計算機圖形學原理及實踐 C語言描述

出版者的話
專家指導委員會
譯者序
前言
第1章   導言  1
1.1   作為圖像分析的圖像處理  1
1.2   交互式圖形學的優(yōu)點  2
1.3   計算機圖形學的典型用途  3
1.4   應用分類  4
1.5   計算機圖形學硬件與軟件的發(fā)展  5
1.5.1   輸出技術  6
1.5.2   輸入技術  10
1.5.3   軟件的可移植性與圖形標準  11
1.6   交互式圖形學的概念框架  12
1.6.1   概述  12
1.6.2   應用建模  12
1.6.3   對圖形系統(tǒng)描繪觀察的內容  13
1.6.4   交互處理  14
1.7   小結  15
習題  15
第2章   簡單光柵圖形軟件包(SRGP)
的編程  17
2.1   用SRGP畫圖  17
2.1.1   圖形圖元的規(guī)格  17
2.1.2   屬性  21
2.1.3   填充圖元及其屬性  22
2.1.4   存儲和恢復屬性  25
2.1.5   文本  26
2.2   基本交互處理  27
2.2.1   人的因素  27
2.2.2   邏輯輸入設備  28
2.2.3   采樣與事件驅動處理  28
2.2.4   采樣模式  30
2.2.5   事件模式  31
2.2.6   交互處理中的關聯(lián)拾取  34
2.2.7   設置設備度量和屬性  35
2.3   光柵圖形特性  37
2.3.1   畫布  37
2.3.2   矩形框的裁剪  39
2.3.3   SRGP_copyPixel操作  39
2.3.4   寫模式或RasterOp  41
2.4   SRGP的局限性  42
2.4.1   應用程序坐標系統(tǒng)  42
2.4.2   為了重新定義存儲圖元  43
2.5   小結  45
習題  45
程序設計項目  47
第3章   二維圖元的基本光柵圖形學算法  49
3.1   概述  49
3.1.1   顯示系統(tǒng)體系結構的含義  49
3.1.2   軟件中的輸出流水線  52
3.2   直線的掃描轉換  52
3.2.1   基本增量算法  53
3.2.2   中點線算法  54
3.2.3   補充要點  57
3.3   圓的掃描轉換  59
3.3.1   八方向對稱性  59
3.3.2   中點圓算法  60
3.4   橢圓的掃描轉換  62
3.5   填充矩形  65
3.6   填充多邊形  66
3.6.1   水平邊  68
3.6.2   狹長條  68
3.6.3   邊相關性和掃描線算法  68
3.7   填充橢圓弧區(qū)域  71
3.8   圖案填充  72
3.9   寬圖元  75
3.9.1   復制像素  75
3.9.2   移動畫筆  76
3.9.3   填充邊界之間的區(qū)域  77
3.9.4   用寬折線進行逼近  78
3.10   線型和筆型  78
3.11   光柵空間的裁剪操作  79
3.12   線段裁剪  80
3.12.1   裁剪端點  80
3.12.2   利用求解聯(lián)立方程組的線段裁剪  81
3.12.3   Cohen-Sutherland 線裁剪算法  81
3.12.4   參數化的線裁剪算法  84
3.13   圓和橢圓的裁剪  90
3.14   多邊形裁剪  90
3.15   生成字符  93
3.15.1   定義和裁剪字符  93
3.15.2   一種文本輸出圖元的實現  95
3.16   SRGP_copyPixel  96
3.17   反走樣  96
3.17.1   增加分辨率  96
3.17.2   未加權的區(qū)域采樣  97
3.17.3   加權區(qū)域采樣  98
3.17.4   Gupta-Sproull反走樣線掃描算法  101
3.18   小結  103
習題  104
第4章   圖形硬件  107
4.1   硬拷貝技術  108
4.2   顯示技術  113
4.3   光柵掃描顯示系統(tǒng)  120
4.3.1   簡單的光柵顯示系統(tǒng)  120
4.3.2   具有外圍顯示處理器的光柵顯示
系統(tǒng)  124
4.3.3   顯示處理器的附加功能  127
4.3.4   具有集成顯示處理器的光柵顯示
系統(tǒng)  129
4.4   視頻控制器  130
4.4.1   查找表動畫  131
4.4.2   位圖變換和窗口技術  132
4.4.3   視頻混合  133
4.5   隨機掃描顯示處理器  134
4.6   用于操作者交互的輸入設備  136
4.6.1   定位設備  136
4.6.2   鍵盤設備  140
4.6.3   定值設備  140
4.6.4   選擇設備  140
