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第1章　绪论1

1.1 计算机图形学的研究内容1

1.1.1 图形与图像1

目录1

1.1.2　研究内容2

1.1.3　相关学科4

1.2　计算机图形学的发展4

1.2.1 图形硬设备的发展5

1.2.3　图形专用算法的发展6

1.3　计算机图形学的应用6

1.2.2　图形软件及图形软件标准的发展6

1.3.1 计算机辅助设计及计算机辅助制造7

1.3.2　科学计算可视化7

1.3.3　地图制图学及地理信息系统8

1.3.4　计算机动画9

1.3.5　人机交互界面9

1.3.6　计算机艺术10

习题一10

第2章 图形系统的组成11

2.1 显示设备11

2.1.1　刷新式阴极射线管11

2.1.2　彩色阴极射线管12

2.1.4　光栅扫描显示器14

2.1.3　随机扫描显示器14

2.1.5　液晶显示器15

2.1.6　等离子显示器16

2.2　光栅扫描显示系统17

2.2.1 光栅扫描显示系统的基本工作原理18

2.2.2　光栅扫描显示系统的组成20

2.3　硬拷贝设备22

2.3.1　打印机22

2.3.2　绘图仪23

2.4.1 图形软件的层次结构及功能24

2.4 图形软件及图形软件标准24

2.4.2　图形软件标准25

习题二27

第3章 OpenGL编程基础28

3.1 概述28

3.2　OpenGL工作结构30

3.3 OpenGL的功能31

3.4　OpenGL工作流程32

3.5　OpenGL图形操作步骤34

3.6　OpenGL的组成35

3.8　OpenGL函数命名约定36

3.7　OpenGL数据类型36

3.9　OpenGL程序37

3.9.1　头文件39

3.9.2　主体39

3.9.3　OpenGL图形调用40

习题三42

第4章　二维线画图元及属性43

4.1 直线的扫描转换及算法43

4.1.1　数值微分法45

4.1.2　Bresenham画线算法47

4.1.3　双步画线算法49

4.2　圆和椭圆的扫描转换算法51

4.2.1　圆的八点对称51

4.2.2　Bresenham画圆算法52

4.2.3　中点画圆算法54

4.2.4　正负法画圆57

4.2.5　椭圆的扫描转换58

4.3　其他输出图元的生成59

4.4　输出图元的属性59

4.4.1 线宽控制59

4.5　字符的生成62

4.4.2　线型控制62

4.5.1　字符形状表示63

4.5.2　字符属性64

习题四65

第5章 多边形的扫描转换及区域填充66

5.1 矩形填充67

5.2　多边形扫描转换68

5.2.1　逐点判断算法68

5.2.2　扫描线填充算法70

5.2.3　边缘填充算法78

5.3.1　区域的表示79

5.3 区域填充79

5.3.2　递归填充算法80

5.3.3　扫描线区域填充算法82

5.4 多边形扫描转换与区域填充的区别84

5.5　光栅图形的反走样85

5.5.1 二维光栅图形的走样现象85

5.5.2　反走样方法86

习题五88

第6章 OpenGL基本图元的绘制89

6.1 概述89

6.2.2　点的大小91

6.2　点91

6.2.1　点的绘制91

6.3 线92

6.3.1 直线的绘制92

6.3.2　折线和封闭折线的绘制92

6.3.3　线型93

6.3.4　线宽94

6.4 多边形97

6.4.1 多边形的绘制97

6.4.2　图案填充97

6.5　字符100

习题六101

第7章　几何变换102

7.1 二维基本变换102

7.1.1　平移变换102

7.1.2 比例变换103

7.1.3　旋转变换104

7.2　二维几何变换的齐次坐标表示105

7.2.1　齐次坐标技术105

7.2.2　几何变换的齐次坐标表示106

7.2.3　其他变换107

7.2.4　二维几何变换的一般形式109

7.3　组合变换110

7.3.1 单个基本变换的组合变换110

7.3.2　多个基本变换的组合变换111

7.3.3　变换矩阵的级联特性113

7.4　三维几何变换114

7.4.1 三维坐标系的建立114

7.4.2　三维图形几何变换115

7.4.3　三维坐标系变换121

7.5.1　矩阵操作函数122

7.5　OpenGL几何变换命令及应用122

7.5.2　几何变换124

7.5.3 OpenGL图形变换实例124

习题七129

