目 錄

第1章 緒論 1

1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容及其與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 1

1.1.1 什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 1

1.1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容 2

1.1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 2

1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用 3

1.2.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史和發(fā)展方向 3

1.2.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域 5

1.3 本章小結(jié) 8

習(xí)題1 8



第2章 交互式計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng) 9

2.1 交互式計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的組成 9

2.2 圖形輸入設(shè)備 10

2.2.1 一般輸入設(shè)備 10

2.2.2 圖形輸入設(shè)備 14

2.2.3 3D圖形輸入設(shè)備 16

2.3 視頻顯示設(shè)備 17

2.3.1 光柵掃描顯示器 17

2.3.2 光柵掃描顯示系統(tǒng) 22

2.3.3 CRT顯示器的現(xiàn)在與未來(lái) 30

2.3.4 平板顯示器 30

2.3.5 三維立體顯示技術(shù) 34

2.3.6 新一代顯示器 35

2.4 圖形繪制設(shè)備 36

2.4.1 繪圖儀 36

2.4.2 打印機(jī) 38

2.4.3 3D打印機(jī) 38

2.5 虛擬現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)態(tài)交互感知設(shè)備 39

2.6 OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn) 41

2.6.1 OpenGL簡(jiǎn)介 41

2.6.2 OpenGL的主要特點(diǎn)和功能 41

2.6.3 OpenGL的工作流程 42

2.6.4 OpenGL開(kāi)發(fā)庫(kù)的基本組成 43

2.6.5 如何在Visual C 環(huán)境中使用OpenGL庫(kù)函數(shù) 43

2.7 本章小結(jié) 44

習(xí)題2 44



第3章 基本圖形生成算法 46

3.1 直線的掃描轉(zhuǎn)換 46

3.1.1 光柵圖形中點(diǎn)的表示 46

3.1.2 繪制直線的要求 46

3.1.3 數(shù)值微分畫線法 47

3.1.4 中點(diǎn)畫線法 49

3.1.5 Bresenham畫線算法 50

3.2 圓和圓弧的掃描轉(zhuǎn)換 52

3.2.1 圓的特性 52

3.2.2 數(shù)值微分畫圓法 52

3.2.3 中點(diǎn)畫圓法 54

3.2.4 Bresenham畫圓算法 55

3.2.5 多邊形逼近畫圓法 58

3.3 線寬與線型的處理 59

3.3.1 線寬的處理 60

3.3.2 線型的處理 61

3.4 實(shí)區(qū)域填充算法 62

3.4.1 實(shí)區(qū)域填充算法的基本思路 62

3.4.2 一般多邊形的填充過(guò)程及其存在的問(wèn)題 62

3.4.3 有序邊表算法 65

3.4.4 邊填充算法 68

3.4.5 簡(jiǎn)單的種子填充算法 70

3.4.6 掃描線種子填充算法 72

3.5 圖形反走樣技術(shù) 74

3.5.1 光柵圖形的走樣現(xiàn)象及其原因 74

3.5.2 常用反走樣技術(shù) 75

3.5.3 Bresenham 區(qū)域反走樣算法 77

3.6 本章小結(jié) 79

習(xí)題3 79



第4章 自由曲線和曲面 80

4.1 計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)概述 80

4.1.1 CAGD的研究?jī)?nèi)容 80

4.1.2 對(duì)形狀數(shù)學(xué)描述的要求 81

