實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

前言

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（Computer Graphics, CG）是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)顯示器的柵格形式顯示的科學(xué)。作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)重要分支，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容就是如何在計(jì)算機(jī)中表示圖形，以及利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形的計(jì)算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。目前，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成功地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與加工、影視動(dòng)漫、軍事仿真、醫(yī)學(xué)圖像處理、氣象、地質(zhì)、財(cái)經(jīng)等領(lǐng)域，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，圖形學(xué)技術(shù)在人們的日常生活和工作中也扮演著重要角色。盡管圖形學(xué)歷經(jīng)了50年的發(fā)展，有許多熱點(diǎn)問(wèn)題和新技術(shù)仍然值得人們不斷探索，其應(yīng)用與研究方興未艾，前景誘人?！　∮?jì)算機(jī)圖形學(xué)的廣泛應(yīng)用使得該課程教學(xué)在計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)中的地位越來(lái)越受到重視，其教學(xué)內(nèi)容從傳統(tǒng)的理論原理、算法分析為主過(guò)渡到理論與實(shí)驗(yàn)并重，在培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的普通高校中，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。但是，由于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涉及圖學(xué)理論、數(shù)學(xué)、光學(xué)、計(jì)算幾何、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程制圖、工業(yè)造型等，理論原理較為復(fù)雜，算法實(shí)現(xiàn)比較困難，因此要盡快掌握其使用方法并非易事。目前能較好地實(shí)現(xiàn)圖形技術(shù)的常用軟件環(huán)境有VC和OpenGL，前者比較方便地應(yīng)用在二維圖形繪制上，后者主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)三維真實(shí)感圖形的繪制，如果您想了解并掌握這些技術(shù)，那么本書正好適合。　　本書總計(jì)分為8章，主要內(nèi)容如下所示?！　〉?章：主要概述計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展背景、應(yīng)用領(lǐng)域、系統(tǒng)構(gòu)成、顏色空間與色度圖、常用的顏色模型等?！　〉?章：以工程項(xiàng)目為案例，介紹了本教材案例環(huán)境的VC及OpenGL基本知識(shí)、繪圖方法，以及基于VC的集成系統(tǒng)和OpenGL的編程框架?！　〉?章：介紹基本圖形（直線、圓與橢圓）的各種生成算法，重點(diǎn)是中點(diǎn)算法和Bresenham算法，介紹平面圖形的各種填充算法，重點(diǎn)是有效邊表法和區(qū)域填充法；常用圖形生成與填充算法的集成實(shí)現(xiàn)?！　〉?章：介紹二維圖形的變換與裁剪，包括圖形變換的基本知識(shí)、基本幾何變換和復(fù)合變換矩陣表示、線段和多邊形裁剪算法等主要內(nèi)容；常用二維圖形變換與裁剪算法的集成實(shí)現(xiàn)。　　第5章：介紹三維圖形變換，包括三維基本幾何變換與復(fù)合變換矩陣表示、平行投影和透視投影的變換矩陣推導(dǎo)等內(nèi)容；常用三維圖形變換算法的集成實(shí)現(xiàn)?！　〉?章：介紹曲線與曲面，包括曲線曲面概述、三次Hermite曲線、Bézier曲線曲面和B樣條曲線曲面的性質(zhì)、計(jì)算與表示；Bézier曲線和B樣條曲線算法的集成實(shí)現(xiàn)。　　第7章：介紹圖形消隱，包括消隱概念、線消隱以及面消隱的各種算法?！　〉?章：介紹真實(shí)感圖形，包括三維形體的表示方法、光照模型、紋理顯示；給出了基于OpenGL的真實(shí)感圖形繪制實(shí)例。　本書的結(jié)構(gòu)及特色：　　1. 融入先進(jìn)的工程教育理念　　課程組自2004年以來(lái)，持續(xù)進(jìn)行著課程內(nèi)容及教學(xué)方法的研究與改革， 2008年開始學(xué)習(xí)國(guó)際流行的CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）工程教育理念，并提出IPR-CDIO教學(xué)模式，將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣（Interest）、毅力（Perseverance）和責(zé)任（Responsibility）的培養(yǎng)融入CDIO項(xiàng)目訓(xùn)練中。