5二维线段裁剪 147

5.5.1矩形窗口裁剪算法 148

5.5.2圆形窗口裁剪算法 153

5.5.3多边形窗口裁剪算法 155

5.6多边形的裁剪 158

5.6.1 Sutherland-Hodgman算法 158

5.6.2 Weiler-Atherton算法 160

5.7三维线段裁剪 162

5.7.1平行投影中的三维裁剪 162

5.7.2透视投影中的三维裁剪 163

5.8本章小结 165

习题5 165

第6章 实体几何造型基础 166

6.1多面体模型和曲面模型 166

6.1.1多面体模型 166

6.1.2曲面模型 168

6.2线框模型、表面模型和实体模型 170

6.3实体几何造型系统的发展 172

6.4实体的定义与运算 172

6.4.1实体的定义 172

6.4.2欧拉公式与欧拉运算 175

6.4.3实体的正则集合运算 177

6.5实体的表示方法 179

6.5.1实体的边界表示 179

6.5.2实体的分解表示 181

6.5.3实体的构造实体几何表示 183

6.5.4实体的扫描表示 184

6.5.5实体的元球表示 186

6.6本章小结 186

习题6 186

第7章 自然景物模拟与分形艺术 187

7.1分形几何的基础知识 187

7.1.1分形几何学的产生 187

7.1.2分形维数与分形几何 189

7.1.3什么是分形 191

7.2分形图形的生成方法 192

7.2.1随机插值模型 192

7.2.2迭代函数系统 193

7.2.3 L系统 198

7.2.4粒子系统 202

7.3 Julia集与Mandelbrot集 203

7.3.1概述 203

7.3.2 Julia集与Mandelbrot集 203

7.3.3广义Julia集与Mandelbrot集 207

7.4复平面域的Newton-Raphson方法 207

7.4.1概述 207

7.4.2改进的Newton-Raphson方法生成分形艺术图形 209

7.5自然景物模拟实例 211

7.5.1分形山模拟实例 212

7.5.2植物形态模拟实例 218

7.5.3雨雪现象的模拟实例 221

7.5.4液态流体模拟实例 224

7.5.5气态流体模拟实例 228

7.6本章小结 231

习题7 231

第8章 真实感图形显示 232

8.1三维图形显示的基本流程 232

8.2取景变换 232

8.3隐藏面的消除 235

8.3.1背面剔除算法 236

8.3.2画家算法 237

8.3.3 Weiler-Atherton算法 238

8.3.4 BSP树算法 239

8.3.5深度缓冲器算法 240

8.3.6扫描线Z缓冲器算法 242

8.3.7区间扫描线算法 244

8.3.8 Warnock算法 245

8.3.9光线投射算法 246

8.4阴影生成 247

8.5基本光照模型 248

8.5.1环境光模型 249

8.5.2 Lambert漫反射模型 250

8.5.3镜面反射和Pbong模型 251

8.5.4简单的透明模型 253

8.6整体光照模型 254

8.7多边形表示的明暗处理 255

8.7.1 Gouraud明暗处理 255

8.7.2 Phong明暗处理 257

8.8半色调技术 258

8.8.1模式单元法 258

8.8.2抖动技术 259

8.9光线跟踪技术 262

8.9.1光线跟踪的基本原理 262

8.9.2光线跟踪的求交计算 263

8.10纹理细节模拟 264

8.10.1纹理分类 264

8.10.2颜色纹理 264

8.10.3几何纹理 267

8.10.4过程纹理 268

8.11本章小结 268

习题8 268

第9章 颜色科学基础及其应用 269

9.1颜色的基本知识 269

9.1.1颜色的基本概念 269

9.1.2视觉现象 270

9.1.3颜色视觉的机理 272

9.2常用的颜色空间 274

9.2.1与图形处理相关的颜色空间 274

9.2.2与设备无关的颜色空间 278

9.2.3电视系统颜色空间 282

9.3色彩设计 285

