本书是一本理论与实践相结合的计算机图形学教材。

本书在全面介绍计算机图形学的基本理论及相关概念的基础上，着重对图元生成、几何变换与观察、曲线曲面生成、消隐算法、光照与颜色模型和几何造型等相关技术进行详细而系统的论述，并增加了计算机动画、虚拟现实与数字图像处理等应用技术与相关学科的描述。

全书共分3篇： 第一篇（第1～4章）为基础图形理论与算法，着重介绍计算机图形学的定义与图形软件系统、图元生成技术、图形的几何变换及图形观察； 第二篇（第5～7章）为复杂图形构造理论，着重讨论曲线曲面生成技术、真实感图形生成及几何造型技术； 第三篇（第8～10章）为计算机图形学应用领域与相关学科，包括计算机动画、虚拟现实技术及数字图像处理技术。

本书适合作为高等院校计算机、软件工程等专业的高年级本科生及研究生的计算机图形学课程的教材，同时可供图形、图像处理技术及其他有关的工程技术人员参考。

第一篇基础图形理论与算法

第1章概述

1.1计算机图形学的定义与发展

1.2计算机图形系统简介

1.2.1视频显示设备与显示系统

1.2.2图形输入设备

1.3计算机图形软件系统简介

1.4本章小结

1.5习题

第2章图元生成技术

2.1直线生成算法

2.1.1DDA（数值微分）画线算法

2.1.2中点画线法

2.1.3Bresenham算法

2.2圆与椭圆的生成算法

2.2.1圆的特征

2.2.2中点画圆算法

2.2.3中点椭圆生成算法

2.3多边形的区域填充

2.3.1多边形填充的基础理论

2.3.2多边形的扫描线填充算法

2.3.3边填充算法

2.3.4种子填充算法

2.4本章小结

2.5习题

第3章图形的几何变换

3.1几何变换的数学基础

3.2二维基本几何变换

3.2.1平移、缩放、旋转变换

3.2.2复合变换

3.2.3对称变换

3.2.4错切变换

3.3三维基本几何变换

3.3.1三维平移变换

3.3.2三维旋转变换

3.3.3三维缩放变换

3.4本章小结

3.5习题

第4章图形观察

4.1二维观察

4.1.1二维观察的基本概念

4.1.2二维点裁剪

4.1.3二维线裁剪

4.1.4多边形区域裁剪

4.2三维观察

4.2.1三维观察的基本概念

4.2.2平行投影

4.2.3透视投影

4.3本章小结

4.4习题

第二篇复杂图形构造理论

第5章曲线曲面生成与设计

5.1曲线与曲面理论基础

5.1.1样条曲线简介

5.1.2三次样条

5.2Bezieacute;r曲线与曲面

5.2.1Bezieacute;r曲线的定义

5.2.2Bezieacute;r曲线的性质

5.2.3按不同次数给出Bezieacute;r曲线的描述

5.2.4Bezieacute;r曲线的De Casteljau递推算法

5.2.5Bezieacute;r曲线的拼接

5.2.6反求Bezieacute;r曲线控制点的方法

5.2.7Bezieacute;r曲面

5.3B样条曲线与曲面

5.3.1B样条曲线的定义与性质

5.3.2均匀B样条曲线

5.3.3B样条曲面

5.4本章小结

5.5习题

第6章真实感图形生成技术

6.1图形的消隐算法

6.1.1后向面判别算法

6.1.2Roberts隐面消除算法

6.1.3画家算法

6.1.4扫描线算法

6.1.5深度缓存器算法

6.1.6BSP树算法

6.1.7光线投射算法

6.2光照技术

6.2.1光照模型

6.2.2表面绘制

6.2.3光线跟踪算法

6.2.4纹理、阴影与透明等基本效果处理

6.3颜色模型及其应用

6.3.1颜色的基本知识

6.3.2颜色模型

6.3.3颜色的应用

6.4本章小结

6.5习题

第7章几何造型技术

7.1规则形体在计算机内的表示

7.1.1实体的定义

7.1.2表示形体的线框模型、表面模型和实体模型

7.1.3实体的构造表示

7.1.4实体的边界表示

7.2分形几何造型简介

7.2.1分形几何造型的基本理论

7.2.2分形图形的产生

7.3本章小结

7.4习题

第三篇计算机图形学应用领域与相关学科