本課程最早結(jié)合CDIO理念開展教學(xué)嘗試，通過(guò)將學(xué)生分成4～6人學(xué)習(xí)小組，以軟件工程的思想，借助案例模擬、項(xiàng)目化訓(xùn)練、作品競(jìng)賽等激勵(lì)式教學(xué)方式，收效顯著。學(xué)生們?cè)诠こ桃庾R(shí)、圖形軟件設(shè)計(jì)、編程水平、軟件測(cè)試，以及團(tuán)隊(duì)合作、交流溝通等方面普遍有較大提高?！　”緯?章就是介紹基于這種理念的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路和集成系統(tǒng)結(jié)果。目的是使學(xué)習(xí)者能所見即所得，對(duì)后續(xù)的學(xué)習(xí)充滿激情和期待。本書\中專門介紹了“基于IPR-CDIO理念的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施”，結(jié)合本課程的教學(xué)實(shí)際，對(duì)教學(xué)內(nèi)容與案例專題如何配合，學(xué)習(xí)小組的引導(dǎo)、組織與激勵(lì)，課程評(píng)價(jià)及教學(xué)結(jié)果推廣應(yīng)用等給出了完整的建議，以方便教師理解新理念，并成功應(yīng)用于教學(xué)實(shí)際?！　?. 一體化案例貫穿　　有許多教材自稱為“案例式”，仔細(xì)閱讀后發(fā)現(xiàn)只不過(guò)是引用了一些零散的例子而已，例子與案例是不同的，案例更強(qiáng)調(diào)其系統(tǒng)性、引導(dǎo)性和示范性。本教材的案例是一個(gè)完整的體系，第6章以前是基于VC環(huán)境下的集成系統(tǒng)，一般學(xué)習(xí)至此就基本完成了課程學(xué)習(xí)。第7、8兩章涉及真實(shí)感圖形繪制，屬于高級(jí)圖形學(xué)部分，為了使讀者了解目前流行的OpenGL軟件使用方法，也為了與后續(xù)高級(jí)圖形學(xué)課程對(duì)接，設(shè)計(jì)了基于OpenGL的基本框架系統(tǒng)。兩類系統(tǒng)的介紹均非大而全，有些模塊是為了留給有興趣和有能力的同學(xué)深入研究、創(chuàng)新實(shí)踐進(jìn)行補(bǔ)充的。　　3. 知識(shí)學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練與研究探索同步　　我們?cè)?jīng)選用過(guò)多本教材，有些教材光有理論知識(shí)講解，無(wú)實(shí)驗(yàn)要求，用作教材時(shí)還要編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；還有的是理論知識(shí)一本，實(shí)驗(yàn)一本，既浪費(fèi)又麻煩。本教材將理論知識(shí)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練內(nèi)容及研討探究的要求融入一體，不僅使用很方便，而且內(nèi)容與要求同步，具有內(nèi)容理解容易、實(shí)驗(yàn)操作可見、探究思路明確的優(yōu)點(diǎn)。　　4. 風(fēng)格獨(dú)特、文字簡(jiǎn)練　　本教材每章有導(dǎo)引圖示，包括本章內(nèi)容結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)重點(diǎn)及目標(biāo)要求，使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)之前就對(duì)該章內(nèi)容了如指掌，對(duì)要重點(diǎn)掌握的內(nèi)容清清楚楚。教材中圖示、公式清晰明了，程序代碼層次分明，方便閱讀與實(shí)踐參考?！　】傊?，本教材凝聚了編寫組多年的一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)容貼近實(shí)際，知識(shí)安排和案例清晰準(zhǔn)確，實(shí)踐與探究?jī)?nèi)容使讀者能夠靈活應(yīng)用所學(xué)，并達(dá)融會(huì)貫通、創(chuàng)新提升的境界。早在2008年出版《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用教程》時(shí)，編寫組就有個(gè)愿望，將整書的案例一體化，經(jīng)過(guò)三年的實(shí)踐終于實(shí)現(xiàn)了，而且引進(jìn)了基于OpenGL的真實(shí)感編程框架，為后續(xù)的高級(jí)圖形學(xué)的工程案例奠定了基礎(chǔ)。　　本教材是編寫組集體智慧的結(jié)晶，在編寫過(guò)程中又經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次研究與討論，李繼芳教授負(fù)責(zé)全書統(tǒng)稿并主要編寫第1、4、5章，王仁芳博士負(fù)責(zé)OpenGL案例實(shí)現(xiàn)并編寫第7、8及第2章部分內(nèi)容；柴本成博士負(fù)責(zé)基于VC一體化案例的實(shí)現(xiàn)并編寫第6章和第2章部分內(nèi)容；鄒運(yùn)蘭老師編寫第3章。　　本教材在2010年立項(xiàng)為寧波市特色建設(shè)教材，在編寫的過(guò)程中，得到了寧波市教育局、浙江萬(wàn)里學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、教務(wù)部全體同仁的大力支持，其中楊慶老師參與了書稿的前期規(guī)劃討論，并提出很多良好的建議，在此一并表示衷心感謝！　　由于作者水平有限，書中難免有疏漏和不妥之處，懇請(qǐng)廣大讀者不吝批評(píng)指正?！　【帉懡M　　2012年1月

