3D图形系统设计与实现

本书涵盖了几何建模和渲染三维场景过程中计算方面的内容，特别是3D图形系统体系结构方面的知识。本书讨论了基本的3D计算机图形学算法，全部采用C语言加以实现。

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。

目 录 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 3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 接近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