计算机图形学原理及实践 C语言描述

出版者的话
专家指导委员会
译者序
前言
第1章   导言  1
1.1   作为图像分析的图像处理  1
1.2   交互式图形学的优点  2
1.3   计算机图形学的典型用途  3
1.4   应用分类  4
1.5   计算机图形学硬件与软件的发展  5
1.5.1   输出技术  6
1.5.2   输入技术  10
1.5.3   软件的可移植性与图形标准  11
1.6   交互式图形学的概念框架  12
1.6.1   概述  12
1.6.2   应用建模  12
1.6.3   对图形系统描绘观察的内容  13
1.6.4   交互处理  14
1.7   小结  15
习题  15
第2章   简单光栅图形软件包(SRGP)
的编程  17
2.1   用SRGP画图  17
2.1.1   图形图元的规格  17
2.1.2   属性  21
2.1.3   填充图元及其属性  22
2.1.4   存储和恢复属性  25
2.1.5   文本  26
2.2   基本交互处理  27
2.2.1   人的因素  27
2.2.2   逻辑输入设备  28
2.2.3   采样与事件驱动处理  28
2.2.4   采样模式  30
2.2.5   事件模式  31
2.2.6   交互处理中的关联拾取  34
2.2.7   设置设备度量和属性  35
2.3   光栅图形特性  37
2.3.1   画布  37
2.3.2   矩形框的裁剪  39
2.3.3   SRGP_copyPixel操作  39
2.3.4   写模式或RasterOp  41
2.4   SRGP的局限性  42
2.4.1   应用程序坐标系统  42
2.4.2   为了重新定义存储图元  43
2.5   小结  45
习题  45
程序设计项目  47
第3章   二维图元的基本光栅图形学算法  49
3.1   概述  49
3.1.1   显示系统体系结构的含义  49
3.1.2   软件中的输出流水线  52
3.2   直线的扫描转换  52
3.2.1   基本增量算法  53
3.2.2   中点线算法  54
3.2.3   补充要点  57
3.3   圆的扫描转换  59
3.3.1   八方向对称性  59
3.3.2   中点圆算法  60
3.4   椭圆的扫描转换  62
3.5   填充矩形  65
3.6   填充多边形  66
3.6.1   水平边  68
3.6.2   狭长条  68
3.6.3   边相关性和扫描线算法  68
3.7   填充椭圆弧区域  71
3.8   图案填充  72
3.9   宽图元  75
3.9.1   复制像素  75
3.9.2   移动画笔  76
3.9.3   填充边界之间的区域  77
3.9.4   用宽折线进行逼近  78
3.10   线型和笔型  78
3.11   光栅空间的裁剪操作  79
3.12   线段裁剪  80
3.12.1   裁剪端点  80
3.12.2   利用求解联立方程组的线段裁剪  81
3.12.3   Cohen-Sutherland 线裁剪算法  81
3.12.4   参数化的线裁剪算法  84
3.13   圆和椭圆的裁剪  90
3.14   多边形裁剪  90
3.15   生成字符  93
3.15.1   定义和裁剪字符  93
3.15.2   一种文本输出图元的实现  95
3.16   SRGP_copyPixel  96
3.17   反走样  96
3.17.1   增加分辨率  96
3.17.2   未加权的区域采样  97
3.17.3   加权区域采样  98
3.17.4   Gupta-Sproull反走样线扫描算法  101
3.18   小结  103
习题  104
第4章   图形硬件  107
4.1   硬拷贝技术  108
4.2   显示技术  113
4.3   光栅扫描显示系统  120
4.3.1   简单的光栅显示系统  120
4.3.2   具有外围显示处理器的光栅显示
系统  124
4.3.3   显示处理器的附加功能  127
4.3.4   具有集成显示处理器的光栅显示
系统  129
4.4   视频控制器  130
4.4.1   查找表动画  131
4.4.2   位图变换和窗口技术  132
4.4.3   视频混合  133
4.5   随机扫描显示处理器  134
4.6   用于操作者交互的输入设备  136
4.6.1   定位设备  136
4.6.2   键盘设备  140
4.6.3   定值设备  140
4.6.4   选择设备  140
4.7   图像扫描仪  141
习题  142