4.7   圖像掃描儀  141
習題  142
第5章   幾何變換  145
5.1   二維變換  145
5.2   齊次坐標和二維變換的矩陣表示  147
5.3   二維變換的合成  150
5.4   窗口到視口的變換  152
5.5   效率  153
5.6   三維變換的矩陣表示  154
5.7   三維變換的合成  157
5.8   坐標系的變換  160
習題  163
第6章   三維空間的觀察  165
6.1   投影  165
6.1.1   透視投影  166
6.1.2   平行投影  167
6.2   指定一個任意的三維視圖  170
6.3   三維觀察的例子  173
6.3.1   透視投影  175
6.3.2   平行投影  177
6.3.3   有限的視見體  179
6.4   平面幾何投影的數學  180
6.5   實現平面幾何投影  183
6.5.1   平行投影  185
6.5.2   透視投影  188
6.5.3   用三維規(guī)范視見體進行裁剪  192
6.5.4   在齊次坐標中裁剪  194
6.5.5   映射到一個視口  197
6.5.6   實現小結  197
6.6   坐標系統(tǒng)  198
習題  199
第7章   對象的層次結構和簡單的PHIGS
系統(tǒng)  203
7.1   幾何造型  204
7.1.1   什么是模型  204
7.1.2   幾何模型  205
7.1.3   幾何模型中的層次  205
7.1.4   模型. 應用程序和圖形系統(tǒng)間的
關系  207
7.2   保留模式圖形包的特點  208
7.2.1   中央結構存儲庫及其優(yōu)點  208
7.2.2   保留模式軟件包的局限性  209
7.3   定義和顯示結構  209
7.3.1   打開和關閉結構  209
7.3.2   定義輸出圖元及其屬性  210
7.3.3   提交結構進行顯示遍歷  212
7.3.4   觀察  213
7.3.5   通過窗口管理共享屏幕的圖像應用  215
7.4   模型變換  216
7.5   層次式結構網絡  219
7.5.1   兩層層次結構  219
7.5.2   簡單的三層層次結構  220
7.5.3   自底向上構造的機器人  221
7.5.4   交互式造型程序  223
7.6   顯示遍歷中的矩陣合成  223
7.7   層次結構中外觀屬性的處理  226
7.7.1   繼承法則  226
7.7.2   SPHIGS的屬性及文字不受變換
影響  227
7.8   屏幕的更新和繪制模式  228
7.9   用于動態(tài)效果的結構網絡編輯  229
7.9.1   利用索引和標記訪問元素  229
7.9.2   內部結構的編輯操作  230
7.9.3   改進編輯方法的一些實例塊  230
7.9.4   如何控制屏幕圖像的自動再生  232
7.10   交互  232
7.10.1   定位器  233
7.10.2   關聯(lián)拾取  233
7.11   其他輸出特性  235
7.11.1   屬性包  235
7.11.2   高亮度與不可見性的名字集  236
7.11.3   圖像交換與元文件  236
7.12   實現問題  237
7.12.1   繪制  237
7.12.2   關聯(lián)拾取  240
7.13   層次模型的優(yōu)化顯示  241
7.13.1   省略  241
7.13.2   參考結構  242
7.14   PHIGS中層次模型的局限性  242
7.14.1   簡單層次結構的局限性  242
7.14.2   SPHIGS“參數傳遞”的局限性  242
7.15   層次建模的其他形式  243
7.15.1   過程層次  243
7.15.2   數據層次  244
7.15.3   利用數據庫系統(tǒng)  244
7.16   小結  245
習題  245
第8章   輸入設備. 交互技術與交互任務  247
8.1   交互硬件  248
8.1.1   定位設備  249
8.1.2   鍵盤設備  250
8.1.3   定值設備  250
8.1.4   選擇設備  250
8.1.5   其他設備  251
8.1.6   三維交互設備  252
8.1.7   設備級人的因素  254
8.2   基本交互任務  254
8.2.1   定位交互任務  254
8.2.2   選擇交互任務—大小可變的選項
集合  256
8.2.3   選擇交互任務—相對固定大小的
選項集合  259
8.2.4   文本交互任務  264
8.2.5   定量交互任務  265
8.2.6   三維交互任務  266
8.3   復合交互任務  270
