計算機圖形學(微課版)（簡體書）

計算機圖形學是在計算機領域中飛速發展並得到廣泛應用的學科，其主要研究與計算機圖形顯示相關的原理、算法及程序設計，旨在更好地利用計算機生成、顯示及處理圖形。 《計算機圖形學（微課版）》主要介紹計算機圖形技術的原理及應用，對計算機圖形學的基本概念、二維和三維圖形的生成及變換、圖形的裁剪、真實感圖形的生成技術等有關知識做了詳細而系統的論述，並結合具體實例詳細介紹了基於OpenGL環境以及基於虛擬現實建模語言VRML的圖形系統開發。 《計算機圖形學（微課版）》可作為高等院校本科生、研究生學習計算機圖形學的教材使用，也可作為從事CAD和計算機圖形學技術研究的廣大科技人員的參考用書。

賈浩梅，唐山師範學院計算機科學系教師。2017年畢業於英國拉夫堡大學高級計算機科學專業，獲理學碩士學位，研究生期間從事圖形圖像處理、計算機視覺、模式識別及計算機圖形學方面的研究，曾在國內外重要期刊上發表論文數篇。任教期間作為助教協助系主任進行計算機圖形教研室的建立及管理工作，同時為《計算機圖形學》主講教師。

《計算機圖形學（微課版）》從基本概念入手，理論與實踐相結合，內容系統、完整，可操作性強。全書採用基礎教學模式及微課視頻輔助學習，對重點和難點算法給出了源程序，而且每章配有習題，便於讀者復習和實踐。
　

21世紀是經濟全球化、信息社會化、產業知識化、市場開放化高速發展的新時代。伴隨著微電子和計算機科學技術日益滲透到經濟、生活、學習、工作以及生產加工等社會活動的各個領域，人類正邁步跨進一個全新的知識經濟時代。在實際工作環境中，計算機圖形的應用範圍非常廣泛，相關知識的更新、發展也非常快，及時學習和掌握新的研究成果以及提高實際應用能力，將為以後的工作與研究奠定基礎。
本書面向21世紀計算機專業學生，主要介紹計算機圖形學的原理、算法及實現，參考和總結計算機圖形學近年來的新成果，力圖全面、準確地介紹這些內容，循序漸進，深入淺出，由二維到三維。讀者可以通過書中的程序實例上機驗證算法，方便更加深入地了解並掌握基礎知識。
本書共10章，具體內容如下。
第1章介紹計算機圖形的基本概論，包括計算機圖形學的基本研究內容、發展簡史、基本應用、計算機圖形系統、發展動向以及與相關學科的關係。
第2章介紹二維圖形生成技術，包括直線的生成、圓的生成、橢圓的生成、曲線與曲面、圖元屬性、字符的生成等內容。
第3章介紹二維實面積圖形的生成，包括矩形填充、區域填充和圖案填充。
第4章介紹二維圖形變換，包括變換所需的數學基礎、基本變換及組合變換等內容。
第5章介紹二維圖形的裁剪，包括圖形的開窗、線段裁剪算法、多邊形裁剪算法、圓的裁剪、文本裁剪算法以及二維圖形的輸出流程。
第6章介紹三維圖形學基礎，包括三維圖形的幾何變換、三維圖形的投影、裁剪以及三維圖形的輸出流程。
第7章介紹三維物體的表示，包括平面物體的表示、二次曲面、孔斯曲面、貝塞爾曲面和樣條曲面。
第8章介紹真實感圖顯技術，包括顏色模型、光照模型、陰影的生成、紋理映射、透明性、隱藏線的消除、隱藏面的消除等內容。
第9章介紹OpenGL設計基礎，包括OpenGL應用程序的工作過程、主要功能、基本語法規則、基本圖元繪製、幾何變換、交互式繪圖、觀察流程及函數、曲線及曲面繪製、真實感圖形繪製等內容。
第10章介紹VRML環境下圖形系統的設計，包括VRML基本語法、幾何體添加、幾何變換、真實感場景創建、VRML虛擬漫遊系統的設計等內容。

本書從基本概念入手，理論與實踐相結合，內容系統、完整，可操作性強，對重點和難點算法給出了源程序，而且每章配有習題，便於讀者復習和實踐。本書中部分案例附配源代碼與章後習題答案，讀者可通過掃描下方的二維碼進行下載。

