3D圖形系統設計與實現 Design and Implementation of 3D Graphics Systems

《3D圖形系統設計與實現》詳細闡述了與3D圖形系統設計與實現相關的基本解決方案，
主要包括對象和圖形設備、交互式圖形界面、幾何體、顏色、數字圖像、3D場景描述、
三維幾何體模型、建模技術、層次結構和體系結構對象、視見相機轉換、視見的表面剪裁、
光柵化、可見表面計算、局部光照模型、全局光照、貼圖技術、著色機制，以及三維圖形系統等內容。
此外，《3D圖形系統設計與實現》還提供了相應的示例，
以幫助讀者進一步理解相關方案的實現過程。
　　《3D圖形系統設計與實現》適合作為高等院校計算機及相關專業的教材和教學參考書，
也可作為相關開發人員的自學教材和參考手冊。

目錄
第1章概述1
1.1計算機圖形學1
1.2應用領域和應用程序1
1.3研究方法2
1.4系統架構2
1.5實現和擴展3
1.6實現範例3
1.7圖形標準4
1.8高級應用程序和後續發展4
1.9本書內容5
1.10補充材料6

第2章對象和圖形設備7
2.1圖形對象7
2.1.1圖形對象的描述8
2.1.2圖形對象的離散化和重構8
2.2圖形設備和表達10
2.2.1向量設備10
2.2.2光柵化（矩陣）設備10
2.3圖形設備分類11
2.3.1概念12
2.3.2分類12
2.4圖形工作站13
2.4.1窗口系統13
2.4.2視圖轉換14
2.5 GP圖形包15
2.5.1 GP特徵15
2.5.2 GP中的顏色屬性16
2.5.3 GP中對象的數據結構17
2.5.4控制例程18
2.5.5視見例程19
2.5.6繪製例程21
2.5.7圖形輸入和交互例程22
2.6補充材料24
2.7本章練習25

第3章交互式圖形界面27
3.1創建交互式程序27
3.2交互基礎27
3.2.1圖形反饋28
3.2.2邏輯輸入元素28
3.2.3概覽28
3.3界面機制29
3.3.1非交互式29
3.3.2事件驅動29
3.3.3回調模型30
3.3.4包含多個視圖的回調31
3.4界面對象32
3.4.1多視口32
3.4.2基於視圖的回調36
3.5工具箱40
3.5.1基本元素40
3.5.2 tk包41
3.5.3示例46
3.6多邊形直線編輯器47
3.7回顧54
3.8補充材料55
3.9本章練習56

第4章幾何體57
4.1計算機圖形學中的幾何體57
4.1.1應用和功能57
4.1.2計算內容57
4.1.3方案匯總57
4.2歐幾裡得空間58
4.2.1定義58
4.2.2元素和操作58
4.2.3度量屬性60
4.2.4坐標和基61
4.3歐幾裡得空間中的轉換62
4.3.1線性轉換62
4.3.2等距63
4.3.3仿射轉換63
4.4投影空間63
4.4.1投影空間模型64
4.4.2標準化和齊次坐標64
4.4.3齊次表達65
4.5 3中的投影轉換66
4.6幾何體對象的轉換73
4.6.1轉換操作修正73
4.6.2轉換點和方向73
4.6.3轉換射線74
4.6.4切平面上的轉換76
4.6.5轉換的雙重解釋76
4.7補充材料77
4.7.1小結77
4.7.2程序設計層78
4.8本章練習78

第5章顏色81
5.1顏色的基本知識81
5.1.1顏色的波長模型81
5.1.2物理顏色系統82
5.1.3色彩的心理學研究82
5.1.4顏色計算84
5.2設備顏色系統85
5.2.1顏色的處理85
5.2.2 RGB-CMY轉換85
5.3顏色規範系統87
5.3.1亮度：色度分解87
5.3.2顏色選擇的HSV系統88
5.4離散化顏色實體92
5.5補充材料93
5.5.1資料鏈接93
5.5.2回顧94
5.6本章練習94

第6章數字圖像95
6.1基礎知識95
6.1.1圖像的離散和連續模型95
6.1.2圖像的量化96
6.1.3矩陣表達97
6.2圖像的表現格式97
6.2.1數據結構97
6.2.2訪問圖像矩陣99
6.3圖像編碼100
6.3.1 PPM格式100
6.3.2直接編碼100
6.4補充材料102
6.4.1修正102
6.4.2圖像格式103
6.5本章練習103

第7章3D場景描述105
7.1三維場景105
7.1.1三維場景的元素105
7.1.2三維場景表達106
7.1.3場景描述語言106
7.2語言概念107
7.2.1表達式語言107
7.2.2表達式中的語法和語義108
7.2.3程序的編譯和解釋109
7.2.4語言開發工具110
7.3擴展語言110
7.3.1語法分析器110
7.3.2詞法分析器112
7.3 .3符號分析器115
7.3.4參數和值117
7.3.5節點和表達式119
7.3.6輔助函數121
7.4子語言和應用程序123
7.4.1基於擴展語言的接口123
7.4.2實現語義124
7.4 .3生成解釋器125
7.5補充材料125
7.5.1修正125
7.5.2擴展126
7.5.3相關信息126
7.6本章練習127