第8章　开窗口及二维裁剪130

8.1 开窗口及裁剪的基本概念130

8.1.1　坐标系130

8.1.2　窗口与视区132

8.1.3　窗口在图形显示中的应用133

8.1.4　裁剪133

8.2　窗口到视区的变换134

8.3.1 直线裁剪的基本原理136

8.3　直线裁剪算法136

8.3.2　Cohen-Sutherland直线裁剪算法137

8.3.3　中点分割算法141

8.3.4　Liang-Barsky算法142

8.4　多边形裁剪145

8.4.1　Sutherland-Hodgman算法146

8.4.2　Weiler-Atherton算法149

8.5.1　以串为单位的裁剪152

8.5.2　以字符为单位的裁剪152

8.5 文本裁剪152

8.5.3　矢量裁剪153

8.6　二维图形显示流程153

8.7　OpenGL视区变换154

习题八154

第9章 图形用户接口与交互技术156

9.1 交互输入的硬件设备156

9.1.1　键盘156

9.1.2　光笔157

9.1.3　图形板158

9.1.4　控制棒及跟踪球158

9.1.6　数据手套159

9.1.5　鼠标159

9.2 交互设备的逻辑功能160

9.2.1　定位161

9.2.2　笔划162

9.2.3　字符串162

9.2.4　赋值162

9.2.5　选择163

9.2.6　检图163

9.3　基本交互技术163

9.3.1　基本定位方法164

9.3.2　方向约束及网格约束定位方法164

9.3.4　橡皮带方法166

9.3.3 引力场定位方法166

9.3.5　草图勾勒法167

9.3.6　图形拖移法168

9.3.7　交互式绘图中的反馈技术168

9.4　交互输入的基本方式169

9.4.1 交互输入方式及其定义169

9.4.2　请求方式170

9.4.3　采样方式171

9.4.4　事件方式171

9.5　设计人机交互及用户界面的一般原则172

9.5.1 用户界面的一般风格172

9.5.2　设计用户界面的一般原则173

9.6 OpenGL中的交互操作174

9.6.1　物体的选择174

9.6.2　反馈176

习题九183

第10章　三维观察与裁剪184

10.1 平面几何投影184

10.1.1 投影与投影变换184

10.1.2　平面几何投影的分类184

10.1.3　透视投影185

10.1.4　平行投影变换188

10.2　三维观察空间191

10.2.1　观察坐标系192

10.2.2　观察空间与视见体193

10.2.3　规范视见体195

10.3 三维裁剪196

10.4　三维图形显示流程198

10.4.1 建模变换198

10.4.2　观察变换199

10.4.3 裁剪空间到规格化裁剪空间的变换200

10.4.4　规格化图像空间205

10.4.5　三维图形输出流水线206

10.5 OpenGL观察流程和函数207

10.5.1 常用的变换函数207

10.5.2　模视变换208

10.5.3　投影变换210

10.5.4　视区变换212

10.5.5　附加裁剪面213

10.5.6　OpenGL三维观察程序213

习题十217

11.1 概述218

第11章　三维形体的表示218

11.2　形体的表示219

11.2.1　线框模型219

11.2.2　表面模型220

11.2.3　实体模型221

11.3 物体的CSG树表示226

11.4　边界表示法227

11.4.1　物体的边界表示227

11.4.2　边界表示的数据结构229

11.4.3　欧拉操作232

11.5.1 平移Sweep233

11.5.2　旋转Sweep233

11.5 扫描表示233

11.5.3　广义Sweep234

11.6　八叉树法234

11.7　分型几何方法——自然景物的模拟235

11.7.1　分形几何236

11.7.2　分形造型对模型的基本要求237

11.7.3　分形造型的常用模型237

习题十一240

第12章 曲线曲面造型241

12.1.1　位置矢量242

12.1 曲线表示的基本知识242

12.1.2　切矢量243

12.1.3 曲率243

12.1.4　法矢量244

12.1.5　挠率245

12.1.6　型值点和控制点246

12.1.7　连续性246

12.1.8　插值、逼近、光顺和拟合247

12.2 Bézier曲线248

