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本書對計算機圖形學的基本原理進行了深入淺出的闡述，書中不僅配有豐富的圖例和例題，而且采用C語言對課程主要算法進行了編程實現，并以實現OpenGL狀態機為主線將課程主要知識點串連起來。這種理論和實踐相結合的方式極大地方便了讀者對抽象的計算機圖形學理論的系統理解和掌握。本書共10章，內容包括緒論、計算機圖形系統、OpenGL編程環境介紹、基本圖形生成算法、二維變換和二維觀察、三維變換和三維觀察、三維對象的表示、消隱計算、顏色模型以及真實感圖形繪制。
本書可作為高等院校計算機圖形學理論的課程教材，也可作為從事計算機圖形處理技術及其他有關工程技術人員的參考書。

本教材最大的特色為理論聯系實踐。教材除了對圖形學原理進行了深入淺出的推導外，還對計算機圖形學常見的算法采用C語言 OpenGL進行了編程實現，對主要知識點均配有豐富的例題。這種理論聯系實踐的方式可以最大限度地降低讀者的學習難度。

計算機圖形學經過近幾十年的發展，已經滲透到各行各業，在經濟建設中發揮著重要作用。2018年，編者在北京師范大學出版社出版了《計算機圖形學原理與實現》，該書對圖形學基本算法進行了C語言編程實現。為適應我國計算機圖形學教學的最新要求，編者對上述教材進行了修訂。與上一本教材的最大區別在于，本書以實現OpenGL狀態機原型為主線，采用C語言對圖形學基本算法進行了重新編程實現，以便更清晰地展示圖形學知識點間的相互關聯。本書既可以作為高等院校本科生教材，也可以作為相關行業工程技術人員的參考書。
本書內容在安排上循序漸進，對理論的講解通俗易懂，總體來講有如下兩個特點。
（1） 深入淺出的理論介紹。為便于讀者快速理解計算機圖形學的基本理論，本書在內容安排上循序漸進，用深入淺出的算法推導、豐富的例題和圖例對計算機圖形學基本理論進行了全面的介紹。
（2） 理論與工程實踐相結合。本書對計算機圖形學中的主要算法進行了編程實現，并模擬實現了OpenGL狀態機的功能。這種理論與實踐相結合的漸進式組織方式便于學生對課程內容形成系統理解。書中的主要算法均給出了完整的源程序代碼及其運行界面。為兼顧不同讀者對編程語言的掌握程度，本書采用C語言作為程序開發語言，并且基于Win32控制臺應用程序的形式展示程序運行結果。
具體而言，本書10章內容之間的關系如圖所示。由于編者水平有限，本書難免存在不足之處，懇請專家和讀者批評指正。
編者2024年1月

