第1章　绪论　1
1.1　计算机图形学的研究内容及其与相关学科的关系　1
1.1.1　什么是计算机图形学　1
1.1.2　计算机图形学的研究内容　1
1.1.3　计算机图形学与其他相关学科的关系　2
1.2　计算机图形学的发展与应用领域　3
1.2.1　计算机图形学的发展简史和发展方向　3
1.2.2　计算机图形学的应用领域　4
1.2.3　人工智能技术带来的机遇和挑战　7
1.3　本章小结　8
习题1　8
第2章　交互式计算机图形系统　9
2.1　交互式计算机图形系统的组成　9
2.2　图形输入设备　10
2.2.1　一般输入设备　10
2.2.2　一般图形输入设备　12
2.2.3　3D图形输入设备　14
2.3　视频显示设备　15
2.3.1　光栅扫描显示器　15
2.3.2　光栅扫描显示系统　19
2.3.3　平板显示器　26
2.3.4　三维立体显示技术　29
2.3.5　三维立体显示器　30
2.4　图形绘制设备　31
2.4.1　绘图机　31
2.4.2　打印机　32
2.4.3　3D打印机　32
2.5　虚拟现实应用中的动态交互感知设备　32
2.5.1　数据手套　33
2.5.2　数据衣　33
2.5.3　HMD　33
2.5.4　三维立体眼镜　33
2.5.5　三维鼠标　34
2.5.6　虚拟现实力反馈器　34
2.6　本章小结　34
习题2　34
第3章　基本图形生成算法　35
3.1　直线段的扫描转换　35
3.1.1　光栅图形中点的表示　35
3.1.2　绘制直线段的要求　35
3.1.3　数值微分分析画线算法　36
3.1.4　中点画线算法　37
3.1.5　Bresenham画线算法　38
3.2　圆和圆弧的扫描转换　40
3.2.1　圆的特性　40
3.2.2　数值微分分析画圆算法　41
3.2.3　中点画圆算法　42
3.2.4　Bresenham画圆算法　44
3.2.5　多边形逼近画圆算法　47
3.3　线宽与线型的处理　48
3.3.1　线宽的处理　48
3.3.2　线型的处理　49
3.4　实区域填充算法　50
3.4.1　实区域填充算法的基本思路　50
3.4.2　一般多边形填充算法的处理过程及其存在的问题　51
3.4.3　有序边表算法　53
3.4.4　边填充算法　56
3.4.5　简单的种子填充算法　58
3.4.6　扫描线种子填充算法　60
3.5　图形反走样技术　62
3.5.1　光栅图形的走样现象及其原因　62
3.5.2　常用反走样技术　63
3.5.3　Bresenham区域反走样算法　64
3.6　本章小结　66
习题3　66
第4章　自由曲线和曲面　67
4.1　计算机辅助几何设计概述　67
4.1.1　计算机辅助几何设计的研究内容　67
4.1.2　对形状的数学描述的要求　68
4.1.3　自由曲线的一般设计过程和数学表示　69
4.1.4　自由曲线和曲面的发展历程　71
4.2　样条曲线　72
4.2.1　线性插值与抛物线插值　73
4.2.2　样条曲线与样条插值　74
4.3　Bézier曲线　79
4.3.1　Bézier曲线的数学表示　80
4.3.2　Bézier曲线的性质　80
4.3.3　常用的Bézier曲线　83
4.3.4　Bézier曲线的拼接　84
4.3.5　de Casteljau算法的递推过程　85
4.3.6　反求Bézier曲线控制点　86
4.3.7　有理Bézier曲线　87
4.4　B样条曲线　87
4.4.1　问题的提出　87
4.4.2　B样条曲线的数学表示　89
4.4.3　二次B样条曲线　89
4.4.4　三次B样条曲线　90
4.4.5　B样条曲线的几种特殊情况　91
4.4.6　反求B样条曲线控制点　93
4.4.7　均匀B样条曲线、准均匀B样条曲线与非均匀B样条曲线　98
4.4.8　B样条曲线的离散生成——de Boor分割算法　101
4.4.9　非均匀有理B样条曲线　102
4.5　自由曲面　104
4.5.1　参数多项式曲面　104
4.5.2　Bézier曲面　106
4.5.3　B样条曲面　108
4.6　本章小结　109
