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计算机图形学是计算机科学中一个趣味性很强的重要领域。它使用计算方法产生图形与图像,在人机信息交流、计算机辅助设计、科学及统计数据形象化,以及数字化艺术创作等许多方面有广泛应用。本书系统阐述计算机图形学的基本概念、数学工具、算法及技术,并对可用于多种平台的图形学应用程序设计界面OpenGL作了详细介绍。
本书主要供选修计算机图形学的计算机科学、计算机工程、计算机应用专业大学生或研究生使用,也可供学习了一到两学期高等数学和计算机程序设计基础的其他专业,特别是理工专业的学生及有同等经验的人士阅读。

第1章 绪论
习题
第2章 数字图像基础
2.1 RGB与CMY颜色模型
2.2 颜色编码
2.3 查色表
2.4 显示设备
2.4.1 彩色监视器
2.4.2 液晶显示
2.5 打印设备
2.5.1 半色调处理
2.5.2 半色调逼近
2.5.3 抖动处理
2.5.4 误差扩散
2.6 图像文件
习题
第3章 应用程序设计界面OpenGL
3.1 OpenGL基础
3.1.1 状态机
3.1.2 图形实现流程
3.1.3 事件驱动程序设计
3.1.4 语言绑定
3.2 OpenGL语法与规定
3.3 在个人计算机上设置OpenGL
3.4 程序实例
3.5 Mandelbrot与Julia集的形象化
3.6 颜色索引模式
3.7 视窗管理
习题
第4章 扫描转换
4.1 直线的扫描转换
4.1.1 直接使用直线方程
4.1.2 数字微分分析法
4.1.3 Bresenham直线转换法
4.2 圆的扫描转换
4.2.1 Bresenham圆转换法
4.2.2 中点式圆转换法
4.2.3 任意圆心圆的处理
4.3 椭圆的扫描转换
4.3.1 中点式椭圆转换法
4.3.2 任意圆心与转位椭圆的处理
4.4 区域填充
4.4.1 区域定义
4.4.2 边界填充
4.4.3 扩散填充
4.4.4 扫描线填充
4.5 字符的扫描转换
4.5.1 位图字体
4.5.2 轮廓字体
4.6 反走样
4.6.1 前过滤与后过滤
4.6.2 像素移相
4.7 OpenGL程序设计
4.7.1 以线为基础的原图
4.7.2 以多边形为基础的原图
4.7.3 系统功能控制
4.7.4 位图字符与笔画字符
4.7.5 混色与反走样
4.7.6 递归定义的图形
习题
第5章 三维基础
5.1 多边形网格模型
5.2 隐藏面消隐
5.2.1 背面消隐
5.2.2 Z-缓冲器法
5.3 投影
5.3.1 投影分类
5.3.2 平行投影
5.3.3 透视投影
5.4 三维图形实现流程
5.5 OpenGL程序设计
5.5.1 法线向量
5.5.2 精选
5.5.3 Z-缓冲器
5.5.4 正投影与透视投影
5.5.5 双缓冲器动画
习题
第6章 几何及坐标变换
6.1 基本变换
6.1.1 平移
6.1.2 缩放
6.1.3 旋转
6.2 特殊变换
6.2.1 反射
6.2.2 剪切
6.3 合成变换矩阵
6.4 OpenGL程序设计
6.4.1 建模变换
6.4.2 矩阵栈
习题
第7章 颜色与着色模型
7.1 光和颜色
7.1.1 光的基本特征
7.1.2 三原色理论
7.1.3 CIE XYZ颜色模型
7.1.4 CIE色度图
7.1.5 色域映射
7.1.6 NTSC YIQ颜色模型
7.2 Phong着色模型
7.3 插值着色法
7.3.1 常量着色法
7.3.2 Gouraud着色法
7.3.3 Phong着色法
7.4 OpenGL程序设计
7.4.1 指定物体材料特性
7.4.2 建立光源
7.4.3 控制光源位置与光照方向
7.4.4 选择光照与着色参数
7.4.5 启动光照
7.4.6 GLUT物体
习题
第8章 观察与裁剪
8.1 观察变换
8.1.1 观察坐标变换
8.1.2 规范化变换
8.1.3 窗口至视区映射
8.2 裁剪算法
8.2.1 点裁剪
8.2.2 直线裁剪
8.2.3 多边形裁剪
8.3 OpenGL程序设计
8.3.1 观察变换
8.3.2 附加裁剪平面
8.3.3 地形产生
习题
第9章 人机交互
9.1 交互设备
9.1.1 物理设备
9.1.2 逻辑设备
9.2 交互技术
9.3 OpenGL程序设计
9.3.1 键盘子程序
9.3.2 鼠标器子程序
9.3.3 选单
9.3.4 绘制多边形
9.3.5 创建旋转体
习题
第10章 参数式几何模型
10.1 插值样条
10.1.1 普通立方样条
10.1.2 Hermite插值
10.1.3 控制切线向量
10.2 Bézier曲线和曲面
10.2.1 Bézier曲线
10.2.2 Bézier曲面
10.3 B-样条
10.3.1 均匀B-样条
10.3.2 开放型B-样条
10.3.3 非均匀B-样条
10.3.4 多重控制点
10.3.5 B-样条曲面
10.4 有理B-样条与NURBS
10.5 OpenGL程序设计
10.5.1 Bézier曲线
10.5.2 Bézier曲面
10.5.3 B-样条子程序
习题
第11章 OpenGL拾遗
11.1 错误处理
11.2 查询子程序
11.3 位图与像素操作
11.3.1 位图
11.3.2 读写像素
11.3.3 逻辑操作
11.4 GLU二次曲面
11.5 纹理映射
11.5.1 概念与公式
11.5.2 OpenGL实现方式
11.5.3 参数曲面的纹理坐标
11.6 测深处理
11.7 掩模缓冲器
11.8 累加缓冲器
习题
第12章 其他图形实现技术
12.1 光线跟踪
12.1.1 针孔相机
12.1.2 递归光线跟踪
12.1.3 光线的参数式向量表示
12.1.4 光线与曲面求交
12.1.5 加速技术
12.1.6 反走样
12.1.7 实体纹理
12.1.8 其他视觉效果
12.2 能量辐射法
12.2.1 基本公式
12.2.2 形状因数
12.2.3 渐进优化
12.3 成图方程
习题
附录1 OpenGL函数
附录2 向量
附录3 矩阵
附录4 习题解答
英汉术语对照