9.3.1色彩的情感 285

9.3.2面向色彩设计的HSV颜色模型 286

9.3.3 HSV与RGB的相互转换及其应用 287

9.3.4数字图像颜色类型 290

9.4颜色再现与色彩管理 291

9.4.1颜色再现的目标 291

9.4.2颜色再现的科学性与艺术性 292

9.4.3颜色再现质量的评价 292

9.4.4为什么要进行色彩管理 292

9.4.5基于ICC标准的色彩管理 293

9.4.6色彩管理系统分类 296

9.5基于ICC Profiile的色彩管理 297

9.5.1 ICC Profiile的类型及文件结构 297

9.5.2基于ICC Profiile的颜色空间变换 301

9.5.3 ICC Profiile的局限性 303

9.6色彩匹配 304

9.6.1彩色喷墨打印机工作原理 304

9.6.2影响色彩匹配质量的因素分析 305

9.6.3色彩匹配的难点 306

9.6.4常用的色彩匹配方法 307

9.7黑色生成与灰度平衡 308

9.8本章小结 310

习题9 310

第10章 计算机动画 311

10.1动画技术的起源、发展与应用 311

10.1.1动画技术的起源与发展 311

10.1.2计算机动画的应用 312

10.1.3计算机动画的未来 312

10.2传统动画 313

10.2.1什么是动画 313

10.2.2传统动画片的制作过程 313

10.2.3动作特效与画面切换方式 314

10.3计算机动画 315

10.3.1计算机在动画中所起的作用 315

10.3.2计算机动画系统的分类 316

10.3.3计算机辅助二维动画 316

10.3.4计算机辅助三维动画 317

10.3.5实时动画和逐帧动画 317

10.4计算机动画中的常用技术 318

10.4.1关键帧技术 318

10.4.2样条驱动技术 320

10.4.3 Morphing和FFD变形技术 320

10.4.4运动捕获技术 321

10.4.5其他动画技术 321

10.5动画文件格式 322

10.5.1 GIF格式 322

10.5.2 FLI/FLC格式 322

10.5.3 SWF格式 322

10.5.4 AVI格式 323

10.5.5 MOV格式 323

10.6计算机上的二维动画软件简介 323

10.7常用的三维动画软件简介 324

10.7.1 3D Studio与3ds Max 324

10.7.2 Softimage 3D 325

10.7.3 Maya 3D 325

10.7.4 LIGHTWAVE 3D 326

10.8本章小结 326

习题10 327

第11章 基于图像的三维重建 328

11.1基于图像的三维重建技术简介 328

11.1.1明暗恢复形状法 330

11.1.2纹理恢复形状法 330

11.1.3光度立体学方法 330

11.1.4运动图像序列法 331

11.1.5立体视觉法 331

11.1.6各种三维重建方法的比较 331

11.2基于图像三维重建的基本步骤 332

11.3图像采集及摄像机定标 333

11.3.1图像采集 333

11.3.2图像预处理 334

11.3.3摄像机定标 334

11.4特征提取与匹配 338

11.4.1特征提取 338

11.4.2特征匹配 339

11.5重建三维轮廓 342

11.6恢复模型的视觉外观 344

11.7本章小结 345

习题11 345

第12章 虚拟现实技术及其应用实例 346

12.1虚拟人体及其运动仿真 346

12.1.1虚拟人几何建模 347

12.1.2虚拟人运动控制 350

12.2虚拟战场建模与仿真 353

12.2.1虚拟战场环境的构成 354

12.2.2地形模型的建立 354

12.2.3虚拟兵力建模 355

12.2.4战场特效建模 357

12.2.5战场仿真系统 359

12.3虚拟机器人仿真 361

12.3.1人在回路中的仿真系统 361

12.3.2空间机器人建模 362

12.3.3遥控操作仿真系统 363

12.4本章小结 364

习题12 364

参考文献 365