习题4　109
第5章　图形变换与裁剪　111
5.1　窗口与视图区的变换　111
5.2　二维图形几何变换　112
5.2.1　二维图形几何变换原理　112
5.2.2　齐次坐标技术　113
5.2.3　二维组合变换　114
5.3　三维图形几何变换　118
5.3.1　三维空间坐标系　118
5.3.2　4种三维图形几何变换　118
5.3.3　三维图形的组合变换　123
5.4　投影变换　124
5.4.1　投影变换的分类　124
5.4.2　平行投影　125
5.4.3　透视投影　130
5.5　二维直线段裁剪　133
5.5.1　Cohen-Sutherland裁剪算法　133
5.5.2　中点分割裁剪算法　135
5.5.3　Liang-Barskey裁剪算法　136
5.6　多边形裁剪　138
5.6.1　Sutherland-Hodgeman算法　139
5.6.2　Weiler-Atherton算法　140
5.7　三维直线段裁剪　142
5.7.1　平行投影中的三维裁剪　143
5.7.2　透视投影中的三维裁剪　144
5.8　本章小结　145
习题5　145
第6章　实体几何造型基础　146
6.1　多面体模型和曲面模型　146
6.1.1　多面体模型　146
6.1.2　曲面模型　148
6.2　线框模型、表面模型和实体模型　150
6.3　实体几何造型系统的发展　151
6.4　实体的定义与运算　152
6.4.1　实体的定义　152
6.4.2　欧拉公式与欧拉运算　154
6.4.3　实体的正则集合运算　156
6.5　实体的表示方法　158
6.5.1　实体的边界表示　158
6.5.2　实体的分解表示　160
6.5.3　实体的构造实体几何表示　162
6.5.4　实体的扫描表示　163
6.5.5　实体的元球表示　164
6.6　本章小结　164
习题6　164
第7章　自然景物模拟与分形艺术　165
7.1　分形几何的基础知识　165
7.1.1　分形几何学的产生　165
7.1.2　分形维数与分形几何　167
7.1.3　什么是分形　169
7.2　用于自然景物模拟的分形图形生成方法　170
7.2.1　概述　170
7.2.2　随机插值模型　170
7.2.3　迭代函数系统　171
7.2.4　L系统　175
7.2.5　粒子系统　179
7.3　Julia集与Mandelbrot集　180
7.3.1　计算机艺术和分形艺术　180
7.3.2　动力系统中的分形集　180
7.3.3　Julia集与Mandelbrot集的生成方法　181
7.3.4　广义Julia集与广义Mandelbrot集的生成方法　184
7.4　复平面域的牛顿迭代法　185
7.4.1　复平面域的牛顿迭代法简介　185
7.4.2　改进的复平面域的牛顿迭代法　186
7.5　自然景物模拟实例　188
7.5.1　分形山脉模拟实例　188
7.5.2　植物形态模拟实例　193
7.5.3　雨雪现象模拟实例　196
7.5.4　液态流体模拟实例　199
7.5.5　气态流体模拟实例　202
7.6　本章小结　205
习题7　205
第8章　真实感图形显示　206
8.1　三维图形显示的基本流程　206
8.2　取景变换　207
8.3　隐面的消除　210
8.3.1　背面剔除算法　210
8.3.2　画家算法　211
8.3.3　Weiler-Atherton算法　213
8.3.4　BSP树算法　213
8.3.5　深度缓冲器算法　214
8.3.6　扫描线Z缓冲器算法　216
8.3.7　区间扫描线算法　218
8.3.8　Warnock算法　219
8.3.9　光线投射算法　220
8.4　阴影生成　220
8.5　基本光照模型　222
8.5.1　环境光模型　223
8.5.2　Lambert漫反射模型　223
8.5.3　镜面反射和Phong模型　224
8.5.4　简单透明模型　227
8.6　整体光照模型　228
8.7　多边形表示的明暗处理　229
8.7.1　Gouraud明暗处理　229
8.7.2　Phong明暗处理　230
