目 錄

第1章 圖形系統(tǒng)和模型 1
1.1 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用 1
1.1.1 信息的顯示 1
1.1.2 設(shè)計(jì) 2
1.1.3 仿真和動(dòng)畫 3
1.1.4 用戶界面 4
1.2 圖形系統(tǒng) 5
1.2.1 像素和幀緩存 6
1.2.2 CPU與GPU 7
1.2.3 輸出設(shè)備 7
1.2.4 輸入設(shè)備 9
1.3 物理圖像與合成圖像 9
1.3.1 對(duì)象與觀察者 9
1.3.2 光和圖像 10
1.3.3 成像模型 11
1.4 成像系統(tǒng) 12
1.4.1 針孔照相機(jī) 13
1.4.2 人類視覺系統(tǒng) 14
1.5 虛擬照相機(jī)模型 14
1.6 應(yīng)用程序編程接口 16
1.6.1 筆式繪圖儀模型 16
1.6.2 三維API 18
1.6.3 使用WebGL API繪制的一系列
圖像 20
1.6.4 建模-繪制模式 22
1.7 圖形繪制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 23
1.7.1 顯示處理器 23
1.7.2 流水線體系結(jié)構(gòu) 24
1.7.3 圖形繪制流水線 24
1.7.4 頂點(diǎn)處理 24
1.7.5 裁剪和圖元組裝 25
1.7.6 光柵化 25
1.7.7 片元處理 25
1.8 可編程流水線 26
1.9 性能特征 26
1.10 OpenGL版本和WebGL 27
小結(jié)和注釋 28
建議閱讀資料 29
習(xí)題 29
第2章 圖形學(xué)編程 31
2.1 Sierpinski鏤墊 31
2.2 編寫二維圖形應(yīng)用程序 33
2.3 WebGL應(yīng)用程序編程接口 38
2.3.1 圖形函數(shù) 38
2.3.2 圖形繪制流水線和狀態(tài)機(jī) 40
2.3.3 OpenGL和WebGL 40
2.3.4 WebGL接口 41
2.3.5 坐標(biāo)系 42
2.4 圖元和屬性 43
2.4.1 多邊形的基本概念 45
2.4.2 WebGL中的多邊形 46
2.4.3 三角剖分 47
2.4.4 文本 48
2.4.5 頂點(diǎn)屬性 49
2.5 顏色 50
2.5.1 RGB顏色 51
2.5.2 查色表 53
2.5.3 設(shè)置顏色屬性 54
2.6 觀察 55
2.6.1 正投影視圖 55
2.6.2 二維觀察 56
2.7 控制函數(shù) 57
2.7.1 HTML canvas元素 57
2.7.2 寬高比和視口 58
2.7.3 應(yīng)用程序的執(zhí)行 59
2.8 Sierpinski鏤墊繪制程序 60
2.8.1 向GPU發(fā)送數(shù)據(jù) 62
2.8.2 繪制點(diǎn)數(shù)據(jù) 63
2.8.3 頂點(diǎn)著色器 63
2.8.4 片元著色器 64
2.8.5 組合各部分代碼 65
2.8.6 initShaders函數(shù) 66
2.8.7 init函數(shù) 67
2.8.8 在應(yīng)用程序中讀取著色器 67
2.9 使用多邊形和遞歸 68
2.10 三維Sierpinski鏤墊 69
2.10.1 使用三維點(diǎn) 70
2.10.2 使用多邊形的三維Sierpinski
鏤墊 73
2.10.3 隱藏面消除 75
小結(jié)和注釋 76
代碼示例 77
建議閱讀資料 78
習(xí)題 78
第3章 交互和動(dòng)畫 82
3.1 動(dòng)畫 82
3.1.1 旋轉(zhuǎn)的正方形 82
3.1.2 顯示過程 84
3.1.3 雙緩存 85
3.1.4 使用定時(shí)器 86
3.1.5 使用requestAnimationFrame
函數(shù) 86
3.2 交互 87
3.3 輸入設(shè)備 88
3.4 物理輸入設(shè)備 88
3.4.1 鍵碼 89
3.4.2 鼠標(biāo)和追蹤球 89
3.4.3 數(shù)據(jù)板、觸摸板和觸摸屏 90
3.4.4 多維輸入設(shè)備 91
3.4.5 邏輯設(shè)備 91
3.4.6 輸入模式 91
3.4.7 客戶端和服務(wù)器 93
3.5 基于事件驅(qū)動(dòng)輸入的編程 93