內(nèi)容概要

　　《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教材精選·圖形圖像與多媒體技術(shù)：實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》以先進(jìn)的工程教育理念為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了貫穿于核心章節(jié)的一體化案例，展示出“基本圖形的生成與顯示”、“二維圖形變換及裁剪”、“三維圖形變換”、“曲線與曲面”等圖形學(xué)核心內(nèi)容的算法原理與項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)方法；為了更好地理解真實(shí)感圖形繪制，在“消隱”和“真實(shí)感圖形”兩章中展示了基于OpenGL的真實(shí)感圖形渲染，有興趣的讀者在學(xué)習(xí)完這兩章后可深入探究；在第2章“《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教材精選·圖形圖像與多媒體技術(shù)：實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》案例項(xiàng)目簡(jiǎn)介”中專門對(duì)VC和OpenGL環(huán)境及繪圖基礎(chǔ)進(jìn)行了講解，目的是使不熟悉環(huán)境的讀者也能方便地使用《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教材精選·圖形圖像與多媒體技術(shù)：實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》；第1章的“圖形學(xué)概述”向讀者介紹了圖形學(xué)技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展、應(yīng)用情況以及常用的顏色模型等。　　《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教材精選·圖形圖像與多媒體技術(shù)：實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》融理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作以及深入探究的內(nèi)容于一體，書中所有程序均通過(guò)運(yùn)行調(diào)試，各章后面的“實(shí)踐與探究”中“實(shí)踐”即是對(duì)《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教材精選·圖形圖像與多媒體技術(shù)：實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》中的案例系統(tǒng)進(jìn)行模擬，認(rèn)真理解與實(shí)踐后可實(shí)現(xiàn)第2章所展示的效果。讀者若能進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)“探究”中的內(nèi)容，并能付諸實(shí)踐，即可得到較好的創(chuàng)新鍛煉，其編程能力與圖形設(shè)計(jì)水平將有較大提升?！　　陡叩葘W(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教材精選·圖形圖像與多媒體技術(shù)：實(shí)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》既可作為普通高校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息處理、藝術(shù)設(shè)計(jì)等專業(yè)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材或教參，也可作為工程技術(shù)人員或圖形學(xué)愛好者的自學(xué)用書，還可以作為相關(guān)圖形技術(shù)培訓(xùn)的參考教材。

