计算机图形学基础教程（Visual C++版）（第3版）

本书主要内容包括几何变换、透视投影、曲面建模、线消隐与面消隐、光照与纹理。作为首批国家级一流本科课程“计算机图形学”的建设成果，本书基于Visual Studio 2022的MFC集成开发环境，使用C 语言编程绘制了计算机图形学算法的动画效果，实现了“原理、算法、代码”的统一。本次修订在保持前两版特色的基础上主要做了以下3方面的改变：第一，使用曲面建模技术，将三维模型由立方体、球、圆环等简单模型扩展为茶壶、花瓶等复杂模型（本书中使用Utah茶壶作为绘制效果展示的主要模型）；第二，为了适应计算机图形学前沿需求的新变化，将光照与纹理两章作为重点内容进行详细介绍；第三，纹理映射是光栅化图形学的**阶段，增加了法线贴图、视差贴图、环境贴图等新内容。
本书可以作为本科生和研究生教材，也可供计算机图形学爱好者学习使用。为了便于开展理论教学与实践教学，本书配有《计算机图形学实践教程（Visual C 版）》（第3版）、《计算机图形学基础教程（Visual C 版）（第3版）教师用书》和课件、教案、教学大纲、授课计划等配套教学资源。

第1章导论1

1.1计算机图形学的应用领域1

1.1.1计算机辅助设计1

1.1.2计算机游戏2

1.1.3计算机艺术3

1.1.4虚拟现实4

1.1.5计算机辅助教学6

1.2计算机图形学的概念6

1.3计算机图形学的相关学科8

1.4计算机图形学的确立与发展8

1.5图形显示器的发展及其工作原理11

1.5.1阴极射线管11

1.5.2光栅扫描图形显示器12

1.5.3液晶显示器18

1.5.4三维立体显示器19

1.6图形软件标准23

1.7计算机图形学研究的热点技术23

1.7.1细节层次技术24

1.7.2图像绘制技术25

1.8本章小结26

习题126第2章MFC绘图基础28

2.1MFC上机操作步骤28

2.1.1应用程序向导29

2.1.2查看项目信息30

2.1.3类的继承关系34

2.2基本绘图函数35

2.2.1修改单文档窗口显示参数35

2.2.2CDC派生类与GDI工具类37

2.2.3映射模式39

2.2.4使用GDI对象44

2.2.5CDC类绘图成员函数47

2.2.6位图操作54

2.3双缓冲动画技术59

2.3.1动画技术相关函数60

2.3.2动画示例61

2.4本章小结69

习题270第3章基本图元的扫描转换72

3.1直线的扫描转换72

3.1.1DDA算法73

3.1.2Bresenham算法75

3.1.3中点算法76

3.2圆的扫描转换79

3.2.1简单方程画圆算法79

3.2.2中点画圆算法80

3.3椭圆的扫描转换83

3.4反走样技术88

3.4.1反走样现象88

3.4.2反走样技术分类89

3.4.3反走样简化模型90

3.5Wu反走样算法91

3.5.1算法原理91

3.5.2构造距离误差项92

3.5.3Wu反走样算法的关键92

3.5.4彩色直线的反走样算法92

3.6本章小结93

习题393第4章多边形填充97

4.1多边形的定义97

4.1.1凸多边形98

4.1.2凹多边形98

4.1.3环98

4.2多边形光栅化98

4.2.1顶点表示法98

4.2.2点阵表示法98

4.2.3多边形的光栅化99

4.3多边形着色模式99

4.3.1平面着色模式99

4.3.2光滑着色模式99

4.3.3马赫带100

4.4边界像素处理规则101

4.4.1平面着色模式填充矩形101

4.4.2处理共享边界像素102

4.4.3光滑着色模式填充矩形103

4.5三角形光栅化算法104

4.5.1标准算法104

4.5.2Bresenham算法104

4.5.3重心坐标算法107

4.6有效边表算法110

4.6.1x扫描线法110

4.6.2示例多边形111

4.6.3有效边与有效边表111

4.6.4桶表与边表112

4.7边填充算法117

4.7.1填充原理117

4.7.2填充过程117

4.8区域填充算法120

4.8.1四邻接点与八邻接点120

4.8.2四连通域与八连通域121

4.8.3种子填充算法121

4.8.4基于递归种子填充算法121

4.8.5基于堆栈的种子填充算法122

4.8.6扫描线种子填充算法123

4.9本章小结123

习题4123第5章二维变换与裁剪126

5.1图形几何变换基础126

5.1.1齐次坐标127

5.1.2矩阵相乘127

5.1.3二维几何变换矩阵127

5.1.4物体变换与坐标变换128

5.1.5二维几何变换形式128

5.2二维图形基本几何变换矩阵128

5.2.1平移变换矩阵129

5.2.2比例变换矩阵129

5.2.3旋转变换矩阵130

5.2.4反射变换矩阵130

5.2.5错切变换矩阵131

5.3二维图形复合变换133

5.3.1二维图形复合变换原理133

5.3.2相对于任意参考点的二维几何变换133

5.3.3相对于任意方向的二维几何变换134

5.4二维图形裁剪136

5.4.1图形学中常用的坐标系136

5.4.2窗口与视区139

5.4.3窗视变换矩阵139

