計算機圖形學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)

前言

自有人類文明以來，圖形便和語言、文字一道成為了人類交流思想、傳遞信息的有力工具。事實上，最早出現(xiàn)的象形文字就是一種圖形。刻在山崖上的古代壁畫記錄了古代人生活、勞作的情景，在流傳的各種典籍中，人們也廣泛采用插圖來展示書中描繪的精彩情節(jié)，以激發(fā)讀者對故事的神往。在制造、建筑、土木等工程技術(shù)領(lǐng)域，圖紙更是記錄產(chǎn)品信息、表達設(shè)計思想必不可少的手段。近年來隨著計算機應(yīng)用的日益普及和計算機圖形學(xué)的蓬勃發(fā)展，計算機繪圖取代了手工繪圖，具有真實光影的效果圖使人們在產(chǎn)品設(shè)計之初即能獲悉未來的產(chǎn)品外觀，各種各樣的建筑物渲染圖已成為房地產(chǎn)展示會上一道靚麗的風(fēng)景。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于CT或MRI掃描數(shù)據(jù)的人體器官三維彩色顯示已成為醫(yī)生進行診療和手術(shù)規(guī)劃的重要依據(jù)。在生物學(xué)領(lǐng)域，科研人員通過操作生物分子的彩色圖像來探索其復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)。在地質(zhì)和石油勘探領(lǐng)域，通過對地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)的三維重建及可視化，技術(shù)人員可以更清晰地看到地下礦藏的分布。類似的例子不勝枚舉。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，圖形已成為應(yīng)用最為廣泛的信息載體。計算機圖形成為許多學(xué)科進行研究和開發(fā)的基礎(chǔ)性工具，從2000年起教育部已將計算機圖形學(xué)列為高等學(xué)校本科生的公共選修課之一。然而，大多數(shù)計算機、機械、化工、建筑、土木、生物、醫(yī)學(xué)、地礦等專業(yè)的本科生或研究生學(xué)習(xí)計算機圖形學(xué)的目的不是為了去研究圖形學(xué)算法本身，而是為了運用圖形學(xué)已有的研究成果為其科研和教學(xué)服務(wù)。盡管如今走進書店，有關(guān)圖形學(xué)的教科書和各種圖形軟件使用說明書琳瑯滿目，但它們大多是為從事圖形學(xué)研究的研究生和專業(yè)人員寫的，書中過于詳細的算法描述，嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)使許多初學(xué)者望而卻步。

內(nèi)容概要

　　《計算機圖形學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)》是專門為計算機、機械、土木、建筑、數(shù)學(xué)等非圖形學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)計算機圖形學(xué)課程而編寫的一本教材。與國內(nèi)現(xiàn)有的大多數(shù)圖形學(xué)教材不同，《計算機圖形學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)》力求以簡單通俗的方式介紹計算機圖形生成的基本概念、基本原理和基本技術(shù)。全書共分九章，包括圖形學(xué)基礎(chǔ)、物體的幾何表示、變換與裁剪、光柵轉(zhuǎn)化與消隱、真實感圖形、計算機動畫、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實、圖形軟件支撐平臺和常用軟件簡介等?！队嬎銠C圖形學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)》的特點是內(nèi)容系統(tǒng)，敘述簡明；跟蹤熱點，取材新穎；面向應(yīng)用，拓展視野。為便于讀者學(xué)習(xí)，《計算機圖形學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)》每章后都附有習(xí)題和參考文獻?！队嬎銠C圖形學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)》所附光盤提供了36學(xué)時課件，并附有各種示范性實例和實現(xiàn)這些實例的源程序，以幫助讀者更好地理解和掌握書中內(nèi)容?！　　队嬎銠C圖形學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)》可作為高等院校有關(guān)專業(yè)高年級學(xué)生和研究生的教學(xué)用書，對于廣大從事CAD&CG開發(fā)、應(yīng)用的科技人員也有較大的參考價值。

