彭群生：浙江大學教授，博士生導師。1983年畢業於英國東安格利亞大學，獲博士學位。主要研究領域為計算機圖形學、虛擬現實、可視化、紅外仿真、生物分子圖形、文化計算等。先後在國內外核心學術期刊和重要國際會議上發表論文500餘篇，合作出版計算機圖形學專著6部，譯著2部。研究成果曾獲國家自然科學三等獎（1991）、二等獎（2020），被評為“國家級有突出貢獻的中青年專家”（1992）、寶鋼全國優秀教師特等獎（1996）、中國計算機圖形學傑出獎（2000）、貢獻獎（2018）、亞洲圖形學會終生成就獎（2021）。

金小剛：浙江大學計算機學院教授，博士生導師。1995年畢業於浙江大學，獲應用數學專業理學博士學位，主要研究方向為計算機動畫和計算機圖形學，在ACM TOG（Siggraph）、IEEE TVCG等國際刊物發上表論文160多篇。主持國家重點研發計劃項目、浙江省重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目等數十項。

馮結青： 浙江大學CAD&CG全國重點實驗室教授，博士生導師。1997年畢業於浙江大學應用數學繫，獲理學博士學位。主要從事計算機圖形學和計算機視覺的基礎與應用基礎研究，曾獲2009年自然科學獎一等獎，2010年入選“新世紀優秀人纔支持計劃”。 目前擔任《圖學學報》副主編、《計算機輔助設計與圖形學學報》編委、《Visual Computing for Industry, Biomedicine and Art》編委 和《計算機科學》編委等。

陳為：中組部萬人創新領軍人纔，浙江大學求是特聘教授、博士生導師。現任浙江大學計算機輔助設計與圖形繫統全國重點實驗室副主任，浙江大學藝術與考古圖像數據實驗室常務副主任。曾獲浙江省自然科學獎一等獎、中國計算機學會技術發明獎一等獎等。