3.5.1 事件和事件監(jiān)聽器 93
3.5.2 增加按鈕 94
3.5.3 菜單 95
3.5.4 使用鍵碼 96
3.5.5 滑動(dòng)條 97
3.6 位置輸入 97
3.7 窗口事件 99
3.8 手勢(shì)和觸摸 100
3.9 拾取 101
3.10 交互式建模 101
3.11 交互式程序的設(shè)計(jì) 105
小結(jié)和注釋 106
代碼示例 106
建議閱讀資料 107
習(xí)題 107
第4章 幾何對(duì)象和變換 110
4.1 標(biāo)量、點(diǎn)和向量 110
4.1.1 幾何對(duì)象 110
4.1.2 坐標(biāo)無關(guān)的幾何 112
4.1.3 數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)：向量空間和仿射
空間 112
4.1.4 計(jì)算機(jī)科學(xué)的觀點(diǎn) 113
4.1.5 幾何ADT 114
4.1.6 直線 114
4.1.7 仿射加法 115
4.1.8 凸性 115
4.1.9 點(diǎn)積和叉積 116
4.1.10 平面 117
4.2 三維圖元 118
4.3 坐標(biāo)系和標(biāo)架 120
4.3.1 向量的表示和n元組 121
4.3.2 坐標(biāo)系的變換 122
4.3.3 舉例：不同基下的表示之間的
變換 124
4.3.4 齊次坐標(biāo) 124
4.3.5 舉例：標(biāo)架變換 127
4.3.6 使用表示 128
4.4 WebGL中的標(biāo)架 129
4.5 矩陣和向量類型 133
4.5.1 行主序和列主序矩陣表示 134
4.6 建模彩色立方體 134
4.6.1 建模立方體的面 135
4.6.2 向內(nèi)和向外的面 135
4.6.3 表示對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 136
4.6.4 彩色立方體 137
4.6.5 顏色插值 138
4.6.6 顯示立方體 139
4.6.7 使用元素繪制網(wǎng)格 139
4.6.8 圖元重啟 140
4.7 仿射變換 141
4.8 平移、旋轉(zhuǎn)和縮放 143
4.8.1 平移 143
4.8.2 旋轉(zhuǎn) 143
4.8.3 縮放 145
4.9 變換的齊次坐標(biāo)表示 146
4.9.1 平移 146
4.9.2 縮放 147
4.9.3 旋轉(zhuǎn) 147
4.9.4 錯(cuò)切 149
4.10 變換的級(jí)聯(lián) 149
4.10.1 不動(dòng)點(diǎn)在任意位置的旋轉(zhuǎn) 150
4.10.2 一般的旋轉(zhuǎn) 151
4.10.3 實(shí)例變換 152
4.10.4 繞任意軸的旋轉(zhuǎn) 153
4.11 WebGL中的變換矩陣 155
4.11.1 當(dāng)前變換矩陣 155
4.11.2 基本矩陣函數(shù) 156
4.11.3 旋轉(zhuǎn)、平移和縮放 157
4.11.4 繞任意不動(dòng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn) 157
4.11.5 變換的順序 158
4.12 旋轉(zhuǎn)立方體 158
4.12.1 uniform矩陣 160
4.13 平滑的旋轉(zhuǎn) 162
4.13.1 增量式旋轉(zhuǎn) 163
4.14 四元數(shù) 164
4.14.1 復(fù)數(shù)和四元數(shù) 164
4.14.2 四元數(shù)和旋轉(zhuǎn) 165
4.14.3 四元數(shù)和萬向節(jié)死鎖 166
4.15 三維應(yīng)用程序的接口 167
4.15.1 使用屏幕區(qū)域 167
4.15.2 虛擬追蹤球 168
4.15.3 用四元數(shù)實(shí)現(xiàn)追蹤球 169
小結(jié)和注釋 171
代碼示例 171
建議閱讀資料 171
習(xí)題 172
第5章 觀察 174
5.1 經(jīng)典觀察和計(jì)算機(jī)觀察 174
5.1.1 經(jīng)典觀察 175
5.1.2 正投影 176
5.1.3 軸測(cè)投影 176
5.1.4 斜投影 177
