《计算机图形学》以培养应用型人才为目标进行内容规划，突出对应用能力的培养和训练。全书内容包括绪论、计算机图形系统、Visual C 6.0图形编程基础、基本图元生成、自由曲线曲面的设计、图形变换、图形裁剪、三维几何造型、分形曲线与函数迭代系统和计算机图形学专题设计等。本书按照知识点录制了全部课程视频，可以借助二维码通过扫一扫方式学习。 《计算机图形学》可作为高校本科生计算机及相关专业课程的教材或参考书，也可作为计算机图形学爱好者的入门书籍。

《计算机图形学》是辽宁省精品课程，按照知识点录制了全部课程视频，重点内容做成视频、音频、动画等模式，尤其是Visual C 6.0图形编程设计和小型交互绘图软件，均在实际开发环境中进行实时演示操作，并配备教学视频、习题与答案、PPT、学习大纲等教学资源(扫描书中二维码即可获取）。

前 言
　　计算机图形学是20世纪40年代开始起步，70年代时随着计算机硬件性价比大幅提升而得到迅速发展，尤其在1990年以后以计算机图形学为支撑的科学计算机可视化、虚拟现实、计算机动画等技术成果进入寻常百姓的日常生活中，更加促进了计算机图形学软、硬件的高速发展。高等学校的计算机科学与技术、软件工程、数字媒体技术、数字媒体艺术、动画等专业一般把计算机图形学列为专业(基础)课。计算机图形学无论是理论还是应用，其内容都很庞大。在实际教学中受限于课时安排，对计算机图形学内容的取舍非常关键。本书将应用型人才培养的目标贯穿到教材设计中，删减大量繁杂的公式推导，但保留直接与算法相关的理论内容。本书编写中注重将计算机图形学的基本理论与读者日常接触的图形软件进行对比介绍，便于读者理解概念掌握图形算法本质，并进一步深化应用实现综合场景案例设计。
　　本书的作者在计算机图形学课程的精品课、双语教学示范课、资源共享课建设中做了多年的探索，在教学实践和科研成果的基础上设计内容结构。全书由10章组成。第一章绪论，介绍计算机图形学及其有关概念，计算机图形学的发展、应用及相关技术。第二章计算机图形系统，介绍计算机图形系统的功能、结构，图形输入输出设备，显示器、绘图仪、3D打印机的工作原理，图形标准与软件等。第三章Visual C 6.0图形编程基础，重点介绍与图形相关的Visual C 6.0应用程序开发方法，包括图形设备接口和图形程序设计，交互图形设计的鼠标消息处理、捕捉鼠标、鼠标橡皮筋技术、菜单设计等；第四章基本图元生成，介绍基本图元点、直线、圆(圆弧)的生成算法，区域填充算法，点阵字符和矢量字符生成。第五章自由曲线曲面的设计，重点阐述Hermite、Cardinal、Bézier和B样条曲线的定义、性质，矩阵表达式，对曲线形状的控制能力；Coons、Bézier、B样条曲面的参数表示，初始边界条件，曲面形状的控制，曲面片的拼接。第六章图形变换，介绍二维几何变换、三维几何变换和投影变换。第七章图形裁剪，内容包括二维观察流程、窗口-视区变换、二维裁剪和三维裁剪等。第八章三维几何造型，介绍几何造型中的基本元素，形体的存储模型和三维形体的表示方法。第九章分形曲线与函数迭代系统，描述分形几何特征，典型分形曲线递归算法，迭代函数系统与算法实现，以及IFS植物构形。第十章计算机图形学专题设计，提供了两个专题设计案例，分别是鱼群的卡通图形设计、自由曲面与IFS结合的景物设计。每一个案例的设计实现均需要结合多个章节的内容才能最终得以完成。同时给出了一个小型交互式绘图软件的案例，其目标是模拟AutoCAD软件在Visual C 6.0环境下设计一个小型交互绘图软件。
　　本书在内容设计上具有如下特点：
　　(1) 以培养创新型应用人才为目标，突出对学生应用能力的培养与训练。
　　一是面向应用能力的培养与训练，本教材精选课程内容，注重理论联系实际，将市场上主流图形软件的相应功能引入课程中进行对比分析与比较，便于学生加深理解，更重要的是强化了工程应用的概念。
　　二是教材的内容组织上，突出案例的选择和实例设计。从总体结构上专门设计了图形编程基础(第三章)和计算机图形学专题设计(第十章)内容，强化应用能力的训练。
　　三是每章的引导案例和案例导学，精心选择了影视大片、动画游戏、自然界奇妙景观、数控加工、互联网技术等与计算机图形学相关的内容进行整理，增强了课程内容与实际生活的联系，有助于激发读者探求科学前沿技术的好奇心。
　　四是每章末给出了本章的知识结构图，知识结构图更切合计算机图形学的特点，用图形化的语言描述课程知识点内在的联系。
　　(2) 引进新技术参与教学实现真正的贯穿式 立体化教学。
　　一是本书作者按照知识点录制了全部课程视频，大部分课程视频短小以突出知识点的讲解，读者通过访问课程视频可以随时随地学习感兴趣的内容。
　　二是借助多媒体技术，将书中重点内容做成视频、音频、动画等模式，尤其是Visual C 6.0图形编程设计和小型交互绘图软件，均在实际开发环境中进行实时演示操作。
