計算機圖形學實用教程（第5版 微課版）

蘇小紅，哈爾濱工業大學計算學部教授、智能軟件工程研究中心主任，博士生導師，黑龍江省教學名師，中國計算機學會（CCF）高級會員。曾獲教育部-華為“智能基座”優秀教師獎勵計劃、霍英東教育基金會高等院校教育教學獎、寶鋼優秀教師獎、高校計算機專業優秀教師獎勵計劃、全國高等院校計算機基礎教育研究會計算機基礎教育優秀教師、中國大學MOOC“傑出貢獻獎”、全省優秀教師、省師德先進個人等榮譽。

主持的C語言程序設計課程先後獲評國家精品在線開放課程、國家級一流本科課程、教育部-華為“智能基座”優秀在線課程，主持的計算機圖形學課程獲黑龍江省研究生課程思政高質量建設項目立項。獲國家級教學成果獎一、二等獎各1項，省級教學成果一等獎6項。主編教材10余部，其中4部國家十二五規劃教材累計發行100余萬冊。

研究方向為智能軟件工程，包括軟件漏洞檢測與定位，軟件倉庫挖掘，軟件智能化測試，API序列推薦和代碼生成等，主持完成國家自然科學基金項目4項，目前在研國家自然科學基金面上基金項目 1 項，發表學術論文200余篇，擁有國家授權發明專利22項。

