新编计算机图形学

新编计算机图形学第一章：计算机图形学概述1.11.1计算机图形学的定义和历史发展

计算机图形学是研究计算机生成和操作图形的科学。它涉及到对图像、图形和视觉表现的研究、建模、仿真和显示等方面。作为计算机科学的一个重要分支，计算机图形学的发展历史可以追溯到上世纪50年代。当时，人们开始探索计算机生成图形的方法，例如绘制简单的几何图形和实现动画效果。随着技术的不断进步，计算机图形学逐渐成为一门独立的学科，并广泛应用于各个领域。

1.2计算机图形学的研究领域和应用

计算机图形学的研究领域十分广泛，包括视觉传达、医疗、教育等多个领域。在视觉传达领域，计算机图形学可以用于设计商标、包装、广告和多媒体界面等。在医疗领域，计算机图形学可以用于实现医学影像处理、手术模拟和远程医疗等。在教育领域，计算机图形学可以用于开发教学软件、模拟实验和制作三维动画等。此外，计算机图形学在产品设计、机器人控制和虚拟现实等方面也有着广泛的应用。

1.3计算机图形学的基本框架和内容

计算机图形学的基本框架包括图像处理、建模、渲染和交互等方面的内容。图像处理是计算机图形学的基础，它涉及到对图像的采集、编码、解码、增强和复原等方面。建模是指用数学模型来表示三维物体和场景的过程，常用的建模方法有几何建模、物理建模和行为建模等。渲染是指将建模后的三维场景转换为图像的过程，它涉及到光线追踪、纹理映射和透明度等方面的技术。交互是指用户与计算机图形系统之间的相互作用，它可以通过鼠标、键盘、触摸屏和触摸板等设备实现。第二章：图形显示原理2.1计算机图形学是研究计算机生成和操作图形的科学。它是计算机科学的一个重要分支，广泛应用于游戏、电影特效、虚拟现实、科学可视化等领域。本文将简要介绍计算机图形学中的一些基本概念和技术，包括显示设备的基本类型、像素和颜色、图形变换和投影以及光照和明暗表现。

2.1显示设备的基本类型

显示设备是计算机图形学中用于输出图形的硬件设备。根据工作原理，显示设备可以分为电子管显示设备、晶体管显示设备、集成电路显示设备和有机发光二极管显示设备等。电子管显示设备最早出现，如早期的电视和计算机显示器。晶体管显示设备则更加薄、轻、耐用，常见的有液晶显示器（LCD）。集成电路显示设备则具有更高的集成度和更稳定的性能，常见的有发光二极管显示器（LED）。有机发光二极管显示设备具有自发光的特性，可以显著提高屏幕亮度并降低能耗。

2.2像素和颜色

像素是构成数字图像的基本单位，每个像素代表图像中的一个点。颜色是由红、绿、蓝三种基本颜色混合而成，每种颜色可以用一个字节表示，因此一个像素可以由三个字节表示。在计算机图形学中，颜色通常用RGB值表示，范围为0-255。例如，红色可以表示为(255,0,0)，绿色可以表示为(0,255,0)，蓝色可以表示为(0,0,255)。通过对像素进行不同的颜色赋值，我们可以生成各种颜色的图像。

2.3图形变换和投影

图形变换是指在二维或三维空间中对图形进行移动、旋转、缩放等操作。在计算机图形学中，这些操作可以通过矩阵变换来实现。例如，二维旋转可以用以下矩阵表示：

其中θ表示旋转角度。通过将这个矩阵与图像的每个像素进行乘法运算，可以实现图像的旋转。

投影是指将三维物体投影到二维平面上。在计算机图形学中，常用的投影方式包括正交投影和透视投影。正交投影将物体沿着垂直于投影平面的方向投射到投影平面上，而透视投影则模拟人眼观察物体的方式，使远处的物体看起来更小、更远。通过投影，我们可以创造出更加逼真的三维场景。

