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本書采用一種全新的計算機圖形學架構，闡述清楚、文字淺顯、圖示精細、教案完整。從宏觀上構建一個計算機圖形學的清晰框架與認知體系，給計算機圖形學以正確的定位、合理的定義；以“基礎”、“繪制”、“幾何”和“交互”四篇形式闡述計算機圖形學的目的、內容、任務、理論與實踐；明確計算機圖形學“繪制”與“造型”兩個主要任務，使教者易、學者清。在微觀上精致編織、準確表述具體的知識點，注重理論的系統性、算法的完整性；用明晰的分析、淺顯的解釋、精細的圖示使問題的表述簡潔、敘述準確、舉重若輕、化繁為簡，將復雜問題簡單化；努力保證基礎理論、基本算法、幾何模型與數據結構的正確性。本書最后提供了該課程的教學建議書、課程設計指導書和顏色表，方便教師的教學與學生的學習和研究。

圖書圖書，左圖右書。地理之學，非圖不明。圖與書、詩與畫是研究社會之發展、創新和實踐的載體，持續不斷地記錄著人類文明進步的軌跡。圖與語言、文字、數字和聲音一樣，是人類描述思想、交流知識的基本工具。圖樣更是科學、技術和工程界的語言，用于傳遞設計與加工的構想。它既是人類語言的補充，也是人類智慧和語言在更高一級發展階段上的具體體現，在人類生活中有不可替代的作用。在當今社會，圖更顯現出在人類思維、活動與交流中的巨大作用。“曾向滄江看不真，卻因圖畫見精神。”在以計算機和數據為代表的信息時代，圖與圖學已如同文字與文學、數字與數學一樣，成為人類活動最基本的工具和必須掌握的學問。因此，編制經典的圖學教材，支撐圖學學科的發展，使圖學能夠與文學、數學一起共同支撐科學與工程的發展，促進社會的進步，是圖學工作者的責任和義務。 　　計算機圖形學是圖學的杰出代表與引領者，其地位穩固，幾乎所有領域都可涉及，相關教材數百種，千奇百怪。新的理論、方法乃至硬件日新月異。這就需要靜下心來思考： 　　計算機圖形學最基礎、最本質的是什么？作為一門課程，它的基本任務是什么？作為一本教材，它需要包含哪些最基本的內容？科學的發展十分迅速，一些方法與技術可能隨硬件的更新而發展，但是它們的基礎與特定硬件、網絡協議以及一些短暫的事物并不相關。 　　因此，一本計算機圖形學的教材需要回答的最基本問題有兩個：在宏觀上，繪制一個計算機圖形學的清晰框架與認知體系，回答“計算機圖形學是什么”；在微觀上，精致編織、準確表述計算機圖形學具體而細節的知識點，回答“計算機圖形學有什么”。基于這個認識，本版對第2版的修改工作主要包括對學科的認知和教材的組織兩個方面。 　　圖與圖學的認知方面。包含對圖與圖學總體上的定位、定義的認知和對計算機圖形學的計算基礎的認知兩個方面。從“形”的角度認識與表述圖與圖學，認為世界由形構造，形由圖在畫面上顯示，因此，形是圖之源，圖是形的載體，圖學就是研究“形一圖”和“圖一形”之間的轉換。在這個整體上分析圖形、圖像、工程圖的本質屬性和它們的共性，給出統一的圖學之定位和定義：“圖學是以圖為對象，研究在將形演繹到圖的過程中，關于圖的表達、產生、處理與傳播的理論、技術和應用的科學。”全局性地考慮計算機圖形學、計算機圖像學、工程圖學在科學上的同一性，以及它們在學科上的分工。在這個總的定義下，計算機圖形學的學科地位將得到加強，計算機圖形學的根本任務將更為明確。在“第1章導論”中，給出了這個學科的基本內容及邏輯關系。 　　加強了對圖學計算基礎的闡述，專門增加了“第2章計算基礎”。闡述了圖學計算的內涵，分析了幾何與幾何計算在圖學中的地位和作用，指出圖學最根本的理論基礎是幾何學，它的計算基礎是幾何計算。介紹了一種基于幾何問題幾何化的“形計算”機制，以尋求一種合適的幾何計算方法與機制，從而更有利于形的表述和圖的生成。“形計算”機制補充了常規的“數計算”機制，可以從更宏觀的角度構建算法框架，使圖學計算的過程更加結構化、直觀化、簡單化。 　　教材的組織方面。這次修訂的宗旨是向讀者提供一本更科學、更淺顯易懂的計算機圖形學教材，努力使理論更統一、更系統，實施更規范、更簡單。 　　在基本理論的敘述方面，更宏觀、更具條理性。從“形”的角度去統一、闡述和研究，去發展圖學的基礎理論、基本方法和典型算法，明晰圖學的計算基礎和應用基礎。從構造的角度闡述模型的幾何品質，認識幾何計算在計算機圖形學中的地位和作用。從幾何奇異是造成幾何造型系統不穩定性的本源人手，給出了處理幾何奇異的基本原則。 　　在實施方面，更易實踐、資源更多。一是增加了一些算法的實施描述，二是為了教師上課需要，也是為方便學生，在最后的附錄中給出了一系列的教學資源。 　　本版教材包括導論（1章）、4篇正文（14章）和3個附錄。每章的最后均有一個小結，列出本章的基礎理論和知識要點，并附加了一些習題、思考題和課程設計題等。