第1章導論1
1.1計算機圖形學的應用領域1
1.1.1計算機遊戲1
1.1.2計算機輔助幾何設計1
1.1.3計算機藝術2
1.1.4虛擬現實2
1.1.5計算機輔助教學4
1.2計算機圖形學的概念4
1.3計算機圖形學的相關學科5
1.4計算機圖形學的確立與發展5
1.5圖形顯示器的發展及其工作原理7
1.5.1陰極射線管7
1.5.2光柵掃描顯示器7
1.5.3液晶顯示器9
1.6圖形軟件標準10
1.7計算機圖形學研究的熱點技術11
1.7.1基於幾何的繪制技術11
1.7.2基於圖像的繪制技術11
1.8本章小結12
習題112第2章基本圖形的光柵化13
2.1直線的光柵化13
2.1.1DDA算法14
2.1.2Bresenham算法16
2.1.3中點算法18
2.2圓的光柵化20
2.2.1八分圓弧20
2.2.2算法原理21
2.2.3構造中點誤差項22
2.2.4遞推公式22
2.2.5整數中點畫圓算法23
2.3橢圓的光柵化23
2.3.1四分橢圓弧23
2.3.2臨界點分析24
2.3.3算法原理25
2.4反走樣技術28
2.5Wu反走樣算法30
2.5.1算法原理30
2.5.2構造距離誤差項30
2.5.3個八分像限Wu反走樣算法31
2.6本章小結31
習題231第3章填充多邊形34
3.1多邊形的光柵化34
3.1.1多邊形的定義34
3.1.2多邊形的表示35
3.1.3多邊形著色模式35
3.2邊界像素處理規則37
3.2.1平面著色模式填充矩形37
3.2.2處理邊界像素38
3.2.3光滑著色模式填充矩形39
3.3邊標志算法39
3.3.1基本思想39
3.3.2光柵化邊40
3.3.3判斷點與邊的位置關繫40
3.3.4平面著色模式填充三角形41
3.3.5光滑著色模式填充三角形42
3.4有效邊表算法43
3.4.1x掃描線法43
3.4.2示例多邊形44
3.4.3頂點處理規則44
3.4.4有效邊與有效邊表45
3.4.5桶表與邊表47
3.5邊填充算法49
3.5.1填充原理49
3.5.2填充過程50
3.6區域填充算法52
3.6.1四鄰接點與八鄰接點53
3.6.2四連通域與八連通域53
3.6.3種子填充算法55
3.7本章小結58
習題359第4章二維變換與裁剪62
4.1二維變換62
4.1.1平移變換62
4.1.2比例變換62
4.1.3旋轉變換63
4.1.4反射變換64
4.1.5錯切變換64
4.2基於齊次坐標的二維變換66
4.2.1齊次坐標66
4.2.2二維變換矩陣67
4.2.3物體變換與坐標變換67
4.2.4二維變換形式67
4.2.5二維基本變換68
4.3二維復合變換70
4.3.1復合變換原理70
4.3.2相對於任意一個參考點的二維變換70
4.3.3相對於任意一個參考方向的二維變換73
4.4圖形學中常用的坐標繫75
4.5窗視變換77
4.5.1窗口與視區77
4.5.2窗視變換矩陣78
4.6裁剪80
4.6.1點的裁剪80
4.6.2二維線段裁剪80
4.7CohenSutherland裁剪算法81
4.7.1編碼原理81
4.7.2裁剪步驟82
4.7.3交點計算公式83
4.8中點分割算法84
4.8.1中點分割算法原理84
4.8.2中點計算公式85
4.9LiangBarsky算法85
4.9.1參數化直線段的裁剪85
4.9.2LiangBarsky算法原理86
4.9.3算法分析87
4.9.4算法的幾何意義88
4.10本章小結89
習題490第5章三維變換與投影92
5.1三維變換92
5.1.1三維變換矩陣92
5.1.2三維變換形式92
5.2三維基本變換93
5.2.1平移變換93
5.2.2比例變換93
5.2.3旋轉變換94
5.2.4反射變換95
5.2.5錯切變換96
5.3三維復合變換97
5.3.1相對於任意一個參考點的三維變換97
5.3.2相對於任意一個參考方向的三維變換98
5.4平行投影100
5.4.1正交投影101
5.4.2三視圖102
5.4.3斜投影106
5.5透視投影108
5.5.1透視投影坐標繫109
5.5.2世界坐標繫到觀察坐標繫的變換110
5.5.3觀察坐標繫到屏幕坐標繫的變換111
5.5.4透視投影分類112
5.6三維屏幕坐標繫113
5.7本章小結114
習題5114第6章自由曲線與曲面117
6.1基本概念117
6.1.1曲線與曲面的表示形式117
6.1.2插值與逼近118
6.1.3連續性條件118
6.2Bezier曲線119
6.2.1Bezier曲線的定義120
6.2.2Bezier曲線的性質122
6.2.3de Casteljau遞推算法124
