計算機圖形學基礎(chǔ)教程

　　計算機圖形學是計算機學科中最活躍的分支之一。本書以獨特的視角對計算機圖形學的基本概念、原理方法和應用方式進行了全面的介紹。在內(nèi)容選取上，本書既對計算機圖形學所涉及的圖形顯示、圖形生成和操縱、圖形表示和建模等基礎(chǔ)理論和技術(shù)進行了系統(tǒng)講解，也對諸如圖形動畫原理及基本二維動畫制作方法等計算機圖形學綜合應用方法進行了適當介紹；既包括了傳統(tǒng)計算機圖形學內(nèi)容的講解，也不乏諸如非規(guī)則形體建模、表現(xiàn)和人臉動畫、可縮放矢量和數(shù)字墨水等計算機圖形學最新進展的介紹。在結(jié)構(gòu)編排上，本書采取將計算機圖形學內(nèi)容歸結(jié)為基礎(chǔ)概念、圖形顯示、圖形生成、圖形觀察、圖形建模和圖形動畫一條主線，便于讀者真正系統(tǒng)地領(lǐng)悟計算機圖形學“逼真”地模擬現(xiàn)實世界物體的發(fā)展和應用宗旨。在描述方式上，本書摒棄了傳統(tǒng)計算機圖形學教材中繁瑣復雜的算法推導和連篇累牘的軟件程序，采取啟發(fā)式方法，注重于使讀者能從概念、技術(shù)和應用三個不同層次上理解計算機圖形學的內(nèi)容，并使用大量圖示以易于學習和理解。另外，本教材還得到了國家自然科學基金資助。本書是作為計算機圖形學基礎(chǔ)教材而編寫的，不僅可作為高等學校、高等職業(yè)學校等計算機、醫(yī)學、機械、天文、物理、化學、環(huán)境、地學、軍事等理工科師生作為教材使用，而且對于想了解計算機圖形學及其應用知識的讀者也是一本很好的參考資料。計算機圖形學影響著每一個使用計算機的人，正是計算機圖形學中圖形用戶界面技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展才使得計算機及其應用能夠如此普及。有些人認為自身并不從事計算機圖形學方面的工作而不重視甚至放棄對計算機圖形學的學習，孰不知只要你想通過顯示器來學習和工作，圖形學就會悄然來到你身邊。實際上，計算機圖形學及其應用已經(jīng)滲透到科研、工程、商業(yè)、藝術(shù)等社會生活和工業(yè)生產(chǎn)的幾乎一切領(lǐng)域，并與這些領(lǐng)域自身發(fā)展相互推動和促進，計算機圖形學已成為信息技術(shù)中不可缺少的內(nèi)容，社會也將需要有更多的人能夠全面了解和正確理解計算機圖形學的本質(zhì)。計算機圖形學應用十分廣泛，因而在編寫作為基礎(chǔ)課程的計算機圖形學教材時要考慮多種因素。首先，就相關(guān)學科而言，諸如人機交互技術(shù)、計算機動畫技術(shù)、可視化技術(shù)、真實感圖形顯示技術(shù)、虛擬現(xiàn)實、多媒體技術(shù)、計算機視覺、基于內(nèi)容的視覺信息檢索、多媒體挖掘、可視化軟件工程、計算機輔助幾何設計和造型、計算機輔助設計和制造、地理信息系統(tǒng)、藝術(shù)和網(wǎng)頁設計等課程或技術(shù)都以計算機圖形學為基礎(chǔ)，教材內(nèi)容必須能夠包含其共性，真正為學習者提供進一步學習這些課程或技術(shù)的基礎(chǔ)。其次，從傳授知識的方式來講，是采取傳之以“魚”，還是授之以“漁”?！棒~”注重于計算機圖形學中的具體算法、特定工具或?qū)ｉT技能，“漁”則強調(diào)計算機圖形學的算法原理、方法思想和概念內(nèi)涵。在信息技術(shù)及其工具迅猛發(fā)展的今天，孰優(yōu)孰劣，不言自明。