教材的結構如下： 　　第1章導論在章節的次序上，與上版不同，將繪制篇安排在造型篇的前面，即按照“基礎一繪制一造型一交互”4篇的次序編排。這是考慮到繪制是關于圖的內容，如光柵計算、裁剪計算、消隱計算和光照計算等，是計算機圖形學公認的也是最基本的內容，是必需的。造型是關于“形”的內容，如二／三維造型、曲線曲面和曲線擬合等，是服務于繪制的，因而是可以選擇的。 　　編制一個完整的代碼并實現它，可能是對理論和算法認知的最高境界，本版不惜篇幅給出了一些經典算法的代碼，便于讀者從這些算法的實施過程中更深入地理解那些經典算法的原理。有些原理上看起來很復雜，實施卻很簡單，而有些看上去很簡單的原理，實施時卻并非易事。但是，作為一本教材，還是應該注重在理論上的闡述，不可能將這些算法都展開。希望對書中算法的理論進行深入了解的讀者，可以參考筆者的另一本專著《幾何計算》‘181，它詳細給出了300余個常用幾何算法的理論、原理、方法和源代碼，這些算法幾乎在計算機圖形學中都會用到。它與本教材的思想體系是一致的，所述的算法簡潔、穩定、實用。 　　為了教學和讀者實施的方便，本書給出了3個附錄，作為本書的教學資源。 　　教學建議書按照“36學時教學+18學時課程設計”的教學內容與時間安排，教師可根據所教專業與實際需求自行增刪相關內容。 　　課程設計指導書幫助讀者在一個交互系統總體框架下選擇性地實現其中的一些算法題或者稍微難一些的課程設計題。在課程設計題的前面參考性地給出了該題目的“難度系數”，有些題目甚至可以作為研究題。這樣的安排可以滿足不同層次的學校、專業及學生的需求。 　　計算機圖形學的一項主要任務是得到絢麗多彩的圖形圖像，顏色的選擇與配置是其中的重要一環。本版新增了一個顏色表，它給出了一些顏色數字模型的計算機表示，方便讀者的應用。 　　教程的每章最后給出了一些習題、思考題和課程設計題，教師可以從中選擇一些題目用于平時布置作業或在課程結束時形成試卷，也可以階段性地布置課程設計。學生則可以預先選擇自己感興趣的題目作為項目進行訓練。 　　這些教學資源的安排希望不僅有利于教師教學，也可以協助教師和學生在一個總體架構下進行有條不紊、累進性的工作，形成有自己特色的課程資源或工作資源。積跬步以至千里，積小流以成江海。 　　除了參考文獻已經列出的以外，撰寫本書時還參考與采用了其他一些圖書及網上資源，無法一一列出，謹向那些作者們表達謝意。 　　書中不當之處，歡迎讀者、專家和同行勿吝指正。 　　2016年6月5日于上海 

前言 
第1章導論 1 
1.1計算機圖形學的定位和定義 1 
1.1.1 國內外對計算機圖形學的 
定義 1 
1.1.2“大圖學”下計算機圖形學的 
定位與定義 2 
1.1.3圖形、圖像、模型與幾何 3 
1.1.4計算機圖形學的總體架構 5 
1.2計算機圖形學與其他學科的 
關系 6 
1.3計算機圖形學的發展簡史 7 
1.3.1硬件平臺 7 
1.3.2基礎理論 7 
1.3.3實際應用 8 
1.3.4 SIGGRAPH -． 8 
1.4計算機圖形學的應用領域 8 
1.4.1計算機輔助設計與制造 8 
1.4.2科學計算可視化 9 
1.4.3虛擬現實 9 
1.4.4計算機藝術 9 
1.4.5計算機動畫 9 
1.4.6圖形用戶接口 10 
1.5計算機圖形學的相關開發 
技術 10 
1.5.1 0penGL 10 
1.5.2 ACIS 11 
1.5.3 DirectX 11 
1.5.4 Java3D 11 
1.5.5 VRML 11 
1. 6本章要點 12 
1. 7本章作業 13 
第一篇基礎 
%穢 
第2章計算基礎 17 
2.1計算 18 
2.1.1計算及其作用 18 
2.1.2計算的理論基礎 18 
2.1.3計算的對象與結果 18 
2.1.4計算的關鍵 19 
2.1.5計算的方法論 20 
2.2圖學計算的內涵分析 21 
2.2.1圖、形、幾何與幾何計算 21 
2.2.2模型與圖形的本質 22 
2.2.3圖學計算的矛盾與關鍵 22 
2.3形計算機制 23 
2.3.1形計算的基本概念 24 
2.3.2形計算的理論基礎 25 
2.3.3形計算的基本架構 25 
2.3.4形計算的實施形式 27 
2.4本章要點 31 
2.5本章作業 31 
第3章基本幾何 32 
3.1向量 32 
3.1.1 向量及其性質 32 
3.1.2向量點積 32 
3.1.3 向量叉積 33 
3.2二維基本幾何 34 
3.2.1點 34 
3.2.2直線 34 
3.2.3 圓 36 
3.2.4圓弧 36 
3.2.5基本幾何的統一表示 37 
3.2.6圓弧曲線 37 
3.3基本幾何的幾何數 37 
3.4圖形邊界的幾何數 38 
第二篇繪制 
第三篇造型 
第四篇交互