第5章   几何变换  145
5.1   二维变换  145
5.2   齐次坐标和二维变换的矩阵表示  147
5.3   二维变换的合成  150
5.4   窗口到视口的变换  152
5.5   效率  153
5.6   三维变换的矩阵表示  154
5.7   三维变换的合成  157
5.8   坐标系的变换  160
习题  163
第6章   三维空间的观察  165
6.1   投影  165
6.1.1   透视投影  166
6.1.2   平行投影  167
6.2   指定一个任意的三维视图  170
6.3   三维观察的例子  173
6.3.1   透视投影  175
6.3.2   平行投影  177
6.3.3   有限的视见体  179
6.4   平面几何投影的数学  180
6.5   实现平面几何投影  183
6.5.1   平行投影  185
6.5.2   透视投影  188
6.5.3   用三维规范视见体进行裁剪  192
6.5.4   在齐次坐标中裁剪  194
6.5.5   映射到一个视口  197
6.5.6   实现小结  197
6.6   坐标系统  198
习题  199
第7章   对象的层次结构和简单的PHIGS
系统  203
7.1   几何造型  204
7.1.1   什么是模型  204
7.1.2   几何模型  205
7.1.3   几何模型中的层次  205
7.1.4   模型. 应用程序和图形系统间的
关系  207
7.2   保留模式图形包的特点  208
7.2.1   中央结构存储库及其优点  208
7.2.2   保留模式软件包的局限性  209
7.3   定义和显示结构  209
7.3.1   打开和关闭结构  209
7.3.2   定义输出图元及其属性  210
7.3.3   提交结构进行显示遍历  212
7.3.4   观察  213
7.3.5   通过窗口管理共享屏幕的图像应用  215
7.4   模型变换  216
7.5   层次式结构网络  219
7.5.1   两层层次结构  219
7.5.2   简单的三层层次结构  220
7.5.3   自底向上构造的机器人  221
7.5.4   交互式造型程序  223
7.6   显示遍历中的矩阵合成  223
7.7   层次结构中外观属性的处理  226
7.7.1   继承法则  226
7.7.2   SPHIGS的属性及文字不受变换
影响  227
7.8   屏幕的更新和绘制模式  228
7.9   用于动态效果的结构网络编辑  229
7.9.1   利用索引和标记访问元素  229
7.9.2   内部结构的编辑操作  230
7.9.3   改进编辑方法的一些实例块  230
7.9.4   如何控制屏幕图像的自动再生  232
7.10   交互  232
7.10.1   定位器  233
7.10.2   关联拾取  233
7.11   其他输出特性  235
7.11.1   属性包  235
7.11.2   高亮度与不可见性的名字集  236
7.11.3   图像交换与元文件  236
7.12   实现问题  237
7.12.1   绘制  237
7.12.2   关联拾取  240
7.13   层次模型的优化显示  241
7.13.1   省略  241
7.13.2   参考结构  242
7.14   PHIGS中层次模型的局限性  242
7.14.1   简单层次结构的局限性  242
7.14.2   SPHIGS“参数传递”的局限性  242
7.15   层次建模的其他形式  243
7.15.1   过程层次  243
7.15.2   数据层次  244
7.15.3   利用数据库系统  244
7.16   小结  245
习题  245
第8章   输入设备. 交互技术与交互任务  247
8.1   交互硬件  248
8.1.1   定位设备  249
8.1.2   键盘设备  250
8.1.3   定值设备  250
8.1.4   选择设备  250
8.1.5   其他设备  251
8.1.6   三维交互设备  252
8.1.7   设备级人的因素  254
8.2   基本交互任务  254
8.2.1   定位交互任务  254
8.2.2   选择交互任务—大小可变的选项
集合  256
8.2.3   选择交互任务—相对固定大小的
选项集合  259
8.2.4   文本交互任务  264
8.2.5   定量交互任务  265
8.2.6   三维交互任务  266
8.3   复合交互任务  270
8.3.1   对话框  270
8.3.2   构造技术  270