8.3.1   對話框  270
8.3.2   構造技術  270
8.3.3   動態(tài)操縱  273
習題  275
第9章   對話設計  277
9.1   人機對話的形式和內容  278
9.2   用戶界面風格  280
9.2.1   所見即所得  280
9.2.2   直接操縱  281
9.2.3   圖標化用戶界面  282
9.2.4   其他對話形式  284
9.3   一些重要的設計問題  285
9.3.1   一致性  285
9.3.2   提供反饋  287
9.3.3   減少錯誤概率  288
9.3.4   提供錯誤恢復  289
9.3.5   容許多種熟練級別  290
9.3.6   減少記憶  292
9.4   模式和語法  292
9.5   視覺設計  295
9.5.1   視覺清晰性  295
9.5.2   視覺編碼  298
9.5.3   視覺的一致性  300
9.5.4   布局原則  301
9.6   設計方法學  303
習題  304
第10章   用戶界面軟件  307
10.1   基本的交互處理模型  307
10.2   窗口管理系統(tǒng)  310
10.3   窗口系統(tǒng)中的輸出處理  312
10.4   窗口系統(tǒng)中的輸入處理  315
10.5   交互技術工具箱  318
10.6   用戶界面管理系統(tǒng)  322
10.6.1   對話序列  322
10.6.2   高級UIMS概念  328
習題  331
第11章   曲線與曲面的表示  333
11.1   多邊形網格  334
11.1.1   多邊形網格的表示  334
11.1.2   多邊形網格表示法的一致性  336
11.1.3   平面方程  336
11.2   三次參數曲線  337
11.2.1   Hermite曲線  341
11.2.2   B巣ier曲線  344
11.2.3   均勻非有理B樣條曲線  346
11.2.4   非均勻非有理B樣條曲線  349
11.2.5   非均勻有理三次多項式曲線段  355
11.2.6   其他樣條曲線  356
11.2.7   曲線分割  358
11.2.8   各種表示法之間的轉換  360
11.2.9   曲線繪制  360
11.2.10   三次曲線的比較  363
11.3   雙三次參數曲面  364
11.3.1   Hermite曲面  365
11.3.2   B巣ier曲面  367
11.3.3   B樣條曲面  368
11.3.4   曲面的法線  368
11.3.5   雙三次曲面的顯示  369
11.4   二次曲面  372
11.5   小結  373
習題  373
第12章   實體造型  377
12.1   實體表示  377
12.2   正則布爾集合運算  378
12.3   基本實體舉例法  381
12.4   掃掠表示法  381
12.5   邊界表示法  383
12.5.1   多面體和歐拉公式  383
12.5.2   翼邊表示法  385
12.5.3   布爾集合運算  385
12.5.4   非多邊形的邊界表示法  386
12.6   空間劃分表示法  387
12.6.1   單元分解法  387
12.6.2   空間位置枚舉法  387
12.6.3   八叉樹表示法  388
12.6.4   二元空間劃分樹  392
12.7   構造實體幾何  393
12.8   各種表示法的比較  394
12.9   實體造型的用戶界面  396
12.10   小結  396
習題  397
第13章   消色差光與彩色光  399
13.1   消色差光  399
13.1.1   選擇亮度值—gamma校正  399
13.1.2   半色調逼近  402
13.2   彩色  406
13.2.1   心理物理學  407
13.2.2   CIE色度圖  409
13.3   用于光柵圖形的顏色模型  412
13.3.1   RGB顏色模型  413
13.3.2   CMY顏色模型  414
13.3.3   YIQ顏色模型  415
13.3.4   HSV顏色模型  416
13.3.5   HLS顏色模型  418
13.3.6   顏色的交互指定  421
13.3.7   在顏色空間中進行插值  422
13.4   顏色再現  422
13.5   在計算機圖形學中應用顏色  424
13.6   小結  425
習題  426
第14章   可視圖像真實感的探討  429
14.1   為什么討論真實感  429
14.2   基本的困難  430
14.3   線條圖的繪制技術  431
14.3.1   多正交視圖  431
14.3.2   軸測投影和斜投影  432