掃碼下載源代碼 ? 掃碼下載習題答案
本書由唐山師範學院賈浩梅主編。由於編者水平和能力有限，書中可能存在不足之處，衷心希望讀者給予批評和指正。

編 者

第1章 緒論 1
1.1 計算機圖形學的研究內容 2
1.2 計算機圖形學的發展簡史 2
1.3 計算機圖形技術的應用 4
1.4 計算機圖形系統 8
1.4.1 計算機圖形系統概述 8
1.4.2 常用的圖形輸入設備 10
1.4.3 常用的圖形輸出設備 13
1.4.4 計算機圖形系統軟件 23
1.4.5 計算機圖形標準 24
1.5 計算機圖形學的發展動向 25
1.6 計算機圖形學與相關學科的關係 26
課後習題 27
第2章 二維圖形生成技術 29
2.1 直線的生成 30
2.1.1 直接生成法 30
2.1.2 數值微分法 31
2.1.3 中點畫線算法 33
2.1.4 Bresenham畫線算法 34
2.1.5 雙步畫線算法 36
2.2 圓的生成 37
2.2.1 圓的八點對稱 38
2.2.2 Bresenham畫圓算法 38
2.2.3 中點畫圓算法 40
2.2.4 正負法畫圓 43
2.3 橢圓的生成 44
2.4 曲面與曲線 44
2.4.1 曲線和曲面表示的基礎知識 44
2.4.2 Hermite多項式 47
2.4.3 Coons曲面 48
2.5 輸出圖元的屬性 49
2.5.1 線寬控制 49
2.5.2 線型控制 50
2.6 字符的生成 51
2.6.1 字符形狀表示 52
2.6.2 字符屬性 53
課後習題 53
第3章 二維實面積圖形的生成 55
3.1 矩形填充 56
3.2 區域填充 57
3.2.1 多邊形的掃描轉換算法 57
3.2.2 邊填充算法 67
3.2.3 種子填充算法 75
3.3 圖案填充 81
3.3.1 使用掃描轉換的圖案填充 81
3.3.2 不用掃描轉換的圖案填充 83
課後習題 84
第4章 二維圖形變換 85
4.1 數學基礎 86
4.1.1 向量及其性質 86
4.1.2 向量點積 87
4.1.3 矩陣 87
4.1.4 矩陣乘法 87
4.1.5 矩陣的轉置 88
4.1.6 矩陣的逆 88
4.1.7 齊次坐標 88
4.2 基本變換 89
4.2.1 平移變換 89
4.2.2 比例變換 90
4.2.3 旋轉變換 91
4.2.4 對稱變換與錯切變換 92
4.3 組合變換 94
4.3.1 單一基本變換的組合變換 94
4.3.2 多個基本變換的組合變換 95
4.3.3 組合變換舉例 97
課後習題 98
第5章 二維圖形的裁剪 99
5.1 圖形的開窗 100
5.1.1 計算機圖形學中常用的
坐標系 100
5.1.2 窗口與視區的坐標變換 100
5.2 線段裁剪算法 103
5.2.1 裁剪端點 103
5.2.2 利用求解聯立方程組的線段
裁剪 103
5.2.3 Cohen-Sutherland 線段裁剪 105
5.2.4 參數化的線段裁剪 108
5.3 多邊形裁剪算法 109
5.3.1 Sutherland-Hodgman 算法 109
5.3.2 Weiler-Atherton 算法 112
5.4 圓的裁剪 123
5.5 文本裁剪算法 124
5.5.1 字符串裁剪 124
5.5.2 字符裁剪 124
5.5.3 筆畫裁剪 125
5.6 二維圖形的輸出流程 125
課後習題 125
第6章 三維圖形學基礎 127
6.1 三維圖形的幾何變換 128
6.1.1 三維坐標系的建立 128
6.1.2 三維圖形幾何變換 128
6.1.3 三維坐標系變換 134
6.2 三維圖形的投影 135
6.2.1 投影與投影變換的定義 135
6.2.2 平面幾何投影的分類 136
6.2.3 透視投影 136
6.2.4 平行投影 138
6.3 裁剪 141
6.3.1 直線段裁剪算法 142
6.3.2 其他圖形的裁剪 144
6.3.3 三維圖形的裁剪 146
6.4 三維圖形的輸出流程 147
課後習題 147
第7章 三維物體的表示 149
7.1 平面物體的表示 150
7.1.1 多邊形表 150
7.1.2 平面方程 151
7.1.3 多邊形網格 153
7.2 二次曲面 154
7.2.1 球面 154
7.2.2 橢球面 155
7.2.3 環面 155
7.3 孔斯(Coons)曲面 156
7.3.1 類Coons曲面 156