書籍目錄

第1章 圖形學(xué)概述1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展背景1.1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)概念1.1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展1.1.3 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)主要研究?jī)?nèi)容1.2 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用1.2.1 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫1.2.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造1.2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)仿真1.2.4 科學(xué)計(jì)算可視化1.3 計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)構(gòu)成1.3.1 圖形系統(tǒng)功能及組成1.3.2 圖形系統(tǒng)的硬件組成1.3.3 圖形軟件系統(tǒng)1.4 顏色模型1.4.1 物體的顏色1.4.2 顏色空間與色度圖1.4.3 常用顏色模型1.5 本章小結(jié)實(shí)踐與探究第2章 本書案例項(xiàng)目簡(jiǎn)介2.1 工程項(xiàng)目引入2.2 VC繪圖基礎(chǔ)2.2.1 VC環(huán)境介紹2.2.2 MFC應(yīng)用程序框架結(jié)構(gòu)2.2.3 VC繪圖入門2.3 基于VC的CGIS集成系統(tǒng)2.3.1 CGIS系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)2.3.2 集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2.4 OpenGL編程基礎(chǔ)2.4.1 OpenGL介紹2.4.2 OpenGL繪圖入門79　2.5 基于OpenGL的真實(shí)感圖形渲染2.5.1 VC環(huán)境下OpenGL編程2.5.2 真實(shí)感圖形渲染2.6 本章小結(jié)實(shí)踐與探究第3章 基本圖形的生成與顯示3.1 直線的生成3.1.1 數(shù)值微分法3.1.2 中點(diǎn)畫線法3.1.3 Bresenham畫線法3.2 圓與橢圓的生成3.2.1 簡(jiǎn)單畫圓法3.2.2 中點(diǎn)畫圓法3.2.3 Bresenham畫圓法3.2.4 中點(diǎn)畫橢圓法3.3 字符的生成3.3.1 點(diǎn)陣字符3.3.2 矢量字符3.4 反走樣技術(shù)3.4.1 走樣現(xiàn)象3.4.2 反走樣技術(shù)3.5 平面圖形填充3.5.1 區(qū)域的表示及類型3.5.2 有效邊表填充法3.5.3 邊填充法3.5.4 種子填充法3.6 基本圖形生成的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.6.1 直線生成算法的實(shí)現(xiàn)3.6.2 橢圓生成算法的實(shí)現(xiàn)3.6.3 多邊形有效邊表填充算法的實(shí)現(xiàn)3.7 本章小結(jié)實(shí)踐與探究第4章 二維圖形變換及裁剪4.1 圖形變換基礎(chǔ)4.1.1 與圖形相關(guān)的坐標(biāo)系4.1.2 齊次坐標(biāo)4.1.3 窗口到視區(qū)的轉(zhuǎn)換4.1.4 矩陣的乘法運(yùn)算4.1.5 二維幾何變換矩陣4.1.6 二維圖形幾何變換的計(jì)算4.2 二維基本幾何變換4.2.1 恒等變換4.2.2 平移變換4.2.3 比例變換4.2.4 旋轉(zhuǎn)變換4.2.5 對(duì)稱變換4.2.6 錯(cuò)切變換4.3 二維復(fù)合變換4.4 二維圖形裁剪4.4.1 點(diǎn)的裁剪4.4.2 線段裁剪4.4.3 多邊形裁剪4.4.4 字符裁剪4.5 二維變換及裁剪的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.5.1 二維圖形變換的實(shí)現(xiàn)4.5.2 二維圖形裁剪的實(shí)現(xiàn)4.6 本章小結(jié)實(shí)踐與探究第5章 三維圖形變換5.1 三維圖形變換概述5.1.1 三維幾何變換5.1.2 三維幾何變換矩陣5.2 三維基本幾何變換5.2.1 平移變換5.2.2 比例變換5.2.3 旋轉(zhuǎn)變換5.2.4 對(duì)稱變換5.2.5 錯(cuò)切變換5.3 三維復(fù)合變換5.3.1 相對(duì)于任意點(diǎn)的三維變換5.3.2 繞空間任意軸的三維變換5.4 投影變換5.4.1 投影變換概述5.4.2 正投影5.4.3 軸測(cè)投影5.5 透視投影5.5.1 透視投影概述5.5.2 用戶坐標(biāo)系到觀察坐標(biāo)系的變換5.5.3 觀察坐標(biāo)系到屏幕坐標(biāo)系的變換5.5.4 透視變換5.6 三維變換的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5.6.1 平行投影的實(shí)現(xiàn)5.6.2 透視投影的實(shí)現(xiàn)5.7 本章小結(jié)實(shí)踐與探究第6章 曲線曲面6.1 曲線曲面概述6.1.1 樣條曲線曲面6.1.2 樣條曲線曲面的發(fā)展6.1.3 曲線曲面的生成6.1.4 曲線曲面的表示6.1.5 曲線的連續(xù)性條件6.2 三次Hermite樣條曲線6.3 Bézier曲線曲面6.3.1 Bézier曲線的定義6.3.2 Bézier曲線的性質(zhì)6.3.3 常用Bézier曲線的表示6.3.4 Bézier曲線的拼接6.3.5 Bézier曲線的正算與反求6.3.6 Bézier曲面6.4 B樣條曲線曲面6.4.1 B樣條曲線的定義6.4.2 B樣條曲線的性質(zhì)6.4.3 B樣條曲線分類6.4.4 NURBS曲線6.4.5 B樣條曲面6.5 樣條曲線的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6.5.1 Bézier曲線的實(shí)現(xiàn)6.5.2 B樣條曲線的實(shí)現(xiàn)6.6 本章小結(jié)實(shí)踐與探究第7章 消隱7.1 消隱的基本概念7.1.1 什么是消隱7.1.2 消隱的分類7.2 線消隱7.3 面消隱7.3.1 深度緩沖區(qū)（Z-buffer）算法7.3.2 深度排序算法（畫家算法）7.3.3 掃描線算法7.3.4 區(qū)域細(xì)分算法（Warnock算法）7.3.5 其他常用算法7.4 基于OpenGL的隱藏面消隱7.4.1 系統(tǒng)構(gòu)架7.4.2 算法分析與設(shè)計(jì)7.4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)7.5 本章小結(jié)實(shí)踐與探究第8章 真實(shí)感圖形顯示8.1 三維形體的表示8.1.1 三維模型基礎(chǔ)8.1.2 傳統(tǒng)幾何造型方法8.1.3 非傳統(tǒng)造型技術(shù)8.2 光照模型8.2.1 光源特性與物體表面特性8.2.2 光照模型簡(jiǎn)介8.2.3 陰影生成8.2.4 光線跟蹤算法簡(jiǎn)介8.3 物體的紋理顯示8.3.1 表面圖案的描繪8.3.2 凹凸紋理的描繪8.4 基于OpenGL的紋理貼圖8.4.1 系統(tǒng)構(gòu)架8.4.2 算法分析與設(shè)計(jì)8.4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)8.5 本章小結(jié)實(shí)踐與探究后記參考文獻(xiàn)

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