计算机图形学（Computer Graphics，通常简称为CG）是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。

学科历史

1963年1月，MIT林肯实验室24岁的萨瑟兰完成了关于人机通信的图形系统的博士论文。萨瑟兰引入了分层存储符号的数据结构，开发了交互技术，可以用键盘和光笔实现定位、选项和绘图，还提出了至今仍在沿用的许多图形学的其他基本思想和技术。/n萨瑟兰的博士论文被认为既是计算机图形学的奠基，也是现代计算机辅助设计之肇始。

20世纪70年代，由于光栅显示器的诞生，光栅图形学算法迅速发展起来；基本图形操作和相应的算法纷纷出现，图形学进入了第一个兴盛时期。70年代，很多国家应用计算机图形学，开发CAD图形系统，并应用于设计、过程控制和管理、教育等方面。

80年代中期以来，大规模集成电路使计算机硬件性能提高，图形学得到飞速的发展。1980年，第一次给出了光线跟踪算法。真实感图形的算法逐渐成熟。

80一90年代，图形学更加广泛地应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、虚拟现实等领域。这向计算机图形学提出了更高、更新的要求——真实性和实时性。

研究内容

计算机图形学的主要研究对象是点、线、面、体、场的数学构造方法及其图形显示，及其随时间变化的情况。它需要研究以下几方面的内容：

(1)描述复杂物体图形的方法与数学算法。二三维景物的表示是计算机图形显示的前提和基础，包括曲线、曲面的造型技术，实体造型技术，以及纹理、云彩、波浪等自然景物的造型和模拟；三维场景的显示包括光栅图形生成算法、线框图形以及真实感图形的理论和算法。

(2)物体图形描述数据的输入。

(3)几何和图形数据的存储，包括数据压缩和解缩。

(4)物体图形数据的运算处理，包括基于图像和图形的混合绘制技术、自然景物仿真、图形用户接口、虚拟现实、动画技术和可视化技术等。

(5)物体图形数据的输出显示，包括图形硬件和图形交互技术等。

(6)实时动画和多媒体技术，研究实现高速动画的各种硬/软件方法、开发工具、动画语言以及多媒体技术。

(7)制定与图形应用软件有关的技术标准。

学科趋势

计算机图形学狭义上是一种研究基于物理定律、经验方法以及认知原理，使用各种数学算法处理二维或三维图形数据，生成可视数据表现的科学。它是计算机科学的一个分支领域与应用方向，主要关注数字合成与操作视觉的图形内容。广义上来看，计算机图形学不仅包含了从三维图形建模、绘制到动画的过程，同时也包括了对二维矢量图形以及图像视频融合处理的研究。 

计算机图形学经过将近40年的发展，已进入了较为成熟的发展期。其主要应用领域包括计算机辅助设计与加工，影视动漫，军事仿真，医学图像处理，气象、地质、财经和电磁等的科学可视化等。由于计算机图形学在这些领域的成功运用，特别是在迅猛发展的动漫产业中，带来了可观的经济效益。动漫产业是各国优先发展的绿色产业，具有高科技、高投入与高产出等特点。据统计，美国动画梦工厂所拍摄的三维动画片《怪物史莱克2》刷新了1997年由《侏罗纪公园2：失落的世界》创下的阵亡将士纪念日4天假期9020万美元的纪录。。而我国在2008年度共制作完成的国产电视动画片249部，计131042分钟，与2007年度相比增加了近28%。另一方面，由于这些领域应用的推动，也给计算机图形学的发展提供了新的发展机遇与挑战。

应用领域

随着计算机图形学不断发展，它的应用范围也日趋广泛。目前计算机图形学的主要应用领域如下。

1．计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)/n这是计算机图形学最广泛、最重要的应用领域。它使工程设计的方法发生了巨大的改变，利用交互式计算机图形生成技术进行土建工程、机械结构和产品的设计正在迅速取代绘图板加工字尺的传统手工设计方法，担负起繁重的日常出图任务以及总体方案的优化和细节设计工作。事实上，一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能手工设计和绘制，用计算机图形系统不仅能设计和画图，而且可以在较短的时间内完成，将结果直接送至后续工艺进行加工处理。

2．计算机辅助教学(CAI)/n在这个领域中，图形是一个重要的表达手段，它可以使教学过程形象、直观、生动，激发学生的学习兴趣，极大地提高了教学效果。随着微机的不断普及，计算机辅助教学系统已深入到家庭。

3．计算机动画/n传统的动画片都是手工绘制的。由于动画放映一秒钟需要24幅画面，故手工绘制的工作量相当大。而通过计算机制作动画，只需生成几幅被称作“关键帧”的画面，然后由计算机对两幅关键帧进行插值生成若干“中间帧”，连续播放时两个关键帧被有机地结合起来。这样可以大大节省时间，提高动画制作的效率。

