計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程

　　計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)學(xué)科中最活躍的分支之一。本書(shū)以獨(dú)特的視角對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、原理方法和應(yīng)用方式進(jìn)行了全面的介紹。在內(nèi)容選取上，本書(shū)既對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)所涉及的圖形顯示、圖形生成和操縱、圖形表示和建模等基礎(chǔ)理論和技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)講解，也對(duì)諸如圖形動(dòng)畫(huà)原理及基本二維動(dòng)畫(huà)制作方法等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)綜合應(yīng)用方法進(jìn)行了適當(dāng)介紹；既包括了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容的講解，也不乏諸如非規(guī)則形體建模、表現(xiàn)和人臉動(dòng)畫(huà)、可縮放矢量和數(shù)字墨水等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最新進(jìn)展的介紹。在結(jié)構(gòu)編排上，本書(shū)采取將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)內(nèi)容歸結(jié)為基礎(chǔ)概念、圖形顯示、圖形生成、圖形觀察、圖形建模和圖形動(dòng)畫(huà)一條主線，便于讀者真正系統(tǒng)地領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)圖形學(xué)“逼真”地模擬現(xiàn)實(shí)世界物體的發(fā)展和應(yīng)用宗旨。在描述方式上，本書(shū)摒棄了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材中繁瑣復(fù)雜的算法推導(dǎo)和連篇累牘的軟件程序，采取啟發(fā)式方法，注重于使讀者能從概念、技術(shù)和應(yīng)用三個(gè)不同層次上理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的內(nèi)容，并使用大量圖示以易于學(xué)習(xí)和理解。另外，本教材還得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助。本書(shū)是作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教材而編寫(xiě)的，不僅可作為高等學(xué)校、高等職業(yè)學(xué)校等計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、天文、物理、化學(xué)、環(huán)境、地學(xué)、軍事等理工科師生作為教材使用，而且對(duì)于想了解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其應(yīng)用知識(shí)的讀者也是一本很好的參考資料。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)影響著每一個(gè)使用計(jì)算機(jī)的人，正是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中圖形用戶界面技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展才使得計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用能夠如此普及。有些人認(rèn)為自身并不從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方面的工作而不重視甚至放棄對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)習(xí)，孰不知只要你想通過(guò)顯示器來(lái)學(xué)習(xí)和工作，圖形學(xué)就會(huì)悄然來(lái)到你身邊。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其應(yīng)用已經(jīng)滲透到科研、工程、商業(yè)、藝術(shù)等社會(huì)生活和工業(yè)生產(chǎn)的幾乎一切領(lǐng)域，并與這些領(lǐng)域自身發(fā)展相互推動(dòng)和促進(jìn)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為信息技術(shù)中不可缺少的內(nèi)容，社會(huì)也將需要有更多的人能夠全面了解和正確理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的本質(zhì)。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用十分廣泛，因而在編寫(xiě)作為基礎(chǔ)課程的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教材時(shí)要考慮多種因素。首先，就相關(guān)學(xué)科而言，諸如人機(jī)交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)、可視化技術(shù)、真實(shí)感圖形顯示技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、基于內(nèi)容的視覺(jué)信息檢索、多媒體挖掘、可視化軟件工程、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)和造型、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造、地理信息系統(tǒng)、藝術(shù)和網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)等課程或技術(shù)都以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，教材內(nèi)容必須能夠包含其共性，真正為學(xué)習(xí)者提供進(jìn)一步學(xué)習(xí)這些課程或技術(shù)的基礎(chǔ)。