第1章導論1
1.1計算機圖形學的定義1
1.2計算機圖形學的應用領域2
1.2.1計算機遊戲2
1.2.2計算機輔助設計2
1.2.3計算機藝術3
1.2.4虛擬現實5
1.2.5計算機輔助教學6
1.3計算機圖形學的相關學科6
1.4計算機圖形學的確立與發展7
1.5圖形顯示器的發展及其工作原理9
1.5.1陰極射線管9
1.5.2隨機掃描圖形顯示器10
1.5.3直視存儲管圖形顯示器10
1.5.4光柵掃描圖形顯示器11
1.5.5LCD顯示器17
1.5.6三維圖形顯示原理及立體顯示器18
1.6圖形軟件標準22
1.7計算機圖形學研究的熱點技術23
1.7.1細節層次技術23
1.7.2基於圖像的繪制技術23
1.8本章小結25
習題125第2章MFC繪圖基礎27
2.1MFC上機操作步驟27
2.2MFC繪圖方法31
2.2.1CDC類結構與GDI對像31
2.2.2映射模式33
2.2.3使用GDI對像36
2.2.4CDC類的主要繪圖成員函數39
2.3設備上下文的調用與釋放55
2.4雙緩衝機制55
2.5MFC繪圖的幾種方法58
2.5.1使用OnDraw()成員函數直接繪圖58
2.5.2使用菜單繪圖59
2.5.3使用自定義函數繪圖61
2.6本章小結65
習題265第3章的掃描轉換68
3.1直線的掃描轉換68
3.1.1DDA算法69
3.1.2Bresenham算法69
3.1.3中點算法71
3.2圓的掃描轉換73
3.3橢圓的掃描轉換76
3.4反走樣技術81
3.4.1反走樣現像81
3.4.2反走樣技術分類82
3.5Wu反走樣算法82
3.5.1算法原理82
3.5.2構造距離誤差項83
3.5.3Wu反走樣算法83
3.5.4彩色直線的反走樣算法84
3.6本章小結84
習題384第4章多邊形填充88
4.1多邊形的掃描轉換88
4.1.1多邊形的定義88
4.1.2多邊形的表示89
4.1.3多邊形著色模式90
4.1.4多邊形填充算法90
4.1.5區域填充算法91
4.2有效邊表填充算法91
4.2.1填充原理91
4.2.2邊界像素的處理原則91
4.2.3有效邊和有效邊表93
4.2.4桶表與邊表95
4.3邊緣填充算法96
4.3.1填充原理96
4.3.2填充過程96
4.4區域填充算法97
4.4.1填充原理97
4.4.2四鄰接點與八鄰接點98
4.4.3四連通域與八連通域98
4.4.4種子填充算法99
4.5本章小結100
習題4101第5章二維變換與裁剪105
5.1圖形幾何變換基礎105
5.1.1二維變換矩陣105
5.1.2規範化齊次坐標105
5.1.3矩陣相乘106
5.1.4二維幾何變換106
5.2二維基本幾何變換矩陣107
5.2.1平移變換矩陣107
5.2.2比例變換矩陣108
5.2.3旋轉變換矩陣108
5.2.4反射變換矩陣109
5.2.5錯切變換矩陣110
5.3二維復合變換111
5.3.1復合變換原理111
5.3.2相對於任意參考點的二維幾何變換111
5.3.3相對於任意方向的二維幾何變換114
5.4二維圖形裁剪116
5.4.1圖形學中常用的坐標繫116
5.4.2窗口與視區及窗視變換118
5.4.3窗視變換矩陣119
5.5CohenSutherland直線段裁剪算法121
5.5.1編碼原理121
5.5.2裁剪步驟121
5.5.3交點計算公式122
5.6中點分割直線段裁剪算法123
5.6.1中點分割直線段裁剪算法原理123
5.6.2中點計算公式123
5.7LiangBarsky直線段裁剪算法124
5.7.1算法原理124
5.7.2算法分析125
5.7.3算法的幾何意義125
5.8多邊形裁剪算法127
5.9本章小結129
習題5129第6章三維變換與投影132
6.1三維圖形幾何變換132
6.1.1三維變換矩陣132
6.1.2三維幾何變換133
6.2三維基本幾何變換矩陣134
6.2.1平移變換134
6.2.2比例變換134
6.2.3旋轉變換134
6.2.4反射變換135
6.2.5錯切變換137
6.3三維復合變換138
6.3.1相對於任意參考點的三維幾何變換138
6.3.2相對於任意方向的三維幾何變換138
6.4平行投影140
6.4.1正投影141
6.4.2三視圖141
6.4.3斜投影144
6.5透視投影146
6.5.1透視投影坐標繫146
6.5.2三維坐標繫變換147
6.5.3世界坐標繫到觀察坐標繫的變換149
6.5.4觀察坐標繫到屏幕坐標繫的變換151
6.5.5透視投影分類153
6.5.6立方體的透視圖154
6.5.7屏幕坐標繫的偽深度坐標156
6.6本章小結157
習題6158第7章自由曲線與曲面160