5.1.5 透視觀察 178
5.2 計(jì)算機(jī)觀察 179
5.3 定位照相機(jī) 180
5.3.1 從對(duì)象標(biāo)架到照相機(jī)標(biāo)架 180
5.3.2 兩個(gè)觀察API 183
5.3.3 lookAt函數(shù) 186
5.4 平行投影 188
5.4.1 正投影 188
5.4.2 WebGL中的平行投影 189
5.4.3 投影的規(guī)范化 190
5.4.4 正投影變換矩陣 190
5.4.5 斜投影 192
5.4.6 交互式觀察立方體 194
5.5 透視投影 196
5.5.1 簡(jiǎn)單的透視投影 196
5.6 WebGL中的透視投影 198
5.6.1 透視投影函數(shù) 199
5.7 透視投影變換矩陣 200
5.7.1 透視投影的規(guī)范化 200
5.7.2 WebGL中的透視投影變換 202
5.7.3 透視投影示例程序 204
5.8 隱藏面消除 204
5.8.1 背面剔除 206
5.9 顯示網(wǎng)格 206
5.9.1 將網(wǎng)格顯示為曲面 208
5.9.2 多邊形偏移 210
5.9.3 在場(chǎng)景中漫游 211
5.10 投影和陰影 211
5.10.1 基于投影的陰影生成 211
5.11 陰影貼圖 215
小結(jié)和注釋 216
代碼示例 216
建議閱讀資料 217
習(xí)題 217
第6章 光照和著色 219
6.1 光線和材質(zhì) 219
6.2 光源 221
6.2.1 彩色光源 222
6.2.2 環(huán)境光 222
6.2.3 點(diǎn)光源 222
6.2.4 聚光燈 223
6.2.5 遠(yuǎn)距離光源 224
6.3 Phong光照模型 224
6.3.1 環(huán)境光反射 226
6.3.2 漫反射 226
6.3.3 鏡面反射 227
6.3.4 改進(jìn)的Phong光照模型 229
6.4 計(jì)算向量 229
6.4.1 法向量 230
6.4.2 反射角 231
6.5 多邊形的著色 232
6.5.1 均勻著色 233
6.5.2 平滑著色和Gouraud著色 234
6.5.3 Phong著色 235
6.6 通過遞歸細(xì)分生成近似球面 236
6.7 指定光照參數(shù) 237
6.7.1 光源 238
6.7.2 材質(zhì) 239
6.8 實(shí)現(xiàn)光照模型 239
6.8.1 在WebGL應(yīng)用程序代碼中
應(yīng)用光照模型 239
6.8.2 繪制效率 242
6.8.3 在頂點(diǎn)著色器中實(shí)現(xiàn)光照
計(jì)算 243
6.9 球面模型的著色 246
6.10 基于每個(gè)片元的光照計(jì)算 248
6.11 非真實(shí)感著色 249
6.12 全局光照 250
小結(jié)和注釋 251
代碼示例 252
建議閱讀資料 252
習(xí)題 253
第7章 紋理映射 255
7.1 緩存 255
7.2 數(shù)字圖像 256
7.3 映射方法 259
7.4 二維紋理映射 261
7.5 WebGL中的紋理映射 265
7.5.1 紋理對(duì)象 266
7.5.2 紋理圖像數(shù)組 266
7.5.3 紋理坐標(biāo)和紋理采樣器 267
7.5.4 紋理采樣 271
7.5.5 使用紋理坐標(biāo) 273
7.5.6 三維紋理映射 274
7.5.7 多紋理映射 279
7.6 環(huán)境映射 281
7.7 反射映射示例程序 285
7.8 凹凸映射 288
7.8.1 計(jì)算凹凸貼圖 289
7.8.2 凹凸映射示例程序 291
小結(jié)和注釋 295
代碼示例 295
建議閱讀資料 296
習(xí)題 296
第8章 使用幀緩存 298
8.1 混合技術(shù) 298
8.1.1 不透明度與混合 298
8.1.2 圖像混合 299
8.1.3 WebGL中的圖像混合 299
8.1.4 重溫反走樣 301
8.1.5 從后向前或從前向后繪制
多邊形 302
8.1.6 場(chǎng)景反走樣和多重采樣 303
8.2 圖像處理 303
8.2.1 其他多重繪制方法 304
8.3 GPGPU 305
8.4 幀緩存對(duì)象 308
8.5 多重繪制技術(shù) 313
8.5.1 環(huán)境光遮蔽 313