7.3.2 第二類Coons曲面 158
7.4 貝塞爾(Bezier)曲面 159
7.4.1 Bezier曲面的定義 159
7.4.2 Bezier曲面的性質 160
7.5 B樣條曲面 161
課後習題 163
第8章 真實感圖顯技術 165
8.1 顏色模型 166
8.1.1 RGB顏色模型 166
8.1.2 CMY顏色模型 167
8.1.3 HSV顏色模型 167
8.2 光照模型 169
8.2.1 環境光 170
8.2.2 漫反射 171
8.2.3 鏡面反射 171
8.2.4 點光源與柱光源(錐光源) 172
8.3 陰影的生成 172
8.3.1 掃描線陰影生成算法 173
8.3.2 陰影體 174
8.4 紋理映射 175
8.4.1 定義紋理 175
8.4.2 顏色和幾何紋理 175
8.5 透明性 175
8.5.1 無折射的透明 176
8.5.2 折射透明性 176
8.6 隱藏線的消除 178
8.6.1 凸多面體隱藏線的消除 178
8.6.2 凹多面體隱藏線的消除 179
8.7 隱藏面的消除 179
8.7.1 畫家算法 180
8.7.2 深度緩衝器算法
(z—緩衝器算法) 181
8.7.3 掃描線算法 182
8.7.4 區域細分算法 184
課後習題 185
第9章 OpenGL設計基礎 187
9.1 概述 188
9.2 OpenGL應用程序的工作過程 189
9.3 OpenGL的主要功能 191
9.4 OpenGL的基本語法規則 192
9.4.1 OpenGL的數據類型 192
9.4.2 OpenGL的函數約定 193
9.5 OpenGL基本圖元繪製 193
9.5.1 點 194
9.5.2 線 194
9.5.3 多邊形 196
9.5.4 字符 197
9.6 OpenGL圖形的幾何變換 197
9.6.1 矩陣操作函數 197
9.6.2 幾何變換 198
9.6.3 OpenGL視區變換 199
9.7 OpenGL對交互式繪圖的支持 200
9.7.1 OpenGL的選擇模式 200
9.7.2 OpenGL的反饋模式 202
9.8 OpenGL觀察流程和函數 203
9.8.1 常用的變換函數 203
9.8.2 模視變換 204
9.8.3 投影變換 206
9.8.4 視區變換 208
9.8.5 附加裁剪面 208
9.9 OpenGL中自由曲線和曲面的
繪製 209
9.9.1 Bezier曲線的繪製 209
9.9.2 Bezier曲面的繪製 211
9.9.3 NURBS曲線的繪製 211
9.9.4 NURBS曲面的繪製 213
9.10 OpenGL中多邊形的消除與消隱 214
9.11 OpenGL的真實感圖形繪製 215
9.11.1 OpenGL顏色 215
9.11.2 OpenGL光照 215
9.11.3 OpenGL明暗處理 216
9.11.4 OpenGL紋理映射 216
9.12 OpenGL圖形演示系統的設計 219
9.12.1 位圖數據的處理 220
9.12.2 模型的繪製 224
課後習題 228
第10章 VRML環境下圖形系統的
設計 229
10.1 虛擬現實簡介 230
10.2 VRML的基本語法 231
10.2.1 VRML的通用語法結構 231
10.2.2 VRML的基本概念 231
10.2.3 VRML空間計量單位 232
10.2.4 VRML的節點簡介 233
10.2.5 域 234
10.3 在場景中添加幾何體 236
10.3.1 Shape節點對幾何體的
封裝 236
10.3.2 添加長方體 236
10.3.3 添加球體 237
10.3.4 添加圓柱體 238
10.3.5 添加圓錐體 239
10.3.6 添加文本 239
10.4 幾何體的幾何變換 241
10.4.1 理解VRML空間 241
10.4.2 Transform節點的語法 242
10.4.3 平移幾何體 243
10.4.4 旋轉幾何體 244
10.4.5 縮放幾何體 245
10.5 真實感場景創建 247
10.5.1 光照 247
10.5.2 紋理 251
10.5.3 霧化 253
10.6 VRML虛擬漫遊系統的設計 255
10.6.1 物體模型的設計 255
10.6.2 漫遊場景的終生成 258
課後習題 260
參考文獻 261