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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18

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244

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379

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4124

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5165

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6186

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7231

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8268

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9310

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 Max324

10.7.2 Softimage 3D325

10.7.3 Maya 3D325

10.7.4 LIGHTWAVE 3D326

10.8本章小结326

习题10327

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11345

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12364

参考文献365