8.5.2 延遲光照 315
8.6 緩存交換 316
8.7 拾取 317
8.8 陰影貼圖 321
8.9 投影紋理 324
小結(jié)和注釋 326
代碼示例 326
建議閱讀資料 327
習(xí)題 327
第9章 層級(jí)建模方法 328
9.1 幾何圖形和實(shí)例 328
9.2 層級(jí)模型 330
9.3 機(jī)器人手臂 331
9.4 樹與遍歷 333
9.4.1 基于棧的遍歷方法 335
9.5 使用樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 337
9.6 動(dòng)畫 340
9.7 圖形對(duì)象 341
9.7.1 方法、屬性和消息 342
9.7.2 立方體對(duì)象 343
9.7.3 WebGL中的實(shí)例化 345
9.7.4 對(duì)象與層級(jí)結(jié)構(gòu) 347
9.7.5 幾何對(duì)象與非幾何對(duì)象 348
9.8 場(chǎng)景圖 348
9.9 實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景圖 350
9.9.1 three.js示例 351
9.10 其他樹結(jié)構(gòu) 354
9.10.1 CSG樹 354
9.10.2 BSP樹 355
9.10.3 四叉樹和八叉樹 357
小結(jié)和注釋 358
代碼示例 359
建議閱讀資料 359
習(xí)題 359
第10章 過程建模方法 361
10.1 基于算法的建模 361
10.2 基于物理的建模和粒子系統(tǒng) 362
10.3 牛頓粒子 363
10.3.1 獨(dú)立的粒子 364
10.3.2 彈簧力 365
10.3.3 吸引力和排斥力 366
10.4 求解粒子系統(tǒng) 367
10.5 約束條件 369
10.5.1 碰撞 369
10.5.2 軟約束 371
10.6 一個(gè)簡(jiǎn)單的粒子系統(tǒng) 371
10.6.1 繪制粒子 372
10.6.2 更新粒子的位置 372
10.6.3 碰撞 372
10.6.4 作用力 373
10.6.5 群集行為 374
10.7 基于agent的建模 374
10.8 使用點(diǎn)精靈 377
10.9 基于語言的建模 380
10.10 遞歸方法和分形 383
10.10.1 標(biāo)尺和長(zhǎng)度 383
10.10.2 分形維數(shù) 384
10.10.3 中點(diǎn)劃分及布朗運(yùn)動(dòng) 385
10.10.4 分形山脈 386
10.10.5 Mandelbrot集 386
10.10.6 Mandelbrot片元著色器 389
10.11 過程噪聲 390
小結(jié)和注釋 392
代碼示例 392
建議閱讀資料 393
習(xí)題 393
第11章 曲線和曲面 395
11.1 曲線和曲面的表示 395
11.1.1 顯式表示形式 395
11.1.2 隱式表示形式 396
11.1.3 參數(shù)表示形式 397
11.1.4 參數(shù)多項(xiàng)式曲線 398
11.1.5 參數(shù)多項(xiàng)式曲面 398
11.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 399
11.3 三次參數(shù)多項(xiàng)式曲線 400
11.4 插值 401
11.4.1 調(diào)和函數(shù) 402
11.4.2 三次插值曲面片 403
11.5 Hermite曲線和曲面 405
11.5.1 Hermite形式 405
11.5.2 幾何與參數(shù)連續(xù)性 406
11.6 Bézier曲線和曲面 407
11.6.1 Bézier曲線 407
11.6.2 Bézier曲面片 409
11.7 三次B樣條 410
11.7.1 三次B樣條曲線 410
11.7.2 B樣條和基函數(shù) 412
11.7.3 樣條曲面 413
11.8 通用B樣條 413
11.8.1 B樣條的遞歸定義 414
11.8.2 均勻樣條 415
11.8.3 非均勻B樣條 415
11.8.4 NURBS 415
11.8.5 Catmull-Rom樣條 416
11.9 繪制曲線和曲面 417
11.9.1 多項(xiàng)式求值方法 418
