计算机图形学
点击看大图基本信息
编辑推荐
顶尖图形学专家Steve Cunningham 先生中国行报道 请查看
推荐阅读
内容简介回到顶部↑
《计算机图形学》与大多数传统的计算机图形学教材不同，它仅简要介绍交互式计算机图形学方面的基本知识，主要侧重于介绍计算机图形学在数学及其他科学领域的应用，解决实际问题。《计算机图形学》按照计算机图形学的传统顺序介绍视觉交流、视图变换和投影处理、建模、绘制、光照、着色处理，以及opengl api如何实现基本概念和技术，使学生理解并学会使用图形api实现图形操作，为观察者创造有效的图像。
作译者回到顶部↑
目录回到顶部↑
出版者的话
译者序
前言
第0章 导论1
0.1 视觉交流与计算机图形学1
0.2 视觉交流的基本概念2
0.2.1 使用合适的信息表示方式2
0.2.2 图像应突出重点2
0.2.3 使用合适的信息展示级别2
0.2.4 采用合适的信息格式3
0.2.5 注意图像显示的准确性3
0.2.6 理解并尊重观众的文化背景3
0.2.7 使交互成为用户熟悉的高效操作4
0.3 三维几何和几何流水线5
0.3.1 场景与视图5
0.3.2 三维模型坐标系5
0.3.3 三维世界坐标系5
0.3.4 三维眼坐标系6
0.3.5 投影6
译者序回到顶部↑
我们应机械工业出版社编辑的邀请，组织翻译本书，这本书的作者Steve Cunningham先生是美国著名的图形学专家，曾经担任过ACM SIGGRAPH学会的主席和EUROGRAPHICS学会教育委员会的主任，并曾多次组织计算机图形学和可视化教学研讨会。.
Steve Cunningham先生也是我们在美国的老朋友，他多次应邀访问中国，为我们做学术报告，对中美两国在计算机图形学方面的学术交流做出了重要贡献。另外，他对中国的美丽风景也是情有独钟，仅在2006年，他就三次来我国访问旅游。Steve Cunningham先生是美国加州大学Stanislaus分校计算机系资深教授，长期从事计算机图形学教学和研究工作。他对计算机图形学理论和OpenGL编程均有很深的造诣。他愿意花时间把自己的经验写出来和大家分享是一件非常好的事情。
图形学理论经过这么多年的发展，图形学技术本身也发生了很大的变化，可以用下面两句话来概括图形学的发展：
绘点绘线绘面绘体，描绘五彩世界
求好求快求新求美，追求永无止境
OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计接口（API），适用于广泛的计算机环境，它已成为目前的三维图形开发标准，是从事三维图形开发工作的技术人员所必须掌握的开发工具。OpenGL有十分广泛的应用领域，如军事、电视广播、CAD/CAM/CAE、娱乐、艺术造型、医疗影像、虚拟现实等。本书的内容及特点可以用下面的对联给以概括：
投影变换建模绘制流水线着色处理，循序渐进..
坐标视图颜色光照场景图视觉交流，由浅入深
就像本书作者在前言中所叙述的，本书非常适合于作为图形学的教材来用，也适合学习图形学及图形编程的自学者阅读。本书系统地介绍了交互式计算机图形学的基础知识和OpenGL图形接口，并给出一些例子帮助理解OpenGL提供的功能，每章附有思考题、练习题、实验题和大型作业，供读者检查自己掌握本书内容的程度。因此，本书是一本优秀的计算机图形学教材。
我们给本书读者提出的希望是：认认真真，夯实图形基础；踏踏实实，掌握编程技巧。希望读者通过本书的学习，能理解图形学的精髓、学会图形编程技术、找到一份好的工作。诚能如此，我们也就很欣慰了。
最后，要感谢参加本书翻译工作的张明敏副教授和各位研究生，他们各自负责翻译的部分是：前言和第0章（陈薇薇）、第1章和第6章（潘卫敏）、第2章和第3章（程熙）、第4章和第9章（朱杰杰）、第5章和第8章（张明敏）、第7章和第11章（王田和王总辉）、第10章和第15章（彭浩宇）、第12章和第13章（熊华）、第14章和附录（张亚萍）。本书由石教英教授负责审校前言、第0章、第7章、第10～15章和附录，由潘志庚研究员负责审校第1～6章、第8章和第9章。另外，我们也要感谢机械工业出版社的编辑的组织和指导工作。
由于时间仓促，本书的翻译难免有疏漏和不当之处，敬请读者指正，我们会在后续的版本中更正。
感谢Mike Bailey提供优秀的计算机图形学教学示例和本书的许多写作思路。
封面照片是中国安徽省黄山著名风景—“猴子观海”。这张照片由本书作者摄于2006年6月的一次日出前。日出时刻是公认的观看黄山云海的最佳时间。下面这张黑白照片是“猴子观海”景点的铭牌。
作者以封面照片献给浙江大学石教英教授，一位中国计算机图形学界长期以来的领军人物。照片上的那只石猴子看起来很像一名学生正在沉思他的课程作业（当然是计算机图形学作业！）。
石教英、潘志庚
2007年12月于浙江大学...