第1章　緒論　1

1.1　計算機圖形學的研究內容及其與相關學科的關系　1

1.1.1　什麼是計算機圖形學　1

1.1.2　計算機圖形學的研究內容　1

1.1.3　計算機圖形學與其他相關學科的關系　2

1.2　計算機圖形學的發展與應用領域　3

1.2.1　計算機圖形學的發展簡史和發展方向　3

1.2.2　計算機圖形學的應用領域　4

1.2.3　人工智能技術帶來的機遇和挑戰　7

1.3　本章小結　8

習題1　8

第2章　交互式計算機圖形系統　9

2.1　交互式計算機圖形系統的組成　9

2.2　圖形輸入設備　10

2.2.1　一般輸入設備　10

2.2.2　一般圖形輸入設備　12

2.2.3　3D圖形輸入設備　14

2.3　視頻顯示設備　15

2.3.1　光柵掃描顯示器　15

2.3.2　光柵掃描顯示系統　19

2.3.3　平板顯示器　26

2.3.4　三維立體顯示技術　29

2.3.5　三維立體顯示器　30

2.4　圖形繪制設備　31

2.4.1　繪圖機　31

2.4.2　打印機　32

2.4.3　3D打印機　32

2.5　虛擬現實應用中的動態交互感知設備　32

2.5.1　數據手套　33

2.5.2　數據衣　33

2.5.3　HMD　33

2.5.4　三維立體眼鏡　33

2.5.5　三維鼠標　34

2.5.6　虛擬現實力反饋器　34

2.6　本章小結　34

習題2　34

第3章　基本圖形生成算法　35

3.1　直線段的掃描轉換　35

3.1.1　光柵圖形中點的表示　35

3.1.2　繪制直線段的要求　35

3.1.3　數值微分分析畫線算法　36

3.1.4　中點畫線算法　37

3.1.5　Bresenham畫線算法　38

3.2　圓和圓弧的掃描轉換　40

3.2.1　圓的特性　40

3.2.2　數值微分分析畫圓算法　41

3.2.3　中點畫圓算法　42

3.2.4　Bresenham畫圓算法　44

3.2.5　多邊形逼近畫圓算法　47

3.3　線寬與線型的處理　48

3.3.1　線寬的處理　48

3.3.2　線型的處理　49

3.4　實區域填充算法　50

3.4.1　實區域填充算法的基本思路　50

3.4.2　一般多邊形填充算法的處理過程及其存在的問題　51

3.4.3　有序邊表算法　53

3.4.4　邊填充算法　56

3.4.5　簡單的種子填充算法　58

3.4.6　掃描線種子填充算法　60

3.5　圖形反走樣技術　62

3.5.1　光柵圖形的走樣現象及其原因　62

3.5.2　常用反走樣技術　63

3.5.3　Bresenham區域反走樣算法　64

3.6　本章小結　66

習題3　66

第4章　自由曲線和曲面　67

4.1　計算機輔助幾何設計概述　67

4.1.1　計算機輔助幾何設計的研究內容　67

4.1.2　對形狀的數學描述的要求　68

4.1.3　自由曲線的一般設計過程和數學表示　69

4.1.4　自由曲線和曲面的發展歷程　71

4.2　樣條曲線　72

4.2.1　線性插值與拋物線插值　73

4.2.2　樣條曲線與樣條插值　74

4.3　Bézier曲線　79

4.3.1　Bézier曲線的數學表示　80

4.3.2　Bézier曲線的性質　80

4.3.3　常用的Bézier曲線　83

4.3.4　Bézier曲線的拼接　84

4.3.5　de Casteljau算法的遞推過程　85

4.3.6　反求Bézier曲線控制點　86

4.3.7　有理Bézier曲線　87

4.4　B樣條曲線　87

4.4.1　問題的提出　87

4.4.2　B樣條曲線的數學表示　89

4.4.3　二次B樣條曲線　89

4.4.4　三次B樣條曲線　90

4.4.5　B樣條曲線的幾種特殊情況　91

4.4.6　反求B樣條曲線控制點　93

4.4.7　均勻B樣條曲線、準均勻B樣條曲線與非均勻B樣條曲線　98

4.4.8　B樣條曲線的離散生成——de Boor分割算法　101

4.4.9　非均勻有理B樣條曲線　102

4.5　自由曲面　104

4.5.1　參數多項式曲面　104

4.5.2　Bézier曲面　106

4.5.3　B樣條曲面　108

4.6　本章小結　109

習題4　109

第5章　圖形變換與裁剪　111

5.1　窗口與視圖區的變換　111

5.2　二維圖形幾何變換　112

5.2.1　二維圖形幾何變換原理　112

5.2.2　齊次坐標技術　113

5.2.3　二維組合變換　114

5.3　三維圖形幾何變換　118

5.3.1　三維空間坐標系　118

5.3.2　4種三維圖形幾何變換　118

5.3.3　三維圖形的組合變換　123

5.4　投影變換　124

5.4.1　投影變換的分類　124

5.4.2　平行投影　125

5.4.3　透視投影　130

5.5　二維直線段裁剪　133

5.5.1　Cohen-Sutherland裁剪算法　133

5.5.2　中點分割裁剪算法　135

5.5.3　Liang-Barskey裁剪算法　136

5.6　多邊形裁剪　138

5.6.1　Sutherland-Hodgeman算法　139

5.6.2　Weiler-Atherton算法　140

5.7　三維直線段裁剪　142

5.7.1　平行投影中的三維裁剪　143

5.7.2　透視投影中的三維裁剪　144

5.8　本章小結　145

習題5　145

第6章　實體幾何造型基礎　146

6.1　多面體模型和曲面模型　146

6.1.1　多面體模型　146

6.1.2　曲面模型　148

6.2　線框模型、表面模型和實體模型　150

6.3　實體幾何造型系統的發展　151

6.4　實體的定義與運算　152

6.4.1　實體的定義　152

6.4.2　歐拉公式與歐拉運算　154

6.4.3　實體的正則集合運算　156

6.5　實體的表示方法　158

6.5.1　實體的邊界表示　158

6.5.2　實體的分解表示　160

6.5.3　實體的構造實體幾何表示　162

6.5.4　實體的掃描表示　163

6.5.5　實體的元球表示　164

6.6　本章小結　164

習題6　164

第7章　自然景物模擬與分形藝術　165

7.1　分形幾何的基礎知識　165

7.1.1　分形幾何學的產生　165

7.1.2　分形維數與分形幾何　167