7.1基本概念160
7.1.1樣條曲線曲面160
7.1.2曲線曲面的表示形式161
7.1.3插值、逼近與擬合162
7.1.4連續性條件162
7.2Bezier曲線163
7.2.1Bezier曲線的定義164
7.2.2Bezier曲線的性質165
7.2.3de Casteljau遞推算法167
7.2.4Bezier曲線的拼接168
7.3Bezier曲面170
7.3.1Bezier曲面的定義170
7.3.2雙三次Bezier曲面的定義170
7.3.3雙三次Bezier曲面的拼接171
7.4B樣條曲線173
7.4.1B樣條曲線的定義173
7.4.2二次B樣條曲線174
7.4.3三次B樣條曲線175
7.4.4B樣條曲線的性質177
7.4.5構造特殊三次B樣條曲線的技巧178
7.5B樣條曲面180
7.5.1B樣條曲面的定義180
7.5.2雙三次B樣條曲面的定義180
7.5.3雙三次B樣條曲面的連續性181
7.6本章小結183
習題7184第8章建模與消隱187
8.1三維物體的數據結構187
8.1.1物體的幾何信息與拓撲信息187
8.1.2三表數據結構187
8.1.3物體的表示模型188
8.1.4雙表數據結構190
8.2常用物體的幾何模型191
8.2.1多面體191
8.2.2曲面體196
8.3消隱算法分類202
8.4隱線算法203
8.4.1凸多面體消隱算法203
8.4.2曲面體消隱算法206
8.5隱面算法207
8.5.1深度緩衝器消隱算法207
8.5.2深度排序消隱算法211
8.6本章小結212
習題8212第9章光照模型217
9.1顏色模型217
9.1.1原色繫統218
9.1.2RGB顏色模型219
9.1.3HSV顏色模型220
9.1.4CMYK顏色模型222
9.2簡單光照模型223
9.2.1材質模型223
9.2.2環境光模型225
9.2.3漫反射光模型225
9.2.4鏡面反射光模型226
9.2.5光強衰減228
9.2.6增加顏色229
9.3光滑著色230
9.3.1直線的光滑著色230
9.3.2Gouraud明暗處理232
9.3.3Phong明暗處理235
9.4簡單透明模型237
9.5簡單陰影模型238
9.6本章小結239
習題9239第10章紋理映射243
10.1紋理的定義243
10.2顏色紋理244
10.2.1函數紋理244
10.2.2圖像紋理249
10.3三維紋理250
10.4幾何紋理252
10.4.1參數曲面的定義252
10.4.2映射原理252
10.4.3幾何紋理的分類254
10.5紋理反走樣簡介255
10.6本章小結258
習題10 258
參考文獻262
附錄A知識點微課索引264
附錄B配套案例的說明265

第2版前言
本書第1版由於原理選擇合理、算法講解清晰、代碼編寫規範、印刷精美，因此受到了讀者的歡迎。美中不足的是，受當時技術條件的限制，所用的開發平臺為Visual C 6.0,操作繫統是Windows XP。許多讀者期待本書使用Visual Studio 2010及以上的版本開發。這次改版,編程環境采用Windows 10操作繫統,語言選用Visual Studio 2017 MFC。
作者主持的“計算機圖形學”課程在2020年被評為山西省精品在線開放課程。為了適應新形態的課程建設，制作了30個知識點的算法微課講解。王錚、楊芳、孟新煜錄制了算法MOOC講解。利用2020年春節長假，筆者與霍波魏重新整理並升級了配套的30個案例源程序，毛洋錄制了全部案例源程序講解MOOC。為了幫助初學者入門，第2章的所有例子都提供了視頻講解，由孟星煜錄制。
錄制MOOC是很繁重的工作，設計程序、編寫PPT、整理逐字稿、剪輯視頻。有時作者也會錄制試音、視頻以進行示範。對於有些比較難的案例視頻經常出現返工的情況。終，課題組成員的堅持和耐心保證了視頻資源的質量，在此一並致謝。本書提供的30個知識點和30個案例的視頻全部通過作者審核檢查，請讀者放心使用。知識點對應的MOOC視頻，在教材的相應章節都提供了二維碼，可同步掃碼觀看。為了方便讀者學習，本書附錄梳理了本書介紹的知識點和案例。
目前，作者主持的“計算機圖形學”課程已入選國家首批一流本科課程。有興趣的讀者可以到作者在超星平臺上開設的計算機圖形學MOOC登錄學習並留下寶貴的建議。
作者鄭重承諾，書中所有效果圖全部為使用Microsoft Visual Studio MFC按照原理的算法編碼運行後生成的,未使用任何圖形庫。 

作者2021年1月

第1版前言