Steve Cunningham先生也是我们在美国的老朋友，他多次应邀访问中国，为我们做学术报告，对中美两国在计算机图形学方面的学术交流做出了重要贡献。另外，他对中国的美丽风景也是情有独钟，仅在2006年，他就三次来我国访问旅游。Steve Cunningham先生是美国加州大学Stanislaus分校计算机系资深教授，长期从事计算机图形学教学和研究工作。他对计算机图形学理论和OpenGL编程均有很深的造诣。他愿意花时间把自己的经验写出来和大家分享是一件非常好的事情。
图形学理论经过这么多年的发展，图形学技术本身也发生了很大的变化，可以用下面两句话来概括图形学的发展：
绘点绘线绘面绘体，描绘五彩世界
求好求快求新求美，追求永无止境
OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计接口（API），适用于广泛的计算机环境，它已成为目前的三维图形开发标准，是从事三维图形开发工作的技术人员所必须掌握的开发工具。OpenGL有十分广泛的应用领域，如军事、电视广播、CAD/CAM/CAE、娱乐、艺术造型、医疗影像、虚拟现实等。本书的内容及特点可以用下面的对联给以概括：
投影变换建模绘制流水线着色处理，循序渐进..
坐标视图颜色光照场景图视觉交流，由浅入深
就像本书作者在前言中所叙述的，本书非常适合于作为图形学的教材来用，也适合学习图形学及图形编程的自学者阅读。本书系统地介绍了交互式计算机图形学的基础知识和OpenGL图形接口，并给出一些例子帮助理解OpenGL提供的功能，每章附有思考题、练习题、实验题和大型作业，供读者检查自己掌握本书内容的程度。因此，本书是一本优秀的计算机图形学教材。
我们给本书读者提出的希望是：认认真真，夯实图形基础；踏踏实实，掌握编程技巧。希望读者通过本书的学习，能理解图形学的精髓、学会图形编程技术、找到一份好的工作。诚能如此，我们也就很欣慰了。
最后，要感谢参加本书翻译工作的张明敏副教授和各位研究生，他们各自负责翻译的部分是：前言和第0章（陈薇薇）、第1章和第6章（潘卫敏）、第2章和第3章（程熙）、第4章和第9章（朱杰杰）、第5章和第8章（张明敏）、第7章和第11章（王田和王总辉）、第10章和第15章（彭浩宇）、第12章和第13章（熊华）、第14章和附录（张亚萍）。本书由石教英教授负责审校前言、第0章、第7章、第10～15章和附录，由潘志庚研究员负责审校第1～6章、第8章和第9章。另外，我们也要感谢机械工业出版社的编辑的组织和指导工作。
由于时间仓促，本书的翻译难免有疏漏和不当之处，敬请读者指正，我们会在后续的版本中更正。
感谢Mike Bailey提供优秀的计算机图形学教学示例和本书的许多写作思路。
封面照片是中国安徽省黄山著名风景—“猴子观海”。这张照片由本书作者摄于2006年6月的一次日出前。日出时刻是公认的观看黄山云海的最佳时间。下面这张黑白照片是“猴子观海”景点的铭牌。
作者以封面照片献给浙江大学石教英教授，一位中国计算机图形学界长期以来的领军人物。照片上的那只石猴子看起来很像一名学生正在沉思他的课程作业（当然是计算机图形学作业！）。
石教英、潘志庚
2007年12月于浙江大学...