2.4光照和明暗表现

光照和明暗表现是计算机图形学中用于模拟光线在物体表面反射和传播的过程，以创造更加真实和生动的图像。光照包括光源、光照模型和阴影等方面的考虑。光源可以是点光源、平行光源或方向光源等，光照模型包括漫反射、镜面反射和高光反射等。通过对这些因素进行模拟和计算，我们可以确定物体在不同光源下的明暗表现。例如，漫反射是指光线从某个方向照射到物体表面后向四面八方均匀散射的现象，它可以使物体表面看起来更加均匀和自然。镜面反射是指光线在物体表面反射后仍然保持原来的方向，它可以使物体表面看起来更加光滑和有光泽。阴影则可以用来表现物体在某个光源下的立体感和层次感。第三章：几何造型基础3.1在计算机图形学中，几何造型是一个关键领域，它为我们的虚拟世界提供了丰富多彩的视觉体验。几何造型的基本概念、二维和三维几何变换以及自由曲线和曲面，都是构建这些虚拟世界的重要元素。

在几何造型的基本概念中，我们首先需要了解点、线、面、体等基本几何元素以及它们在空间中的位置和属性。点是基本元素，通过在空间中连接点，我们可以形成线、面和体。几何元素之间的关系，如平行、垂直、相交等，为我们提供了丰富的视觉效果。

在二维几何变换中，平面图形的转换、缩放和旋转等基础操作是构建复杂图形的基础。通过这些变换，我们可以轻松地在平面上创建出各种形状。此外，坐标系和模型的概念在二维几何变换中也至关重要。坐标系为我们提供了基准框架，使我们能够精确地定位几何元素；而模型则允许我们以各种视角观察和操作这些元素。

三维几何变换将我们带入了一个更加立体的世界。在这里，我们不仅需要处理平面图形，还需要考虑立体图形的创建、变换和剪裁等高级操作。这些操作在三维建模、动画制作和虚拟现实中广泛应用。投影和模型变换是三维几何变换中的重要概念。投影允许我们将三维物体投射到二维平面上，以便于显示和观察；而模型变换则允许我们在不同的坐标系之间转换几何元素。

自由曲线和曲面是几何造型中的另一种重要元素。这些曲线和曲面可以创造出各种流畅、自然的形状，如自然界中的山川、河流和人体曲线等。在计算机图形学中，自由曲线和曲面广泛应用于角色动画、产品设计和建筑建模等领域。通过调节曲线和曲面的参数，我们可以得到不同形状和风格的图形，从而为我们的虚拟世界增添更多的细节和个性。

总结来说，通过理解几何造型的基本概念、二维和三维几何变换以及自由曲线和曲面，我们可以更好地掌握计算机图形学中的关键技术。这些技术不仅在计算机图形学领域有着广泛的应用，也在其他相关领域如虚拟现实、计算机视觉和动画制作等方面扮演着重要角色。通过对这些技术的深入学习和掌握，我们可以创造出更加丰富、逼真的虚拟世界，为我们的生活和工作带来更多乐趣和便利。第四章：图形绘制算法4.1计算机图形学是研究计算机生成和操作图形的科学。在计算机图形学中，直线、圆形、多边形和字符文本的绘制是基本而又重要的算法。本文将对这些算法进行详细介绍。

4.1直线绘制算法

直线绘制算法是计算机图形学中最基本的图形生成算法之一。基于数学的概念，直线是由两点定义的一段长度。常见的直线绘制算法有DDA（数字差分分析器）线和Bresenham线算法。

DDA线算法是一种简单直接的直线绘制算法，它通过计算两点之间的差值，并逐步累加这个差值来生成直线。而Bresenham线算法则是一种更高效的算法，它利用了增量式渲染的思想，以减少计算量和提高运行速度。在实际应用中，根据需求选择合适的算法。

4.2圆形绘制算法

圆形是计算机图形学中常见的图形元素之一。常见的圆形绘制算法包括中点圆算法和参数圆算法。

中点圆算法是一种基于中点坐标的绘制算法，它通过计算四个象限点的坐标值，并利用对称性来生成圆形。而参数圆算法则是基于参数形式的绘制算法，它通过定义圆的参数方程来生成圆形。在实际应用中，根据需要选择合适的算法以实现效率和效果的最佳平衡。