第1章 绪论
计算机图形学是计算机科学中几个涉及视觉信息处理的领域之一。更具体地讲,它以使用计算机产生视觉信息的理论和技术为研究对象。用计算机产生视觉信息又称图像合成。
与平常的照片相似,图像是视觉信息的载体。不同之处在于,一张平常的照片记录着自然世界的某一特定景观,而一幅由计算机生成的图像则仅仅是数字计算的产物。
这一计算任务由两个主要部分组成:建模(建立模型)与成图(生成图像)。建模泛指用数字和程序方式模拟实现物体形象化所必需的物体特征,包括物体的几何结构(例如,一个三角形可由其三个顶点的坐标表示,一个球体可用其代数方程描述)及其光学特性(例如,一个红色的球之所以能被看见,是因为它将红光反射到观察者的眼中)。成图则泛指在指定观察条件下产生被模拟的物体的图像(例如,在一盏位于观察者左上方并处于观察者和一张书桌之间的局部光源照射下的那张书桌的前视图)。
另外两个涉及视觉信息处理并与计算机图形学有密切联系的计算机科学领域是图像处理和计算机视觉。前者致力于对视觉信息进行处理加工,后者则致力于对视觉信息进行识别辨认。
计算机图形学与图像处理和计算机视觉的区别可以一本书为例来说明。如果要在并非真正拥有该书的情况下制作一幅它的图像,我们要借助于计算机图形学(视觉信息产生)。然而如果已有一幅该书的图像,只是想对图像进行改动以突出书的外轮廓,我们则要使用图像处理技术(视觉信息处理)。另一方面,如果要以一幅该书的图像作为输入信息,而由计算机识别出图中的物体并作出图中有一本书的报告,我们就进入了人工智能的领域之一——计算机视觉(视觉信息识别)。再如果我们有一本真实的书并想给它照张相,那么不言而喻,我们在搞摄影。
计算机图形学还具有多学科性质。对光和颜色的物理性质、光的传播与反射,以及人的视觉系统处理信息的方式的了解,均十分有助于设计出能给观察者以照片般的真实感的图像合成算法。另外值得注意的是,虽然一幅画能胜过千言万语,但一幅模棱两可的画却会使人感到莫名其妙。同时,观察者在文化与传统上的差异也可对画的功效有负面影响(例如,一个图标可能在某国被看成理所当然的邮箱符号,但在另一**被认作垃圾桶)。
计算机图形学有着近乎无数的实际应用。首先,点击式图形化用户界面(graphicaluser interface,GUI)使得计算机在使用上既简单又直观,从而变成了普通家电。在演示图(又称商务图)方面,人们将数据/信息以图表的形式表达(例如用直方图表示股票的开盘/高/低/收盘价格,用饼图表示各类产品的营业额/利润/成本分布,用块状图表示企业/机构各部门的隶属与业务关系,及用流程图表示工程/程序各步骤在时间上的相互制约),这比一满页数字和文字更能直接传达一种在结构、走向和比例上的感觉。在计算机辅助设计方面,计算机图形学使工程师无需制造实物,而能以设计数据为基础在计算机上产生一个玩具、一座房子、一辆汽车或一架飞机的图像,低成本**率地帮助验证设计方案(至少可以说,一个难看的产品是不大可能赢得潜在客户的青睐的)。在科学数据形象化方面,科学家用色调和亮度作为视觉提示手段,来帮助揭示数据的内在模式和突出表现至关重要的信息(例如,给一个用数学方法定义的曲面或立体着色,可为了解其形状和形态提供一个独特的观察思考角度,一段采用有特定含义的颜色产生的计算机模拟的燃烧室内景动画可生动地显示其热分布情况)。在数字化艺术和娱乐方面,计算机图形学为艺术家的创作想象提供了新天地,使他们能够创造出表现像恐龙这样无人确知其真实相貌的物体的电子游戏和电影。
……

本教材为清华大学出版社“现代计算机教育系列教材(英文版)”Computer Graphics with OpenGL之中译本,对计算机图形学的基本概念、数学工具、算法及技术作了系统讲述,并对可用于多种平台的图形学应用程序设计界面OpenGL作了详细介绍。书中材料足以为选修计算机图形学的计算机科学、计算机工程、计算机应用专业大学生或研究生一学期学习所用,也可帮助实际工作中的应用程序设计员详细了解OpenGL。

项志钢,现任美国纽约市立大学皇后学院计算机科学系主任、副教授、大学**研究生院计算机科学博士生指导教师。毕业于北京工业大学计算机科学系,后赴美攻读研究生并获纽约州立大学布法罗分校计算机科学硕士及博士学位。历任皇后学院计算机科学系副主任、学术委员会主席。研究课题以及发表的专业论文主要涉及计算机图形学、图像处理、人机交互技术。