8.3.3   动态操纵  273
习题  275
第9章   对话设计  277
9.1   人机对话的形式和内容  278
9.2   用户界面风格  280
9.2.1   所见即所得  280
9.2.2   直接操纵  281
9.2.3   图标化用户界面  282
9.2.4   其他对话形式  284
9.3   一些重要的设计问题  285
9.3.1   一致性  285
9.3.2   提供反馈  287
9.3.3   减少错误概率  288
9.3.4   提供错误恢复  289
9.3.5   容许多种熟练级别  290
9.3.6   减少记忆  292
9.4   模式和语法  292
9.5   视觉设计  295
9.5.1   视觉清晰性  295
9.5.2   视觉编码  298
9.5.3   视觉的一致性  300
9.5.4   布局原则  301
9.6   设计方法学  303
习题  304
第10章   用户界面软件  307
10.1   基本的交互处理模型  307
10.2   窗口管理系统  310
10.3   窗口系统中的输出处理  312
10.4   窗口系统中的输入处理  315
10.5   交互技术工具箱  318
10.6   用户界面管理系统  322
10.6.1   对话序列  322
10.6.2   高级UIMS概念  328
习题  331
第11章   曲线与曲面的表示  333
11.1   多边形网格  334
11.1.1   多边形网格的表示  334
11.1.2   多边形网格表示法的一致性  336
11.1.3   平面方程  336
11.2   三次参数曲线  337
11.2.1   Hermite曲线  341
11.2.2   B巣ier曲线  344
11.2.3   均匀非有理B样条曲线  346
11.2.4   非均匀非有理B样条曲线  349
11.2.5   非均匀有理三次多项式曲线段  355
11.2.6   其他样条曲线  356
11.2.7   曲线分割  358
11.2.8   各种表示法之间的转换  360
11.2.9   曲线绘制  360
11.2.10   三次曲线的比较  363
11.3   双三次参数曲面  364
11.3.1   Hermite曲面  365
11.3.2   B巣ier曲面  367
11.3.3   B样条曲面  368
11.3.4   曲面的法线  368
11.3.5   双三次曲面的显示  369
11.4   二次曲面  372
11.5   小结  373
习题  373
第12章   实体造型  377
12.1   实体表示  377
12.2   正则布尔集合运算  378
12.3   基本实体举例法  381
12.4   扫掠表示法  381
12.5   边界表示法  383
12.5.1   多面体和欧拉公式  383
12.5.2   翼边表示法  385
12.5.3   布尔集合运算  385
12.5.4   非多边形的边界表示法  386
12.6   空间划分表示法  387
12.6.1   单元分解法  387
12.6.2   空间位置枚举法  387
12.6.3   八叉树表示法  388
12.6.4   二元空间划分树  392
12.7   构造实体几何  393
12.8   各种表示法的比较  394
12.9   实体造型的用户界面  396
12.10   小结  396
习题  397
第13章   消色差光与彩色光  399
13.1   消色差光  399
13.1.1   选择亮度值—gamma校正  399
13.1.2   半色调逼近  402
13.2   彩色  406
13.2.1   心理物理学  407
13.2.2   CIE色度图  409
13.3   用于光栅图形的颜色模型  412
13.3.1   RGB颜色模型  413
13.3.2   CMY颜色模型  414
13.3.3   YIQ颜色模型  415
13.3.4   HSV颜色模型  416
13.3.5   HLS颜色模型  418
13.3.6   颜色的交互指定  421
13.3.7   在颜色空间中进行插值  422
13.4   颜色再现  422
13.5   在计算机图形学中应用颜色  424
13.6   小结  425
习题  426
第14章   可视图像真实感的探讨  429
14.1   为什么讨论真实感  429
14.2   基本的困难  430
14.3   线条图的绘制技术  431
14.3.1   多正交视图  431
14.3.2   轴测投影和斜投影  432
