計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程

前言

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材已經(jīng)出版發(fā)行了近3。種，包括計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)等課程的教材，覆蓋了計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)本科和研究生的主要教學(xué)內(nèi)容。這是一批至今發(fā)行數(shù)量很大并贏得廣大讀者贊譽(yù)的書籍，是近年來出版的大學(xué)計(jì)算機(jī)教材中影響比較大的一批精品。本系列教材的作者都是我熟悉的教授與同事，他們長期在第一線擔(dān)任相關(guān)課程的教學(xué)工作，是一批很受大學(xué)生和研究生歡迎的任課教師。編寫高質(zhì)量的大學(xué)（研究生）計(jì)算機(jī)教材，不僅需要作者具備豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研實(shí)踐，還需要對相關(guān)領(lǐng)域科技發(fā)展前沿的正確把握和了解。正因?yàn)楸鞠盗薪滩牡淖髡邆兙邆淞诉@些條件，才有了這批高質(zhì)量優(yōu)秀教材的出版?？梢哉f，教材是他們長期辛勤工作的結(jié)晶。本系列教材出版發(fā)行以來，從其發(fā)行的數(shù)量、讀者的反映、已經(jīng)獲得的許多國家級與省部級的獎(jiǎng)勵(lì)，以及在各個(gè)高等院校教學(xué)中所發(fā)揮的作用上，都可以看出本系列教材所產(chǎn)生的社會(huì)影響與效益。計(jì)算機(jī)科技發(fā)展異常迅速、內(nèi)容更新很快。作為教材，一方面要反映本領(lǐng)域基礎(chǔ)性、普遍性的知識(shí)，保持內(nèi)容的相對穩(wěn)定性；另一方面，又需要跟蹤科技的發(fā)展，及時(shí)地調(diào)整和更新內(nèi)容。本系列教材都能按照自身的需要及時(shí)地做到這一點(diǎn)，如《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》一書10年中共出版了3版，其他如《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》等也都已出版了第2版，使教材既保持了穩(wěn)定性，又達(dá)到了先進(jìn)性的要求。本系列教材內(nèi)容豐富、體系結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、概念清晰、易學(xué)易懂，符合學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律，適合于教學(xué)與自學(xué)，深受廣大讀者的歡迎。系列教材中多數(shù)配有豐富的習(xí)題集和實(shí)驗(yàn)，有的還配備多媒體電子教案，便于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際地學(xué)習(xí)相關(guān)課程。隨著我國進(jìn)一步的開放，我們需要擴(kuò)大國際交流，加強(qiáng)學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。在大學(xué)教材建設(shè)上，也應(yīng)該注意學(xué)習(xí)和引進(jìn)國外的先進(jìn)教材。但是，計(jì)算機(jī)系列教材的出版發(fā)行實(shí)踐以及它所取得的效果告訴我們，在當(dāng)前形勢下，編寫符合國情的具有自主版權(quán)的高質(zhì)量教材仍具有重大意義和價(jià)值。它與前者不僅不矛盾，而且是相輔相成的。本系列教材的出版還表明，針對某個(gè)學(xué)科培養(yǎng)的要求，在教育部等上級部門的指導(dǎo)下，有計(jì)劃地組織任課教師編寫系列教材，還能促進(jìn)對該學(xué)科科學(xué)的、合理的教學(xué)體系和內(nèi)容的研究。我希望今后有更多、更好的優(yōu)秀教材出版。

內(nèi)容概要

　　本書是講述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基本原理和最新進(jìn)展的一本圖形學(xué)基礎(chǔ)教材，是作者在清華大學(xué)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)參考了國內(nèi)外最新的相關(guān)教材和部分最新的研究成果編寫而成。本書按內(nèi)容分為5章，分別講授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的最新概況，光柵圖形學(xué)的基本原理，幾何造型技術(shù)的基礎(chǔ)，真實(shí)感圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和圖形標(biāo)準(zhǔn)。基本上涵蓋了圖形學(xué)的主要內(nèi)容。
　　本書可作為各高等院校本科生、研究生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教材，并可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員和計(jì)算機(jī)教育工作者參考使用。

作者簡介

孫家廣，清華大學(xué)教授，清華大學(xué)信息學(xué)院院長兼軟件學(xué)院院長，清華大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)委員、學(xué)科評議組成員、教育部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教育指導(dǎo)委員會(huì)副主任、軟件工程教育指導(dǎo)委員會(huì)主任、國家企業(yè)信息化軟件工程技術(shù)研究中心主任、信息科學(xué)技術(shù)國家