14.3.3   透視投影  432
14.3.4   深度提示  432
14.3.5   深度裁剪  432
14.3.6   紋理  433
14.3.7   顏色  433
14.3.8   可見線的判定  433
14.4   明暗圖像的繪制技術  433
14.4.1   可見面的判定  433
14.4.2   光照和明暗處理  433
14.4.3   插值明暗處理  434
14.4.4   材質屬性  434
14.4.5   曲面造型  434
14.4.6   改進光照和明暗效果  434
14.4.7   紋理  434
14.4.8   陰影  434
14.4.9   透明性和反射  435
14.4.10   改進的相機模型  435
14.5   改進的物體模型  435
14.6   動力學  435
14.7   立體觀測  436
14.8   改進的顯示技術  436
14.9   與其他感官的交互  437
14.10   走樣與反走樣  437
14.10.1   點采樣  439
14.10.2   區(qū)域采樣  439
14.10.3   采樣理論  441
14.10.4   濾波  445
14.10.5   重構  450
14.10.6   實際的反走樣  454
14.11   小結  456
習題  456
第15章   可見面的判定  459
15.1   雙變量函數  460
15.2   可見面判定算法中的常用技術  463
15.2.1   相關性  464
15.2.2   透視變換  464
15.2.3   范圍與包圍體  466
15.2.4   背面消除  467
15.2.5   空間劃分  468
15.2.6   層次結構  469
15.3   可見線判定算法  469
15.3.1   Roberts算法  469
15.3.2   Appel算法  470
15.3.3   光環(huán)線算法  470
15.4   z緩存算法  471
15.5   列表優(yōu)先級算法  474
15.5.1   深度排序算法  474
15.5.2   二元空間劃分樹  476
15.6   掃描線算法  480
15.7   區(qū)域細分算法  484
15.7.1   Warnock算法  484
15.7.2   Weiler-Atherton算法  486
15.7.3   子像素區(qū)域細分算法  489
15.8   八叉樹算法  490
15.9   曲面算法  492
15.10   可見面光線跟蹤  494
15.10.1   相交計算  495
15.10.2   可見面光線跟蹤算法的效率  496
15.10.3   計算布爾集合運算  501
15.10.4   反走樣光線跟蹤  503
15.11   小結  504
習題  505
第16章   光照和明暗處理  509
16.1   光照模型  509
16.1.1   環(huán)境光  509
16.1.2   漫反射  510
16.1.3   大氣衰減  513
16.1.4   鏡面反射  514
16.1.5   點光源模型的改進  516
16.1.6   多光源  517
16.2   多邊形的明暗處理模型  518
16.2.1   恒定明暗處理  518
16.2.2   插值明暗處理  518
16.2.3   多邊形網格的明暗處理  518
16.2.4   Gouraud 明暗處理技術  519
16.2.5   Phong明暗處理技術  520
16.2.6   插值明暗處理中的問題  521
16.3   曲面細節(jié)  522
16.3.1   曲面細節(jié)多邊形  523
16.3.2   紋理映射  523
16.3.3   凹凸映射  524
16.3.4   其他方法  525
16.4   陰影  525
16.4.1   掃描線生成陰影算法  526
16.4.2   對象精確的兩步法陰影算法  526
16.4.3   陰影體  528
16.4.4   兩遍z緩存陰影算法  529
16.4.5   全局光照陰影算法  531
16.5   透明性  531
16.5.1   無折射的透明性  531
16.5.2   折射透明性  533
16.6   物體間的反射  534
16.7   基于物理的光照模型  536
16.7.1   表面模型的改進  538
16.7.2   微面元分布函數  538
16.7.3   幾何衰減因子  539
16.7.4   菲涅耳項  539
16.8   擴展光源模型  543
16.9   光譜采樣  543
16.10   相機模型的改進  545
16.11   全局光照算法  545
16.12   遞歸光線跟蹤  546
16.12.1   遞歸光線跟蹤算法的效率考慮  550