前言回到顶部↑
计算机技术对世界产生了重大影响，而计算机图形学正是其最令人振奋的成就之一。图形学渗透到我们生活的方方面面，从可以利用电子表格轻松地创建能够看到数据的图表，到可以通过图形学提供各种动画、特殊效果来增强娱乐性，再到借助图形更直观地展示和理解科学原理等。这些重要作用源于计算机系统中图形硬件与软件的不断进步。正是这些改进和提高，计算机图形学已成为不再需要昂贵的计算机和帧缓存，也不再要求程序员掌握生成图像所需要的所有数学和算法知识的高端技术领域。计算机图形学已经演化成一门让图形程序员关注高层建模、创造与用户有高度交互性场景的学科。我们认为，初级计算机图形学课程的重点在于指导学生如何利用计算机图形学知识建立与用户的有效交流，例如交互和动画技术。图形学相关的算法与数学方面的更多技术细节将在图形学的高级课程中介绍。.
什么是计算机图形学
计算机图形学研究的是应用计算机产生图像的所有工作，不管图像是静态的还是动态的，可交互的还是固定的，用于电影的、视频的、屏幕显示的还是打印输出的。这种特质使得计算机图形学有着非常广泛的应用领域，包括创意、商业或科学领域的许多应用。图形学广泛的应用范围促使我们为所有这些不同的领域开发出各种有用的生成图像和操纵图像的工具。
而大量图形工具与应用实例也意味着我们可以借此了解和学习图形学的许多知识。
目前大部分计算机图形学方面的书籍可分为两类。第一类是传统的图形学教科书，强调建模、绘制、视图变换方面的算法与技术。这些都是很重要的概念，但是过分强调图像生成过程容易忽略图像内容。第二类着眼于图像生成的各种应用，特别是商业与娱乐行业的应用。这类课程受限于应用领域的需求和局限性，无法拓展到应用中未提到的部分。在学习应用实例时会提到一些基本概念，但重点还是学习应用本身。
本书将算法与应用结合起来。我们不过分强调计算机图形学领域内的算法与技术细节，也不会专注于图像生成的应用，而是将计算机图形学视为对图像内容中的几何、外观和表示等属性编程，并将编程结果展示在图形输出与交互设备上，从而生成合成图像的一门学科。这种强调通过编程方法生成图像的方式意味着我们必须掌握一些基本概念，因为我们要学会用计算机可理解的方式表示图形与交互的概念。这种强调通过编程生成图像的方法可以让学生掌握整个图像生成的过程，因而对学生既有机遇又有挑战。
掌握图像生成过程并非最终目标，由于图像会向其观察者传达某种信息，因此图像本身也很重要。我们要考虑图像的视觉交流效果。因此，图形学专业人员所做的图像生成工作包括理解图像表达的内容、开发组成图像的几何对象表示方法，将这些对象在几何空间组织起来以符合图像所需的关系，定义和表示场景中的每个对象，指定观察场景的方法和指定将看到的场景显示在图形设备上的方法。编程方法有很多种，但当前实践应用中通常采用能支持必要建模的与能完成通过编程定义的场景绘制工作的图形API。目前有很多的图形API，但OpenGL可能是目前应用最广泛的图形API，它提供了一个很好的学习图形技术的平台。
除了建模、视图变换、场景外观属性表示之外，图形学专业人员还有另外两个重要任务。
由于静态图像携带的信息量不如动态图像多，因此，在场景中加入运动信息（即定义图像动画）很重要。由于观察者希望或需要改变图像的内容、观察方式或图像的计算方法，因此，为用户设计与场景的交互方式也是十分重要的。图形API也支持这些额外的任务。
什么是图形API
API即应用编程接口（Application Programming Interface），是可供程序员开发应用程序的工具集。API的工具面向应用领域的具体任务，可以让程序员使用该领域的概念开发应用程序，而无需了解计算机系统的细节。API的作用在于屏蔽了任意一个计算机系统的细节，可以让程序员开发的应用程序运行在许多系统上。因此，图形API就是允许程序员开发包含交互式计算机图形操作的应用而不需要关注图形操作细节或任务系统细节（比如窗口处理和交互）的工具集。