　　 三是借助二维码技术，将课程内容通过扫一扫方式进行学习，实现了教学中的互联网 碎片化概念。
　　四是本书内容的更新体现了动态性，可以实时更新学生的优秀作品以及不断出现的新技术和新应用。
　　本书由辽宁石油化工大学张燕、李楠、潘晓光编著。大连铁道大学的任洪海编写了第四章和第十章的部分内容。辽宁石油化工大学王宇彤为课程视频录制和后期剪辑合成提供了完整的技术支持。卢紫微、韩云萍、刘培胜参与了课件设计、实例程序编写等工作。数字媒体技术专业学生王俊力、张满玉为本书提供了部分程序实例代码以及部分插图绘制。
　　《计算机图形学》课程在建设过程中始终得到纪玉波教授的大力支持，在此表示诚挚的谢意！辽宁北四达数字信息科技有限公司软件设计师王啸，大连天工建筑设计有限公司高级工程师李铎参与了本书的案例设计，并结合公司和企业实际开发了其他案例。因受篇幅限制，这些案例可以通过扫一扫获得。
　　本书在编写过程中借鉴了国内外许多专家、学者的观点，参考了相关教材、专著、网络资料，在此向有关作者表示衷心的感谢！
　　由于编者水平有限，书中难免存在不足和疏漏，敬请各位专家、读者批评指正。
　　
　　
　　编 者

　　目 录

第一章 绪论 1
第一节　计算机图形学及相关概念 3
第二节　计算机图形学的发展简况 5
一、硬件平台 5
二、基础理论 5
三、实际应用 6
四、SIGGRAPH 6
第三节　计算机图形学的应用领域 7
一、计算机辅助设计与制造 7
二、科学计算可视化 7
三、虚拟现实 8
四、计算机艺术 8
五、计算机动画与娱乐 8
六、地理和自然资源的图形显示 9
七、教学与培训 9
八、图形用户接口 9
第四节　计算机图形学的相关开发技术 10
一、OpenGL技术 10
二、ACIS技术 10
三、DirectX技术 10
四、Java3D技术 11
五、VRML技术 11
六、Web 3D技术 12
本章知识结构图 12
本章小结 13
复习思考题 14
第二章 计算机图形系统 15
第一节　计算机图形系统的组成 16
一、计算机图形系统的功能 16
二、计算机图形系统的结构 17
第二节　图形输入设备及数据输入 20
一、图形输入设备 20
二、数据输入 22
第三节　图形输出设备 23
第四节　典型硬件设备的工作原理 27
一、图形显示与观察设备 27
二、绘图设备的工作原理 32
三、3D打印机的工作原理 33
第五节　图形软件及标准 35
一、图形软件 35
二、图形标准 35
本章知识结构图 36
本章小结 37
复习思考题 38
第三章 Visual C 6.0图形编程基础 39
第一节 Visual C 6.0应用程序
开发方法 40
一、Visual C 的集成开发环境 40
二、应用程序工程的建立方法 40
三、输入源程序进行程序设计 43
第二节 图形设备接口和图形程序设计 44
一、图形设备接口 44
二、绘制基本图形 46
三、画笔与画刷 50
四、文本显示 55
第三节 鼠标编程 56
一、鼠标消息处理 57
二、捕捉鼠标 58
三、鼠标编程综合示例 58
第四节 菜单程序设计 63
一、菜单编辑器 63
二、菜单消息响应 65
三、菜单设计综合示例 66
本章知识结构图 68
本章小结 69
复习思考题 69
第四章 基本图元生成 71
第一节　点的生成 73
第二节　直线的生成 74
一、DDA算法 74
二、Bresenham算法 78
第三节　圆的生成 83
一、坐标法 83
二、折线逼近法 85
三、Bresenham圆(圆弧)生成算法 87
第四节　区域填充的基本应用和概念 91
一、画图软件中的区域填充 91
二、AutoCAD中的区域填充 92
三、区域填充的相关概念 93
第五节　区域填充算法 94
一、种子填充算法与实例解析 94
二、扫描线种子填充算法及
实例解析 99
三、扫描线转换填充算法 103
四、边填充算法及其改进方法 108
第六节　字符的生成 109
一、点阵字符 110
二、矢量字符 111
三、点阵字符和矢量字符的比较 111
本章知识结构图 112
本章小结 112
复习思考题 113
第五章 自由曲线曲面的设计 115
第一节　自由曲线与曲面的数学基础 117
一、曲线曲面表示 117
二、插值和逼近 118
三、参数连续性和几何连续性 120
第二节　Hermite样条曲线 121
一、样条曲线的概述 121
二、Hermite样条边界条件与参数
方程表达 122
三、Hermite样条曲线的调和函数及
坐标分量表达 124
四、Hermite样条曲线的特点 124
第三节　Cardinal曲线 127
一、Cardinal曲线的初始条件 127