14.3.3   透视投影  432
14.3.4   深度提示  432
14.3.5   深度裁剪  432
14.3.6   纹理  433
14.3.7   颜色  433
14.3.8   可见线的判定  433
14.4   明暗图像的绘制技术  433
14.4.1   可见面的判定  433
14.4.2   光照和明暗处理  433
14.4.3   插值明暗处理  434
14.4.4   材质属性  434
14.4.5   曲面造型  434
14.4.6   改进光照和明暗效果  434
14.4.7   纹理  434
14.4.8   阴影  434
14.4.9   透明性和反射  435
14.4.10   改进的相机模型  435
14.5   改进的物体模型  435
14.6   动力学  435
14.7   立体观测  436
14.8   改进的显示技术  436
14.9   与其他感官的交互  437
14.10   走样与反走样  437
14.10.1   点采样  439
14.10.2   区域采样  439
14.10.3   采样理论  441
14.10.4   滤波  445
14.10.5   重构  450
14.10.6   实际的反走样  454
14.11   小结  456
习题  456
第15章   可见面的判定  459
15.1   双变量函数  460
15.2   可见面判定算法中的常用技术  463
15.2.1   相关性  464
15.2.2   透视变换  464
15.2.3   范围与包围体  466
15.2.4   背面消除  467
15.2.5   空间划分  468
15.2.6   层次结构  469
15.3   可见线判定算法  469
15.3.1   Roberts算法  469
15.3.2   Appel算法  470
15.3.3   光环线算法  470
15.4   z缓存算法  471
15.5   列表优先级算法  474
15.5.1   深度排序算法  474
15.5.2   二元空间划分树  476
15.6   扫描线算法  480
15.7   区域细分算法  484
15.7.1   Warnock算法  484
15.7.2   Weiler-Atherton算法  486
15.7.3   子像素区域细分算法  489
15.8   八叉树算法  490
15.9   曲面算法  492
15.10   可见面光线跟踪  494
15.10.1   相交计算  495
15.10.2   可见面光线跟踪算法的效率  496
15.10.3   计算布尔集合运算  501
15.10.4   反走样光线跟踪  503
15.11   小结  504
习题  505
第16章   光照和明暗处理  509
16.1   光照模型  509
16.1.1   环境光  509
16.1.2   漫反射  510
16.1.3   大气衰减  513
16.1.4   镜面反射  514
16.1.5   点光源模型的改进  516
16.1.6   多光源  517
16.2   多边形的明暗处理模型  518
16.2.1   恒定明暗处理  518
16.2.2   插值明暗处理  518
16.2.3   多边形网格的明暗处理  518
16.2.4   Gouraud 明暗处理技术  519
16.2.5   Phong明暗处理技术  520
16.2.6   插值明暗处理中的问题  521
16.3   曲面细节  522
16.3.1   曲面细节多边形  523
16.3.2   纹理映射  523
16.3.3   凹凸映射  524
16.3.4   其他方法  525
16.4   阴影  525
16.4.1   扫描线生成阴影算法  526
16.4.2   对象精确的两步法阴影算法  526
16.4.3   阴影体  528
16.4.4   两遍z缓存阴影算法  529
16.4.5   全局光照阴影算法  531
16.5   透明性  531
16.5.1   无折射的透明性  531
16.5.2   折射透明性  533
16.6   物体间的反射  534
16.7   基于物理的光照模型  536
16.7.1   表面模型的改进  538
16.7.2   微面元分布函数  538
16.7.3   几何衰减因子  539
16.7.4   菲涅耳项  539
16.8   扩展光源模型  543
16.9   光谱采样  543
16.10   相机模型的改进  545
16.11   全局光照算法  545
16.12   递归光线跟踪  546
16.12.1   递归光线跟踪算法的效率考虑  550