4.1.3 自由型曲線和曲面的一般設(shè)計(jì)過(guò)程和數(shù)學(xué)表示 83

4.1.4 自由曲線曲面的發(fā)展歷程 85

4.2 參數(shù)樣條曲線 86

4.2.1 線性插值與拋物線插值 86

4.2.2 參數(shù)樣條曲線與樣條插值 87

4.3 Bézier曲線 93

4.3.1 Bézier曲線的數(shù)學(xué)表示 93

4.3.2 Bézier曲線的性質(zhì) 94

4.3.3 常用的Bézier曲線 96

4.3.4 Bézier曲線的拼接 98

4.3.5 de Casteljau遞推算法 99

4.3.6 反求Bézier曲線控制點(diǎn) 100

4.3.7 有理Bézier曲線 101

4.4 B樣條曲線 101

4.4.1 問(wèn)題的提出 101

4.4.2 B樣條曲線的數(shù)學(xué)表示 102

4.4.3 二次B樣條曲線 103

4.4.4 三次B樣條曲線 104

4.4.5 B樣條曲線的幾種特殊情況 105

4.4.6 反求B樣條曲線控制頂點(diǎn) 107

4.4.7 均勻B樣條、準(zhǔn)均勻B樣條與非均勻B樣條 112

4.4.8 B樣條曲線的離散生成——deBoor分割算法 115

4.4.9 非均勻有理B樣條(NURBS)曲線 116

4.5 自由曲面 117

4.5.1 參數(shù)多項(xiàng)式曲面 118

4.5.2 Coons曲面 119

4.5.3 Bézier曲面 120

4.5.4 B樣條曲面 122

4.6 本章小結(jié) 123

習(xí)題4 124



第5章 圖形變換與裁剪 125

5.1 窗口視圖變換 125

5.2 二維圖形幾何變換 126

5.2.1 二維圖形幾何變換原理 126

5.2.2 齊次坐標(biāo)技術(shù) 128

5.2.3 二維組合變換 128

5.3 三維圖形幾何變換 132

5.3.1 三維空間坐標(biāo)系 132

5.3.2 三維圖形幾何變換 133

5.3.3 三維圖形的組合變換 138

5.4 投影變換 139

5.4.1 投影變換的分類 139

5.4.2 平行投影 140

5.4.3 透視投影 145

5.5 二維線段裁剪 147

5.5.1 矩形窗口裁剪算法 148

5.5.2 圓形窗口裁剪算法 153

5.5.3 多邊形窗口裁剪算法 155

5.6 多邊形的裁剪 158

5.6.1 Sutherland-Hodgman算法 158

5.6.2 Weiler-Atherton算法 160

5.7 三維線段裁剪 162

5.7.1 平行投影中的三維裁剪 162

5.7.2 透視投影中的三維裁剪 163

5.8 本章小結(jié) 165

習(xí)題5 165



第6章 實(shí)體幾何造型基礎(chǔ) 166

6.1 多面體模型和曲面模型 166

6.1.1 多面體模型 166

6.1.2 曲面模型 168

6.2 線框模型、表面模型和實(shí)體模型 170

6.3 實(shí)體幾何造型系統(tǒng)的發(fā)展 172

6.4 實(shí)體的定義與運(yùn)算 172

6.4.1 實(shí)體的定義 172

6.4.2 歐拉公式與歐拉運(yùn)算 175

6.4.3 實(shí)體的正則集合運(yùn)算 177

6.5 實(shí)體的表示方法 179

6.5.1 實(shí)體的邊界表示 179

6.5.2 實(shí)體的分解表示 181

6.5.3 實(shí)體的構(gòu)造實(shí)體幾何表示 183

6.5.4 實(shí)體的掃描表示 184

6.5.5 實(shí)體的元球表示 186

6.6 本章小結(jié) 186

習(xí)題6 186



第7章 自然景物模擬與分形藝術(shù) 187

7.1 分形幾何的基礎(chǔ)知識(shí) 187

7.1.1 分形幾何學(xué)的產(chǎn)生 187

7.1.2 分形維數(shù)與分形幾何 189

7.1.3 什么是分形 191

7.2 分形圖形的生成方法 192

7.2.1 隨機(jī)插值模型 192

7.2.2 迭代函數(shù)系統(tǒng) 193

7.2.3 L系統(tǒng) 198

7.2.4 粒子系統(tǒng) 202

7.3 Julia集與Mandelbrot集 203

7.3.1 概述 203

7.3.2 Julia集與Mandelbrot集 203

7.3.3 廣義Julia集與Mandelbrot集 207

7.4 復(fù)平面域的Newton-Raphson方法 207

7.4.1 概述 207

7.4.2 改進(jìn)的Newton-Raphson方法生成分形藝術(shù)圖形 209