本书除了包含交互式计算机图形学的基本知识外，还将介绍OpenGL图形API，并给出一些例子帮助理解OpenGL提供的功能，帮助大家学习将图形学编程与自己的工作相结合的方法。
与大多数API一样，OpenGL除了提供本书中提到的入门内容之外，还支持很多高级操作。如果你需要进一步了解，请参考资源网站http://www.opengl.org/。
为什么需要计算机图形学
计算机图形学包含很多方面，因此，需要计算机图形学有很多原因。计算机图形学的一些最突出的应用是为许多用途创建图像，例如科学用途(将科学成果通过可视化的方式展示和解释给公众)，娱乐用途（电影、视频游戏和特效），创意或艺术创作（艺术品、交互式影像装置），商业用途（广告、通信、产品设计），或日常交流（天气预报动画展示、图形资讯）等。本书提到的方法都是这些应用的基础，虽然有些应用可能涉及一些简单API编程无法达到的图像特殊效果或真实感效果。
在上文提到的所有应用领域，甚至更多领域中，计算机图形学在问题求解方面扮演非常重要的角色。问题求解是人们日常生活经常遇到的过程，因而，计算机图形学几乎在所有的领域都扮演着重要的角色，如图1所示。该图描述了问题求解过程：
.提出问题
.通过建模表达问题，使问题更抽象地表达
.提出用几何模型表示问题的方法
.由几何模型生成图像，将问题可视化
什么是计算机图形学
计算机图形学研究的是应用计算机产生图像的所有工作，不管图像是静态的还是动态的，可交互的还是固定的，用于电影的、视频的、屏幕显示的还是打印输出的。这种特质使得计算机图形学有着非常广泛的应用领域，包括创意、商业或科学领域的许多应用。图形学广泛的应用范围促使我们为所有这些不同的领域开发出各种有用的生成图像和操纵图像的工具。
而大量图形工具与应用实例也意味着我们可以借此了解和学习图形学的许多知识。
目前大部分计算机图形学方面的书籍可分为两类。第一类是传统的图形学教科书，强调建模、绘制、视图变换方面的算法与技术。这些都是很重要的概念，但是过分强调图像生成过程容易忽略图像内容。第二类着眼于图像生成的各种应用，特别是商业与娱乐行业的应用。这类课程受限于应用领域的需求和局限性，无法拓展到应用中未提到的部分。在学习应用实例时会提到一些基本概念，但重点还是学习应用本身。
本书将算法与应用结合起来。我们不过分强调计算机图形学领域内的算法与技术细节，也不会专注于图像生成的应用，而是将计算机图形学视为对图像内容中的几何、外观和表示等属性编程，并将编程结果展示在图形输出与交互设备上，从而生成合成图像的一门学科。这种强调通过编程方法生成图像的方式意味着我们必须掌握一些基本概念，因为我们要学会用计算机可理解的方式表示图形与交互的概念。这种强调通过编程生成图像的方法可以让学生掌握整个图像生成的过程，因而对学生既有机遇又有挑战。
掌握图像生成过程并非最终目标，由于图像会向其观察者传达某种信息，因此图像本身也很重要。我们要考虑图像的视觉交流效果。因此，图形学专业人员所做的图像生成工作包括理解图像表达的内容、开发组成图像的几何对象表示方法，将这些对象在几何空间组织起来以符合图像所需的关系，定义和表示场景中的每个对象，指定观察场景的方法和指定将看到的场景显示在图形设备上的方法。编程方法有很多种，但当前实践应用中通常采用能支持必要建模的与能完成通过编程定义的场景绘制工作的图形API。目前有很多的图形API，但OpenGL可能是目前应用最广泛的图形API，它提供了一个很好的学习图形技术的平台。
除了建模、视图变换、场景外观属性表示之外，图形学专业人员还有另外两个重要任务。
由于静态图像携带的信息量不如动态图像多，因此，在场景中加入运动信息（即定义图像动画）很重要。由于观察者希望或需要改变图像的内容、观察方式或图像的计算方法，因此，为用户设计与场景的交互方式也是十分重要的。图形API也支持这些额外的任务。
什么是图形API
