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| 內容簡介： |
本书是专门为计算机、机械、土木、建筑、数学等非图形学专业本科生开设计算机图形学课程而编写的一本教材。与国内现有的大多数图形学教材不同，本书力求以简单通俗的方式介绍计算机图形生成的基本概念、基本原理和基本技术。全书共分九章，包括图形学基础、物体的几何表示、变换与裁剪、光栅转化与消隐、真实感图形、计算机动画、科学计算可视化、虚拟现实、图形软件支撑平台和常用软件简介等。本书的特点是内容系统，叙述简明；跟踪热点，取材新颖；面向应用，拓展视野。为便于读者学习，本书每章后都附有习题和参考文献。本书所附光盘提供了36学时课件，并附有各种示范性实例和实现这些实例的源程序，以帮助读者更好地理解和掌握书中内容。
本书可作为高等院校有关专业高年级学生和研究生的教学用书，对于广大从事CADCG开发、应用的科技人员也有较大的参考价值
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| 目錄：
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第一章绪论1
1.1计算机图形学概述1
1.1.1影视特技1
1.1.2计算机游戏2
1.1.3计算机辅助设计和计算机辅助制造3
1.1.4科学计算可视化3
1.1.5图形用户界面4
1.1.6计算机艺术5
1.1.7移动图形学5
1.2Windows环境下生成图形的一个简单例子6
1.3光栅图形显示的基本原理9
1.3.1光栅图形显示技术10
1.3.2简单二维图元的生成方法13
1.4RGB颜色系统18
习题20
参考文献20
第二章物体的几何表示21
2.1局部坐标系和世界坐标系21
2.2物体的多边形表示22
2.3参数曲线曲面24
2.3.1物体参数表示的数学原理24
2.3.2参数曲线25
2.3.3参数曲线的剖分绘制算法29
2.3.4参数曲面30
2.4细分曲面32
2.5隐式曲面33
2.6物体的CSG树表示35
2.7自然景物表示方法36
2.8小结40
习题40
参考文献41
第三章变换与裁剪42
3.1二维变换42
3.2三维变换43
3.2.1场景坐标系和造型变换44
3.2.2视点坐标系和取景变换45
3.2.3投影坐标系和投影变换45
3.2.4规格化设备坐标系和设备变换47
3.2.5屏幕坐标系和视窗变换47
3.3裁剪48
3.4变换与裁剪的实例50
3.5小结51
习题51
参考文献51
第四章光栅转化与消隐53
4.1区域填充53
4.2多边形的扫描转换54
4.2.1多边形扫描转换中的连贯性55
4.2.2多边形扫描转换算法56
4.3隐藏面消除58
4.3.1z缓冲器消隐算法59
4.3.2画家算法60
4.4小结64
习题64
参考文献65
第五章真实感图形66
5.1光照明模型66
5.1.1泛光模型66
5.1.2Lambert漫反射模型67
5.1.3Phong模型68
5.1.4Whitted整体光照明模型71
5.1.5光照明模型的进一步完善72
5.2多边形物体的明暗处理73
5.2.1Gouraud明暗处理74
5.2.2Phong明暗处理75
5.3光线跟踪算法76
5.3.1基本原理77
5.3.2光线跟踪算法的伪语言描述79
5.3.3阴影计算80
5.3.4反走样80
5.3.5加速技术81
5.3.6光线跟踪实例程序82
5.4纹理映射83
5.4.1颜色纹理84
5.4.2几何纹理85
5.4.3纹理反走样86
5.4.4纹理映射实例程序90
5.5辐射度方法92
5.5.1辐射度方法简介92
5.5.2辐射度方法实例程序94
5.6实时绘制技术95
5.6.1图形绘制流水线与图形API95
5.6.2常用的实时绘制技术96
5.6.3实时光线跟踪100
5.7非真实感图形绘制技术101
5.7.1素描102
5.7.2卡通绘制103
5.7.3美术绘制103
习题104
参考文献107
第六章计算机动画110
6.1计算机动画简介111
6.2低层动画驱动技术112
6.2.1关键帧技术112
6.2.2样条驱动动画技术112
6.2.3物体旋转的欧拉角表示和插值113
6.3Morphing和空间变形动画技术113
6.3.1二维多边形形状渐变114
6.3.2二维图像Morphing技术115
6.3.3三维Morphing技术116
6.3.4整体和局部变形方法117
6.3.5自由变形方法FFD118