二、Cardinal曲线的方程与矩阵
推导 128
三、Cardinal样条曲线的调和
函数 129
四、Hermite和Cardinal样条曲线的
构图特点 130
第四节　Bézier曲线 132
一、Bézier曲线的定义及数学
表达式 133
二、Bézier曲线的性质 133
三、三次Bézier曲线的调和
函数与数学表达 135
四、Bézier曲线的光滑连接 137
五、Bézier曲线的构图特点 138
第五节　B样条曲线 140
一、B样条曲线的定义 140
二、三次B样条曲线调和函数及
参数方程 140
三、B样条曲线的性质 142
四、三次B样条的几种特殊情况 145
五、控制三次B样条曲线几何
形态的方法 146
第六节　Coons曲面 151
第七节　Bézier曲面 154
一、Bézier曲面的数学表示式 154
二、双三次Bézier曲面 154
第八节　B样条曲面 157
一、B样条曲面的数学表示式 157
二、双三次B样条曲面 157
本章知识结构图 161
本章小结 162
复习思考题 162
第六章 图形变换 163
第一节　AutoCAD中的图形变换 164
第二节　几何变换的基本原理 165
第三节　平移变换与实例设计 166
一、二维平移变换 166
二、三维平移变换 166
第四节　比例变换与实例设计 168
一、二维比例变换 168
二、三维比例变换 171
第五节　旋转变换与实例设计 172
一、二维旋转变换 172
二、三维旋转变换 174
第六节　对称变换与实例设计 178
一、二维对称变换 178
二、三维对称变换 184
第七节　错切变换与实例设计 185
一、二维错切变换 185
二、三维错切变换 186
第八节　复合变换与仿射变换 188
一、复合变换 188
二、仿射变换 189
第九节　投影变换 190
一、投影变换的分类 190
二、平行投影 191
三、透视投影 193
本章知识结构图 195
本章小结 196
复习思考题 196
第七章 图形裁剪 198
第一节　二维观察流程 200
第二节　窗口视区的变换 202
第三节　图形裁剪的基本概念 206
一、点的裁剪 207
二、直线段和窗口的关系 207
第四节　直线段裁剪 207
一、编码裁剪算法 208
二、中点分割裁剪算法 212
三、参数化线段裁剪算法 213
第五节　多边形裁剪 215
一、逐边裁剪法 216
二、双边裁剪法 219
第六节　其他类型的图形裁剪 220
一、非矩形裁剪窗口的线段裁剪 220
二、曲线的裁剪 220
三、字符的裁剪 220
第七节　三维裁剪 221
一、三维裁剪空间 221
二、三维编码裁剪算法 222
本章知识结构图 224
本章小结 225
复习思考题 225
第八章 三维几何造型 227
第一节 三维几何造型中的元素 228
一、点 229
二、边 229
三、环 229
四、面 229
五、体 230
六、体素 231
第二节　形体的存储模型 231
一、线框模型 231
二、表面模型 232
三、实体模型 233
第三节　三维形体的表示方法 234
一、构造实体几何表示法 235
二、扫描表示法 236
三、分解模型表示法 237
四、边界表示法 239
五、混合模型表示法 240
本章知识结构图 240
本章小结 241
复习思考题 241
第九章 分形曲线与函数迭代系统 242
第一节　分形的提出与分形维数 244
一、分形的萌芽 244
二、分形维数 245
三、分形的几何特征 246
四、分形图形与欧氏图形的区别 247
第二节　典型分形曲线的递归算法 247
一、Koch曲线的递归算法及
雪花的生成 247
二、Peano_Hilbert曲线 250
三、Sierpinski三角形与Sierpinski
地毯 252
第三节　迭代函数系统 253
一、仿射变换与IFS码 254
二、IFS迭代算法 255
三、IFS植物构形 259
本章知识结构图 261
本章小结 262
复习思考题 262
第十章 计算机图形学专题设计 263
第一节　鱼群的卡通图形设计 263
一、利用B样条曲线实现单尾鱼
设计 264
二、利用图形变换实现鱼群设计 266
三、利用区域填充的着色处理 269
第二节　自由曲面与IFS结合的景物
设计 269
一、二维图形的迭代函数系统
(IFS)的建立 270
二、图形变换与三维树木生成 270
三、果树造型设计 272
四、自由曲面与山坡模拟 273
第三节 一个小型交互式绘图软件设计 274
一、微机交互绘图软件包的典范AutoCAD 274
二、绘图软件设计原则 275
三 文档/视图结构 276
四、小型交互式绘图软件的
设计与实现 277
本章小结 280
复习思考题 281
参考文献 282