计算机图形学基础（第3版） - (EPUB全文下载)

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计算机图形学基础（第3版）
第1章 绪论
第2章 计算机图形系统及图形硬件
第3章 用户接口与交互式技术
第4章 图形的表示与数据结构
第5章 基本图形生成算法
第6章 二维变换及二维观察
第7章 三维变换及三维观察
第8章 曲线与曲面
第9章 消隐
第10章 真实感图形绘制
参考文献
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第1章 绪论
图形图像技术是现代社会信息化的重要技术。据统计，人类主要通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感觉器官感知外部世界，其中约80%的信息由视觉获取，“百闻不如一见”就是一个非常形象的说法。因此，旨在研究用计算机来显示、生成和处理图形信息的计算机图形学成为一个非常活跃的研究领域。
1.1 计算机图形学及其相关概念
计算机图形学（Computer Graphics）是研究怎样利用计算机来显示、生成和处理图形的原理、方法和技术的一门学科。世界各国的专家学者对图形学有着各自不同的定义。国际标准化组织（ISO）将其定义为：计算机图形学是研究通过计算机将数据转换成图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术。电气与电子工程师协会（IEEE）将其定义为：计算机图形学是利用计算机产生图形化的图像的艺术和科学。（Computer graphics is the art or science of producing graphical images with the aid of computer.）
计算机图形学的研究对象是图形。通常意义的图形是指能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象，既包括了各种照片、图片、图案、图像以及图形实体，也包括了由函数式、代数方程和表达式所描述的图形。构成图形的要素可以分为两类：一类是刻画形状的点、线、面、体等几何要素；另一类是反映物体本身固有属性，如表面属性或材质的明暗、灰度、色彩（颜色信息）等非几何要素。例如，一幅黑白照片上的图像是由不同灰度的点构成的；方程 x2+y2=r2确定的图形是由具有一定颜色信息并满足该方程的点所构成的。因此，计算机图形学中所研究的图形可以定义为“从客观世界物体中抽象出来的带有颜色信息及形状信息的图和形”。
计算机中表示带有颜色及形状信息的图和形常用两种方法：点阵法和参数法。点阵法是用具有灰度或颜色信息的点阵来表示图形的一种方法，强调图形由哪些点组成，这些点具有什么灰度或色彩。参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。形状参数可以是形状的方程系数、线段的起点和终点对等几何属性的描述；属性参数则描述灰度、色彩、线型等非几何属性。这样可以进一步细分：把参数法描述的图形叫做图形（Graphics），而把点阵法描述的图形叫做图像（Image）。
随着人们对图形概念认识的深入，图形图像处理技术也逐步出现分化。目前，与图形图像处理相关的学科有计算机图形学、数字图像处理（Digital Image Processing）和计算机视觉（Computer Vision），它们之间的关系如图1-1所示。计算机图形学试图将参数形式的数据描述转换生成（逼真的）图像。数据图像处理则着重强调在图像之间进行变换，旨在对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果，如对图像进行增强、锐化、平滑、分割，以及为存储和传输而进行的编码压缩等。计算机视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术，它模拟人对客观事物模式的识别过程，是从图像到特征数据、对象的描述表达的处理过程。
图1-1 图形图像处理相关学科间的关系
近年来，随着多媒体技术、计算机动画、三维数据场可视化以及虚拟现实技术的迅速发展，计算机图形学、数字图像处理和计算机视觉的结合日益紧密，它们之间的互相渗透，反过来也促进了学科本身的发展。
1.2 计算机图形学的发展
1.2.1 计算机图形学学科的发展
自20世纪50年代形成以来，计算机图形学先后经历了酝酿期、萌芽期、发展期、普及期和提高增强期等阶段，逐步发展成为一门以图形硬件设备、图形专用算法和图形软件系统为研究内容的综合学科。计算机图形学软件与硬件的发展是相互促进、相辅相成的。
1.酝酿期（20世纪50年代）
1950年，美国麻省理工学院旋风1号（Whirlwind）计算机配备了由计算机驱动的类似于示波器所用的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。1958年，美国CAL-COMP公司将联机的数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，GERBER公司则把数控机床发展成平板式绘图仪。整个50年代，计算机图形学处于准备和酝酿时期，称为“被动”的图形学。
2.萌芽期（20世纪60年代）
20世纪60年代，美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室的基于旋风计算机开发的北美空中防御系统SAGE（Semi-Automatic Ground Environment system）具有了指挥和控制图形对象的功能。该系统能够将雷达信号转换为显示器上的图形，操作者可以借用光笔指向屏幕上的目标图形来获得所需要的信息。与此同时，类似的技术在设计和生产过程中也陆续得到应用。1962年，美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan.E.Sutherland在参与了一个用于CAD（Computer Aided Design）的Sketchpad系统的研制后，发表了博士论文《Sketchpad：一个人机通信的图形系统》的，其中首次使用了“Computer Graphics”术语，从而确立了计算机图形学的学科地位。Ivan.E.Sutherland的Sketchpad系统被公认为对交互式图形生成技术的发展奠定了基础。60年代中期，美国麻省理工学院、通用汽车公司、贝尔电话实验室和洛克希德飞机公司开展了交互式计算机图形处理技术的大规模研究。与此同时，英国的剑桥大学等也开始了这方面的工作。这是计算机图形学的萌芽期。
3.发展期（20世纪70年代）
20 世纪 70 年代，美国洛克希德飞机公司完成了一个用于飞机设计的交互式图形处理系统，即CADAM。它能够绘制工程图，分析与产生数据加工纸带，在许多国家得到 ............

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