4．管理和办公自动化/n计算机图形学在管理和办公自动化领域中应用最多的是绘制各种图形，如统计数据的二维和三维图形、饼图、折线图、直分图等，还可绘制工作进程图、生产调度图、库存图等。所有这些图形均以简明形式呈现出数据的模型和趋势，加快了决策的制定和执行。

5．国土信息和自然资源显示与绘制/n国土信息和自然资源系统将过去分散的表册、照片、图纸等资料整理成统一的数据库，记录全国的大地和重力测量数据、高山和平原地形、河流和湖泊水系、道路桥梁、城镇乡村、农田林地植被、国界和地区界以及地名等。利用这些存储的信息不仅可以绘制平面地图，而且可以生成三维地形地貌图，为高层次的国土整治预测和决策、综合治理和资源开发研究提供科学依据。

6．科学计算可视化/n在信息时代，大量数据需要处理。科学计算可视化是利用计算机图形学方法将科学计算的中间或最后结果以及通过测量得到的数据以图形形式直观地表示出来。科学计算可视化广泛应用于气象、地震、天体物理、分子生物学、医学等诸多领域。

7．计算机游戏/n计算机游戏目前已成为促进计算机图形学研究特别是图形硬件发展的一大动力源泉。计算机图形学为计算机游戏开发提供了技术支持，如三维引擎的创建。建模和渲染这两大图形学主要问题在游戏开发中的地位十分重要。

8．虚拟现实/n虚拟现实技术的应用非常广泛，可以应用于军事、医学、教育和娱乐等领域。虚拟现实是要使人们通过带上具有立体感觉的眼睛、头盔或数据手套，通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体或手势，整个融进计算机所创造的虚拟氛围中，从而取得身临其境的体验。例如走进分子结构的微观世界里猎奇，在新设计的建筑大厦图形里漫游等。这也成为近年计算机图形学的研究热点之一。

领域专家

Jacques Bertin

Stuart Card

Thomas A. DeFanti

迈克尔·弗兰德利

Nigel Holmes

Alan 

MacEachren

Jock D. Mackinlay

Michael Maltz

Bruce H. McCormick

Charles Joseph Minard

Otto Neurath

William Playfair

Clifford A. Pickover

Arthur H. Robinson

Lawrence J. Rosenblum

Adolphe Quetelet

George G. Robertson

Ben Shneiderman

Edward Tufte

学科教材

作　者：(美)(PeterShirley)

出版社：人民邮电出版社

出版时间： 2007

开本： 16

定价: 49.00 元

本书是国外高校采用率很高的计算机图形学教材，共分为26章，全面系统地讲解了计算机图形学的基本概念和相关技术。书中先介绍图形学相关的数学知识，然后依次讲解图形学的光栅算法、三维观察、隐藏面消除、光照、纹理、绘制等算法和理论，并介绍可视感知、计算机动画、基于图像的绘制、可视化以及构建交互式图形应用等。本书可作为信息技术等相关专业本科生、研究生计算机图形学课程的教材，也可以作为计算机图形学工作者的参考用书。

图书信息

ISBN号：978-7-5609-5498-1

去书名：计算机图形学(第三版)

作者：常明

单价：32.80元

出版日期：2009-9-1

出版社：华中科技大学出版社

内容简介

本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，主要介绍了计算机图形学的基本概念、原理和算法，是作者根据长期从事计算机图形学教学、科研取得的成果，并参考国内外出版的相关教材编写而成的。 

全书分为两个部分：第一部分为二维图形学，分为7章，包括计算机图形学概述、VC++图形程序设计、基本图形生成算法、图形变换的矩阵方法、图形处理算法、图形交互技术初步及图形数据结构等内容；第二部分是三维图形学的基本内容，分为4章，包括OpenGL简介、三维几何造型初步、三维图形显示与消隐算法及真实感图形与可视化技术基础等内容。本书基本涵盖了计算机图形学的主要内容，每章还附有习题，便于教学和自学。?

