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第1章 计算机图形学概述1

1.1 计算机图形学的概念与研究内容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

习题7

第2章 计算机绘图初步知识8

2.1 如何在计算机上绘图8

2.1.1 计算机绘图的一般方法8

2.1.2 一般图形的显示流程9

2.2 OpenGL图形软件包简介10

2.2.1 基本几何图元的绘图函数10

2.2.2 三维坐标变换函数11

2.2.3 投影变换函数11

2.2.4 颜色设置函数12

2.2.5 光照模型函数12

2.2.6 OpenGL绘图例子12

习题15

第3章 计算机图形系统及硬件基础16

3.1 概述16

3.1.1 计算机系统中的图形设备16

3.1.2 图形的输入输出处理流程16

3.1.3 图形工作站与PC机17

3.2 图形显示原理18

3.2.1 CRT显示器18

3.2.2 液晶显示器26

3.2.3 等离子显示器28

3.2.4 3种显示技术的比较29

3.2.5 显卡29

3.2.6 显卡对OpenGL的支持31

3.3 绘图设备32

3.3.1 喷墨绘图机32

3.3.2 激光打印机32

3.3.3 笔式绘图机33

3.4 图形输入设备35

3.4.1 光笔35

3.4.2 数字化仪和手写输入板36

3.4.3 触摸屏36

3.4.4 图形扫描仪37

3.4.5 数字墨水38

3.4.6 数据手套39

3.4.7 三维鼠标39

习题39

第4章 基本光栅图形算法41

4.1 直线生成算法41

4.1.1 生成直线的DDA方法42

4.1.2 正负法43

4.1.3 Bresenham算法44

4.1.4 改进后的Bresenham算法45

4.2 圆弧生成算法46

4.2.1 正负法46

4.2.2 Bresenham生成圆弧的算法48

4.2.3 圆弧的离散生成49

4.2.4 椭圆生成算法50

4.3 多边形的填充51

4.3.1 多边形的表示方法51

4.3.2 多边形填充的扫描线算法52

4.3.3 边缘填充算法56

4.3.4 边界标志算法56

4.4 区域填充58

4.4.1 区域的基本概念58

4.4.2 简单的种子填充算法60

4.4.3 扫描线种子填充算法60

4.5 光栅图形的反走样算法62

4.5.1 光栅图形的走样现象62

4.5.2 提高分辨率的反走样算法63

4.5.3 线段反走样算法64

4.5.4 多边形反走样算法64

习题65

第5章 变换和裁剪67

5.1 变换的数学基础67

5.1.1 点和距离67

5.1.2 矢量67

5.1.3 矩阵69

5.2 几何变换71

5.2.1 基本变换71

5.2.2 齐次坐标与变换的矩阵表示74

5.2.3 变换的模式75

5.3 裁剪78

5.3.1 Sutherland-Cohen算法79

5.3.2 Cyrus-Beck算法和梁友栋-Barsky算法81

5.3.3 多边形裁剪84

5.3.4 字符裁剪86

5.4 OpenGL中简单的变换实例86

习题88

第6章 三维空间的观察89

6.1 投影89

6.1.1 透视投影90

6.1.2 平行投影91

6.1.3 任意坐标系到观察坐标系中的变换92

6.1.4 射影变换95

6.2 视见体到规范视见体的变换96

6.2.1 平行投影视见体的规范化97

6.2.2 透视投影视见体的规范化98

6.3 用三维规范体裁剪99

6.4 窗口到视口的变换101

6.5 连续变换的处理102

6.6 OpenGL中简单图形变换实例103

6.6.1 CpenGL中的图形变换103

6.6.2 OpenGL中的图形变换应用举例104

习题109

第7章 人机交互绘图技术111

7.1 基本图形输入设备和基本交互任务111

7.1.1 基本的图形输入设备111

7.1.2 基本交互任务112

7.2 人机交互输入模式114

7.2.1 请求模式114

7.2.2 样本模式115

7.2.3 事件模式115

7.2.4 输入方式的混合使用116

7.3 常见辅助交互技术116

7.3.1 几何约束116

7.3.2 拖拽117

7.3.3 在三视图上做三维输入118

7.3.4 结构平面119

7.3.5 新的交互技术119

7.4 OpenGL中的交互式绘图技术121

7.4.1 选择121

7.4.2 反馈124

7.5 人机交互的发展128

习题129

第8章 隐藏线和隐藏面的消除131

8.1 可见面判断的有效技术132

8.1.1 边界盒132

8.1.2 后向面消除133

8.1.3 非垂直投影转换成垂直投影134

8.2 多面体隐藏线消除算法135

8.2.1 算法的基本思想135

8.2.2 确定边L和多边形E关系的技术136

8.2.3 确定L的可见部分137

8.3 基于窗口的子分算法138

8.4 基于多边形的子分算法140

8.5 z缓冲器算法和扫描线算法141

8.6 优先级排序表算法144

8.7 光线投射算法146

8.8 曲面的隐藏线消除146

习题148

第9章 简单光照明模型150

9.1 简单光照明模型150

9.1.1 光源150

9.1.2 材质151

9.1.3 简单光照明模型152

9.2 光滑明暗处理技术155

9.2.1 Gouraud明暗处理技术156

9.2.2 Phong明暗处理技术158

9.3 OpenGL环境下的光照明模型159

9.3.1 OpenGL中的颜色设置及光照明模型160

9.3.2 OpenGL应用举例163

习题167

第10章 Bézier曲线曲面169

10.1 曲线曲面的基础知识169

10.1.1 曲线的表示169

10.1.2 参数曲线的切矢量、弧长、法矢量和曲率171

10.1.3 参数曲面的切平面和法矢量174