其次，從傳授知識(shí)的方式來(lái)講，是采取傳之以“魚(yú)”，還是授之以“漁”?！棒~(yú)”注重于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的具體算法、特定工具或?qū)ｉT(mén)技能，“漁”則強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法原理、方法思想和概念內(nèi)涵。在信息技術(shù)及其工具迅猛發(fā)展的今天，孰優(yōu)孰劣，不言自明。第三，從學(xué)習(xí)者角度來(lái)看，有兩種不同的要求：一種是從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和研究者，他們要求書(shū)的內(nèi)容應(yīng)注重系統(tǒng)、深入和完善的知識(shí)；另一類(lèi)讀者主要將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)作為學(xué)習(xí)和工作的基礎(chǔ)或工具，這類(lèi)讀者從事的工作包括：信息工程相關(guān)學(xué)科、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造等工程以及網(wǎng)頁(yè)、藝術(shù)、工程等，他們更關(guān)心的是圖形學(xué)的原理和使用方法。顯然，在有限的篇幅內(nèi)要做到兩全其美是困難的，而且，讀者想通過(guò)一個(gè)學(xué)期或更短時(shí)間的學(xué)習(xí)就能達(dá)到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的水平也是不大可能的，而應(yīng)該注重于深刻理解和正確應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的原理和概念。本書(shū)是作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)教材而編寫(xiě)的，目的就是讓讀者能夠全面而系統(tǒng)地理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)概念、原理和知識(shí)。書(shū)中并沒(méi)有將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法推導(dǎo)和嚴(yán)格定義作為重點(diǎn)（讀者不必?fù)?dān)心被繁瑣復(fù)雜的圖形學(xué)算法過(guò)程和嚴(yán)格定義所困擾，假如你需要，這種面向計(jì)算機(jī)圖形學(xué)專業(yè)人員的書(shū)籍在參考文獻(xiàn)中可以找到），也沒(méi)有強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的使用技能（使用技能培養(yǎng)的惟一解決辦法不是去看多少書(shū)籍，而是不斷地對(duì)特定工具或軟件使用），而是介紹了必要的、最小限度的內(nèi)容，并介紹了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中的一些最新的研究方法和成果，重點(diǎn)放在概念的解釋、原理的講解和方法的使用等方面，力圖使讀者易于正確地理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本知識(shí)。本書(shū)的特點(diǎn)是：①重概念。本書(shū)擯棄了繁瑣的公式推導(dǎo)和繁雜的軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，而主要從圖形學(xué)應(yīng)用角度講述概念。內(nèi)容上選取圖形學(xué)的應(yīng)用和深入研究所必備的知識(shí)，不追求“羅列式的全面”，而追求“透徹型的精煉”。②重系統(tǒng)。本書(shū)不是支離破碎地羅列概念和定義，而是注重概念的系統(tǒng)性，使讀者能學(xué)以致用。在內(nèi)容的編排上，不是采用傳統(tǒng)的二維與三維或硬件和軟件的分類(lèi)方式，而是歸結(jié)為以基礎(chǔ)概念、圖形顯示、圖形生成、圖形觀察、圖形建模和圖形動(dòng)畫(huà)為主線，使讀者能從概念、技術(shù)和應(yīng)用三個(gè)不同層次上同時(shí)理解圖形學(xué)內(nèi)容。③重形象?！耙环?huà)勝過(guò)千句話”在圖形圖像領(lǐng)域是句名言，然而很多教材缺乏對(duì)這一優(yōu)勢(shì)的利用。本書(shū)并沒(méi)有簡(jiǎn)單地羅列各種概念，也沒(méi)有嚴(yán)格地定義每個(gè)概念，而是將概念的圖解放在十分重要的位置，書(shū)中采用了很多圖示來(lái)對(duì)各種概念進(jìn)行解釋，便于讀者學(xué)習(xí)時(shí)理解和記憶。本書(shū)包括6章。第1章全面介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展?fàn)顩r、學(xué)科范疇、軟件標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)構(gòu)成及發(fā)展方向，尤其是透徹闡述了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的定義及其過(guò)程以及圖形和圖像的聯(lián)系和區(qū)別，這是理解計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的相關(guān)技術(shù)和概念，及其作為相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)和關(guān)聯(lián)的理論基礎(chǔ)。