16.12.2   一個更佳的照明模型  553
16.12.3   區(qū)域采樣的不同方法  553
16.12.4   分布式光線跟蹤  554
16.12.5   從光源出發(fā)的光線跟蹤  557
16.13   輻射度方法  558
16.13.1   輻射度方程  558
16.13.2   計算形狀因子  560
16.13.3   子結構技術  562
16.13.4   逐步求精算法  562
16.13.5   更加精確的形狀因子的計算  565
16.13.6   鏡面反射  565
16.13.7   輻射度和光線跟蹤的結合  565
16.14   繪制流水線  567
16.14.1   局部光照繪制流水線  567
16.14.2   全局光照繪制流水線  569
16.14.3   設計靈活的繪制法  569
16.14.4   逐步求精方法  571
16.15   小結  571
習題  572
第17章   圖像處理和存儲  575
17.1   什么是圖像  576
17.2   濾波  576
17.3   圖像處理  578
17.4   圖像的幾何變換  578
17.4.1   基本幾何變換  579
17.4.2   帶濾波的幾何變換  581
17.4.3   其他圖案映射技術  583
17.5   多重變換  584
17.5.1   多重變換的代數學  585
17.5.2   利用濾波生成變換后的圖像  587
17.5.3   評價變換方法  589
17.6   圖像合成  589
17.6.1   a通道合成  589
17.6.2   其他合成方法  593
17.6.3   通過填充機制生成a值  595
17.6.4   用于圖像組裝的一個界面  595
17.7   圖像存儲機制  596
17.7.1   存儲圖像數據  597
17.7.2   用于圖像壓縮的迭代函數系統(tǒng)  598
17.7.3   圖像屬性  600
17.8   圖像的特殊效果  601
17.9   小結  601
習題  601
第18章   高級光柵圖形體系結構  605
18.1   簡單光柵顯示系統(tǒng)  605
18.1.1   幀緩沖內存訪問問題  605
18.1.2   動態(tài)存儲器  606
18.1.3   提高幀緩沖內存帶寬  607
18.1.4   視頻RAM  607
18.1.5   高分辨率顯示器的幀緩存  608
18.2   顯示處理器系統(tǒng)  609
18.2.1   外部顯示處理器  609
18.2.2   德克薩斯儀器公司的TMS34020—
單芯片外部顯示處理器  610
18.2.3   集成的圖形處理器  611
18.2.4   Intel的i860—一個具有集成3D
圖形支持的單芯片微處理器  611
18.2.5   三個性能障礙  612
18.3   標準圖形流水線  613
18.3.1   顯示遍歷  613
18.3.2   模型變換  614
18.3.3   簡單接受/簡單拒絕的區(qū)分  614
18.3.4   光照處理  614
18.3.5   觀察變換  615
18.3.6   裁剪  615
18.3.7   除以w并映射到3D視口  615
18.3.8   光柵化  615
18.3.9   一個樣板應用的性能要求  616
18.4   多處理簡介  618
18.4.1   流水線  618
18.4.2   并行性  619
18.4.3   多處理器圖形系統(tǒng)  620
18.5   流水線前端體系結構  620
18.5.1   應用程序和顯示遍歷  620
18.5.2   幾何變換  621
18.5.3   簡單接受/簡單拒絕的區(qū)分  621
18.5.4   光照處理  621
18.5.5   裁剪  621
18.5.6   除w并映射到3D視口  622
18.5.7   前端流水線的限制  622
18.6   并行前端體系結構  622
18.6.1   顯示遍歷  622
18.6.2   重組并行數據流  623
18.6.3   流水線同并行性的比較  624
18.7   多處理器光柵化體系機構  624
18.7.1   以物體為序的流水線體系結構  624
18.7.2   以圖像為序的流水線體系結構  627
18.7.3   流水線光柵化的限制和對并行性
的需求  627
18.8   圖像并行光柵化  627
18.8.1   內存劃分體系結構  628
18.8.2   Silicon Graphics公司的 POWER
IRIS 4D/240GTX—一個交叉劃分
幀緩沖內存體系結構  630
18.8.3   邏輯增強的內存  633
18.9   物體并行光柵化  637