10.1.4 参数曲线的多项式表示174

10.1.5 参数连续性和几何连续性175

10.2 Bézier曲线177

10.2.1 Bézier曲线的定义177

10.2.2 Bézier曲线的性质178

10.2.3 例子179

10.2.4 Bézier曲线性质的进一步讨论180

10.2.5 Bézier曲线的拼接182

10.2.6 Bézier曲线的离散生成183

10.3 Bézier曲面185

10.3.1 Bézier曲面的定义和性质185

10.3.2 Bézier曲面的拼接187

10.3.3 用Bézier曲面造型187

10.3.4 Bézier曲面的离散生成188

习题190

第11章 B样条曲线曲面、Coons曲面和有理样条曲线曲面192

11.1 B样条曲线曲面192

11.1.1 B样条基函数的定义和性质192

11.1.2 B样条曲线的定义和性质193

11.1.3 B样条曲线的计算195

11.1.4 三次均匀B样条曲线197

11.1.5 例子199

11.1.6 B样条曲面的定义和性质201

11.1.7 用B样条曲面造型201

11.2 Coons曲面202

11.2.1 双线性Coons曲面203

11.2.2 双三次Coons曲面203

11.2.3 用Coons曲面造型205

11.3 双三次Bézier曲面、B样条曲面和Coons曲面的互化206

11.3.1 三次Bézier曲线、B样条曲线和Hermite曲线的互化206

11.3.2 双三次Bézier曲面、B样条曲面和Coons曲面的互化208

11.4 有理Bézier曲线曲面209

11.4.1 有理曲线209

11.4.2 有理Bézier曲线210

11.4.3 有理Bézier曲线的齐次表示210

11.4.4 二次有理Bézier曲线211

11.4.5 有理Bézier曲线对圆的表示213

11.4.6 有理Bézier曲面214

习题215

第12章 三维几何造型216

12.1 三维物体在计算机内的表示216

12.1.1 三维物体的表示模型216

12.1.2 三维物体的表示方式218

12.2 体素构造表示（CSG树表示）218

12.2.1 物体间的正则集合运算218

12.2.2 物体的CSG树表示219

12.2.3 CSG物体性质的计算220

12.2.4 用光线投射算法进行CSG物体的图形显示222

12.3 边界表示法223

12.3.1 物体的边界表示223

12.3.2 半边数据结构224

12.3.3 欧拉运算227

12.3.4 Sweep运算和局部运算229

12.3.5 集合运算230

12.4 空间分割表示233

12.4.1 单元分解表示233

12.4.2 八叉树表示233

12.5 基于图像的三维造型236

12.5.1 双目视觉的基本原理236

12.5.2 双目视觉算法的具体实现237

习题240

第13章 真实感图形的绘制242

13.1 光线跟踪技术242

13.1.1 简单透明模型243

13.1.2 Whitted光照明模型244

13.1.3 光线跟踪技术245

13.1.4 加速光线跟踪技术246

13.2 基于物理的光照明模型249

13.2.1 基本概念及基本光照模型249

13.2.2 基于物理的光照明模型251

13.2.3 Cook-Torrance光照明模型252

13.3 阴影255

13.3.1 z缓冲器阴影算法256

13.3.2 阴影体算法257

13.3.3 光线跟踪阴影技术及半影算法258

13.4 纹理259

13.4.1 纹理的生成260

13.4.2 纹理的映射262

13.4.3 Catmull纹理映射算法263

13.4.4 Mip-map纹理映射技术265

13.4.5 凹凸纹理映射技术267

13.5 图形反走样技术268

13.5.1 A缓冲器方法269

13.5.2 光线跟踪的图形反走样技术272

13.6 辐射度方法273

13.6.1 辐射度方程274

13.6.2 形状因子的性质277

13.6.3 半立方体277

13.6.4 辐射度方程的求解279

13.7 基于图像的模型和绘制282

13.7.1 全视函数283

13.7.2 图像中隐含的几何信息285

13.7.3 含有深度信息的图像286

习题288

第14章 科学计算可视化290

14.1 科学计算可视化的基本步骤和方法分类290

14.1.1 科学计算可视化的基本步骤290

14.1.2 科学计算可视化方法分类291

14.2 科学计算可视化处理的数据292

14.2.1 数据集的组成292

14.2.2 数据集的格式292

14.2.3 数据的属性值293

14.3 面绘制方法293

14.3.1 基于等值线的生成方法293

14.3.2 基于体素的生成方法295

14.3.3 几何变形模型方法300

14.4 体绘制方法300

14.4.1 体绘制方法出现的背景300

14.4.2 体光照模型301

14.4.3 以图像空间为序的体绘制方法303

14.4.4 以物体空间为序的体绘制方法304

14.4.5 体绘制方法中的一些典型的加速方法306

14.4.6 Shear-warp体绘制方法306

14.5 矢量场和张量场的可视化307

14.5.1 矢量场可视化307

14.5.2 张量场的可视化308

习题308

第15章 颜色311

15.1 颜色特性311

15.2 标准基色和色彩图314

15.2.1 XYZ颜色模型314

15.2.2 CIE色度图315

15.3 颜色模型317

15.3.1 RGB模型317

15.3.2 CMY模型318

15.3.3 YIQ模型318

15.3.4 HSV模型319

15.4 颜色模型间的相互转换319

15.5 颜色的交互选择及应用322

习题323

附录 开放图形库OpenGL324

OpenGL简介324

OpenGL中的常用函数325

OpenGL显示流程328