16.12.2   一个更佳的照明模型  553
16.12.3   区域采样的不同方法  553
16.12.4   分布式光线跟踪  554
16.12.5   从光源出发的光线跟踪  557
16.13   辐射度方法  558
16.13.1   辐射度方程  558
16.13.2   计算形状因子  560
16.13.3   子结构技术  562
16.13.4   逐步求精算法  562
16.13.5   更加精确的形状因子的计算  565
16.13.6   镜面反射  565
16.13.7   辐射度和光线跟踪的结合  565
16.14   绘制流水线  567
16.14.1   局部光照绘制流水线  567
16.14.2   全局光照绘制流水线  569
16.14.3   设计灵活的绘制法  569
16.14.4   逐步求精方法  571
16.15   小结  571
习题  572
第17章   图像处理和存储  575
17.1   什么是图像  576
17.2   滤波  576
17.3   图像处理  578
17.4   图像的几何变换  578
17.4.1   基本几何变换  579
17.4.2   带滤波的几何变换  581
17.4.3   其他图案映射技术  583
17.5   多重变换  584
17.5.1   多重变换的代数学  585
17.5.2   利用滤波生成变换后的图像  587
17.5.3   评价变换方法  589
17.6   图像合成  589
17.6.1   a通道合成  589
17.6.2   其他合成方法  593
17.6.3   通过填充机制生成a值  595
17.6.4   用于图像组装的一个界面  595
17.7   图像存储机制  596
17.7.1   存储图像数据  597
17.7.2   用于图像压缩的迭代函数系统  598
17.7.3   图像属性  600
17.8   图像的特殊效果  601
17.9   小结  601
习题  601
第18章   高级光栅图形体系结构  605
18.1   简单光栅显示系统  605
18.1.1   帧缓冲内存访问问题  605
18.1.2   动态存储器  606
18.1.3   提高帧缓冲内存带宽  607
18.1.4   视频RAM  607
18.1.5   高分辨率显示器的帧缓存  608
18.2   显示处理器系统  609
18.2.1   外部显示处理器  609
18.2.2   德克萨斯仪器公司的TMS34020—
单芯片外部显示处理器  610
18.2.3   集成的图形处理器  611
18.2.4   Intel的i860—一个具有集成3D
图形支持的单芯片微处理器  611
18.2.5   三个性能障碍  612
18.3   标准图形流水线  613
18.3.1   显示遍历  613
18.3.2   模型变换  614
18.3.3   简单接受/简单拒绝的区分  614
18.3.4   光照处理  614
18.3.5   观察变换  615
18.3.6   裁剪  615
18.3.7   除以w并映射到3D视口  615
18.3.8   光栅化  615
18.3.9   一个样板应用的性能要求  616
18.4   多处理简介  618
18.4.1   流水线  618
18.4.2   并行性  619
18.4.3   多处理器图形系统  620
18.5   流水线前端体系结构  620
18.5.1   应用程序和显示遍历  620
18.5.2   几何变换  621
18.5.3   简单接受/简单拒绝的区分  621
18.5.4   光照处理  621
18.5.5   裁剪  621
18.5.6   除w并映射到3D视口  622
18.5.7   前端流水线的限制  622
18.6   并行前端体系结构  622
18.6.1   显示遍历  622
18.6.2   重组并行数据流  623
18.6.3   流水线同并行性的比较  624
18.7   多处理器光栅化体系机构  624
18.7.1   以物体为序的流水线体系结构  624
18.7.2   以图像为序的流水线体系结构  627
18.7.3   流水线光栅化的限制和对并行性
的需求  627
18.8   图像并行光栅化  627
18.8.1   内存划分体系结构  628
18.8.2   Silicon Graphics公司的 POWER
IRIS 4D/240GTX—一个交叉划分
帧缓冲内存体系结构  630
18.8.3   逻辑增强的内存  633
18.9   物体并行光栅化  637