6.2.4Bezier曲線拼接圖125
6.3Bezier曲面126
6.3.1雙三次Bezier曲面片的定義126
6.3.2雙三次Bezier曲面表示球128
6.4有理Bezier曲線128
6.4.1有理Bezier曲線定義129
6.4.2有理一次Bezier曲線129
6.4.3有理二次Bezier曲線129
6.4.4四段有理二次Bezier曲線表示圓131
6.5有理Bezier曲面131
6.5.1有理雙一次Bezier曲面132
6.5.2有理雙二次Bezier曲面133
6.5.3有理雙二次Bezier曲面表示球134
6.6本章小結135
習題6135第7章建模與消隱137
7.1物體的表示方法137
7.1.1線框模型137
7.1.2表面模型138
7.1.3實體模型138
7.2邊界表示法建模139
7.3模型的數據結構140
7.3.1三表結構140
7.3.2兩表結構142
7.4消隱算法分類143
7.5隱藏線消除算法144
7.5.1凸多面體消隱算法144
7.5.2曲面體消隱算法144
7.6隱藏面消除算法145
7.6.1深度緩衝器算法146
7.6.2深度排序算法149
7.7本章小結150
習題7150第8章真實感圖形152
8.1顏色模型152
8.2光照模型153
8.2.1簡單光照模型154
8.2.2材質屬性154
8.2.3環境光156
8.2.4漫反射光156
8.2.5鏡面反射光157
8.2.6光源衰減160
8.2.7增加顏色160
8.3光滑著色161
8.3.1Gouraud明暗處理161
8.3.2Phong明暗處理163
8.4紋理映射164
8.4.1紋理分類164
8.4.2圖像紋理165
8.4.3幾何紋理168
8.4.4混合紋理170
8.4.5紋理反走樣170
8.5導入外部文件建模172
8.5.13DS文件結構172
8.5.2OBJ文件格式174
8.5.3繪制OBJ文件的三維圖180
8.6本章小結182
習題8182參考文獻185

計算機圖形學是研究如何利用計算機算法來表示、生成、處理和顯示圖形的學科，主要包括三維模型的線框圖和光照圖繪制。本書引導讀者使用樣條曲面建立物體的線框模型和表面模型。物體的線框模型是表面模型的骨架，使用三維幾何變換讓物體運動起來,使用透視投影讓物體符合視覺習慣,使用消隱算法讓模型看起來像真的，通過添加材質、設定光源、映射紋理讓模型繪制為像照片一樣的圖形。
本書具有以下特點。
1. 算法原理案例化
計算機圖形學原理眾多、算法復雜。作為山西省教學名師和一流本科課程的負責人，筆者在二十多年的計算機圖形學教學實踐中，使用MFC平臺嚴格按照本書講解的算法自主開發了BCGL（博創研究所計算機圖形學資源庫，曾榮獲山西省教學成果一等獎)，實現了本書所有算法都基於案例開發進行講解。
2. 算法內容的繫統化
本書的主線是生成真實感圖形，先用直線構造線框模型，再對模型施加幾何變換、透視投影、表面消隱、設置材質、設置光源、綁定紋理，後在雙緩衝環境下建立真實感圖形的三維動畫。
自2008年以來，筆者編寫的《計算機圖形學基礎教程》由於通俗易懂，深受廣大師生的歡迎。在廣泛聽取一線教師的意見和建議後，在強化計算機圖形學基礎知識的同時，盡量降低本書的學習門檻。具體如下。
（1） 簡化模型。幾何模型僅使用立方體與球體模型，前者數據結構簡單，方便描述頂點和小面的關繫，後者的點法向量可用該點的位置向量替代，便於講解光照。
（2） 縮短篇幅。為了便於一部分基礎較好的讀者進一步學習計算機圖形學知識，本書提供了用MFC繪制二維圖形方法（提供了13個例程）和分形幾何學（提供了11個例程）的拓展閱讀內容，有興趣的讀者可以掃描前言中的二維碼後下載閱讀。
（3） 縮短學時。本書重點講解線框模型動畫和簡單的光照模型，適合32～48學時的教學。
本書提供了40個計算機圖形學基礎算法的視頻講解，讀者可通過掃碼進行觀看。目前，C 仍是圖形開發的主流語言，因此視頻中展示的算法均使用Visual Studio 2017版的MFC應用程序框架進行實現。我們可將本書提供的算法視為一個貨架，微課視頻視為貨架上的貨物，這樣就可很方便地更換為用QT、C#等語言實現的產品。下一步，我們會在不改變算法的前提下，開發出基於不同編程語言的計算機圖形學算法微課，感興趣的讀者敬請關注。
本書由孔令德和康鳳娥共同編寫，其中康鳳娥編寫第1～6章，孔令德編寫第7～8章並進行整體籌劃和統稿工作。
熱切希望計算機圖形領域的專家不吝賜教，並期待與廣大計算機圖形學同行進行交流。希望本書的出版對讀者有所幫助，讀者可以直接聯繫編者獲得課件、源程序以及學習指導。

編者2021年8月