6.3.6轴变形方法119
6.3.7元球的造型和动画技术119
6.4过程动画技术120
6.4.1粒子系统121
6.4.2群体动画122
6.4.3布料动画122
6.4.4脸部表情动画122
6.5关节动画123
6.5.1正运动学方法124
6.5.2逆运动学方法124
6.5.3动力学方法126
6.5.4运动捕获和运动重现126
6.6运动模糊129
6.7动画后期合成129
6.8虚拟演播室132
6.9计算机游戏133
6.10Flash动画135
习题136
参考文献136
第七章科学计算可视化138
7.1科学计算可视化概述138
7.2面绘制算法142
7.2.1数据集142
7.2.2Marching Cubes算法142
7.2.3算法存在问题及改进方法145
7.3直接体绘制方法146
7.3.1为什么需要进行直接体绘制146
7.3.2光线投射体绘制算法步骤146
7.3.3其他体绘制算法148
7.4实用可视化系统VTK简介及实例程序148
7.4.1VTK简介148
7.4.2体绘制实例程序149
习题149
参考文献150
第八章虚拟现实151
8.1虚拟现实系统的特点及组成151
8.2立体视觉的生成与获取153
8.2.1立体视觉产生的原因153
8.2.2立体图像生成的照相机模型154
8.2.3立体视觉的捕获155
8.2.4立体显示对人体健康的影响156
8.3虚拟现实交互设备157
8.3.1三维定位跟踪设备157
8.3.2手持式交互设备159
8.3.3数据手套161
8.3.4其他交互设备163
8.3.5交互设备的软件支持163
8.4虚拟现实系统的分类164
8.4.1桌面型虚拟现实系统164
8.4.2基于HMD的虚拟现实系统164
8.4.3基于投影显示的完全沉浸式或半沉浸式虚拟现实系统165
8.4.4遥在系统167
8.5增强现实技术168
8.5.1现实虚拟连续流168
8.5.2增强现实系统169
8.5.3增强现实的应用领域171
习题173
参考文献174
第九章图形软件支撑平台和常用软件简介176
9.1常用图形支撑软件简介176
9.1.1OpenGL简介176
9.1.2DirectX简介178
9.1.3基于场景图的图形开发工具180
9.1.4面向虚拟现实应用的图形开发工具181
9.2网络图形开发183
9.2.1VRML与X3D简介183
9.2.2Java 3D简介185
9.3计算机三维动画软件3ds Max简介186
习题187
参考文献187
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| 內容試閱：
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自有人类文明以来，图形便和语言、文字一道成为了人类交流思想、传递信息的有力工具。事实上，最早出现的象形文字就是一种图形。刻在山崖上的古代壁画记录了古代人生活、劳作的情景，在流传的各种典籍中，人们也广泛采用插图来展示书中描绘的精彩情节，以激发读者对故事的神往。在制造、建筑、土木等工程技术领域，图纸更是记录产品信息、表达设计思想必不可少的手段。近年来随着计算机应用的日益普及和计算机图形学的蓬勃发展，计算机绘图取代了手工绘图，具有真实光影的效果图使人们在产品设计之初即能获悉未来的产品外观，各种各样的建筑物渲染图已成为房地产展示会上一道靓丽的风景。在医学领域，基于CT或MRI扫描数据的人体器官三维彩色显示已成为医生进行诊疗和手术规划的重要依据。在生物学领域，科研人员通过操作生物分子的彩色图像来探索其复杂的三维空间结构。在地质和石油勘探领域，通过对地质勘探数据的三维重建及可视化，技术人员可以更清晰地看到地下矿藏的分布。类似的例子不胜枚举。在信息技术高速发展的今天，图形已成为应用最为广泛的信息载体。计算机图形成为许多学科进行研究和开发的基础性工具，从2000年起教育部已将计算机图形学列为高等学校本科生的公共选修课之一。
然而，大多数计算机、机械、化工、建筑、土木、生物、医学、地矿等专业的本科生或研究生学习计算机图形学的目的不是为了去研究图形学算法本身，而是为了运用图形学已有的研究成果为其科研和教学服务。尽管如今走进书店，有关图形学的教科书和各种图形软件使用说明书琳琅满目，但它们大多是为从事图形学研究的研究生和专业人员写的，书中过于详细的算法描述，严谨复杂的数学推导使许多初学者望而却步。