第三，從學習者角度來看，有兩種不同的要求：一種是從事計算機圖形學及其相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)和研究者，他們要求書的內(nèi)容應注重系統(tǒng)、深入和完善的知識；另一類讀者主要將計算機圖形學作為學習和工作的基礎(chǔ)或工具，這類讀者從事的工作包括：信息工程相關(guān)學科、計算機輔助設計和制造等工程以及網(wǎng)頁、藝術(shù)、工程等，他們更關(guān)心的是圖形學的原理和使用方法。顯然，在有限的篇幅內(nèi)要做到兩全其美是困難的，而且，讀者想通過一個學期或更短時間的學習就能達到開發(fā)和應用的水平也是不大可能的，而應該注重于深刻理解和正確應用計算機圖形學的原理和概念。本書是作為計算機圖形學的基礎(chǔ)教材而編寫的，目的就是讓讀者能夠全面而系統(tǒng)地理解計算機圖形學的相關(guān)概念、原理和知識。書中并沒有將計算機圖形學的算法推導和嚴格定義作為重點（讀者不必擔心被繁瑣復雜的圖形學算法過程和嚴格定義所困擾，假如你需要，這種面向計算機圖形學專業(yè)人員的書籍在參考文獻中可以找到），也沒有強調(diào)計算機圖形學的使用技能（使用技能培養(yǎng)的惟一解決辦法不是去看多少書籍，而是不斷地對特定工具或軟件使用），而是介紹了必要的、最小限度的內(nèi)容，并介紹了計算機圖形學領(lǐng)域中的一些最新的研究方法和成果，重點放在概念的解釋、原理的講解和方法的使用等方面，力圖使讀者易于正確地理解計算機圖形學的基本知識。本書的特點是：①重概念。本書擯棄了繁瑣的公式推導和繁雜的軟件實現(xiàn)技術(shù)，而主要從圖形學應用角度講述概念。內(nèi)容上選取圖形學的應用和深入研究所必備的知識，不追求“羅列式的全面”，而追求“透徹型的精煉”。②重系統(tǒng)。本書不是支離破碎地羅列概念和定義，而是注重概念的系統(tǒng)性，使讀者能學以致用。在內(nèi)容的編排上，不是采用傳統(tǒng)的二維與三維或硬件和軟件的分類方式，而是歸結(jié)為以基礎(chǔ)概念、圖形顯示、圖形生成、圖形觀察、圖形建模和圖形動畫為主線，使讀者能從概念、技術(shù)和應用三個不同層次上同時理解圖形學內(nèi)容。③重形象。“一幅畫勝過千句話”在圖形圖像領(lǐng)域是句名言，然而很多教材缺乏對這一優(yōu)勢的利用。本書并沒有簡單地羅列各種概念，也沒有嚴格地定義每個概念，而是將概念的圖解放在十分重要的位置，書中采用了很多圖示來對各種概念進行解釋，便于讀者學習時理解和記憶。本書包括6章。第1章全面介紹計算機圖形學的研究內(nèi)容、發(fā)展狀況、學科范疇、軟件標準、系統(tǒng)構(gòu)成及發(fā)展方向，尤其是透徹闡述了計算機圖形學的定義及其過程以及圖形和圖像的聯(lián)系和區(qū)別，這是理解計算機圖形學中的相關(guān)技術(shù)和概念，及其作為相關(guān)學科基礎(chǔ)和關(guān)聯(lián)的理論基礎(chǔ)。第2章從作為人類視覺系統(tǒng)基礎(chǔ)的顏色模型開始，詳細介紹了圖形的顯示原理及相關(guān)技術(shù)，主要包括：作為顯示器技術(shù)基礎(chǔ)的圖形顯示原理，作為圖形顯示核心的線畫圖形、填充圖形和字符的生成原理和方法，為提高圖形顯示質(zhì)量的反走樣技術(shù)的主要思想。