18.9.1   每圖元一個處理器的流水線  638
18.9.2   基于樹結構的每圖元一個處理器
的體系結構  638
18.9.3   物體并行性和圖像并行性的比較  639
18.10   混合并行光柵化  639
18.10.1   虛擬緩沖區(qū)和虛擬處理器  639
18.10.2   并行虛擬緩沖區(qū)體系結構  641
18.10.3   圖像合成體系結構  642
18.11   增強的顯示能力  643
18.11.1   對多窗口的支持  643
18.11.2   對增加的真實感的支持  644
18.11.3   Stellar GS2000—促進真實感繪制
的緊密集成的體系結構  646
18.11.4   對高級圖元的支持  647
18.11.5   對增強的3D感知的支持  649
18.11.6   實時飛行模擬器  651
18.12   小結  652
習題  652
第19章   高級幾何與光柵算法  655
19.1   裁剪  655
19.1.1   矩形區(qū)域對直線的裁剪  656
19.1.2   矩形和其他多邊形區(qū)域對多邊形
的裁剪  659
19.1.3   矩形區(qū)域裁剪：梁友棟-Barsky多
邊形算法  659
19.1.4   Weiler多邊形算法  665
19.2   圖元的掃描轉換  671
19.2.1   屬性  671
19.2.2   評價掃描轉換算法的準則  671
19.2.3   直線的其他考察方式  673
19.2.4   高級折線算法  674
19.2.5   畫圓算法的改進  674
19.2.6   一般圓錐曲線算法  676
19.2.7   寬圖元  683
19.2.8   填充圖元  685
19.3   反走樣  686
19.3.1   直線的反走樣  687
19.3.2   圓的反走樣  688
19.3.3   圓錐曲線的反走樣  690
19.3.4   一般曲線的反走樣  692
19.3.5  矩形. 多邊形和直線端點的反走樣  692
19.4   文字的特殊問題  693
19.5   填充算法  695
19.5.1   區(qū)域類型. 連通性和填充  695
19.5.2   基本填充算法  696
19.5.3   軟填充算法  698
19.6   加速copyPixel  700
19.7   形狀數據結構和形狀代數  704
19.8   用bitBlt管理窗口  706
19.9   頁面描述語言  708
19.10   小結  713
習題  713
第20章   高級建模技術  719
20.1   前述技術的擴展  720
20.1.1   采用樣條的高級建模技術  720
20.1.2   基于噪聲的紋理映射  722
20.2   過程模型  724
20.3   分形模型  725
20.4   基于文法的模型  729
20.5   粒子系統(tǒng)  732
20.6   體繪制  735
20.7   基于物理的建模  738
20.7.1   基于約束的建模  738
20.7.2   布面和柔軟表面的建模  739
20.7.3   實體建模  740
20.7.4   地形建模  740
20.8   模擬自然物體和合成物體的特殊
模型  740
20.8.1   波浪  741
20.8.2   云層和氣象  741
20.8.3   湍流  743
20.8.4   滴狀物體  743
20.8.5   生物  744
20.8.6   人  745
20.8.7   來自于娛樂業(yè)的一個例子  745
20.9   自動放置物體  746
20.10   小結  748
習題  749
第21章    動畫  751
21.1   傳統(tǒng)動畫和計算機輔助動畫  751
21.1.1   傳統(tǒng)動畫  751
21.1.2   計算機輔助動畫  752
21.1.3   插值  752
21.1.4   簡單的動畫效果  755
21.2   計算機動畫語言  756
21.2.1   線性表表示法  756
21.2.2   通用計算機語言  757
21.2.3   圖形語言  757
21.3   動畫控制方法  760
21.3.1   完全顯式的控制  760
21.3.2   過程化控制  760
21.3.3   基于約束的系統(tǒng)  760
21.3.4   真實動作跟蹤  762
21.3.5   演員  762
21.3.6   運動學和動力學  762
21.3.7   基于物理的動畫  764
21.4   動畫的基本規(guī)則  765
21.5   動畫特有的一些問題  765
21.6   小結  767
習題  767
附錄   計算機圖形學的數學基礎  769
參考文獻  793
索引  833