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第1章 绪论1

1.1计算机图形学简介1

1.1.1计算机图形学的世界3

1.1.2应用领域的现状与前景3

1.1.3关于用户界面的思考5

1.2简要历史6

1.3一个光照的例子7

1.4目标、资源和适度的抽象8

1.4.1深度理解与常见的做法9

1.5图形学中的常数和一些参数值的量级9

1.5.1光能量和光子到达率9

1.5.2显示器的特性和眼睛的分辨率10

1.5.3数码相机的特性10

1.5.4复杂应用的处理需求10

1.6图形管线11

1.6.1纹理映射与近似12

1.6.2更为详细的图形管线13

1.7图形学与艺术、设计、感知的关系14

1.8基本图形系统16

1.8.1图形数据16

1.9视为黑盒的多边形绘制18

1.10图形系统中的交互18

1.11不同类型的图形应用18

1.12不同类型的图形包19

1.13构建真实感绘制模块：概述20

1.13.1光线20

1.13.2物体和材料21

1.13.3接收来自场景中的光线22

1.13.4图像显示22

1.13.5人类视觉系统23

1.13.6数学运算23

1.13.7积分和采样24

1.14学习计算机图形学24

第2章2D图形学简介——基于WPF26

2.1引言26

2.2 2D图形流水线概述26

2.3 2D图形平台的演变27

2.3.1从整数坐标到浮点数坐标27

2.3.2即时模式与保留模式29

2.3.3过程语言与描述性语言30

2.4使用WPF定义2D场景31

2.4.1 XAML应用程序结构31

2.4.2采用抽象坐标系定义场景31

2.4.3坐标系的选择范围33

2.4.4 WPF画布坐标系34

2.4.5使用显示变换35

2.4.6构造并使用模块化模板37

2.5用WPF实现的2D图形动态显示42

2.5.1基于描述性动画的动态显示42

2.5.2基于过程代码的动态显示44

2.6支持各种形状系数45

2.7讨论和延伸阅读46

第3章 一个古老的绘制器47

3.1一幅丢勒的木刻画47

3.2可见性49

3.3实现49

3.3.1绘图52

3.4程序55

3.5局限性57

3.6讨论和延伸阅读59

3.7练习60

第4章2D图形测试平台62

4.1引言62

4.2测试平台的细节63

4.2.1使用2D测试平台63

4.2.2割角63

4.2.3基于测试平台的程序的结构64

4.3 C＃代码68

4.3.1坐标系70

4.3.2 WPF数据依赖71

4.3.3事件处理71

4.3.4其他几何物体73

4.4动画73

4.5交互74

4.6测试平台的一个应用程序74

4.7讨论77

4.8练习77

第5章 人类视觉感知简介78

5.1引言78

5.2视觉系统79

5.3眼睛82

5.3.1眼睛的生理机能82

5.3.2眼睛中的光感受器83

5.4恒常性及其影响85

5.5延续性87

5.6阴影88

5.7讨论和延伸阅读89

5.8练习90

第6章 固定功能的3D图形平台和层次建模简介92

6.1引言92

6.1.1 WPF 3D部分的设计92

6.1.2对光与物体交互的物理过程的近似93

6.1.3 WPF 3D概述93

6.2网格和光照属性94

6.2.1场景设计94

6.2.2生成更真实的光照98

6.2.3固定功能绘制中的“光照”与“着色”101

6.3曲面表示和绘制102

6.3.1基于插值的着色处理（Gouraud着色）102

6.3.2将表面设置为多面体表面和平滑表面104

6.4 WPF中的表面纹理105

6.4.1基于分片拼接的纹理映射106

6.4.2基于拉伸的纹理映射107

6.5 WPF反射模型107

6.5.1颜色设置107

6.5.2光源几何108

6.5.3反射率108

6.6基于场景图进行层次建模112

6.6.1模块化建模的动因112

6.6.2自顶向下的部件层次结构设计113

6.6.3自下而上的构建和组合114

6.6.4构件的重用118

6.7讨论120

第7章2D和3D空间中的基础数学与几何121

7.1引言121

7.2记号121

7.3集合121

7.4函数122

7.4.1反正切函数123

7.5坐标124

7.6坐标运算124

7.6.1向量126

7.6.2如何理解向量127

7.6.3向量长度127

7.6.4向量运算127

7.6.5矩阵乘法130