書籍目錄

前言第一章 緒論1.1 計算機圖形學(xué)概述1.1.1 影視特技1.1.2 計算機游戲1.1.3 計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造1.1.4 科學(xué)計算可視化1.1.5 圖形用戶界面1.1.6 計算機藝術(shù)1.1.7 移動圖形學(xué)1.2 Windows環(huán)境下生成圖形的一個簡單例子1.3 光柵圖形顯示的基本原理1.3.1 光柵圖形顯示技術(shù)1.3.2 簡單二維圖元的生成方法1.4 RGB顏色系統(tǒng)習(xí)題參考文獻第二章 物體的幾何表示2.1 局部坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系2.2 物體的多邊形表示2.3 參數(shù)曲線曲面2.3.1 物體參數(shù)表示的數(shù)學(xué)原理2.3.2 參數(shù)曲線2.3.3 參數(shù)曲線的剖分繪制算法2.3.4 參數(shù)曲面2.4 細分曲面2.5 隱式曲面2.6 物體的CSG樹表示2.7 自然景物表示方法2.8 小結(jié)習(xí)題參考文獻第三章 變換與裁剪3.1 二維變換3.2 三維變換3.2.1 場景坐標(biāo)系和造型變換3.2.2 視點坐標(biāo)系和取景變換3.2.3 投影坐標(biāo)系和投影變換3.2.4 規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系和設(shè)備變換3.2.5 屏幕坐標(biāo)系和視窗變換3.3 裁剪3.4 變換與裁剪的實例3.5 小結(jié)習(xí)題參考文獻第四章 光柵轉(zhuǎn)化與消隱4.1 區(qū)域填充4.2 多邊形的掃描轉(zhuǎn)換4.2.1 多邊形掃描轉(zhuǎn)換中的連貫性4.2.2 多邊形掃描轉(zhuǎn)換算法4.3 隱藏面消除4.3.1 z緩沖器消隱算法4.3.2 畫家算法4.4 小結(jié)習(xí)題參考文獻第五章 真實感圖形5.1 光照明模型5.1.1 泛光模型5.1.2 Lambert漫反射模型5.1.3 Phong模型5.1.4 Whitted整體光照明模型5.1.5 光照明模型的進一步完善5.2 多邊形物體的明暗處理5.2.1 Gouraud明暗處理5.2.2 Phong明暗處理5.3 光線跟蹤算法5.3.1 基本原理5.3.2 光線跟蹤算法的偽語言描述5.3.3 陰影計算5.3.4 反走樣5.3.5 加速技術(shù)5.3.6 光線跟蹤實例程序5.4 紋理映射5.4.1 顏色紋理5.4.2 幾何紋理5.4.3 紋理反走樣5.4.4 紋理映射實例程序5.5 輻射度方法5.5.1 輻射度方法簡介5.5.2 輻射度方法實例程序5.6 實時繪制技術(shù)5.6.1 圖形繪制流水線與圖形API5.6.2 常用的實時繪制技術(shù)5.6.3 實時光線跟蹤5.7 非真實感圖形繪制技術(shù)5.7.1 素描5.7.2 卡通繪制5.7.3 美術(shù)繪制習(xí)題參考文獻第六章 計算機動畫6.1 計算機動畫簡介6.2 低層動畫驅(qū)動技術(shù)6.2.1 關(guān)鍵幀技術(shù)6.2.2 樣條驅(qū)動動畫技術(shù)6.2.3 物體旋轉(zhuǎn)的歐拉角表示和插值6.3 Morphing和空間變形動畫技術(shù)6.3.1 二維多邊形形狀漸變6.3.2 二維圖像Motphing技術(shù)6.3.3 三維Morphing技術(shù)6.3.4 整體和局部變形方法6.3.5 自由變形方法FFD6.3.6 軸變形方法6.3.7 元球的造型和動畫技術(shù)6.4 過程動畫技術(shù)6.4.1 粒子系統(tǒng)6.4.2 群體動畫6.4.3 布料動畫6.4.4 臉部表情動畫6.5 關(guān)節(jié)動畫6.5.1 正運動學(xué)方法6.5.2 逆運動學(xué)方法6.5.3 動力學(xué)方法6.5.4 運動捕獲和運動重現(xiàn)6.6 運動模糊6.7 動畫后期合成6.8 虛擬演播室6.9 計算機游戲6.10 Flash動畫習(xí)題參考文獻第七章 科學(xué)計算可視化7.1 科學(xué)計算可視化概述7.2 面繪制算法7.2.1 數(shù)據(jù)集7.2.2 Marching Cubes算法7.2.3 算法存在問題及改進方法7.3 直接體繪制方法7.3.1 為什么需要進行直接體繪制7.3.2 光線投射體繪制算法步驟7.3.3 其他體繪制算法7.4 實用可視化系統(tǒng)VTK簡介及實例程序7.4.1 VTK簡介7.4.2 體繪制實例程序習(xí)題參考文獻第八章 