書籍目錄

第1章　緒論
　1.1　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容
　1.2　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展的歷史回顧
　1.3　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用及研究前沿
　　1.3.1　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造
　　1.3.2　可視化
　　1.3.3 真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制與自然景物仿真
　　1.3.4　計(jì)算機(jī)動(dòng)畫
　　1.3.5 用戶接口
　　1.3.6　計(jì)算機(jī)藝術(shù)
1.4　圖形設(shè)備
　　1.4.1 圖形顯示設(shè)備
　　1.4.2　圖形處理器
　　1.4.3　圖形輸入設(shè)備
　1.5　最新研究成果
　　1.5.1　繪制
　　1.5.2　幾何
　　1.5.3　視頻
　習(xí)題1
第2章　光柵圖形學(xué)
　2.1 直線段的掃描轉(zhuǎn)換算法
　　2.1.1　數(shù)值微分法
　　2.1.2 中點(diǎn)畫線法
　　2.1.3 Brescnham算法
　2.2　網(wǎng)弧的掃描轉(zhuǎn)換算法
　　2.2.1　圓的特征
　　2.2.2 中點(diǎn)畫圓法
　2.3 多邊形的掃描轉(zhuǎn)換與區(qū)域填充
　　2.3.1 多邊形的掃描轉(zhuǎn)換
　　2.3.2　區(qū)域填充算法
　2.4　字符
　　2.4.1　點(diǎn)陣字符
　　2.4.2　矢量字符
　　2.4.3　字符屬性
　2.5　裁剪
　　2.5.1　直線段裁剪
　　2.5.2　多邊形裁剪
　　2.5.3　字符裁剪
　2.6　反走樣
　　2.6.1　提高分辨率
　　2.6.2 區(qū)域采樣
　　2.6.3　加權(quán)區(qū)域采樣
　2.7 消隱
　　2.7.1　消隱的分類
　　2.7.2　消除隱藏線
　　2.7.3　消除隱藏面
　習(xí)題2
第3章　幾何造型技術(shù)
　3.1 參數(shù)曲線和曲面
　　3.1.1 曲線曲面的表示
　　3.1.2　曲線的基本概念
　　3.1.3　插值、擬合和光順
　　3.1.4　參數(shù)化
　　3.1.5 參數(shù)曲線的代數(shù)和幾何形式
　　3.1.6　連續(xù)性
　　3.1.7　參數(shù)曲面的基本概念
　3.2　Bezier曲線與曲面
　　3.2.1 Bezier曲線的定義和性質(zhì)
　　3.2.2 Bezier曲線的遞推算法
　　3.2.3 Bezier曲線的拼接
　　3.2.4 Bezier曲線的升階與降階
　　3.2.5 Bczier曲面
　　3.2.6 三邊Bezier曲面片
　3.3　B樣條曲線與曲面
　　3.3.1 B樣條的遞推定義和性質(zhì)
　　3.3.2 B樣條曲線的性質(zhì)
　　3.3.3 de Boor算法
　　3.3.4　節(jié)點(diǎn)插人算法
　　3.3.5　B樣條曲面
　3.4 NURBS曲線與曲面
　　3.4.1 NURBS曲線的定義
　　3.4.2　齊次坐標(biāo)表示
　 ……
第4章　真實(shí)感圖形學(xué)
第5章　圖形標(biāo)準(zhǔn)
附錄A　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
附錄B　圖形的幾何變換
附錄C　形體的投影變換
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第3章 幾何造型技術(shù)幾何造型技術(shù)是一項(xiàng)研究在計(jì)算機(jī)中如何表示物體模型形狀的技術(shù)。它從誕生到現(xiàn)在僅僅經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷史，但是，由于幾何造型技術(shù)研究的迅速開展和計(jì)算機(jī)硬件性能的大幅度提高，目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多以幾何造型作為核心的實(shí)用化系統(tǒng)，并且在航空航天、汽車、造船、機(jī)械、建筑和電子等行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。在幾何造型系統(tǒng)中，有三種描述物體的三維模型，即線框模型、曲面模型和實(shí)體模型。線框模型是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和CAD/CAM領(lǐng)域最早用于表示物體的模型，計(jì)算機(jī)繪圖是這種模型的一個(gè)重要應(yīng)用。線框模型用頂點(diǎn)和棱邊來表示物體，由于沒有面的信息，它不能表示表面含有曲面的物體。另外，它不能明確地定義給定點(diǎn)與物體之間的關(guān)系（點(diǎn)在物體內(nèi)部、外部或表面上），所以線框模型不能處理許多重要問題，如不能生成剖切圖、消隱圖、明暗色彩圖，不能用于數(shù)控加工等，應(yīng)用范圍受到了很大的限制。曲面模型在線框模型的基礎(chǔ)上，增加了物體中面的信息，用面的集合來表示物體，而用環(huán)來定義面的邊界。曲面模型擴(kuò)大了線框模型的應(yīng)用范圍，能夠滿足面面求交、線面消隱、明暗色彩圖和數(shù)控加工等需要。但在該模型中，只有一張張面的信息，物體究竟存在于表面的哪一側(cè)，并沒有給出明確的定義，無法計(jì)算和分析物體的整體性質(zhì)，如物體的表面積、體積和重心等，也不能將這個(gè)物體作為一個(gè)整體去考察它與其他物體相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，如是否相交等。實(shí)體模型是最高級的模型，它能完整表示物體的所有形狀信息，可以無歧義地確定一個(gè)點(diǎn)是在物體外部、內(nèi)部或表面上，這種模型能夠進(jìn)一步滿足物性計(jì)算、有限元分析等應(yīng)用的要求。雖然三維曲面模型表示三維物體的信息并不完整，但它能夠表達(dá)復(fù)雜的雕刻曲面，在幾何造型中具有重要的地位，對于支持曲面的三維實(shí)體模型，曲面模型是它的基礎(chǔ)。本章將主要介紹有關(guān)曲面和實(shí)體的造型技術(shù)。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程》可作為高等院校本科生、研究生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的教材，并可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員和教育工作者參考使用。這套教材已伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展茁壯成長了二十余年，獲得了國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、國家級優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng)等29項(xiàng)部級以上獎(jiǎng)勵(lì)，被幾百所高校選作教材，教學(xué)效果非常好。現(xiàn)經(jīng)修訂和增加新品種、新內(nèi)容，基本涵蓋了本科生和碩士研究生的主要課程。這套系列教材體系完整、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、理論結(jié)合實(shí)際、注重素質(zhì)培養(yǎng)?！队?jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程》特點(diǎn)：《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程》是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)”課程的教材，是作者在清華大學(xué)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外最新的相關(guān)教材和部分最新的研究成果編寫而成的。電子教案可在清華大學(xué)出版社網(wǎng)站（www.tup.com.cn）下載。

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