4.3多边形绘制算法

多边形是计算机图形学中常见的图形元素之一，可以用来描述和生成各种复杂的形状。常见的多边形绘制算法包括边表法和扫描线填充算法。

边表法是一种基于顶点列表的绘制算法，它通过有序处理多边形的顶点来生成多边形。而扫描线填充算法则是基于扫描线的绘制算法，它通过填充多边形内部的方式来生成多边形。在实际应用中，根据需求选择合适的算法以实现效率和效果的最佳平衡。

4.4字符和文本绘制算法

在计算机图形学中，字符和文本的绘制也是重要的操作之一。常见的字符和文本绘制算法包括反走样算法和字体渲染引擎。

反走样算法是一种用于平滑字符和文本的算法，它可以消除字符和文本渲染时的锯齿状效果，提高图像的质量。而字体渲染引擎则是一种将字符和文本转换成图像的算法，它可以支持多种字体、字号和颜色，满足各种不同的需求。在实际应用中，根据具体需求选择合适的算法以提高字符和文本的显示质量和效率。

总结：

直线、圆形、多边形以及字符文本的绘制是计算机图形学中的基本而又重要的算法。这些算法在不同的应用场景下有各自的优缺点，因此需要根据具体需求进行选择和优化。随着计算机图形学的发展，这些基本算法在未来的发展中也将不断完善和提高，为计算机图形学的发展提供更强大的支持。第五章：真实感图形渲染5.1《新编计算机图形学》章节摘要：5.1纹理映射和材质贴图、5.2阴影和光照模型、5.3体积和环境贴图、5.4基于物理的渲染

5.1纹理映射和材质贴图

纹理映射和材质贴图是计算机图形学中的基本技术，用于在虚拟环境中创建具有高度现实感的视觉效果。纹理映射的主要目的是通过将图像（纹理）映射到物体的表面来增加细节和真实感。而材质贴图则通过赋予物体以真实的表面属性（如颜色、光泽、质地等）来增强其视觉表现。

在游戏开发和电影制作中，纹理映射和材质贴图是常用的技术。例如，在游戏《上古卷轴》系列中，通过应用高度详细的纹理映射和材质贴图，游戏的世界看起来极为真实和生动。此外，这些技术也可以用于增强虚拟现实（VR）体验的真实感。

5.2阴影和光照模型

阴影和光照模型是计算机图形学中的重要技术，用于在虚拟环境中创建逼真的光影效果。阴影模型描述了光线如何照射到物体并为其创造形态，而光照模型则描述了光线如何与物体表面相互作用。

在游戏和电影中，阴影和光照模型被广泛应用于提高场景的真实感。例如，在游戏《战神》中，通过复杂的光照模型和阴影算法，游戏角色和场景看起来栩栩如生。这些技术也可以用于增强VR体验的光照和阴影效果。

5.3体积和环境贴图

体积和环境贴图是计算机图形学中的高级技术，用于在虚拟环境中创建逼真的3D场景。体积贴图通过将多个纹理映射和材质贴图组合到一起，以创建具有深度和立体感的物体。环境贴图则用于模拟远处的背景，如山脉、天空等，以增强场景的广阔感和深度。

在游戏开发和电影制作中，体积和环境贴图被广泛应用于创建复杂的城市环境和角色。例如，在游戏《巫师3：狂猎》中，通过应用体积贴图和环境贴图，游戏中的角色和场景看起来栩栩如生。这些技术也可以用于增强VR体验的3D感和环境细节。

5.4基于物理的渲染

基于物理的渲染是计算机图形学中的最新技术，它允许计算机以物理规律来渲染图像。这种技术涉及到许多物理现象的模拟，例如光的散射、反射和折射，以及物质的纹理、透明度和光泽。

基于物理的渲染在游戏开发和电影制作中具有广泛的应用。例如，在游戏《塞尔达传说：荒野之息》中，通过应用基于物理的渲染技术，游戏中的光影、水和火等效果看起来极为真实。这些技术也可以用于增强VR体验的真实感。