7.5 自然景物模擬實(shí)例 211

7.5.1 分形山模擬實(shí)例 212

7.5.2 植物形態(tài)模擬實(shí)例 218

7.5.3 雨雪現(xiàn)象的模擬實(shí)例 221

7.5.4 液態(tài)流體模擬實(shí)例 224

7.5.5 氣態(tài)流體模擬實(shí)例 228

7.6 本章小結(jié) 231

習(xí)題7 231



第8章 真實(shí)感圖形顯示 232

8.1 三維圖形顯示的基本流程 232

8.2 取景變換 232

8.3 隱藏面的消除 235

8.3.1 背面剔除算法 236

8.3.2 畫家算法 237

8.3.3 Weiler-Atherton算法 238

8.3.4 BSP樹(shù)算法 239

8.3.5 深度緩沖器算法 240

8.3.6 掃描線Z緩沖器算法 242

8.3.7 區(qū)間掃描線算法 244

8.3.8 Warnock算法 245

8.3.9 光線投射算法 246

8.4 陰影生成 247

8.5 基本光照模型 248

8.5.1 環(huán)境光模型 249

8.5.2 Lambert漫反射模型 250

8.5.3 鏡面反射和Phong模型 251

8.5.4 簡(jiǎn)單的透明模型 253

8.6 整體光照模型 254

8.7 多邊形表示的明暗處理 255

8.7.1 Gouraud明暗處理 255

8.7.2 Phong明暗處理 257

8.8 半色調(diào)技術(shù) 258

8.8.1 模式單元法 258

8.8.2 抖動(dòng)技術(shù) 259

8.9 光線跟蹤技術(shù) 262

8.9.1 光線跟蹤的基本原理 262

8.9.2 光線跟蹤的求交計(jì)算 263

8.10 紋理細(xì)節(jié)模擬 264

8.10.1 紋理分類 264

8.10.2 顏色紋理 264

8.10.3 幾何紋理 267

8.10.4 過(guò)程紋理 268

8.11 本章小結(jié) 268

習(xí)題8 268



第9章 顏色科學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用 269

9.1 顏色的基本知識(shí) 269

9.1.1 顏色的基本概念 269

9.1.2 視覺(jué)現(xiàn)象 270

9.1.3 顏色視覺(jué)的機(jī)理 272

9.2 常用的顏色空間 274

9.2.1 與圖形處理相關(guān)的顏色空間 274

9.2.2 與設(shè)備無(wú)關(guān)的顏色空間 278

9.2.3 電視系統(tǒng)顏色空間 282

9.3 色彩設(shè)計(jì) 285

9.3.1 色彩的情感 285

9.3.2 面向色彩設(shè)計(jì)的HSV顏色模型 286

9.3.3 HSV與RGB的相互轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用 287

9.3.4 數(shù)字圖像顏色類型 290

9.4 顏色再現(xiàn)與色彩管理 291

9.4.1 顏色再現(xiàn)的目標(biāo) 291

9.4.2 顏色再現(xiàn)的科學(xué)性與藝術(shù)性 292

9.4.3 顏色再現(xiàn)質(zhì)量的評(píng)價(jià) 292

9.4.4 為什么要進(jìn)行色彩管理 292

9.4.5 基于ICC標(biāo)準(zhǔn)的色彩管理 293

9.4.6 色彩管理系統(tǒng)分類 296

9.5 基于ICC Profile的色彩管理 297

9.5.1 ICC Profile的類型及文件結(jié)構(gòu) 297

9.5.2 基于ICC Profile的顏色空間變換 301

9.5.3 ICC Profile的局限性 303

9.6 色彩匹配 304

9.6.1 彩色噴墨打印機(jī)工作原理 304

9.6.2 影響色彩匹配質(zhì)量的因素分析 305

9.6.3 色彩匹配的難點(diǎn) 306

9.6.4 常用的色彩匹配方法 307

9.7 黑色生成與灰度平衡 308

9.8 本章小結(jié) 310

習(xí)題9 310



第10章 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫 311

10.1 動(dòng)畫技術(shù)的起源、發(fā)展與應(yīng)用 311

10.1.1 動(dòng)畫技術(shù)的起源與發(fā)展 311

10.1.2 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的應(yīng)用 312