11.9.2 遞歸細(xì)分Bézier多項(xiàng)式 419
11.9.3 基于細(xì)分算法的其他多項(xiàng)式
曲線的繪制 420
11.9.4 細(xì)分Bézier曲面 421
11.10 Utah茶壺 422
11.11 代數(shù)曲面 424
11.11.1 二次曲面 424
11.11.2 使用光線投射繪制曲面 424
11.12 曲線和曲面細(xì)分 425
11.12.1 網(wǎng)格細(xì)分 426
11.13 從數(shù)據(jù)生成網(wǎng)格 428
11.13.1 回顧高度場(chǎng) 428
11.13.2 Delaunay三角剖分 428
11.13.3 點(diǎn)云 430
11.14 支持曲線和曲面的圖形API 431
11.14.1 曲面細(xì)分著色 431
11.14.2 幾何著色 432
小結(jié)和注釋 432
代碼示例 432
建議閱讀資料 433
習(xí)題 433
第12章 從幾何到像素 435
12.1 基本的繪制策略 435
12.2 繪制流水線 437
12.2.1 建模 438
12.2.2 幾何處理 438
12.2.3 光柵化 439
12.2.4 片元處理 439
12.3 裁剪 440
12.3.1 裁剪簡(jiǎn)介 440
12.3.2 包圍盒與包圍體 441
12.3.3 使用平面裁剪對(duì)象 442
12.4 光柵化 443
12.5 多邊形光柵化算法 445
12.5.1 內(nèi)外測(cè)試法 445
12.5.2 WebGL與凹多邊形 446
12.6 隱藏面消除 448
12.6.1 對(duì)象空間和圖像空間消隱
算法 448
12.6.2 排序與隱藏面消除 449
12.6.3 掃描線填充算法 449
12.6.4 背面剔除 450
12.6.5 z緩存算法 451
12.6.6 深度排序和畫家算法 453
12.7 硬件實(shí)現(xiàn) 455
12.8 反走樣 457
12.9 顯示方面的問題 459
12.9.1 顏色系統(tǒng) 459
12.9.2 顏色矩陣 462
12.9.3 ? 校正 462
12.9.4 抖動(dòng)與半色調(diào) 463
小結(jié)和注釋 463
建議閱讀資料 465
習(xí)題 465
第13章 高級(jí)繪制 468
13.1 超越流水線繪制結(jié)構(gòu) 468
13.2 光線跟蹤 468
13.3 構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的光線跟蹤器 471
13.3.1 光線跟蹤遞歸算法 471
13.3.2 計(jì)算交點(diǎn) 472
13.3.3 其他不同形式的光線跟蹤 474
13.4 繪制方程 475
13.5 全局光照和路徑跟蹤 477
13.6 RenderMan 478
13.7 并行繪制 479
13.7.1 sort-middle繪制方法 480
13.7.2 sort-last繪制方法 480
13.7.3 sort-first繪制方法 483
13.8 隱函數(shù)和等高線圖 483
13.8.1 步進(jìn)方格 483
13.8.2 步進(jìn)三角形 487
13.9 體繪制 487
13.9.1 體數(shù)據(jù)集 487
13.9.2 隱函數(shù)的可視化 488
13.10 等值面與步進(jìn)立方體 489
13.11 步進(jìn)四面體 491
13.12 網(wǎng)格簡(jiǎn)化 492
13.13 直接體繪制 492
13.13.1 指定顏色和透明度 493
13.13.2 拋雪球算法 493
13.13.3 體光線跟蹤 494
13.13.4 基于紋理映射的體繪制 495
13.14 基于圖像的繪制 495
13.14.1 到立體像對(duì)的距離 496
13.14.2 基礎(chǔ)矩陣 497
13.15 虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合
現(xiàn)實(shí) 498
13.16 最后一個(gè)示例 499
小結(jié)和注釋 500
建議閱讀資料 501
習(xí)題 501
附錄A 初始化著色器 503
附錄B 空間 507
附錄C 矩陣 513
附錄D 采樣與走樣 521
參考文獻(xiàn) 527