总之，纹理映射、阴影和光照模型、体积和环境贴图以及基于物理的渲染是计算机图形学中的重要技术，它们在游戏开发和电影制作中发挥着至关重要的作用。随着技术的不断发展，这些技术也将继续演进，为我们带来更加逼真的虚拟现实体验。第六章：交互式图形应用6.1计算机图形学是一门研究计算机生成和操作图形的科学。在过去的几十年里，计算机图形学已经取得了巨大的发展，成为了计算机科学的一个重要分支。在本文中，我们将围绕《新编计算机图形学》的“6.1用户交互技术”、“6.2图形用户界面设计”、“6.3虚拟现实与增强现实技术”和“6.4游戏设计与开发”四个主题展开讨论。

6.1用户交互技术

用户交互技术是指通过各种方式实现人与计算机之间的交互，让用户能够更加自然地操作计算机。在计算机图形学中，用户交互技术包括手势识别、语音识别、键盘输入、鼠标操作等多种方式。其中，手势识别和语音识别是近年来比较热门的技术。

手势识别是通过识别用户的手势来进行交互，例如通过手势来控制光标的位置、选择图标或者命令。语音识别则是通过识别用户的语音来进行交互，例如通过语音来输入文本、搜索信息或者控制智能家居设备。这些技术的出现，使得用户可以更加方便、自然地操作计算机，大大提高了用户的使用体验。

6.2图形用户界面设计

图形用户界面设计是指通过图形化的方式来呈现信息和操作计算机，以便用户更加直观地进行交互。在计算机图形学中，图形用户界面设计包括视觉设计、用户体验和交互设计等多个方面。

视觉设计主要是指界面的布局、颜色、字体等方面的设计，以便用户能够更加轻松地找到需要的信息。用户体验则是指用户在使用过程中对界面的反馈，包括响应速度、易用性等方面的体验。交互设计则是指用户与计算机之间的交互方式，例如通过鼠标、键盘、触摸屏等方式进行交互。

6.3虚拟现实与增强现实技术

虚拟现实与增强现实技术是计算机图形学的两个重要分支，它们都是通过计算机生成逼真的虚拟环境，使用户能够身临其境地进行交互。虚拟现实技术可以创建完全虚拟的环境，使用户沉浸在其中，而增强现实技术则是将虚拟元素与现实场景相结合，增强用户的感知。

虚拟现实技术可以应用于游戏、影视、建筑等领域。在游戏中，通过虚拟现实技术可以为用户提供更加逼真的游戏体验，提高游戏的趣味性和沉浸感。在影视中，虚拟现实技术可以创建出更加逼真的特效和场景，提高影片的视觉效果。在建筑领域，虚拟现实技术可以用于展示建筑效果图和进行虚拟漫游等。

增强现实技术则可以应用于教育、医疗、工业等领域。在教育中，增强现实技术可以将虚拟元素与现实场景相结合，提高学生的学习兴趣和感知效果。在医疗中，增强现实技术可以帮助医生进行更加精准的手术操作，提高手术的成功率。在工业中，增强现实技术可以用于模拟和优化生产流程，提高生产效率和产品质量。

6.4游戏设计与开发

游戏设计与开发是计算机图形学的一个重要应用领域，它涉及到游戏情节、游戏机制、游戏画面等多个方面的设计。在游戏设计中，需要考虑到玩家的兴趣、习惯和心理需求等方面的因素，同时还需要注重游戏的可玩性和趣味性。

在游戏开发中，需要使用计算机图形学中的各种技术和算法来创建游戏画面、处理游戏数据和实现游戏逻辑。例如，游戏开发者需要使用3D建模技术来创建游戏场景和角色模型，使用纹理映射和光照技术来模拟真实世界的物体表面效果，使用动画技术和物理引擎来模拟角色的动作和物体的运动。此外，游戏开发者还需要使用声音处理技术来添加背景音乐、音效等声音效果，提高游戏的沉浸感。第七章：计算机图形学新技术7.17.1并行计算与集群渲染

随着计算机图形学的不断发展，图形渲染逐渐成为计算密集型任务，而并行计算则成为了解决这一问题的有效手段。并行计算指同时使用多个计算资源来解决计算问题，而集群渲染则是利用多台计算机或者多个CPU核心来协同完成图形渲染任务。

在计算机图形学领域，集群渲染主要分为基于分布式内存和基于共享内存两种架构。基于分布式内存的集群渲染是将渲染任务分配给不同的节点进行处理，每个节点拥有独立的内存空间，最终将处理结果合并成完整的图像。而基于共享内存的集群渲染则是将所有节点的内存连接在一起，形成一个大的共享内存空间，任意节点都可以访问任意节点的内存。