第8章计算机动画

8.1动画的基本概念与分类

8.1.1动画的基本概念

8.1.2计算机动画的类型

8.1.3动画片制作过程

8.2计算机动画的关键技术

8.2.1关键帧技术

8.2.2柔性运动

8.2.3基于物理特征的动画

8.2.4造型动画技术

8.2.5其他动画技术

8.2.6提高计算机动画效果的基本手法

8.3计算机动画制作基础理论

8.3.1二维计算机动画制作基础理论

8.3.2三维计算机动画制作基础理论

8.4计算机动画的应用

8.5计算机动画的最新发展

8.5.1人脸动画

8.5.2表演动画

8.6本章小结

8.7习题

第9章虚拟现实技术

9.1虚拟现实技术概论

9.1.1虚拟现实技术的定义

9.1.2虚拟现实技术的发展

9.2虚拟现实理论基础

9.2.1虚拟现实建模语言（VRML）

9.2.2虚拟现实技术简介

9.3虚拟现实技术的应用领域

9.3.1教育领域

9.3.2文化艺术领域

9.3.3军事领域

9.3.4制造业

9.3.5医疗领域

9.3.6商业

9.3.7元宇宙一个平行于现实世界的虚拟世界

9.4本章小结

9.5习题

第10章数字图像处理

10.1数字图像的基本概念

10.1.1数字图像的定义

10.1.2数字图像的基本类型

10.2数字图像处理技术及发展

10.3数字图像处理系统

10.3.1图像采集模块

10.3.2图像显示模块

10.3.3图像存储模块

10.3.4图像传输模块

10.3.5图像处理模块

10.4本章小结

10.5习题

参考文献

21世纪是数字多媒体的时代，也是一个大量运用图形和图像传达信息的时代。飞速发展的计算机技术推动了计算机图形学及其相关学科的成熟与壮大。计算机图形学已成为计算机科学中最主要的分支之一，在信息技术领域显示出越来越重要的地位。计算机动画、多媒体、虚拟现实、数据可视化、计算机游戏和计算机辅助设计等学科与技术都以计算机图形学为基础。实际上，计算机图形学及其应用已经渗透到科研、工程、商业和艺术等社会生活和工业生产的几乎所有领域，并与这些领域的自身发展相互推动和促进。

在高校从事计算机图形学教学与研究过程中，作者认为很有必要编写一本全面而系统、且能够深入浅出地描述计算机图形学相关理论及算法，并介绍计算机图形领域中最新研究成果与应用的书。本书将计算机图形学理论与应用技术相结合，使学生明确计算机图形学理论的应用方向，构建完整的知识框架。学生通过教材的学习能够较轻松地掌握计算机图形学基本理论与算法，达到一定的开发和应用水平，为以后从事相关工作和深入学习打下坚实的基础。

本书共10章，主要内容有计算机图形学的定义与图形软件系统、图元生成技术、图形的几何变换、图形观察、曲线曲面生成与设计、真实感图形生成技术、几何造型技术、计算机动画、虚拟现实技术、数字图像处理。

本书力求简明扼要、通俗易懂，尽量避免烦琐、复杂的公式推导，尽可能准确、清晰、简单地描述计算机图形学的基本理论及应用。教材内容由浅入深、层层递进，不但包括图形基础理论与算法、复杂图形构造，还增加了应用技术与相关学科的介绍。前两部分内容可以作为课堂教学的主要内容，最后的计算机图形学应用技术及相关学科可以作为学生自学内容。任课教师给予积极引导，不但使学生学习了计算机图形学基本理论与算法，进一步了解了计算机图形学应用领域的相关技术，而且对于以后从事计算机图形学相关领域的工作或深入学习都非常有好处。对于那些想从事计算机图形学相关领域研究与开发的其他人员，通过本书的学习也可以对计算机图形学理论与技术形成总体的认识。

本书由大连交通大学教师任洪海、牛一捷、郭永伟、殷丽凤、岳洋、黄鹏鹤共同编写，作者们有十多年计算机图形学教学经验，主讲的计算机图形学课程于2022年被评为辽宁省一流本科课程，并承担计算机图形学跨校修读教学改革与实践省级教学改革项目（2021年度辽宁省高等教育本科教学改革研究优质教学资源建设与共享项目）。

本书适合作为高等院校计算机、软件工程专业的高年级本科生、研究生的教材，也是从事计算机图形学及其他有关的工程技术人员不可缺少的参考书之一。

由于作者水平有限，书中难免有不妥和疏漏之处，敬请广大读者批评指正。

任洪海2024年9月