第2章從作為人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)基礎(chǔ)的顏色模型開(kāi)始，詳細(xì)介紹了圖形的顯示原理及相關(guān)技術(shù)，主要包括：作為顯示器技術(shù)基礎(chǔ)的圖形顯示原理，作為圖形顯示核心的線畫(huà)圖形、填充圖形和字符的生成原理和方法，為提高圖形顯示質(zhì)量的反走樣技術(shù)的主要思想。第3章從分析圖形的顯示過(guò)程入手，重點(diǎn)介紹了圖形顯示過(guò)程中涉及的基礎(chǔ)技術(shù)，既包括作為圖形觀察和操縱基礎(chǔ)的基本二維和三維幾何變換，也包括實(shí)現(xiàn)圖形觀察和操縱的投影變換、觀察變換，還包括為確保圖形顯示真實(shí)性的圖形裁剪和可見(jiàn)面判別方法。第4章從規(guī)則形體建模、非規(guī)則形體建模和圖形光照模型這三個(gè)方面介紹了作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)核心技術(shù)的圖形表示和建模方法，既包括傳統(tǒng)的線架模型、多邊形模型、掃掠模型、空間分割、邊界表示、實(shí)體表示和特征表示等幾何造型方法，也包括諸如分形幾何、形狀文法、粒子系統(tǒng)及基于物理造型等最新非規(guī)則過(guò)程建模方法，并介紹了作為真實(shí)感圖形顯示基礎(chǔ)的幾種基本光照模型。第5章以曲線曲面的基本原理為基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹了Bezier曲線曲面、B樣條曲線曲面和NURBS曲線曲面這三種最常用曲面模型的基本概念和性質(zhì)。第6章作為全書(shū)的綜合應(yīng)用，概括了圖形動(dòng)畫(huà)的基本原理、分類(lèi)和發(fā)展，并以GIF、PhotoMorph和Flash為例簡(jiǎn)單介紹了二維圖形動(dòng)畫(huà)的制作方式。附錄中簡(jiǎn)單介紹了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的兩個(gè)最新技術(shù)，即可縮放矢量圖形（SVG）標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字墨水（DigitalInk）。學(xué)習(xí)本書(shū)可如下安排：對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)或具備相應(yīng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的人員，可選擇第1章至第5章作為重點(diǎn)內(nèi)容，第6章作為自學(xué)和綜合練習(xí)使用；對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)或缺乏計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)的人員，可選擇第1章至第4章及第6章的部分內(nèi)容；對(duì)于高職或技能人員可以選擇第1、第2和第6章的內(nèi)容重點(diǎn)學(xué)習(xí)，而粗讀第3、第4和第5章的內(nèi)容。學(xué)習(xí)方式可以先將內(nèi)容粗略地看一遍，然后，參照教學(xué)幻燈片學(xué)習(xí)或由教師講解重點(diǎn)，并完成有關(guān)思考題。需要指出的是：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門(mén)有用的、有趣的課程，但也是難學(xué)的課程?！半y”體現(xiàn)在整個(gè)學(xué)科發(fā)展日新月異，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，相關(guān)學(xué)科相互重疊和滲透，難以把握和區(qū)分；同時(shí)，圖形學(xué)涉及的內(nèi)容和應(yīng)用很廣，學(xué)科交叉繁雜，難以形成一個(gè)簡(jiǎn)單、獨(dú)立和明確的知識(shí)體系。但是，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是沿著“逼真”地模擬現(xiàn)實(shí)世界物？逭馓踔饗叻⒄溝?，所以，其概念和揣f矸椒ň哂邢嗟焙玫囊恢灤?，因此，读者只要灾J笆弊⒁狻扒昂罅搿?，就能达到“一通皟Eā鋇男ЧＡ磽?，紦溷机蛫A窩Ф雜詿蠖嗍琳叨允粲謨?chǔ)硬[圖際?，因此，灾J暗耐北匭胱⒅厥迪昂陀τ?，找一个拈`直咦釷煜せ螄朧煜さ墓ぞ呋蛉砑肪常宰拋瞿闋釹胱齷螄不蹲齙氖慮?，就会更舍曅体会到紦溷机蛫A窩僑綰斡杏煤陀腥ぃ嬲煳蚋拍鈑爰寄薌淶奈⒚罟叵??？本書(shū)以筆者近年來(lái)承擔(dān)南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系相應(yīng)課程的教學(xué)講義為基礎(chǔ)編寫(xiě)而成，凝聚了多年來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其應(yīng)用的理解。在寫(xiě)作過(guò)程中，與南京航空航天大學(xué)周良和鄭宏源兩位老師進(jìn)行了緊密的合作和詳細(xì)的討論，融入了他們對(duì)工科院校各專業(yè)同類(lèi)課程的許多教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和思想，并與他們共同完成本書(shū)。在課程教學(xué)和本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中，得到了筆者的博士后導(dǎo)師張福炎教授以及博士學(xué)位導(dǎo)師丁秋林教授、蔡士杰教授等前輩的許多悉心指點(diǎn)和幫助，在此謹(jǐn)表深深的敬意和衷心的感謝！碩士生周若鴻和張莉莎花費(fèi)了大量精力和時(shí)間對(duì)全稿進(jìn)行了認(rèn)真校正，并提出了許多有益的修改意見(jiàn)，同時(shí)碩士生孫建勇、邱慶華、張斌和李曼舞在本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中也給予了最大的幫助，在此一并表示感謝！對(duì)書(shū)中存在的不足，懇請(qǐng)讀者和同行指正.

暫缺《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)教程》作者簡(jiǎn)介