计算机图形学基础与应用——基于WebGL

1．系统构建知识体系，紧跟领域技术发展。 本书以管线为骨架，通过深层次地融合相关领域的知识，精简固定管线中较为陈旧的内容，提纲性地建立了计算机图形学的知识体系；同时，加大对现有可编程管线模型及真实感绘制相关技术与算法的讲解力度，让读者在了解基础知识体系的基础上，能够紧跟领域技术发展，进而培养“用发展的眼光看专业技术”的思维。 2．融入丰富编程实例，培养读者实战技能。 本书从计算机图形软件开发到 WebGL 编程的相关部分，通过细致地讲解编程技术，帮助读者培养 WebGL 编程的基本能力；在此基础上，分别针对各章的知识点及相关理论的算法，给出大量对应的 WebGL 编程实例，以对相关理论的算法进行应用分析，进而帮助读者培养过硬的 WebGL 编程实战技能。 3．搭建作品展示平台，服务师生实践应用。 为了便于读者对学习效果进行检验，同时协助高校教师更好地开展实践教学工作，本书编者团队借助“互联网+”技术，创造性地搭建了“计算机图形学实验”平台。该平台不仅支持读者上传并调试作品代码，而且支持读者进行作品的三维交互展示等，能为院校教师检测教学效果提供便利的途径。院校师生可以通过人邮教育社区（www.ryjiaoyu.com）获取该平台的网址。 4．配套多类型教辅资源，系统化服务教师教学。 为了更好地帮助高等院校教师开展计算机图形学课程的教学工作，编者为本书配备了PPT、教学大纲、教案、源代码、课后习题答案、实验大纲等教辅资源，用书教师可以通过人邮教育社区进行下载。此外，编者还组建了针对计算机图形学课程的教师服务与交流群，以方便授课教师进行教学心得体会分享、教学实际问题讨论、实验开展方式交流等。

计算机图形学是研究利用计算机进行图形绘制的科学，其主要研究内容为利用计算机实现将三维模型投影到平面的方法。本书首先搭建基本的计算机图形学知识体系，然后在此基础上，围绕GPU管线的处理结构分析管线各个阶段的实现算法；同时介绍WebGL在编程方面的应用，使读者不仅能够掌握图形应用软件的编程方法，还能明白计算机图形学的基本原理。
编者在本书中融入了大量实例的源代码，可以为读者应用不同的理论知识进行实践提供参考。此外，与本书配套的“计算机图形学实验”平台上不仅展示了多个实验下多位学生的三维交互作品，以供院校师生参考学习，而且支持读者注册并使用该平台，进行代码上传与调试及作品展示等，这可以极大程度地提升读者的实战技能。
本书可作为高等院校计算机、数字媒体、软件工程等相关专业的教材，也可供图形应用领域的技术人员学习使用，还可作为图形研究人员的参考用书。

匡平： 博士，电子科技大学计算机科学与工程学院副教授，主要从事图像处理、人工智能和模式识别等领域的研究与教学工作，主持国家及省部级科研项目20余项，以第一作者发表SCI／EI论文20 余篇，获四川省科技进步奖三等奖2项（排名第一）、国家发明专利8项，著有《汇编语言程序设计》等教材。