5.5CohenSutherland直线段裁剪算法141

5.5.1编码原理141

5.5.2裁剪步骤142

5.5.3交点计算公式143

5.6中点分割直线段裁剪算法144

5.6.1中点分割算法原理144

5.6.2中点计算公式144

5.7LiangBarsky直线段裁剪算法145

5.7.1LiangBarsky裁剪算法原理145

5.7.2算法分析146

5.7.3算法的几何意义146

5.8多边形裁剪算法148

5.9本章小结150

习题5150第6章三维变换与投影153

6.1三维图形几何变换153

6.1.1三维几何变换矩阵153

6.1.2三维几何变换形式153

6.2三维图形基本几何变换矩阵154

6.2.1平移变换154

6.2.2比例变换154

6.2.3旋转变换155

6.2.4反射变换156

6.2.5错切变换157

6.3三维图形复合变换158

6.3.1相对于任意参考点的三维几何变换158

6.3.2相对于任意方向的三维几何变换158

6.4坐标系变换160

6.4.1二维坐标系变换161

6.4.2三维坐标系变换161

6.5平行投影163

6.5.1正交投影矩阵163

6.5.2三视图164

6.5.3斜投影167

6.6透视投影169

6.6.1透视变换坐标系169

6.6.2世界坐标系到观察坐标系的变换170

6.6.3观察坐标系到屏幕坐标系的变换174

6.6.4透视投影分类176

6.6.5屏幕坐标系的透视深度坐标179

6.7本章小结182

习题6182第7章自由曲线曲面185

7.1基本概念185

7.1.1曲线与曲面的表示形式185

7.1.2连续性条件186

7.2Bezier曲线187

7.2.1Bezier曲线的定义187

7.2.2de Casteljau递推算法190

7.2.3Bezier曲线的性质192

7.2.4Bezier曲线的拼接194

7.3Bezier曲面196

7.3.1曲面片的定义197

7.3.2细分曲面片198

7.3.3双三次Bezier曲面片的应用201

7.4B样条曲线204

7.4.1B样条曲线定义204

7.4.2二次B样条曲线209

7.4.3三次B样条曲线212

7.4.4B样条曲线的性质214

7.4.5构造特殊的三次B样条曲线的技巧215

7.5B样条曲面217

7.5.1B样条曲面的定义217

7.5.2双三次B样条曲面片的应用219

7.6本章小结221

习题7222第8章建模与消隐225

8.1三维物体的数据结构225

8.1.1物体的几何信息与拓扑信息225

8.1.2三表结构226

8.1.3物体的表示方法227

8.1.4双表结构228

8.1.5常用物体的几何模型230

8.2消隐算法分类242

8.3隐线算法243

8.3.1凸多面体消隐算法243

8.3.2曲面体消隐算法246

8.4隐面算法247

8.4.1深度缓冲器算法247

8.4.2深度排序算法251

8.5本章小结252

习题8252第9章光照模型256

9.1颜色模型256

9.1.1原色系统257

9.1.2RGB颜色模型258

9.1.3HSV颜色模型259

9.1.4CMY颜色模型261

9.2简单光照模型262

9.2.1光照模型发展综述263

9.2.2材质属性263

9.2.3环境光265

9.2.4漫反射光265

9.2.5镜面反射光266

9.2.6光源衰减270

9.3光滑着色270

9.3.1多边形网格来近似表示曲面270

9.3.2Gouraud明暗处理273

9.3.3Phong明暗处理274

9.3.4明暗处理效果的对比275

9.4法线变换276

9.4.1旋转变换中法向量的变换276

9.4.2比例变换中法向量的变换277

9.5CookTorrance模型277

9.5.1微镜面理论278

9.5.2CookTorrance模型278

9.6简单透明模型281

9.6.1线性透明算法281

9.6.2非线性透明算法282

9.7简单阴影模型283

9.7.1阴影的分类284

9.7.2绘制地面284

9.7.3投射阴影算法284

9.8本章小结286

习题9286第10章纹理映射289

10.1纹理的分类289

10.2过程纹理291

10.2.1二维纹理292

10.2.2参数化曲面292

10.2.3三维纹理294

10.2.4透视校正296

10.3图像纹理300

10.3.1读入图像300

10.3.2多面体图像纹理映射300

10.3.3曲面体图像纹理映射303

10.4凹凸映射306

10.4.1“无中生有”现象307

10.4.2凹凸原理308

10.4.3高度图310

10.4.4法线映射311

10.4.5视差映射314

10.4.6纹理映射技术进展315

10.5环境映射315

10.5.1球方法映射315

10.5.2立方体方法映射316

10.6基于OBJ文件绘制真实感图形318

10.6.1OBJ文件结构318

10.6.2立方体的OBJ文件示例318

10.7纹理反走样321

10.8本章小结323

习题10323参考文献327