7.6.6其他类型的向量131

7.6.7隐式直线132

7.6.8平面直线的隐式描述133

7.6.9能否采用y＝mx＋b134

7.7直线求交134

7.7.1参数化-参数化直线求交134

7.7.2参数化-隐式直线求交135

7.8更一般的求交计算135

7.8.1光线-平面求交136

7.8.2光线-球求交137

7.9三角形138

7.9.1重心坐标138

7.9.2空间三角形139

7.9.3半平面和三角形140

7.10多边形141

7.10.1内／外测试141

7.10.2非简单多边形的内部143

7.10.3平面多边形的符号面积：分而治之143

7.10.4空间多边形的法向量144

7.10.5更一般多边形的符号面积145

7.10.6倾斜原理145

7.10.7重心坐标的模拟146

7.11讨论147

7.12练习147

第8章2D和3D形状的简单表示150

8.1引言150

8.2 2D空间中的“网格”：折线151

8.2.1边界151

8.2.2 1D网格的数据结构153

8.3 3D网格154

8.3.1流形网格154

8.3.2非流形网格156

8.3.3网格结构的存储要求157

8.3.4网格操作158

8.3.5边折叠158

8.3.6边交换159

8.4讨论和延伸阅读159

8.5练习160

第9章 网格函数161

9.1引言161

9.2重心坐标插值代码163

9.2.1另一视角下的线性插值166

9.2.2扫描线插值167

9.3分段线性扩展的局限168

9.3.1依赖网格结构169

9.4更平滑扩展169

9.4.1非凸空间169

9.4.2使用哪一种插值方法好170

9.5顶点处定义函数乘171

9.6应用：纹理映射172

9.6.1纹理坐标赋值172

9.6.2纹理映射细节173

9.6.3纹理映射问题173

9.7讨论173

9.8练习174

第10章2D变换177

10.1引言177

10.2 5个实例177

10.3关于变换的重要事实180

10.3.1与矩阵相乘为线性变换180

10.3.2与矩阵相乘为唯一的线性变换180

10.3.3函数组合和矩阵乘法的关系181

10.3.4矩阵的逆和反函数的关系181

10.3.5求解变换的关联矩阵182

10.3.6变换和坐标系184

10.3.7矩阵性质和奇异值分解185

10.3.8计算SVD186

10.3.9 SVD和伪逆186

10.4平移188

10.5再谈点和向量188

10.6为什么使用3×3矩阵而不是一个矩阵和一个向量189

10.7窗口变换189

10.8构建3D变换190

10.9另一个构造2D变换的实例191

10.10坐标系193

10.11应用：绘制场景图194

10.11.1场景图中的坐标改变200

10.12变换向量和余向量202

10.12.1对参数化直线进行变换204

10.13更一般的变换205

10.14变换与插值209

10.15讨论和延伸阅读209

10.16练习210

第11章3D变换212

11.1引言212

11.1.1投影变换理论213

11.2旋转214

11.2.1 2D和3D情形的类比214

11.2.2欧拉角215

11.2.3旋转轴和旋转角的描述216

11.2.4从旋转矩阵中寻找旋转轴和旋转角217

11.2.5以物体为中心的欧拉角219

11.2.6旋转和3D球219

11.2.7计算稳定性224

11.3旋转表示间的比较224

11.4旋转与旋转参数的指定225

11.5对矩阵变换进行插值226

11.6虚拟跟踪球和弧球226

11.7讨论和延伸阅读228

11.8练习228

第12章2D和3D图形变换库230

12.1引言230

12.2点和向量230

12.3变换231

12.3.1效率231

12.4变换的参数232

12.5实现232

12.5.1投影变换233

12.6 3D空间235

12.7相关变换235

12.8其他结构235

12.9其他方法235

12.10讨论238

12.11练习238

第13章 相机设定及变换239

13.1引言239

13.2一个2D的示例239

13.3透视型相机设定240

13.4基于相机设定构建变换242

13.5相机变换和光栅化绘制流水线248

13.6透视变换和z值250

13.7相机变换和层次化建模251

13.8正交相机252

13.8.1宽高比和视域253