計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理和顯示的學科。主要原理包括基於光柵掃描顯示器的基本圖形的掃描轉換原理；基於齊次坐標的二維、三維圖形的幾何變換原理；基於幾何造型的自由曲線、曲面的生成原理；基於多面體和曲面體的三維幾何建模原理；基於像空間和物空間的三維物體面消隱原理；基於材質模型、光源模型的簡單光照原理；基於顏色紋理、三維紋理和幾何紋理的紋理映射原理。本書采用類架構建立了三維光照場景，給定光源位置、視點位置和視線方向，隻要簡單地改變數據文件中物體的頂點表和表面表，就可以生成不同物體的真實感圖形動畫。
本書有以下特色。
1. 編程環境的先進性。本書選用了Microsoft公司的面向對像程序設計語言Visual C 的MFC框架作為編程環境，不僅可以制作出和3ds max效果一致的三維真實感圖形，而且支持交互式操作。
2. 所有原理的案例化。本書從編程角度講解計算機圖形學，要求所講解的原理都產生相應的圖形效果。筆者使用MFC框架自主開發了本書所有原理的案例，做到本書所講解到的每個原理都有一個對應的源程序。
3. 所有圖形彩色顯示。計算機圖形學是研究由物體的三維幾何模型得到二維圖像的技術。本書使用真彩色表示光照、紋理等特殊圖像效果，意在讓讀者切實感受到計算機圖形學的視覺衝擊力，從而將學習的重點放置在真實感圖形部分。
本書各章節主要內容如下。
第1章導論。介紹了計算機圖形學的定義、應用領域、圖形顯示器的工作原理以及計算機圖形學目前研究的熱點技術。
第2章MFC繪圖基礎。介紹MFC上機操作步驟，主要講解了CDC類的主要繪圖成員函數，後給出了精美的雙緩衝動畫案例。本章要求重點掌握雙緩衝技術。
第3章的掃描轉換。講解直線、圓和橢圓的像素級掃描轉換原理，以及Wu直線反走樣算法。本章要求重點掌握直線的中點Bresenham掃描轉換原理和Wu反走樣原理。
第4章多邊形填充。講解了有效邊表填充原理、邊緣填充原理以及區域填充原理，本章要求重點掌握有效邊表填充原理，這是後續填充三維物體表面模型的基本原理。
第5章二維變換與裁剪。講解二維基本幾何變換矩陣，CohenSutherland直線段裁剪原理、中點分割直線段裁剪原理、LiangBarsky直線段裁剪原理以及SutherlandHodgman多邊形裁剪原理。本章要求重點掌握二維幾何變換。
第6章三維變換與投影。講解三維基本幾何變換、三視圖、斜投影圖以及透視投影的變換矩陣。本章要求重點掌握三維幾何變換和透視投影原理。
第7章自由曲線與曲面。講解Bezier曲線曲面和B樣條曲線曲面的生成原理。本章要求重點掌握B樣條曲線和B樣條曲面的生成原理。
第8章建模與消隱。講解描述物體的雙表數據結構，多面體與曲面體的幾何模型。物體的背面剔除原理以及深度緩衝面消隱和深度排序面消隱原理。本章要求重點掌握立方體、球體的幾何建模方法，以及深度緩衝面消隱原理。
第9章光照模型。講解顏色模型、材質模型、簡單光照模型、Gouraud明暗處理、Phong明暗處理、簡單透明模型和簡單陰影模型。本章要求重點掌握RGB顏色模型、簡單光照模型、Gouraud明暗處理和Phong明暗處理。
第10章紋理映射。講解顏色紋理、三維紋理和幾何紋理的定義及映射方法。給出了將函數紋理與圖像紋理映射到球面、圓柱面、圓錐面和圓環面的方法，後介紹了一種簡單紋理反走樣方法。本章要求重點掌握國際像棋棋盤函數紋理映射到立方體表面和球體表面的顏色紋理映射方法。
為了幫助讀者鞏固上述原理的學習，作者精心設計了與本書講解的原理一一對應的60個案例源程序。每個案例全部按照本書原理的算法步驟編碼，可以互相參照學習。本書中所使用的效果圖均出自這些案例。請購買本書的讀者到作者的個人網站上下載這60個源程序。為了方便教學，作者也提供了各章的教學課件，並建立了計算機圖形學教師群，願意與全國高校的計算機圖形學教師一起分享教學經驗。
雖然計算機圖形學領域每年有大量的新技術不斷湧現，但繪制圖形的基本原理和方法卻一直保持著連貫性和穩定性。作者是從計算機編程角度講授計算機圖形學原理，在不使用任何圖形庫的前提下，單純使用MFC的繪制像素點成員函數（CDC::SetPixelV），按照本書講解的計算機圖形學原理開發出與OpenGL或Direct3D顯示效果一致的真實感圖形。更確切地說是作者依據本書講解的原理搭建了一個自主開發的圖形庫。隻要在場景中構造出物體的幾何模型，就可以根據假定的光照條件，動態渲染出包含材質、紋理的真實感圖形，產生如臨其境、如見其物的視覺效果。
感謝清華大學出版社編校人員對本書的大力支持，感謝國內計算機圖形學教師對作者的認可，感謝計算機圖形學讀者對源程序的厚愛。懇請從事計算機圖形研究的專家學者繼續提出寶貴的建議和意見，無論是針對文字、代碼還是課件的。
後感謝我的妻子康鳳娥女士。在我寫作本書期間，給予了更多的時間；在我調試程序時，曾提出過寶貴的建議；在我完成初稿後，又進行反復校對。 “噫！微斯人，吾誰與歸?”

孔令德2013年9月