3D图形系统设计与实现

本书详细阐述了与3D图形系统设计与实现相关的基本解决方案，主要包括对象和图形设备、交互式图形界面、几何体、颜色、数字图像、3D场景描述、三维几何体模型、建模技术、层次结构和体系结构对象、视见相机转换、视见的表面剪裁、光栅化、可见表面计算、局部光照模型、全局光照、贴图技术、着色机制，以及三维图形系统等内容。此外，本书还提供了相应的示例，以帮助读者进一步理解相关方案的实现过程。 本书适合作为高等院校计算机及相关专业的教材和教学参考书，也可作为相关开发人员的自学教材和参考手册。

第1章  概述 1

1.1  计算机图形学 1

1.2  应用领域和应用程序 1

1.3  研究方法 2

1.4  系统架构 2

1.5  实现和扩展 3

1.6  实现范例 3

1.7  图形标准 4

1.8  高级应用程序和后续发展 4

1.9  本书内容 5

1.10  补充材料 6

第2章  对象和图形设备 7

2.1  图形对象 7

2.1.1  图形对象的描述 8

2.1.2  图形对象的离散化和重构 8

2.2  图形设备和表达 10

2.2.1  向量设备 10

2.2.2  光栅化（矩阵）设备 10

2.3  图形设备分类 11

2.3.1  概念 12

2.3.2  分类 12

2.4  图形工作站 13

2.4.1  窗口系统 13

2.4.2  视图转换 14

2.5  GP图形包 15

2.5.1  GP特征 15

2.5.2  GP中的颜色属性 16

2.5.3  GP中对象的数据结构 17

2.5.4  控制例程 18

2.5.5  视见例程 19

2.5.6  绘制例程 21

2.5.7  图形输入和交互例程 22

2.6  补充材料 24

2.7  本章练习 25

第3章  交互式图形界面 27

3.1  创建交互式程序 27

3.2  交互基础 27

3.2.1  图形反馈 28

3.2.2  逻辑输入元素 28

3.2.3  概览 28

3.3  界面机制 29

3.3.1  非交互式 29

3.3.2  事件驱动 29

3.3.3  回调模型 30

3.3.4  包含多个视图的回调 31

3.4  界面对象 32

3.4.1  多视口 32

3.4.2  基于视图的回调 36

3.5  工具箱 40

3.5.1  基本元素 40

3.5.2  tk包 41

3.5.3  示例 46

3.6  多边形直线编辑器 47

3.7  回顾 54

3.8  补充材料 55

3.9  本章练习 56

第4章  几何体 57

4.1  计算机图形学中的几何体 57

4.1.1  应用和功能 57

4.1.2  计算内容 57

4.1.3  方案汇总 57

4.2  欧几里得空间 58

4.2.1  定义 58

4.2.2  元素和操作 58

4.2.3  度量属性 60

4.2.4  坐标和基 61

4.3  欧几里得空间中的转换 62

4.3.1  线性转换 62

4.3.2  等距 63

4.3.3  仿射转换 63

4.4  投影空间 63

4.4.1  投影空间模型 64

4.4.2  标准化和齐次坐标 64

4.4.3  齐次表达 65

4.5  RP3中的投影转换 66

4.6  几何体对象的转换 73

4.6.1  转换操作修正 73

4.6.2  转换点和方向 73

4.6.3  转换射线 74

4.6.4  切平面上的转换 76

4.6.5  转换的双重解释 76

4.7  补充材料 77

4.7.1  小结 77

4.7.2  程序设计层 78

4.8  本章练习 78

第5章  颜色 81

5.1  颜色的基本知识 81

5.1.1  颜色的波长模型 81

5.1.2  物理颜色系统 82

5.1.3  色彩的心理学研究 82

5.1.4  颜色计算 84

5.2  设备颜色系统 85

5.2.1  颜色的处理 85

5.2.2  RGB-CMY转换 85

5.3  颜色规范系统 87

5.3.1  亮度：色度分解 87

5.3.2  颜色选择的HSV系统 88

5.4  离散化颜色实体 92

5.5  补充材料 93

5.5.1  资料链接 93

5.5.2  回顾 94

5.6  本章练习 94

第6章  数字图像 95

6.1  基础知识 95

6.1.1  图像的离散和连续模型 95

6.1.2  图像的量化 96

6.1.3  矩阵表达 97