API即应用编程接口（Application Programming Interface），是可供程序员开发应用程序的工具集。API的工具面向应用领域的具体任务，可以让程序员使用该领域的概念开发应用程序，而无需了解计算机系统的细节。API的作用在于屏蔽了任意一个计算机系统的细节，可以让程序员开发的应用程序运行在许多系统上。因此，图形API就是允许程序员开发包含交互式计算机图形操作的应用而不需要关注图形操作细节或任务系统细节（比如窗口处理和交互）的工具集。
本书除了包含交互式计算机图形学的基本知识外，还将介绍OpenGL图形API，并给出一些例子帮助理解OpenGL提供的功能，帮助大家学习将图形学编程与自己的工作相结合的方法。
与大多数API一样，OpenGL除了提供本书中提到的入门内容之外，还支持很多高级操作。如果你需要进一步了解，请参考资源网站http://www.opengl.org/。
为什么需要计算机图形学
计算机图形学包含很多方面，因此，需要计算机图形学有很多原因。计算机图形学的一些最突出的应用是为许多用途创建图像，例如科学用途(将科学成果通过可视化的方式展示和解释给公众)，娱乐用途（电影、视频游戏和特效），创意或艺术创作（艺术品、交互式影像装置），商业用途（广告、通信、产品设计），或日常交流（天气预报动画展示、图形资讯）等。本书提到的方法都是这些应用的基础，虽然有些应用可能涉及一些简单API编程无法达到的图像特殊效果或真实感效果。
在上文提到的所有应用领域，甚至更多领域中，计算机图形学在问题求解方面扮演非常重要的角色。问题求解是人们日常生活经常遇到的过程，因而，计算机图形学几乎在所有的领域都扮演着重要的角色，如图1所示。该图描述了问题求解过程：
.提出问题
.通过建模表达问题，使问题更抽象地表达
.提出用几何模型表示问题的方法
.由几何模型生成图像，将问题可视化
序言回到顶部↑
文艺复兴以降，源远流长的科学精神和逐步形成的学术规范，使西方国家在自然科学的各个领域取得了垄断性的优势；也正是这样的传统，使美国在信息技术发展的六十多年间名家辈出、独领风骚。在商业化的进程中，美国的产业界与教育界越来越紧密地结合，计算机学科中的许多泰山北斗同时身处科研和教学的最前线，由此而产生的经典科学著作，不仅擘划了研究的范畴，还揭示了学术的源变，既遵循学术规范，又自有学者个性，其价值并不会因年月的流逝而减退。.
近年，在全球信息化大潮的推动下，我国的计算机产业发展迅猛，对专业人才的需求日益迫切。这对计算机教育界和出版界都既是机遇，也是挑战；而专业教材的建设在教育战略上显得举足轻重。在我国信息技术发展时间较短的现状下，美国等发达国家在其计算机科学发展的几十年间积淀和发展的经典教材仍有许多值得借鉴之处。因此，引进一批国外优秀计算机教材将对我国计算机教育事业的发展起到积极的推动作用，也是与世界接轨、建设真正的世界一流大学的必由之路。
机械工业出版社华章分社较早意识到“出版要为教育服务”。自1998年开始，华章分社就将工作重点放在了遴选、移译国外优秀教材上。经过多年的不懈努力，我们与Pearson，McGraw-Hill，Elsevier，MIT，John Wiley & Sons，Cengage等世界著名出版公司建立了良好的合作关系，从他们现有的数百种教材中甄选出Andrew S. Tanenbaum，Bjarne Stroustrup，Brain W. Kernighan，Dennis Ritchie，Jim Gray，Afred V. Aho，John E. Hopcroft，Jeffrey D.Ullman，Abraham Silberschatz，William Stallings，Donald E. Knuth，John L. Hennessy，LarryL. Peterson等大师名家的一批经典作品，以“计算机科学丛书”为总称出版，供读者学习、研究及珍藏。大理石纹理的封面，也正体现了这套丛书的品位和格调。..