本书就是为弥补上述缺憾而专门为计算机、机械、土木、建筑、数学等非图形学专业本科生开设计算机图形学课程而编写的一本教材。与国内现有的大多数图形学教材不同，本书力求以简单通俗的方式介绍计算机图形生成的基本概念、基本原理和基本技术。本书的特点是：
1内容系统，叙述简明
本书共分九章，在第一章中，首先通过一实例，即在Windows环境下生成一简单图形，让读者对图形生成有一个直观的了解。在此基础上，介绍光栅图形显示的基本原理、图形的基本数据结构、帧缓存及点、线、圆、字符的生成方法，然后引入RGB颜色系统和色彩概念。在图和形中，形是图的基础，图是形的反映。本书第二章介绍了几何物体在计算机内的表示方法，包括多边形表示、参数曲面、细分曲面、隐式曲面表示以及各种自然景物的表示。第三章则着重讨论场景造型和图形生成中常用的各种变换和裁剪技术，介绍了场景中各景物在建模和绘制中从局部坐标系到世界坐标系、到屏幕坐标系的变换流程。第四章叙述表面着色和消隐算法。重点介绍了二维区域种子填充算法、多边形扫描转换算法、z缓冲器算法和油画家算法。与一般图形学教科书不同的是，本书并没有专辟章节单独介绍直线、圆弧生成算法，各种线、面裁剪算法。随着计算机图形显示技术的发展，这些基础性算法已经非常成熟，许多已经由硬件实现，对于大多数从事图形学应用的人员，只需熟练地调用相应子程序即已足够。
本书的后五章全面介绍计算机图形技术的发展和应用，包括真实感图形、计算机动画、科学计算可视化、虚拟现实等。在第五章中，介绍了生成真实感图形的各种局部和整体光照明模型，光线跟踪和光能辐射度两大主流绘制技术以及增添场景真实感的纹理映射技术、图形反走样技术。第六章则介绍了计算机动画生成的基本原理和基本技巧，包括关键帧动画、关节动画、过程动画、行为动画、变形动画等。第七章介绍了科学计算可视化的基本流程和主要方法，包括基于等值面抽取的表面可视化技术和直接基于三维采样数据的体绘制技术，并简单介绍了矢量场的可视化方法。在第八章中，介绍了近几年发展起来的各种虚拟现实技术。
2 跟踪热点，取材新颖
经过近50年的发展，计算机图形学的基本理论和算法已趋于成熟，但图形学的发展并没有停滞。近年来，由于大规模场景实时绘制的需要，出现了复杂场景的多层次细节表示、基于图像的建模与绘制技术、遮挡剔除技术；为了加强对场景信息的传递和理解，提出了表达式绘制（expressive rendering），发展了各种非真实感绘制方法；为了在动画中更真实地模拟人的动作，运动捕获和运动数据重用成为关节动画研究的热点。本书除了系统全面地描述图形学的基本概念和经典算法外，还在相关章节中适当介绍计算机图形学的最新研究进展，以便读者跟踪图形学的发展趋势，与时俱进。
3面向应用，拓展视野
近年来，随着多媒体技术、网络技术、人机交互技术的发展，影视特技、网络游戏、虚拟现实已成为图形学发展新的推动力。我们认为，让读者扩展视野，了解这些新的应用领域以及它们背后所蕴含的图形学问题是有益的。在第六章中，我们介绍了动画的后期合成过程和虚拟演播的原理，简述了网络游戏的分类和游戏引擎所涉及的核心技术，分析了时下流行的flash动画成功的奥秘。在第八章中，我们介绍了虚拟现实的几种主要实现方式以及常用的观察、跟踪、定位、触觉等交互设备，并简要介绍了增强现实的原理和实现方法。为了便于读者运用图形软、硬件支撑平台进行进一步的科研开发，本书第九章介绍了几个目前流行的具有代表性的图形支撑软件包括Vega,3ds Max以及图形编程环境OpenGL,Direct X,VRMLX3D等。在本书有限的篇幅内，详细介绍这些软件和平台的功能及编程方法是不可能的，但我们力求为读者提供一个入门的向导。
本书的作者都是长期从事计算机图形学教学、科研的教师，其中部分作者曾参与《计算机图形学教程（修订版）》（科学出版社，2000）、《计算机真实感图形的算法基础》（科学出版社，1999）、《计算机动画的算法基础》（浙江大学出版社，2000）的编写。尽管如此，为非图形专业的本科生编写一本面向应用的计算机图形学教材对我们来说仍然是一个巨大的挑战。为了帮助读者更好地理解和掌握书中的内容，我们专门为本书制作了一个光盘，光盘中除为开设此课的教师提供了36学时课件外，还附有各种示范性实例和实现这些实例的源程序，以供读者揣摩和练习。
本书由彭群生制订编写大纲，金小刚负责第一、六章的撰写，万华根负责第五、七、八、九章的撰写，冯结青负责第二、三、四章的撰写，张宏鑫参与了第二章的撰写。全书由彭群生修改定稿。金叶英参与了部分书稿的打印整理工作。
由于作者的水平有限，书中的疏漏和错误在所难免，恳请读者批评指正。
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