实际应用中，基于GPU的并行计算已经成为了集群渲染的主要技术趋势。GPU具有强大的并行处理能力，适合处理大规模的图像数据和高复杂度的渲染算法，同时还可以实现高速内存访问，进一步提高渲染效率。

7.2基于GPU的图形渲染

GPU是图形处理器，专门用于处理图形渲染任务。现代GPU已经具备了高度的可编程性，可以通过高级着色语言（如OpenGL、DirectX）来进行编程，实现复杂的图形渲染效果。

WebGL是一种基于GPU的图形渲染技术，它可以在浏览器中实现3D图形渲染效果，而无需安装任何插件。WebGL通过将图形渲染任务分配给GPU来提高渲染效率，同时还支持跨平台兼容性，可以在Windows、MacOS、Linux等不同操作系统上运行。

Vulkan是一种新型的图形渲染API，它与OpenGL并列，但具有更高的性能和更灵活的控制能力。Vulkan可以在不同平台和设备上运行，支持多线程渲染和命令缓冲区等先进技术，可以大大提高图形渲染的效率和速度。

7.3三维打印技术

三维打印技术是一种快速成型的制造技术，通过将材料逐层堆积来构建出三维实体。在计算机图形学领域，三维打印技术已经得到了广泛应用，可以实现从虚拟到现实的转换。

三维打印技术主要分为粉末烧结、光固化、喷墨打印等多种类型，其中光固化技术应用最为广泛。光固化技术是指利用激光或其他光源照射液态光敏树脂，使其发生光化学反应而固化成型的技术。

实际应用中，三维打印技术已经在游戏、影视、医疗等领域得到了广泛应用。例如，在游戏行业中，通过三维打印技术可以制作出游戏中的角色、场景等模型，提高游戏的真实感和沉浸感；在影视行业中，通过三维打印技术可以制作出电影中的特效场景、道具等模型，提高影片的制作水平和视觉效果；在医疗行业中，通过三维打印技术可以制作出人体器官、骨骼等模型，辅助医生进行手术规划和个性化治疗。

7.4人机融合与智能交互

人机融合是指将人类和计算机有机地融合在一起，实现更加自然、高效的人机交互。智能交互是指利用计算机技术实现的人机交互方式，可以感知用户的意图和需求，提供更加智能化的服务。

人机融合和智能交互已经成为了计算机图形学的重要研究方向之一。例如，在智能家居领域，通过人机融合和智能交互技术，用户可以通过语音、手势等自然方式控制家居设备，实现智能化的生活体验；在智能机器人领域，通过人机融合和智能交互技术，机器人可以感知用户的意图和需求，提供更加个性化的服务。

总之，并行计算与集群渲染、基于GPU的图形渲染、三维打印技术以及人机融合与智能交互等技术是计算机图形学领域的重要研究方向和发展趋势。它们不仅在计算机图形学领域有着广泛的应用前景，也为其他领域的创新发展提供了强有力的技术支持。第八章：图形学算法实现及案例分析参考文献8.1计算机图形学是一门研究计算机生成和操作图形的科学。自20世纪50年代以来，计算机图形学已经从一门少数专业人士掌握的技艺发展成为影响我们日常生活的关键技术。如今，无论是影视娱乐、建筑设计、教育、游戏还是医疗等领域，计算机图形学都发挥着不可或缺的作用。在本文中，我们将探讨《新编计算机图形学》中的几个关键主题，包括基本图形元素的实现方法、三维模型库的使用与扩展、真实感图形渲染的实现以及交互式图形应用的实现与优化。

8.1基本图形元素的实现方法

基本图形元素是构成复杂图形的基础，主要包括点、线、面、体等。在计算机图形学中，这些基本元素可以通过特定的数学模型进行表示和操作。例如，点可以表示为二维或三维坐标系中的坐标，线可以表示为两个点之间的连接关系，面可以表示为一条封闭的轮廓线所围成的区域，体则可以通过三维坐标系中的函数来表示。因此，实现基本图形元素的关键在于