第1章緒論

1.1計算機圖形學概述

1.1.1影視特技

1.1.2計算機遊戲

1.1.3計算機輔助設計和計算機輔助制造

1.1.4科學計算可視化

1.1.5圖形用戶界面

1.1.6計算機藝術

1.1.7移動圖形學

1.2在Windows環境下生成圖形的一個簡單例子

1.3光柵圖形顯示的基本原理

1.3.1光柵圖形顯示技術

1.3.2簡單的生成方法

1.4RGB顏色繫統

習題

第2章物體的幾何表示

2.1局部坐標繫和世界坐標繫

2.2網格模型表示

2.2.1網格模型表示數據結構

2.2.2網格模型頂點法向量的計算

2.2.3模型頂點的紋理坐標

2.2.4網格模型表示的優點

2.3參數曲線和曲面

2.3.1參數曲面及張量積曲面

2.3.2Bézier曲線和B樣條曲線

2.3.3Bézier曲面和B樣條曲面

2.4細分曲面

2.5隱式曲面

2.6物體的CSG樹表示

2.7自然景物表示方法

習題

第3章變換與裁剪

3.1二維變換

3.2三維變換

3.2.1場景坐標繫和造型變換

3.2.2視點坐標繫和取景變換

3.2.3投影坐標繫和投影變換

3.2.4規格化設備坐標繫和設備變換

3.2.5屏幕坐標繫和視窗變換

3.3裁剪

3.4變換與裁剪的實例

習題

第4章光柵轉換與消隱

4.1區域填充

4.2多邊形的掃描轉換

4.2.1多邊形掃描轉換中的連貫性

4.2.2多邊形掃描轉換算法

4.3隱藏面消除

4.3.1z緩衝器消隱算法

4.3.2畫家算法

習題

第5章真實感圖形

5.1光照明模型

5.1.1泛光模型

5.1.2Lambert漫反射模型

5.1.3Phong鏡面反射模型

5.1.4Whitted整體光照明模型

5.1.5光照明模型的進一步完善

5.2多邊形物體的明暗處理

5.2.1Gouraud明暗處理

5.2.2Phong明暗處理

5.3光線跟蹤算法

5.3.1基本原理

5.3.2光線跟蹤算法的偽語言描述

5.3.3陰影計算

5.3.4反走樣

5.3.5加速技術

5.3.6光線跟蹤實例程序

5.4紋理映射

5.4.1顏色紋理

5.4.2幾何紋理

5.4.3紋理反走樣

5.4.4紋理映射實例程序

5.5輻射度方法

5.5.1輻射度方法簡介

5.5.2輻射度方法實例程序

5.6實時繪制技術

5.6.1圖形繪制流水線與圖形API

5.6.2常用的實時繪制技術

5.6.3實時光線跟蹤

5.7非真實感圖形繪制技術

5.7.1素描

5.7.2卡通繪制

5.7.3美術繪制

習題

第6章計算機動畫

6.1計算機動畫簡介

6.2低層動畫驅動技術

6.2.1關鍵幀技術

6.2.2樣條驅動動畫技術

6.2.3物體旋轉的歐拉角表示和插值

6.3漸變和空間變形動畫技術

6.3.1二維多邊形形狀漸變

6.3.2二維圖像漸變技術

6.3.3三維漸變技術

6.3.4整體和局部變形方法

6.3.5自由變形方法

6.3.6軸變形方法

6.球的造型和動畫技術

6.4過程動畫技術

6.4.1粒子繫統

6.4.2群體動畫

6.4.3布料動畫

6.4.4臉部表情動畫

6.5關節動畫

6.5.1正向運動學方法

6.5.2逆向運動學方法

6.5.3動力學方法

6.5.4運動捕獲和運動重現

6.6運動模糊

6.7動畫後期合成

6.8虛擬演播室

6.9計算機遊戲

6.10Flash動畫

習題

第7章數據可視化

7.1數據可視化的含義與分類

7.1.1可視化的定義

7.1.2可視化的分類

7.1.3可視化的意義

7.2可視化流程、編碼與設計

7.2.1標準可視化流程

7.2.2可視化編碼原則

7.2.3可視化設計規範

7.3代表性可視化方法

7.3.1規則表格數據的可視化

7.3.2時空數據的可視化

7.3.3層次與網絡型數據的可視化

7.3.4文本與日志型數據的可視化

7.4代表性可視化軟件與繫統

習題

第8章虛擬現實與增強現實

8.1虛擬現實概述

8.1.1虛擬現實的基本概念

8.1.2虛擬現實的發展歷史

8.1.3虛擬現實的要素和特點

8.2虛擬現實的繫統組成

8.2.1繫統的構成

8.2.2虛擬現實的呈現

8.2.3虛擬現實的交互

8.2.4空間注冊的跟蹤器

8.2.5計算機及軟件開發平臺

8.3立體視覺的生成原理

8.3.1人類視覺繫統的刺激

8.3.2立體圖像生成的照相機模型

8.3.3虛擬現實的繪制技術

8.3.4立體顯示的主要設備及原理

8.3.5虛擬現實的心理效應及對策

8.4虛擬現實交互

8.4.1人機交互概述

8.4.2手持式交互設備

8.4.3數據手套

8.4.4體感交互設備

8.4.5觸覺與力反饋

8.5增強現實技術的特點

8.5.1增強現實的簡易模式

8.5.2增強現實的實體交互

8.5.3增強現實的呈現模式

8.5.4增強現實虛實融合的一致性

8.6虛擬現實與增強現實應用

8.6.1VR/AR 培訓

8.6.2VR/AR 醫療

8.6.3VR/AR 制造

8.6.4VR/AR 教育

8.6.5VR 心理輔導

8.6.6VR 社交

8.6.7AR 商貿

8.6.8虛擬現實環境的開發

習題

第9章圖形軟件支撐平臺和常用軟件簡介

9.1常用圖形支撐軟件簡介

9.1.1OpenGL簡介

9.1.2DirectX簡介

9.1.3基於場景圖的圖形開發工具

9.1.4面向遊戲與虛擬現實應用的圖形開發工具

9.2網絡圖形開發

9.2.1WebGL簡介

9.2.2VRML與X3D簡介

9.2.3Java 3D簡介

9.3計算機三維動畫軟件3ds Max簡介

習題

參考文獻

自人類文明出現以來，圖形便和語言、文字一道成為了人類交流思想、傳遞信息的有力工具。事實上，最早出現的像形文字就是一種圖形。刻在山崖上的古代壁畫記錄了古代人生活、勞作的情景，在各種流傳的典籍中，人們也廣泛采用插圖展示書中描繪的精彩情節，激發讀者對故事的興趣。在制造、建築、土木等工程技術領域，計算機圖形技術可以將抽像的產品數字模型轉換為具有真實感的圖像，設計人員可以通過形像直觀的方式從產品形狀、結構、功能等多方面檢查、驗證設計方案的合理性； 在互聯網領域，顧客可以通過虛擬試衣繫統觀察自己在穿著所選款式、顏色、尺碼的衣服後具有真實感的著裝效果，從而避免線下購物時現場試衣的麻煩； 在文化旅遊領域，遺址公園可以通過三維重建技術在遊客眼前重現文物的原貌，展現其背後的歷史風雲，為遊客提供深入的文化體驗； 在數字城市領域，可通過單擊二維城市地圖，實時呈現該處的三維景觀及用戶感興趣的相關信息； 在地質和石油勘探領域，通過對地質勘探數據的三維重建及可視化，技術人員可以更清晰地看到地下礦藏的分布。類似的例子不勝枚舉。在信息技術高度發展的今天，圖形已成為應用最為廣泛的信息載體。計算機圖形成為許多學科進行研究和開發的基礎性工具，從2000年起，已將“計算機圖形學”列為高校本科生的公共選修課之一。