第3章從分析圖形的顯示過程入手，重點介紹了圖形顯示過程中涉及的基礎(chǔ)技術(shù)，既包括作為圖形觀察和操縱基礎(chǔ)的基本二維和三維幾何變換，也包括實現(xiàn)圖形觀察和操縱的投影變換、觀察變換，還包括為確保圖形顯示真實性的圖形裁剪和可見面判別方法。第4章從規(guī)則形體建模、非規(guī)則形體建模和圖形光照模型這三個方面介紹了作為計算機圖形學核心技術(shù)的圖形表示和建模方法，既包括傳統(tǒng)的線架模型、多邊形模型、掃掠模型、空間分割、邊界表示、實體表示和特征表示等幾何造型方法，也包括諸如分形幾何、形狀文法、粒子系統(tǒng)及基于物理造型等最新非規(guī)則過程建模方法，并介紹了作為真實感圖形顯示基礎(chǔ)的幾種基本光照模型。第5章以曲線曲面的基本原理為基礎(chǔ)，重點介紹了Bezier曲線曲面、B樣條曲線曲面和NURBS曲線曲面這三種最常用曲面模型的基本概念和性質(zhì)。第6章作為全書的綜合應用，概括了圖形動畫的基本原理、分類和發(fā)展，并以GIF、PhotoMorph和Flash為例簡單介紹了二維圖形動畫的制作方式。附錄中簡單介紹了計算機圖形學的兩個最新技術(shù)，即可縮放矢量圖形（SVG）標準和數(shù)字墨水（DigitalInk）。學習本書可如下安排：對于計算機專業(yè)或具備相應計算機基礎(chǔ)知識的人員，可選擇第1章至第5章作為重點內(nèi)容，第6章作為自學和綜合練習使用；對于非計算機專業(yè)或缺乏計算機系統(tǒng)知識的人員，可選擇第1章至第4章及第6章的部分內(nèi)容；對于高職或技能人員可以選擇第1、第2和第6章的內(nèi)容重點學習，而粗讀第3、第4和第5章的內(nèi)容。學習方式可以先將內(nèi)容粗略地看一遍，然后，參照教學幻燈片學習或由教師講解重點，并完成有關(guān)思考題。需要指出的是：計算機圖形學是一門有用的、有趣的課程，但也是難學的課程?！半y”體現(xiàn)在整個學科發(fā)展日新月異，應用領(lǐng)域不斷拓展，相關(guān)學科相互重疊和滲透，難以把握和區(qū)分；同時，圖形學涉及的內(nèi)容和應用很廣，學科交叉繁雜，難以形成一個簡單、獨立和明確的知識體系。但是，計算機圖形學是沿著“逼真”地模擬現(xiàn)實世界物？逭馓踔饗叻⒄溝模?，其概念和揣f矸椒ň哂邢嗟焙玫囊恢灤裕虼?，读者只要灾J笆弊⒁狻扒昂罅搿保湍艽锏健耙煌ò僂ā鋇男Ч?。链撯，紦溷机蛫A窩Ф雜詿蠖嗍琳叨允粲謨τ瞇圖際?，因此，灾J暗耐北匭胱⒅厥迪昂陀τ茫乙桓瞿閌直咦釷煜せ螄朧煜さ墓ぞ呋蛉砑肪?，试讙侖拈犫S胱齷螄不蹲齙氖慮?，就会更舍曅体会到紦溷机蛫A窩僑綰斡杏煤陀腥?，真正领悟概拟k爰寄薌淶奈⒚罟叵??？本書以筆者近年來承擔南京大學計算機科學與技術(shù)系相應課程的教學講義為基礎(chǔ)編寫而成，凝聚了多年來對計算機圖形學及其應用的理解。在寫作過程中，與南京航空航天大學周良和鄭宏源兩位老師進行了緊密的合作和詳細的討論，融入了他們對工科院校各專業(yè)同類課程的許多教學經(jīng)驗和思想，并與他們共同完成本書。在課程教學和本書編寫過程中，得到了筆者的博士后導師張福炎教授以及博士學位導師丁秋林教授、蔡士杰教授等前輩的許多悉心指點和幫助，在此謹表深深的敬意和衷心的感謝！碩士生周若鴻和張莉莎花費了大量精力和時間對全稿進行了認真校正，并提出了許多有益的修改意見，同時碩士生孫建勇、邱慶華、張斌和李曼舞在本書編寫過程中也給予了最大的幫助，在此一并表示感謝！對書中存在的不足，懇請讀者和同行指正.

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