虛擬現(xiàn)實8.1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特點及組成8.2 立體視覺的生成與獲取8.2.1 立體視覺產(chǎn)生的原因8.2.2 立體圖像生成的照相機模型8.2.3 立體視覺的捕獲8.2.4 立體顯示對人體健康的影響8.3 虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備8.3.1 三維定位跟蹤設(shè)備8.3.2 手持式交互設(shè)備8.3.3 數(shù)據(jù)手套8.3.4 其他交互設(shè)備8.3.5 交互設(shè)備的軟件支持8.4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類8.4.1 桌面型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.4.2 基于HMD的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.4.3 基于投影顯示的完全沉浸式或半沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)8.4.4 遙在系統(tǒng)8.5 增強現(xiàn)實技術(shù)8.5.1 現(xiàn)實-虛擬連續(xù)流8.5.2 增強現(xiàn)實系統(tǒng)8.5.3 增強現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域習(xí)題參考文獻第九章 圖形軟件支撐平臺和常用軟件簡介9.1 常用圖形支撐軟件簡介9.1.1 OpenGL簡介9.1.2 DirectX簡介9.1.3 基于場景圖的圖形開發(fā)工具9.1.4 面向虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的圖形開發(fā)工具9.2 網(wǎng)絡(luò)圖形開發(fā)9.2.1 VRML與X3D簡介9.2.2 Java 3D簡介9.3 計算機三維動畫軟件3ds Max簡介習(xí)題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第一章 緒論1.1　計算機圖形學(xué)概述計算機圖形學(xué)（computer graphics，CG）是一門研究如何利用計算機表示、生成、顯示和處理圖形的學(xué)科。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和顏色、紋理、線型、線寬等非幾何屬性描述。從生成技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類：一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等；另一類是真實感圖形。要生成真實感圖形，首先必須建立畫面場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算場景在假想光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。計算機圖形學(xué)與計算機輔助幾何設(shè)計有著密切的關(guān)系。事實上，圖形學(xué)也把表示幾何場景的曲線曲面造型技術(shù)和實體造型技術(shù)作為其研究內(nèi)容。同時，由于真實感圖形計算的結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式提供的，因此計算機圖形學(xué)與圖像處理也有著密切的關(guān)系。圖形與圖像是密切相關(guān)但又不同的兩個概念。圖像純指計算機內(nèi)以位圖形式表示的顏色和亮度信息，而圖形則由場景的幾何模型和物理屬性共同描述。由于給人們提供了一種直觀的信息交流的工具，計算機圖形已被廣泛地用于各個不同的領(lǐng)域，如影視、游戲、工業(yè)設(shè)計、科學(xué)研究、藝術(shù)、醫(yī)學(xué)、廣告、教育、培訓(xùn)、軍事等。應(yīng)用的需求反過來推動了圖形學(xué)的發(fā)展，計算機圖形已經(jīng)形成了一個巨大的產(chǎn)業(yè)。下面，我們介紹一些具有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域。

編輯推薦

《計算機圖形學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)》由科學(xué)出版社出版。

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