6.2  图像的表现格式 97

6.2.1  数据结构 97

6.2.2  访问图像矩阵 99

6.3  图像编码 100

6.3.1  PPM格式 100

6.3.2  直接编码 100

6.4  补充材料 102

6.4.1  修正 102

6.4.2  图像格式 103

6.5  本章练习 103

第7章  3D场景描述 105

7.1  三维场景 105

7.1.1  三维场景的元素 105

7.1.2  三维场景表达 106

7.1.3  场景描述语言 106

7.2  语言概念 107

7.2.1  表达式语言 107

7.2.2  表达式中的语法和语义 108

7.2.3  程序的编译和解释 109

7.2.4  语言开发工具 110

7.3  扩展语言 110

7.3.1  语法分析器 110

7.3.2  词法分析器 112

7.3.3  符号分析器 115

7.3.4  参数和值 117

7.3.5  节点和表达式 119

7.3.6  辅助函数 121

7.4  子语言和应用程序 123

7.4.1  基于扩展语言的接口 123

7.4.2  实现语义 124

7.4.3  生成解释器 125

7.5  补充材料 125

7.5.1  修正 125

7.5.2  扩展 126

7.5.3  相关信息 126

7.6  本章练习 127

第8章  三维几何体模型 129

8.1  建模基础知识 129

8.1.1  模型和几何体描述 129

8.1.2  表达模式 131

8.2  几何图元 132

8.2.1  图元对象定义 133

8.2.2  泛型接口 134

8.2.3  图元示例 138

8.3  表面和多边形网格的近似计算 147

8.3.1  近似方法 147

8.3.2  分段式线性近似方法 147

8.4  多边形表面 147

8.4.1  n边多边形 148

8.4.2  三角形 150

8.4.3  三角形列表 154

8.5  补充材料 156

8.6  本章练习 157

第9章  建模技术 159

9.1  建模系统的基础知识 159

9.1.1  用户界面 159

9.1.2  模型操作 160

9.1.3  建模技术 160

9.1.4  系统架构 160

9.2  构造模型 161

9.2.1  CSG结构 162

9.2.2  简单的CSG表达式语言 164

9.2.3  三维场景描述语言中的CSG表达 166

9.2.4  三维场景描述语言中的CSG对象的解释 167

9.3  生成式建模技术 168

9.3.1  生成式模型的多边形近似表达 169

9.3.2  生成式模型的类型 171

9.3.3  旋转曲面 172

9.4  补充材料 172

9.5  本章练习 173

第10章  层次结构和体系结构对象 175

10.1  几何链接 175

10.1.1  层次结构 175

10.1.2  几何转换 176

10.1.3  仿射不变性 177

10.2  层次结构和转换 178

10.2.1  栈操作 178

10.2.2  转换 180

10.3  对象分组 183

10.3.1  层次结构描述 183

10.3.2  对象 183

10.3.3  分组和对象列表 185

10.3.4  对象转换 187

10.3.5  收集列表中的对象 188

10.3.6  参数化链接 189

10.4  动画 191

10.4.1  动画时钟 191

10.4.2  过程式动画的构建 193

10.4.3  动画的执行过程 193

10.5  补充材料 195

10.6  本章练习 196

第11章  视见相机转换 199

11.1  视见处理过程 199

11.1.1  视见操作和参考空间 199

11.1.2  虚拟相机和视见参数 200

11.1.3  定义视见参数 202

11.2  视见转换 205

11.2.1  相机转换 206

11.2.2  剪裁转换 208

11.2.3  透视转换 209

11.2.4  设备转换 212

11.2.5  转换序列 213

11.3  视见规范 214

11.3.1  初始化 214

11.3.2  相机 215

11.3.3  透视 216

11.3.4  设备 217

11.3.5  定义三维场景描述语言中的视见机制 218

11.4  补充材料 218

11.5  本章练习 219

第12章  视见的表面剪裁 221