10.1.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的未來(lái) 312

10.2 傳統(tǒng)動(dòng)畫 313

10.2.1 什么是動(dòng)畫 313

10.2.2 傳統(tǒng)動(dòng)畫片的制作過(guò)程 313

10.2.3 動(dòng)作特效與畫面切換方式 314

10.3 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫 315

10.3.1 計(jì)算機(jī)在動(dòng)畫中所起的作用 315

10.3.2 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫系統(tǒng)的分類 316

10.3.3 計(jì)算機(jī)輔助二維動(dòng)畫 316

10.3.4 計(jì)算機(jī)輔助三維動(dòng)畫 317

10.3.5 實(shí)時(shí)動(dòng)畫和逐幀動(dòng)畫 317

10.4 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中的常用技術(shù) 318

10.4.1 關(guān)鍵幀技術(shù) 318

10.4.2 樣條驅(qū)動(dòng)技術(shù) 320

10.4.3 Morphing和FFD變形技術(shù) 320

10.4.4 運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù) 321

10.4.5 其他動(dòng)畫技術(shù) 321

10.5 動(dòng)畫文件格式 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 計(jì)算機(jī)上的二維動(dòng)畫軟件簡(jiǎn)介 323

10.7 常用的三維動(dòng)畫軟件簡(jiǎn)介 324

10.7.1 3D Studio與3ds Max 324

10.7.2 Softimage 3D 325

10.7.3 Maya 3D 325

10.7.4 LIGHTWAVE 3D 326

10.8 本章小結(jié) 326

習(xí)題10 327



第11章 基于圖像的三維重建 328

11.1 基于圖像的三維重建技術(shù)簡(jiǎn)介 328

11.1.1 明暗恢復(fù)形狀法 330

11.1.2 紋理恢復(fù)形狀法 330

11.1.3 光度立體學(xué)方法 330

11.1.4 運(yùn)動(dòng)圖像序列法 331

11.1.5 立體視覺(jué)法 331

11.1.6 各種三維重建方法的比較 331

11.2 基于圖像三維重建的基本步驟 332

11.3 圖像采集及攝像機(jī)定標(biāo) 333

11.3.1 圖像采集 333

11.3.2 圖像預(yù)處理 334

11.3.3 攝像機(jī)定標(biāo) 334

11.4 特征提取與匹配 338

11.4.1 特征提取 338

11.4.2 特征匹配 339

11.5 重建三維輪廓 342

11.6 恢復(fù)模型的視覺(jué)外觀 344

11.7 本章小結(jié) 345

習(xí)題11 345



第12章 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例 346

12.1 虛擬人體及其運(yùn)動(dòng)仿真 346

12.1.1 虛擬人幾何建模 347

12.1.2 虛擬人運(yùn)動(dòng)控制 350

12.2 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)建模與仿真 353

12.2.1 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的構(gòu)成 354

12.2.2 地形模型的建立 354

12.2.3 虛擬兵力建模 355

12.2.4 戰(zhàn)場(chǎng)特效建模 357

12.2.5 戰(zhàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng) 359

12.3 虛擬機(jī)器人仿真 361

12.3.1 人在回路中的仿真系統(tǒng) 361

12.3.2 空間機(jī)器人建模 362

12.3.3 遙控操作仿真系統(tǒng) 363

12.4 本章小結(jié) 364

習(xí)題12 364



參考文獻(xiàn) 365