7.1.3　什麼是分形　169

7.2　用於自然景物模擬的分形圖形生成方法　170

7.2.1　概述　170

7.2.2　隨機插值模型　170

7.2.3　疊代函數系統　171

7.2.4　L系統　175

7.2.5　粒子系統　179

7.3　Julia集與Mandelbrot集　180

7.3.1　計算機藝術和分形藝術　180

7.3.2　動力系統中的分形集　180

7.3.3　Julia集與Mandelbrot集的生成方法　181

7.3.4　廣義Julia集與廣義Mandelbrot集的生成方法　184

7.4　復平面域的牛頓疊代法　185

7.4.1　復平面域的牛頓疊代法簡介　185

7.4.2　改進的復平面域的牛頓疊代法　186

7.5　自然景物模擬實例　188

7.5.1　分形山脈模擬實例　188

7.5.2　植物形態模擬實例　193

7.5.3　雨雪現象模擬實例　196

7.5.4　液態流體模擬實例　199

7.5.5　氣態流體模擬實例　202

7.6　本章小結　205

習題7　205

第8章　真實感圖形顯示　206

8.1　三維圖形顯示的基本流程　206

8.2　取景變換　207

8.3　隱面的消除　210

8.3.1　背面剔除算法　210

8.3.2　畫家算法　211

8.3.3　Weiler-Atherton算法　213

8.3.4　BSP樹算法　213

8.3.5　深度緩沖器算法　214

8.3.6　掃描線Z緩沖器算法　216

8.3.7　區間掃描線算法　218

8.3.8　Warnock算法　219

8.3.9　光線投射算法　220

8.4　陰影生成　220

8.5　基本光照模型　222

8.5.1　環境光模型　223

8.5.2　Lambert漫反射模型　223

8.5.3　鏡面反射和Phong模型　224

8.5.4　簡單透明模型　227

8.6　整體光照模型　228

8.7　多邊形表示的明暗處理　229

8.7.1　Gouraud明暗處理　229

8.7.2　Phong明暗處理　230

8.8　光線跟蹤技術　231

8.8.1　光線跟蹤的基本原理　231

8.8.2　光線跟蹤的求交計算　233

8.9　紋理細節模擬　233

8.9.1　紋理分類　233

8.9.2　顏色紋理　233

8.9.3　幾何紋理　236

8.9.4　過程紋理　237

8.10　3D高斯潑濺　237

8.11　本章小結　238

習題8　238

第9章　計算機動畫　239

9.1　動畫技術　239

9.1.1　動畫技術的起源與發展　239

9.1.2　計算機動畫的應用　241

9.1.3　計算機動畫的未來　241

9.2　傳統動畫　242

9.2.1　什麼是動畫　242

9.2.2　傳統動畫片的制作過程　242

9.2.3　動作特效與畫面切換方式　243

9.3　計算機動畫　244

9.3.1　計算機在動畫中所起的作用　244

9.3.2　計算機動畫系統的分級　245

9.3.3　計算機輔助二維動畫　245

9.3.4　計算機輔助三維動畫　245

9.3.5　實時動畫和逐幀動畫　246

9.4　計算機動畫中的常用技術　246

9.4.1　關鍵幀技術　246

9.4.2　樣條驅動技術　248

9.4.3　Morphing和FFD技術　248

9.4.4　運動捕獲技術　249

9.4.5　雙緩沖技術　250

9.4.6　其他動畫技術　251

9.5　動畫文件格式　251

9.5.1　GIF　251

9.5.2　FLI/FLC格式　252

9.5.3　AVI格式　252

9.5.4　MOV/QT格式　252

9.6　常用的二維動畫制作軟件簡介　252

9.7　常用的三維動畫制作軟件簡介　253

9.7.1　3D Studio與3ds Max　253

9.7.2　Maya　253

9.7.3　將電影轉換成動漫風格的軟件　254

9.7.4　動畫後期處理軟件　254

9.8　本章小結　254

習題9　254

第10章　虛擬現實與增強現實　255

10.1　虛擬現實與增強現實概述　255

10.1.1　什麼是虛擬現實　255

10.1.2　增強現實及其與虛擬現實的關系　255

10.1.3　虛擬現實和增強現實的應用　256

10.1.4　虛擬現實和增強現實與計算機圖形學的關系　257

10.2　虛擬現實與增強現實系統組成　257

10.2.1　硬件組成　258

10.2.2　軟件支持　259

10.2.3　算法功能　259

10.3　虛擬現實與增強現實中的關鍵技術　259

10.3.1　立體視覺　259

10.3.2　畸變與色差校正　260

10.3.3　立體渲染　261

10.3.4　延遲與抖動　261

10.4　虛擬現實和增強現實技術的發展趨勢　262

10.4.1　擴展現實　262

10.4.2　元宇宙　262

10.4.3　AI和虛擬現實的結合　263

10.5　本章小結　264

習題10　264

第11章　圖形開發環境與編程實例　265

11.1　OpenGL圖形標準　265

11.1.1　OpenGL簡介　265

11.1.2　OpenGL的主要特點和功能　265

11.1.3　OpenGL的工作機制和流程　266

11.1.4　OpenGL組件的基本組成　269

11.2　Visual Studio 2022集成開發環境簡介　270

11.2.1　在VS 2022下配置與使用EasyX圖形庫　270

11.2.2　在VS 2022下配置與使用OpenGL圖形庫FreeGLUT+GLEW　274

11.2.3　在VS 2022下配置與使用OpenGL圖形庫GLFW+GLAD　280

11.3　Code::Blocks集成開發環境簡介　287

11.3.1　在Code::Blocks中配置EGE圖形庫　287

11.3.2　在Code::Blocks中配置OpenGL圖形庫GLUT　289

11.3.3　在Code::Blocks中配置OpenGL圖形庫GLFW+GLAD　291

11.4　編程實例　294

11.4.1　實時時鐘　294

11.4.2　帶二維紋理的自動旋轉的立方體　299

11.4.3　小球自由落體運動模擬　302

11.4.4　Julia集　306

11.4.5　“貪吃蛇”遊戲　308

參考文獻　312