18.9.1   每图元一个处理器的流水线  638
18.9.2   基于树结构的每图元一个处理器
的体系结构  638
18.9.3   物体并行性和图像并行性的比较  639
18.10   混合并行光栅化  639
18.10.1   虚拟缓冲区和虚拟处理器  639
18.10.2   并行虚拟缓冲区体系结构  641
18.10.3   图像合成体系结构  642
18.11   增强的显示能力  643
18.11.1   对多窗口的支持  643
18.11.2   对增加的真实感的支持  644
18.11.3   Stellar GS2000—促进真实感绘制
的紧密集成的体系结构  646
18.11.4   对高级图元的支持  647
18.11.5   对增强的3D感知的支持  649
18.11.6   实时飞行模拟器  651
18.12   小结  652
习题  652
第19章   高级几何与光栅算法  655
19.1   裁剪  655
19.1.1   矩形区域对直线的裁剪  656
19.1.2   矩形和其他多边形区域对多边形
的裁剪  659
19.1.3   矩形区域裁剪：梁友栋-Barsky多
边形算法  659
19.1.4   Weiler多边形算法  665
19.2   图元的扫描转换  671
19.2.1   属性  671
19.2.2   评价扫描转换算法的准则  671
19.2.3   直线的其他考察方式  673
19.2.4   高级折线算法  674
19.2.5   画圆算法的改进  674
19.2.6   一般圆锥曲线算法  676
19.2.7   宽图元  683
19.2.8   填充图元  685
19.3   反走样  686
19.3.1   直线的反走样  687
19.3.2   圆的反走样  688
19.3.3   圆锥曲线的反走样  690
19.3.4   一般曲线的反走样  692
19.3.5  矩形. 多边形和直线端点的反走样  692
19.4   文字的特殊问题  693
19.5   填充算法  695
19.5.1   区域类型. 连通性和填充  695
19.5.2   基本填充算法  696
19.5.3   软填充算法  698
19.6   加速copyPixel  700
19.7   形状数据结构和形状代数  704
19.8   用bitBlt管理窗口  706
19.9   页面描述语言  708
19.10   小结  713
习题  713
第20章   高级建模技术  719
20.1   前述技术的扩展  720
20.1.1   采用样条的高级建模技术  720
20.1.2   基于噪声的纹理映射  722
20.2   过程模型  724
20.3   分形模型  725
20.4   基于文法的模型  729
20.5   粒子系统  732
20.6   体绘制  735
20.7   基于物理的建模  738
20.7.1   基于约束的建模  738
20.7.2   布面和柔软表面的建模  739
20.7.3   实体建模  740
20.7.4   地形建模  740
20.8   模拟自然物体和合成物体的特殊
模型  740
20.8.1   波浪  741
20.8.2   云层和气象  741
20.8.3   湍流  743
20.8.4   滴状物体  743
20.8.5   生物  744
20.8.6   人  745
20.8.7   来自于娱乐业的一个例子  745
20.9   自动放置物体  746
20.10   小结  748
习题  749
第21章    动画  751
21.1   传统动画和计算机辅助动画  751
21.1.1   传统动画  751
21.1.2   计算机辅助动画  752
21.1.3   插值  752
21.1.4   简单的动画效果  755
21.2   计算机动画语言  756
21.2.1   线性表表示法  756
21.2.2   通用计算机语言  757
21.2.3   图形语言  757
21.3   动画控制方法  760
21.3.1   完全显式的控制  760
21.3.2   过程化控制  760
21.3.3   基于约束的系统  760
21.3.4   真实动作跟踪  762
21.3.5   演员  762
21.3.6   运动学和动力学  762
21.3.7   基于物理的动画  764
21.4   动画的基本规则  765
21.5   动画特有的一些问题  765
21.6   小结  767
习题  767
附录   计算机图形学的数学基础  769
参考文献  793
索引  833