13.9讨论和延伸阅读253

13.10练习254

第14章 标准化近似和表示256

14.1引言256

14.2评价各种表示方法256

14.2.1测量值258

14.2.2历史上的模型258

14.3实数258

14.3.1定点数259

14.3.2浮点数260

14.3.3缓冲区260

14.4建立光线光学模块263

14.4.1光264

14.4.2光源267

14.4.3光传输267

14.4.4材质268

14.4.5相机268

14.5大尺度物体几何269

14.5.1网格270

14.5.2隐式曲面273

14.5.3样条曲面和细分曲面274

14.5.4高度场275

14.5.5点集276

14.6远距离物体277

14.6.1层次细节277

14.6.2贴图板和Imposter技术277

14.6.3天空立方盒278

14.7体模278

14.7.1有限元模型278

14.7.2体素279

14.7.3粒子系统280

14.7.4雾280

14.8场景图281

14.9材质模型282

14.9.1散射函数283

14.9.2朗伯反射286

14.9.3归一化Blinn-Phong反射函数287

14.10半透明和颜色混合289

14.10.1混合290

14.10.2局部覆盖率（α）291

14.10.3透射293

14.10.4自发光295

14.10.5光晕和镜头眩光295

14.11光源模型295

14.11.1辐射度函数295

14.11.2直接光和间接光296

14.11.3实用和艺术考虑296

14.11.4矩形面光源301

14.11.5半球面光源303

14.11.6全向光源303

14.11.7平行光源304

14.11.8聚光灯305

14.11.9统一的点光源模型306

14.12讨论308

14.13练习308

第15章 光线投射与光栅化309

15.1引言309

15.2顶层设计概述310

15.2.1散射310

15.2.2可见点311

15.2.3光线投射：像素优先312

15.2.4光栅化：三角形优先312

15.3实现平台313

15.3.1选择标准313

15.3.2工具类315

15.3.3场景表示319

15.3.4测试场景321

15.4光线投射绘制程序321

15.4.1生成视线323

15.4.2采样框架：求交和着色325

15.4.3光线-三角形求交326

15.4.4调试328

15.4.5着色329

15.4.6朗伯散射330

15.4.7光泽型散射331

15.4.8阴影331

15.4.9更复杂的场景334

15.5间奏曲334

15.6光栅化335

15.6.1交换循环次序335

15.6.2包围盒优化336

15.6.3近平面裁剪338

15.6.4提升效率338

15.6.5光栅化阴影区域343

15.6.6包围盒算法之外345

15.7使用光栅化API进行绘制347

15.7.1图形流水线347

15.7.2接口348

15.8性能和优化357

15.8.1关于抽象的思考357

15.8.2关于架构的思考358

15.8.3提前深度测试的例子359

15.8.4什么情况下需进行早期优化359

15.8.5改进性能估计界限360

15.9讨论360

15.10练习361

第16章 实时3D图形平台综述363

16.1引言363

16.1.1从固定功能流水线到可编程的绘制流水线364

16.2编程模型：OpenGL兼容（固定功能）配置文件365

16.2.1 OpenGL程序结构366

16.2.2初始化和主循环367

16.2.3光照与材质368

16.2.4几何处理368

16.2.5相机设置370

16.2.6绘制图元371

16.2.7组装：静态帧372

16.2.8组装：动态效果372

16.2.9层次建模372

16.2.10拾取关联373

16.3编程模型：OpenGL可编程流水线373

16.3.1可编程流水线的抽象373

16.3.2核心API的本性375

16.4图形应用程序的架构375

16.4.1应用程序模型375

16.4.2从应用程序模型到IM平台的流水线376

16.4.3场景图中间件381

16.4.4图形应用程序平台383

16.5其他平台上的3D应用384

16.5.1移动设备上的3D应用384

16.5.2浏览器中的3D应用384

16.6讨论385