12.2.1 Bézier曲线的定义248

12.2.2　Bézier曲线的性质249

12.2.3　三次Bézier曲线的矩阵表示251

12.2.4　Bézier曲线的拼接252

12.3 B样条曲线253

12.3.1　B样条的定义253

12.3.2　B样条曲线的性质254

12.3.3　B样条曲线分类256

12.4　非均匀有理B样条曲线257

12.4.1 NURBS曲线的定义258

12.4.2　NURBS的齐次坐标表示258

12.5 Bézier曲面259

12.5.1 定义259

12.4.3 NURBS的优缺点259

12.5.2　Bézier曲面片的拼接261

12.6　B样条曲面263

12.6.1　B样条曲面的数学表示263

12.6.2　B样条曲面片的优点263

12.7　非均匀有理B样条曲面263

12.8　OpenGL中自由曲线和曲面的绘制264

12.8.1 Bézier曲线的绘制264

12.8.2　Bézier曲面的绘制268

12.8.3　NURBS曲线的绘制272

12.8.4　NURBS曲面的绘制277

习题十二283

13.1 消隐算法及其分类284

第13章 隐藏面的消除284

13.2 画家算法285

13.3　深度缓冲算法287

13.4　扫描线算法289

13.5　BSP树算法290

13.5.1　构造BSP树291

13.5.2　BSP树遍历292

13.6　区域子分算法293

13.7　光线投射算法295

13.8　OpenGL中的多边形的消除与消隐295

习题十三303

第14章　真实感图形绘制304

14.1 颜色304

14.1.1　颜色的概念及描述304

14.1.2　三色学说306

14.1.3　CIE色度图307

14.1.4　常见颜色模型310

14.1.5　OpenGL颜色313

14.2　简单光照模型317

14.2.1　环境光317

14.2.2　漫反射和Lambert模型318

14.2.3　镜面反射和Phong模型320

14.2.4　OpenGL光照322

14.3 明暗效应326

14.3.1 恒定亮度法326

14.3.2　Gouraud明暗算法327

14.3.3　Phong明暗算法328

14.3.4　OpenGL明暗处理329

14.4　阴影的生成331

14.4.1 影域多边形方法332

14.4.2 曲面细节多边形方法333

14.5 透明333

14.5.1 非折射透明334

14.5.2　考虑折射的透明335

14.6　纹理映射336

14.6.1　颜色纹理337

14.6.2　几何纹理339

14.6.3　OpenGL纹理映射341

习题十四349

附录A　Turbo C图形函数350

A.1 图形模式的初始化350

A.2 独立图形运行程序的建立353

A.3 屏幕颜色的设置和清屏函数354

A.4.1　画点355

A.4 基本图形函数355

A.4.2　画线356

A.5 封闭图形的填充359

A.5.1 先画轮廓再填充359

A.5.2　设定填充方式360

A.5.3　任意封闭图形的填充362

A.6　有关图形窗口和图形屏幕操作函数363

A.6.1　图形窗口操作363

A.6.2　屏幕操作364

A.7 图形模式下的文本输出365

A.7.1 文本输出函数365

A.7.2　有关文本字体、字型和输出方式的设置366

A.7.3　用户对文本字符大小的设置368

附录B OpenGL核心库函数370

B.1 颜色370

B.2　绘制几何图原及物体370

B.3　坐标变换371

B.4　堆栈操作371

B.5　显示列表371

B.6　使用光照和材质372

B.7　像素操作372

B.8　纹理映射372

B.10　帧缓存操作373

B.9　特殊效果操作373

B.12　查询函数374

B.11　绘制曲线和曲面374

附录C GLU库函数376

C.1 绘制NURBS曲线和曲面376

C.2　绘制二次几何物体376

C.3　网格化377

C.4　坐标变换377

C.5　多重映射378

C.6　查询函数378

D.2　窗口管理379

附录D GLUT库函数379

D.1 初始化和启动事件处理379

D.3　重叠层管理380

D.4　菜单管理380

D.5　注册回调函数381

D.6　颜色索引映射表管理381

D.7　状态检索382

D.8　字体绘制382

D.9　几何图形绘制382

参考文献383