“计算机科学丛书”的出版工作得到了国内外学者的鼎力襄助，国内的专家不仅提供了中肯的选题指导，还不辞劳苦地担任了翻译和审校的工作；而原书的作者也相当关注其作品在中国的传播，有的还专程为其书的中译本作序。迄今，“计算机科学丛书”已经出版了近两百个品种，这些书籍在读者中树立了良好的口碑，并被许多高校采用为正式教材和参考书籍。
其影印版“经典原版书库”作为姊妹篇也被越来越多实施双语教学的学校所采用。
权威的作者、经典的教材、一流的译者、严格的审校、精细的编辑，这些因素使我们的图书有了质量的保证。随着计算机科学与技术专业学科建设的不断完善和教材改革的逐渐深化，教育界对国外计算机教材的需求和应用都将步入一个新的阶段，我们的目标是尽善尽美，而反馈的意见正是我们达到这一终极目标的重要帮助。华章分社欢迎老师和读者对我们的工作提出建议或给予指正，我们的联系方法如下：
华章网站：www.hzbook.com
电子邮件：hzedu@hzbook.com
联系电话：（010）68995264
联系地址：北京市西城区百万庄南街1号
邮政编码：100037 华章科技图书出版中心
出版者的话
华章教育...
近年，在全球信息化大潮的推动下，我国的计算机产业发展迅猛，对专业人才的需求日益迫切。这对计算机教育界和出版界都既是机遇，也是挑战；而专业教材的建设在教育战略上显得举足轻重。在我国信息技术发展时间较短的现状下，美国等发达国家在其计算机科学发展的几十年间积淀和发展的经典教材仍有许多值得借鉴之处。因此，引进一批国外优秀计算机教材将对我国计算机教育事业的发展起到积极的推动作用，也是与世界接轨、建设真正的世界一流大学的必由之路。
机械工业出版社华章分社较早意识到“出版要为教育服务”。自1998年开始，华章分社就将工作重点放在了遴选、移译国外优秀教材上。经过多年的不懈努力，我们与Pearson，McGraw-Hill，Elsevier，MIT，John Wiley & Sons，Cengage等世界著名出版公司建立了良好的合作关系，从他们现有的数百种教材中甄选出Andrew S. Tanenbaum，Bjarne Stroustrup，Brain W. Kernighan，Dennis Ritchie，Jim Gray，Afred V. Aho，John E. Hopcroft，Jeffrey D.Ullman，Abraham Silberschatz，William Stallings，Donald E. Knuth，John L. Hennessy，LarryL. Peterson等大师名家的一批经典作品，以“计算机科学丛书”为总称出版，供读者学习、研究及珍藏。大理石纹理的封面，也正体现了这套丛书的品位和格调。..
“计算机科学丛书”的出版工作得到了国内外学者的鼎力襄助，国内的专家不仅提供了中肯的选题指导，还不辞劳苦地担任了翻译和审校的工作；而原书的作者也相当关注其作品在中国的传播，有的还专程为其书的中译本作序。迄今，“计算机科学丛书”已经出版了近两百个品种，这些书籍在读者中树立了良好的口碑，并被许多高校采用为正式教材和参考书籍。
其影印版“经典原版书库”作为姊妹篇也被越来越多实施双语教学的学校所采用。
权威的作者、经典的教材、一流的译者、严格的审校、精细的编辑，这些因素使我们的图书有了质量的保证。随着计算机科学与技术专业学科建设的不断完善和教材改革的逐渐深化，教育界对国外计算机教材的需求和应用都将步入一个新的阶段，我们的目标是尽善尽美，而反馈的意见正是我们达到这一终极目标的重要帮助。华章分社欢迎老师和读者对我们的工作提出建议或给予指正，我们的联系方法如下：
华章网站：www.hzbook.com
电子邮件：hzedu@hzbook.com
联系电话：（010）68995264
联系地址：北京市西城区百万庄南街1号
邮政编码：100037 华章科技图书出版中心
出版者的话
华章教育...
加载中...