第1篇基础篇
第1章概述2
1．1计算机图形学相关课程2
1．2计算机图形学的发展3
1．3计算机图形系统3
1．3．1光栅扫描显示4
1．3．2图形处理单元架构6
1．4计算机图形软件9
1．4．1Direct3D和OpenGL概述9
1．4．2WebGL概述10
1．4．3WebXR概述11
1．5本章小结13
习题13
第2章图形处理管线14
2．1GPU与CPU的区别14
2．1．1计算机绘制概述15
2．1．2成像原理15
2．2固定管线流程16
2．2．1处理流程16
2．2．2模型表达与绘制17
2．2．3管线架构19
2．3可编程管线20
2．3．1可编程管线的基本概念20
2．3．2着色器程序22
2．3．3管线中的数据流23
2．4buffer编程25
2．4．1帧缓存25
2．4．2深度缓存26
2．4．3模板缓存27
2．4．4PBO与FBO28
2．4．5纹理buffer30
2．5本章小结32
习题33
第3章WebGL编程34
3．1搭建开发平台34
3．1．1Three．js简介34
3．1．2Three．js的环境配置35
3．1．3搭建Web服务器35
3．1．4创建第一个Three．js实例36
3．2JavaScript基础37
3．2．1核心语句和语法38
3．2．2对象和数组40
3．2．3在网页中嵌入JavaScript代码41
3．2．4与网页进行交互42
3．3场景搭建44
3．3．1画布设置44
3．3．2对象设置45
3．3．3相机设置47
3．3．4交互设置48
3．4坐标系与观察变换51
3．4．1场景坐标系与图像结果坐标系51
3．4．2观察变换52
3．5Three．js基本程序框架54
3．6本章小结60
习题60
第4章光栅式图形系统62
4．1线段光栅化62
4．1．1Bresenham算法63
4．1．2曲线光栅化方法65
4．2字符光栅化66
4．3反走样技术67
4．4多边形填充技术68
4．4．1内外测试68
4．4．2扫描线多边形填充算法69
4．4．3其他填充方法71
4．5纹理技术72
4．5．1纹理坐标72
4．5．2GLSL纹理贴图72
4．5．3纹理上下文74
4．5．4过程纹理74
4．5．5凹凸贴图77
4．6WebGL实例分析79
4．7本章小结80
习题80
第5章变换81
5．1数学基础81
5．1．1向量81
5．1．2矩阵83
5．1．3齐次坐标85
5．2二维几何变换85
5．2．1矩阵表达85
5．2．2复合变换矩阵的构造87
5．3三维几何变换90
5．3．1矩阵表达90
5．3．2复合变换矩阵的构造91
5．3．2四元数93
5．4投影变换95
5．4．1平行投影95
5．4．2透视投影98
5．5裁剪技术101
5．5．1线段裁剪101
5．5．2多边形裁剪105
5．5．3三维裁剪107
5．6实例分析109
5．6．1基本概念109
5．6．2基本矩阵函数109
5．6．3旋转、平移和缩放110
5．6．4绕任意点的旋转110
5．6．5三维模型示例111
5．7本章小结114
习题114
第6章三维模型表示116
6．1多边形网格表示116
6．1．1基本概念117
6．1．2多边形网格的数据结构117
6．1．3三角化算法122
6．1．4网格简化124
6．2参数曲面表示127
6．2．1Bézier曲线127
6．2．2Bézier曲面131
6．2．3B样条曲线134
6．2．4B样条曲面139
6．3细分表示141
6．3．1四边形网格细分的Catmull-Clark方法142
6．3．2三角形网格细分的Loop方法142
6．4其他表示143
6．4．1点表示143
6．4．2实体表示144
6．5实例分析145
6．6本章小结147
习题147
第7章简单光照模型149
7．1光反射作用的组成部分149
7．1．1环境光149
7．1．2漫反射光150
7．1．3镜面反射光151
7．2简单光照模型152
7．2．1Phong模型152
7．2．2明暗处理方法153
7．3实例分析156
7．4本章小结158
习题158
第2篇应用篇
第8章WebGL高级应用161
8．1Shader基础161
8．1．1WebGL高级渲染161
8．1．2Shader简介162
8．2Shader程序169
8．2．1内置变量与函数169
8．2．2示例说明172
8．2．3Three．js中的Shader材质178
8．3本章小结181
习题181
第9章全局光照182
9．1全局光照简介182
9．1．1基本概念183
9．1．2环境光遮蔽185
9．1．3渲染方程185
9．2光线跟踪算法187
9．2．1光线跟踪算法原理187
9．2．2算法核心步骤188
9．2．3算法实现细节190
9．2．4算法改进195
9．3辐射度算法196
9．3．1辐射度算法原理196
9．3．2辐射度方程196
9．3．3求解辐射度方程197
9．3．4计算排列因子198
9．3．5实现辐射度算法200
9．4本章小结201
习题201
第10章实时物理渲染与非真实感绘制202
10．1实时物理渲染202
10．1．1PBR技术202
10．1．2BRDF模型技术208
10．1．3WebGL材质实例分析213
10．2非真实感渲染215
10．2．1概述215
10．2．2分类216
10．2．3卡通渲染217
10．2．4其他风格的NPR渲染222
10．3本章小结223
习题223
参考文献224