8.8　光线跟踪技术　231
8.8.1　光线跟踪的基本原理　231
8.8.2　光线跟踪的求交计算　233
8.9　纹理细节模拟　233
8.9.1　纹理分类　233
8.9.2　颜色纹理　233
8.9.3　几何纹理　236
8.9.4　过程纹理　237
8.10　3D高斯泼溅　237
8.11　本章小结　238
习题8　238
第9章　计算机动画　239
9.1　动画技术　239
9.1.1　动画技术的起源与发展　239
9.1.2　计算机动画的应用　241
9.1.3　计算机动画的未来　241
9.2　传统动画　242
9.2.1　什么是动画　242
9.2.2　传统动画片的制作过程　242
9.2.3　动作特效与画面切换方式　243
9.3　计算机动画　244
9.3.1　计算机在动画中所起的作用　244
9.3.2　计算机动画系统的分级　245
9.3.3　计算机辅助二维动画　245
9.3.4　计算机辅助三维动画　245
9.3.5　实时动画和逐帧动画　246
9.4　计算机动画中的常用技术　246
9.4.1　关键帧技术　246
9.4.2　样条驱动技术　248
9.4.3　Morphing和FFD技术　248
9.4.4　运动捕获技术　249
9.4.5　双缓冲技术　250
9.4.6　其他动画技术　251
9.5　动画文件格式　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　常用的二维动画制作软件简介　252
9.7　常用的三维动画制作软件简介　253
9.7.1　3D Studio与3ds Max　253
9.7.2　Maya　253
9.7.3　将电影转换成动漫风格的软件　254
9.7.4　动画后期处理软件　254
9.8　本章小结　254
习题9　254
第10章　虚拟现实与增强现实　255
10.1　虚拟现实与增强现实概述　255
10.1.1　什么是虚拟现实　255
10.1.2　增强现实及其与虚拟现实的关系　255
10.1.3　虚拟现实和增强现实的应用　256
10.1.4　虚拟现实和增强现实与计算机图形学的关系　257
10.2　虚拟现实与增强现实系统组成　257
10.2.1　硬件组成　258
10.2.2　软件支持　259
10.2.3　算法功能　259
10.3　虚拟现实与增强现实中的关键技术　259
10.3.1　立体视觉　259
10.3.2　畸变与色差校正　260
10.3.3　立体渲染　261
10.3.4　延迟与抖动　261
10.4　虚拟现实和增强现实技术的发展趋势　262
10.4.1　扩展现实　262
10.4.2　元宇宙　262
10.4.3　AI和虚拟现实的结合　263
10.5　本章小结　264
习题10　264
第11章　图形开发环境与编程实例　265
11.1　OpenGL图形标准　265
11.1.1　OpenGL简介　265
11.1.2　OpenGL的主要特点和功能　265
11.1.3　OpenGL的工作机制和流程　266
11.1.4　OpenGL组件的基本组成　269
11.2　Visual Studio 2022集成开发环境简介　270
11.2.1　在VS 2022下配置与使用EasyX图形库　270
11.2.2　在VS 2022下配置与使用OpenGL图形库FreeGLUT+GLEW　274
11.2.3　在VS 2022下配置与使用OpenGL图形库GLFW+GLAD　280
11.3　Code::Blocks集成开发环境简介　287
11.3.1　在Code::Blocks中配置EGE图形库　287
11.3.2　在Code::Blocks中配置OpenGL图形库GLUT　289
11.3.3　在Code::Blocks中配置OpenGL图形库GLFW+GLAD　291
11.4　编程实例　294
11.4.1　实时时钟　294
11.4.2　带二维纹理的自动旋转的立方体　299
11.4.3　小球自由落体运动模拟　302
11.4.4　Julia集　306
11.4.5　“贪吃蛇”游戏　308
参考文献　312