第1章緒論1
1.1計算機圖形學基本概念1
1.1.1計算機圖形學的定義1
1.1.2圖形和圖像1
1.1.3計算機圖形學、數字圖像處理與模式識別2
1.2計算機圖形學發展歷史2
1.3計算機圖形學的應用4
1.3.1用戶接口4
1.3.2計算機輔助設計4
1.3.3數字娛樂5
1.3.4計算機輔助繪圖5
1.3.5計算機輔助教學6
1.3.6科學計算可視化6
1.3.7計算機藝術7
習題8
第2章計算機圖形系統9
2.1計算機圖形系統概述9
2.1.1計算機圖形系統的功能9
2.1.2計算機圖形系統的結構10
2.2計算機圖形硬件設備10
2.2.1圖形輸入設備10
2.2.2圖形顯示設備12
2.2.3圖形繪制設備17
2.3計算機圖形軟件18
2.3.1計算機圖形軟件分類18
2.3.2用戶接口設計19
2.3.3基本交互式繪圖技術21
習題22計算機圖形學原理與實現目錄第3章OpenGL編程環境介紹23
3.1Visual Studio集成開發環境簡介23
3.2使用Visual Studio 2022創建新項目23
3.3OpenGL簡介26
3.3.1OpenGL概述26
3.3.2OpenGL的主要功能27
3.3.3OpenGL狀態機簡介28
3.3.4OpenGL狀態機原型簡介28
3.3.5Windows編程簡介33
習題36
第4章基本圖形生成算法37
4.1掃描轉換的定義37
4.2直線的掃描轉換38
4.2.1DDA畫線法38
4.2.2中點畫線法41
4.2.3Bresenham畫線法45
4.3圓的掃描轉換48
4.3.1根據圓的方程畫圓48
4.3.2中點畫圓法49
4.3.3Bresenham畫圓法53
4.4區域填充56
4.4.1掃描線多邊形填充算法56
4.4.2邊緣填充算法63
4.4.3種子填充算法65
4.4.4其他填充算法68
4.4.5區域填充的屬性處理69
4.5屬性處理69
4.5.1直線的線型處理69
4.5.2直線的線寬處理70
4.5.3曲線的線寬處理74
4.6字符77
4.6.1基本概念77
4.6.2點陣字符77
4.6.3矢量字符77
4.7反走樣78
4.7.1提高分辨率79
4.7.2簡單區域取樣80
4.7.3加權區域取樣81
習題82
第5章二維變換和二維觀察83
5.1圖形變換基本知識83
5.1.1矢量和矩陣83
5.1.2齊次坐標85
5.2基本二維變換86
5.2.1平移變換86
5.2.2旋轉變換86
5.2.3縮放變換87
5.2.4基本二維變換的矩陣表示88
5.2.5其他變換95
5.3二維復合變換100
5.3.1連續平移100
5.3.2連續旋轉100
5.3.3連續縮放101
5.3.4通用基準點的變換101
5.3.5通用方向的變換104
5.3.6二維變換總結106
5.4二維觀察107
5.4.1二維觀察流程107
5.4.2用戶坐標系到觀察坐標系的變換108
5.4.3窗口到視區的變換109
5.4.4二維裁剪概述110
習題127
第6章三維變換和三維觀察129
6.1三維變換概述129
6.2三維幾何變換130
6.2.1三維平移變換130
6.2.2三維變比變換137
6.2.3三維旋轉變換139
6.2.4三維反射變換143
6.2.5三維錯切變換145
6.2.6三維復合變換147
6.3三維投影變換157
6.3.1三維投影變換的分類157
6.3.2三視圖159
6.3.3正軸測161
6.3.4斜平行投影164
6.3.5透視投影166
6.4三維觀察173
6.4.1觀察坐標系173
6.4.2觀察空間174
6.4.3三維觀察流程175
習題176
第7章三維對象的表示177
7.1三維對象表示方法概述177
7.1.1三維圖形的基本問題177
7.1.2數據模型177
7.1.3過程模型178
7.2多邊形表面179
7.2.1多邊形表面概述179
7.2.2多邊形表面表示法179
7.3二次曲面180
7.3.1球面180
7.3.2橢球面180
7.3.3環面180
7.3.4超二次曲面180
7.4樣條曲線概述181
7.4.1樣條的基本概念181
7.4.2樣條曲線的分類181
7.5Hermite樣條曲線184
7.6Bzier曲線和曲面186
7.6.1Bzier曲線的定義186
7.6.2Bernstein基函數的性質186
7.6.3常見的Bzier曲線187
7.6.4Bzier曲線的性質188
7.6.5Bzier曲線的繪制190
7.6.6Bzier曲面194
7.7B樣條曲線和曲面195
7.7.1B樣條曲線的定義195
7.7.2常見的B樣條曲線196
7.7.3B樣條曲線的性質198
7.7.4B樣條曲線的分類199
7.7.5B樣條曲面199
7.8空間分區表示方法199
7.8.1立體構造199
7.8.2八叉樹200
7.8.3BSP樹202
7.9非規則對象表示方法202
7.9.1分形幾何方法202
7.9.2粒子系統203
7.9.3基于物理的建模205
7.9.4數據可視化205
習題205
第8章消隱計算207
8.1消隱概述207
8.1.1消隱的定義207
8.1.2消隱的分類207
8.1.3消隱算法的原則208
8.2Z緩沖區算法209
8.3區域掃描線算法211
8.4深度排序算法213
8.5光線跟蹤算法215
8.6BSP算法215
習題216
第9章顏色模型217
9.1光的特性217
9.1.1電磁頻譜217
9.1.2顏色的心理學特征218
9.2顏色模型的定義218
9.3標準基色和色度圖219
9.4RGB顏色模型221
9.5CMY顏色模型222
9.6HSV顏色模型222
習題223
第10章真實感圖形繪制224
10.1簡單光照模型224
10.1.1環境反射光225
10.1.2漫反射光225
10.1.3鏡面反射光226
10.1.4光強衰減228
10.1.5顏色處理228
10.2明暗處理230
10.2.1恒定光強的明暗處理230
10.2.2Gouraud明暗處理230
10.2.3Phong明暗處理232
10.3陰影處理233
10.3.1自身陰影生成233
10.3.2投射陰影生成233
10.4透明處理234
10.4.1透明效果的簡單模擬234
10.4.2考慮折射的透明處理235
10.5整體光照模型與光線跟蹤236
10.5.1整體光照模型概述236
10.5.2Whitted光照模型237
10.5.3光線跟蹤算法238
10.6紋理映射239
10.6.1顏色紋理處理239
10.6.2幾何紋理處理241
習題242
參考文獻243