本书可作为普通高等院校本科生“计算机图形学”课程的教材，也可供相关专业的工程技术人员参考。

图书

书名:计算机图形学

图书编号:2464077

出版社:人民邮电

定价:49.0

ISBN:711515867

作者:[美]PeterShirley

出版日期:2007-01-01

版次: 1

开本:26cm

简介:

本书全面系统地讲解了计算机图形学的基本概念和相关技术。书中先介绍图形学相关的数学知识，然后依次讲解图形学的三维观察、隐藏面消除、光照、纹理、绘制等算法和理论。

目录

第1章引言1

1.1图形学领域1

1.2主要应用1

1.3图形学API2

1.4三维几何模型2

1.5图形流水线3

1.6数值问题3

1.7效率4

1.8软件工程5

1.8.1单精度与双精度5

1.8.2内联5

1.8.3成员函数与非成员运算符6

1.8.4包含保护符6

1.8.5编译调试7

1.8.6实验性调试7

文献注记7

第2章数学知识9

2.1集合与映射9

2.1.1逆映射10

2.1.2区间10

2.1.3对数11

2.2解二次方程12

2.3三角学12

2.3.1角12

2.3.2三角函数13

2.3.3三角函数公式14

2.4向量15

2.4.1向量运算16

2.4.2向量的笛卡儿坐标16

2.4.3点积17

2.4.4叉积18

2.4.5标准正交基与坐标系19

2.4.6从单向量建立正交基20

2.5二维隐式曲线20

2.5.1二维梯度21

2.5.2隐式二维直线23

2.5.3隐式二次曲线25

2.6二维参数曲线26

2.6.1二维参数直线26

2.6.2二维参数圆27

2.7三维隐式曲面27

2.7.1隐式曲面的法向量27

2.7.2隐式平面27

2.7.3隐式曲面上的三维曲线28

2.8三维参数曲线28

2.9三维参数曲面29

2.10线性插值30

2.11三角形30

2.11.1二维三角形30

2.11.2三维三角形33

常见问题34

文献注记34

习题34

第3章光栅算法35

3.1光栅显像35

3.2显示器亮度和γ值36

3.3RGB颜色37

3.4α通道38

3.5直线绘制39

3.5.1基于隐式方程绘制直线39

3.5.2基于参数方程绘制直线42

3.6三角形光栅化43

3.7简单反走样技术46

3.8图像捕捉与存储46

3.8.1扫描仪和数码摄像机47

3.8.2图像存储47

常见问题47

习题48

第4章信号处理49

4.1数字音频：一维采样50

4.2卷积51

4.2.1滑动平均52

4.2.2离散卷积52

4.2.3把卷积看作移位滤波器之和55

4.2.4与连续函数的卷积56

4.2.5离散—连续卷积58

4.2.6多维卷积59

4.3卷积滤波器61

4.3.1各种卷积滤波器61

4.3.2滤波器的性质63

4.4图像信号处理66

4.4.1离散图像滤波66

4.4.2图像采样中的反走样技术67

4.4.3重构与重采样68

4.5采样理论71

4.5.1傅里叶变换72

4.5.2卷积与傅里叶变换74

4.5.3傅里叶变换举例75

4.5.4采样理论中的狄拉克脉冲76

4.5.5采样与走样76

4.5.6理想滤波器与实用滤波器80

习题81

第5章线性代数82

5.1行列式82

5.2矩阵84

5.2.1矩阵运算84

5.2.2矩阵形式的向量运算86

5.2.3矩阵与行列式86

5.2.4计算逆矩阵88

5.2.5线性方程组89

5.2.6特征值及矩阵对角化89

5.2.7奇异值分解91

常见问题91

文献注记92

习题92

第6章矩阵变换93

6.1基本二维变换93

6.1.1缩放93

6.1.2切变94

6.1.3旋转95

6.1.4反射96

6.1.5二维变换组合97

6.1.6二维变换分解98

6.2基本三维变换101

6.2.1任意三维旋转101

6.2.2法向量变换102

6.3平移103

6.4变换矩阵的逆106

6.5坐标变换106

常见问题108

文献注记108

习题108

第7章观察109

7.1绘制标准视体109

7.2正射投影111

7.3透视投影114

7.4透视变换的性质118

7.5视域119

常见问题119

文献注记120

习题120

第8章隐藏面消除121

8.1BSP树121

8.1.1BSP树算法概述121

8.1.2构造BSP树124

8.1.3分割三角形126

8.1.4优化BSP树127

8.2z缓冲器127

8.2.1z缓冲器算法127

8.2.2整数z缓冲器128

常见问题129

习题129

第9章表面明暗处理130

9.1漫反射明暗处理130

9.1.1朗伯明暗处理模型130

9.1.2环境明暗处理131

9.1.3基于顶点的漫反射明暗处理131

9.2Phong明暗处理132

9.2.1Phong光照模型132

9.2.2表面法线向量插值134

9.3艺术化明暗处理134

9.3.1线图134

9.3.2冷暖明暗处理135

常见问题136

习题136

第10章光线跟踪137

10.1基本光线跟踪算法137

10.2计算观察光线138

10.3光线与物体相交139

10.3.1光线与球相交139

10.3.2光线与三角形相交140