第8章三維幾何體模型129
8.1建模基礎知識129
8.1.1模型和幾何體描述129
8.1.2表達模式131
8.2幾何圖元132
8.2.1圖元對象定義133
8.2.2泛型接口134
8.2.3圖元示例138
8.3表面和多邊形網格的近似計算147
8.3.1近似方法147
8.3.2分段式線性近似方法147
8.4多邊形表面147
8.4.1 n邊多邊形148
8.4.2三角形150
8.4.3三角形列表154
8.5補充材料156
8.6本章練習157

第9章建模技術159
9.1建模系統的基礎知識159
9.1.1用戶界面159
9.1.2模型操作160
9.1.3建模技術160
9.1.4系統架構160
9.2構造模型161
9.2.1 CSG結構162
9.2.2簡單的CSG表達式語言164
9.2.3三維場景描述語言中的CSG表達166
9.2.4三維場景描述語言中的CSG對象的解釋167
9.3生成式建模技術168
9.3.1生成式模型的多邊形近似表達169
9.3.2生成式模型的類型171
9.3.3旋轉曲面172
9.4補充材料172
9.5本章練習173

第10章層次結構和體系結構對象175
10.1幾何鏈接175
10.1.1層次結構175
10.1.2幾何轉換176
10.1.3仿射不變性177
10.2層次結構和轉換178
10.2.1棧操作178
10.2.2轉換180
10.3對象分組183
10.3.1層次結構描述183
10.3.2對象183
10.3.3分組和對象列表185
10.3.4對象轉換187
10.3.5收集列表中的對象188
10.3.6參數化鏈接189
10.4動畫191
10.4.1動畫時鐘191
10.4.2過程式動畫的構建193
10.4.3動畫的執行過程193
10.5補充材料195
10.6本章練習196

第11章視見相機轉換199
11.1視見處理過程199
11.1.1視見操作和參考空間199
11.1.2虛擬相機和視見參數200
11.1.3定義視見參數202
11.2視見轉換205
11.2.1相機轉換206
11.2.2剪裁轉換208
11.2.3透視轉換209
11.2.4設備轉換212
11.2.5轉換序列213
11.3視見規範214
11.3.1初始化214
11.3.2相機215
11.3.3透視216
11.3.4設備217
11.3.5定義三維場景描述語言中的視見機制218
11.4補充材料218
11.5本章練習219

第12章視見的表面剪裁221
12.1剪裁操作的基本知識221
12.1. 1空間剪裁221
12.1.2剪裁和視見221
12.2剪裁簡單情形222
12.2.1簡單拒絕222
12.2.2簡單接受223
12.2.3包含相反方向的面元223
12.3兩步剪裁224
12.4序列剪裁228
12.5補充材料232
12.6本章練習233

第13章光柵化235
13.1光柵化基礎知識235
13.2光柵化方法的分類236
13.3漸增式方法236
13.3.1內在型漸增式光柵化236
13.3.2外在型漸增式光柵化240
13.4基於細分的光柵化240
13.4.1內在型細分241
13.4.2外在型細分242
13.5補充材料244
13.6本章練習244

第14章可見表面計算247
14.1基礎知識247
14.1.1場景屬性和一致性247
14.1.2表達和坐標系248
14.1.3分類248
14.2 Z-緩衝區249
14.3光線跟踪251
14.3.1與三維場景對象的交點251
14.3.2與CSG模型間的交點252
14.4 Painter算法254
14.4.1近似Z-排序254
14.4.2完全Z-排序255
14.5其他可見性方法256
14.5.1空間細分256
14.5.2遞歸細分257
14.6補充材料258
14.7本章練習259

第15章局部光照模型261
15.1基礎知識261
15.1.1光照261
15.1.2光線傳播262
15.1.3表面和材質262
15.1.4局部光照模型263
15.2光源265
15.2.1光線傳輸265
15.2.2光源的表達267
15.3局部光照268
15.3.1光照上下文269
15.3.2光照函數269
15.4材質271
15.4.1描述材質271
15.4.2材質類型271
15.5語言規範272
15.6補充材料273
15.7本章練習274

第16章全局光照275
16.1光照模型275
16.1 .1傳輸過程276
16.1.2邊界條件276
16.1.3輻射度方程277
16.1.4數值近似278
16.1.5光照計算方法279
16.2光線跟踪方法279
16.3輻射度方法285
16.4補充材料293
16.5本章練習293

第17章貼圖技術295
17.1基礎知識295
17.1.1貼圖的概念295
17.1.2貼圖類型296
17.1.3貼圖應用296
17.2紋理函數297
17.2.1表達方式297
17.2.2圖像定義297
17.2.3過程式定義299
17.3紋理貼圖300
17.4凹凸貼圖302
17.5反射貼圖304
17.6光源貼圖306
17.7補充材料308

第18章著色機制309
18.1著色函數採樣和重構309
18.2採樣方法309
18.3基本的重構方法310
18.3.1 Bouknight著色310
18.3.2 Gouraud方法310
18.3.3 Phong方法312
18.4紋理屬性的重構313
18.4.1插值和投影轉換313
18.4.2紋理的有理線性插值315
18.5圖像化317
18.6補充材料318

第19章三維圖形系統321
19.1系統A 321
19.1.1生成模型321
19.1.2基於Z-緩衝區的渲染機制323
19.2系統B 325
19.2.1 CSG建模機制325
19.2.2基於光線跟踪的渲染機制326
19.3系統C 329
19.3 .1基於圖元層次結構的建模329
19.3.2基於Painter方法的渲染機制329
19.4項目332
19.4.1渲染圖像的程序333
19.4.2建模系統333
19.4.3渲染系統335
參考文獻337