12.1  剪裁操作的基本知识 221

12.1.1  空间剪裁 221

12.1.2  剪裁和视见 221

12.2  剪裁简单情形 222

12.2.1  简单拒绝 222

12.2.2  简单接受 223

12.2.3  包含相反方向的面元 223

12.3  两步剪裁 224

12.4  序列剪裁 228

12.5  补充材料 232

12.6  本章练习 233

第13章  光栅化 235

13.1  光栅化基础知识 235

13.2  光栅化方法的分类 236

13.3  渐增式方法 236

13.3.1  内在型渐增式光栅化 236

13.3.2  外在型渐增式光栅化 240

13.4  基于细分的光栅化 240

13.4.1  内在型细分 241

13.4.2  外在型细分 242

13.5  补充材料 244

13.6  本章练习 244

第14章  可见表面计算 247

14.1  基础知识 247

14.1.1  场景属性和一致性 247

14.1.2  表达和坐标系 248

14.1.3  分类 248

14.2  Z-缓冲区 249

14.3  光线跟踪 251

14.3.1  与三维场景对象的交点 251

14.3.2  与CSG模型间的交点 252

14.4  Painter算法 254

14.4.1  近似Z-排序 254

14.4.2  完全Z-排序 255

14.5  其他可见性方法 256

14.5.1  空间细分 256

14.5.2  递归细分 257

14.6  补充材料 258

14.7  本章练习 259

第15章  局部光照模型 261

15.1  基础知识 261

15.1.1  光照 261

15.1.2  光线传播 262

15.1.3  表面和材质 262

15.1.4  局部光照模型 263

15.2  光源 265

15.2.1  光线传输 265

15.2.2  光源的表达 267

15.3  局部光照 268

15.3.1  光照上下文 269

15.3.2  光照函数 269

15.4  材质 271

15.4.1  描述材质 271

15.4.2  材质类型 271

15.5  语言规范 272

15.6  补充材料 273

15.7  本章练习 274

第16章  全局光照 275

16.1  光照模型 275

16.1.1  传输过程 276

16.1.2  边界条件 276

16.1.3  辐射度方程 277

16.1.4  数值近似 278

16.1.5  光照计算方法 279

16.2  光线跟踪方法 279

16.3  辐射度方法 285

16.4  补充材料 293

16.5  本章练习 293

第17章  贴图技术 295

17.1  基础知识 295

17.1.1  贴图的概念 295

17.1.2  贴图类型 296

17.1.3  贴图应用 296

17.2  纹理函数 297

17.2.1  表达方式 297

17.2.2  图像定义 297

17.2.3  过程式定义 299

17.3  纹理贴图 300

17.4  凹凸贴图 302

17.5  反射贴图 304

17.6  光源贴图 306

17.7  补充材料 308

第18章  着色机制 309

18.1  着色函数采样和重构 309

18.2  采样方法 309

18.3  基本的重构方法 310

18.3.1  Bouknight着色 310

18.3.2  Gouraud方法 310

18.3.3  Phong方法 312

18.4  纹理属性的重构 313

18.4.1  插值和投影转换 313

18.4.2  纹理的有理线性插值 315

18.5  图像化 317

18.6  补充材料 318

第19章  三维图形系统 321

19.1  系统A 321

19.1.1  生成模型 321

19.1.2  基于Z-缓冲区的渲染机制 323

19.2  系统B 325

19.2.1  CSG建模机制 325

19.2.2  基于光线跟踪的渲染机制 326

19.3  系统C 329

19.3.1  基于图元层次结构的建模 329

19.3.2  基于Painter方法的渲染机制 329

19.4  项目 332

19.4.1  渲染图像的程序 333

19.4.2  建模系统 333

19.4.3  渲染系统 335

参考文献 337