目前，大多數計算機、機械、化工、建築、土木、生物、醫學、地礦等專業的本科生或研究生學習計算機圖形學不是為了去研究圖形學算法本身，而是為了運用圖形學已有的研究成果為其科研和教學服務。盡管如今走進書店，有關圖形學的教科書和各種圖形軟件使用的工具書琳瑯滿目，但它們大多是面向從事圖形學研究的研究生和專業人員編寫的，書中過於詳細的算法描述、嚴謹復雜的數學推導使許多初學者望而卻步。

本書是一本為涉及虛擬現實應用的各
專業本科生開設“計算機圖形學”課程而編寫的教材。與國內現有的大多數圖形學教材不同，本書以通俗易懂的方式介紹計算機圖形生成的基本概念、基本原理和基本技術。由於本科生和研究生的教學要求不同，本書不會詳述圖形表示的數學原理及形形色色的圖形加速算法，而將重點放在現有圖形軟件的應用上。本書敘述力求簡明，概念力求準確，內容力求新穎，應用力求具體，可供36學時講授。

本書共9章。第1章，首先通過一個實例，即在Windows環境下生成簡單圖形，讓讀者對圖形生成有一個直觀的了解。在此基礎上，介紹光柵圖形顯示的基本原理、圖形的基本數據結構、幀緩存，以及點、線、圓、字符的生成方法，然後引入RGB顏色繫統和色彩概念。在“圖”和“形”中，“形”是“圖”的基礎，“圖”是“形”的反映。第2章介紹了幾何物體在計算機內的表示方法，包括網格曲面、參數曲面、隱式曲面及各種自然景物。第3章著重討論場景造型和圖形生成中常用的各種變換和裁剪技術。第4章敘述表面著色和消隱算法，重點介紹了二維區域種子填充算法、多邊形掃描轉換算法、z緩衝器消隱算法和畫家算法。前4章的內容是全書的基礎。與一般圖形學教科書不同的是，本書並沒有專闢章節單獨介紹直線、圓弧生成算法，以及各種線、面裁剪算法。隨著計算機圖形顯示技術的發展，這些基礎性算法已經非常成熟，許多算法已經由硬件實現，對於大多數從事圖形學應用的人員，隻需要熟練地調用相應子程序即可。

本書第5～9章全面介紹計算機圖形技術的發展和應用，包括真實感圖形、計算機動畫、數據可視化、虛擬現實等。第5章介紹了生成真實感圖形的各種局部和整體光照明模型、光線跟蹤和光能輻射度兩大主流繪制技術及增添場景真實感的紋理映射技術，並簡要討論了可表現不同藝術風格的非真實感圖形繪制技術和面向視覺仿真的大規模場景實時繪制技術。第6章介紹了計算機動畫生成的基本原理和基本技巧，包括關鍵幀動畫、關節動畫、過程動畫、行為動畫、Flash動畫、漸變技術、運動捕獲技術、摳像技術、網絡遊戲和虛擬演播室等。數據可視化為不同領域的科技人員運用計算機圖形顯示技術揭示和理解各種應用數據中所蘊含的規律開闢了新的前景。第7章講述可視化的基本理念、基礎流程、編碼與設計方法，圍繞不同的數據類型闡述相應的可視化方法，概述了代表性可視化軟件與繫統。第8章介紹了近年來日趨火熱的虛擬現實技術，討論了虛擬現實與增強現實的聯繫與區別，其主要內容包括虛擬現實的繫統組成、立體視覺的生成原理及呈現設備、虛擬現實交互技術及相關設備、增強現實技術的特點及應用等。為了便於讀者運用圖形軟、硬件支撐平臺進行進一步的科研開發，第9章介紹了幾個目前流行的具有代表性的圖形編程環境OpenGL、Direct 3D、VRML、Unity及三維動畫軟件3ds Max等。在本書有限的篇幅內，詳細介紹這些軟件和平臺的功能及編程方法是不可能的，但我們力求為讀者提供一個入門的向導。

本書的編者都是長期從事計算機圖形學教學、科研的教師，其中部分編者曾參與《計算機圖形學教程》（修訂版）（科學出版社，2000年）、《計算機真實感圖形的算法基礎》（科學出版社，1999年）、《數據可視化的基本原理與方法》（科學出版社，2013年）、《增強現實算法基礎》（清華大學出版社，2022年）的編寫。盡管如此，為非圖形專業的本科生編寫一本面向應用的計算機圖形學教材對我們來說仍然是一個巨大的挑戰。我們以對相關軟件的介紹貫穿全書，並為開設此課的教師提供了36學時課件。課件中附有各種示範性實例和實現這些實例的源程序，可供讀者揣摩和練習。

本書由彭群生制定編寫大綱，金小剛負責第1、6章的撰寫，馮結青負責第2～4章的撰寫，萬華根負責第5章的撰寫，陳為負責第7章的撰寫，秦學英負責第8章的撰寫，鐘凡負責第9章的撰寫，繆永偉參與了第2章部分內容的撰寫。全書由彭群生統稿。秦學英參與了部分書稿的編輯和排版工作。

限於編者的水平，書中的疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。

編者2023年4月