10.3.3光线与多边形相交142

10.4光线跟踪程序142

10.5阴影144

10.6镜面反射144

10.7折射145

10.8实例化147

10.9次线性的光线与物体相交148

10.9.1包围盒149

10.9.2层次包围盒151

10.9.3均匀空间子分法154

10.9.4二叉空间划分法155

10.10构造实体几何156

10.11分布式光线跟踪156

10.11.1反走样157

10.11.2软阴影157

10.11.3景深159

10.11.4光泽反射160

10.11.5运动模糊160

常见问题161

习题161

第11章纹理映射162

11.1三维纹理映射162

11.1.1三维条纹纹理162

11.1.2纹理数组163

11.1.3实体噪声165

11.1.4扰动166

11.2二维纹理映射167

11.3镶嵌模型168

11.4光栅化三角形的纹理映射169

11.5凹凸纹理172

11.6置换映射172

11.7环境映照173

11.8阴影图174

常见问题174

文献注记175

习题175

第12章完整的图形流水线176

12.1裁剪176

12.2流水线中裁剪部分的位置176

12.2.1在透视除法后的裁剪（选项3）177

12.2.2在变换前裁剪（选项1）178

12.2.3在齐次坐标系中裁剪（选项2）179

12.2.4用平面裁剪179

12.3扩展的图形流水线180

12.3.1剔除180

12.3.2光照和明暗处理180

12.4背向面删除180

12.5三角形条带和三角形扇区180

12.6保留状态181

12.7完整的图形流水线181

常见问题182

文献注记182

习题182

第13章图形学的数据结构183

13.1三角形网格183

13.2翼边数据结构183

13.3场景图184

13.4平铺多维数组186

13.4.1二维数组的一层平铺187

13.4.2示例：三维数组的两层平铺188

常见问题189

文献注记189

习题189

第14章采样190

14.1积分190

14.1.1度量和均值191

14.1.2示例：二维平面中直线的度量191..

14.1.3示例：三维空间中直线的度量193

14.2连续概率194

14.2.1一维连续概率密度函数194

14.2.2一维期望194

14.2.3多维随机变量194

14.2.4方差195

14.2.5估计均值196

14.3蒙特卡罗积分196

14.4选择随机点197

14.4.1求反函数198

14.4.2拒绝200

14.4.3Metropolis200

14.4.4示例：在正方形上选择随机直线201

常见问题203

文献注记204

习题204

第15章曲线205

15.1曲线205

15.1.1参数化和重新参数化206

15.1.2分段的参数表达式207

15.1.3样条208

15.2曲线的性质209

15.3多项式片段210

15.3.1多项式的表示210

15.3.2线段211

15.3.3超线段212

15.3.4三次方程的基矩阵214

15.3.5混合函数214

15.3.6插值多项式214

15.4片段连接215

15.4.1节点215

15.4.2使用独立的片段216

15.4.3连接线段216

15.5三次多项式217

15.5.1自然三次多项式218

15.5.2埃尔米特三次多项式219

15.5.3基数三次多项式219

15.6拟合曲线221

15.6.1贝塞尔曲线222

15.6.2B样条曲线226

15.6.3非均匀B样条曲线230

15.6.4非均匀有理B样条曲线232

15.7小结233

文献注记233

习题233

第16章计算机动画235

16.1动画原理236

16.1.1时间控制236

16.1.2动作布局236

16.1.3动画技术237

16.1.4人工控制与自动化方法238

16.2关键帧238

16.2.1运动控制240

16.2.2旋转插值242

16.3变形244

16.4角色动画245

16.4.1面部动画249

16.4.2运动捕捉250

16.5基于物理的动画251

16.6过程技术253

16.7对象群255

文献注记257

第17章使用图形硬件258

17.1什么是图形硬件258

17.2从硬件角度描述几何模型259

17.3几何模型转化为像素263

17.3.1设计流水线264

17.3.2基本执行模型265

17.3.3顶点着色器示例267

17.3.4片段着色器示例269

17.3.5GPU上的通用计算270

常见问题271

文献注记271

习题271

第18章构建交互式图形应用程序272

18.1击球程序272

18.2编程模型274

18.2.1控制驱动的编程274

18.2.2事件驱动的编程276

18.2.3事件驱动的击球程序280

18.2.4实现文献注记282

18.2.5小结284

18.3模型—视图—控制器体系结构284

18.3.1模型—视图—控制器框架284

18.3.2将MVC应用于击球程序285

18.3.3利用MVC扩充击球程序289

18.3.4MVC组件之间的交互作用290

18.3.5应用MVC概念291

18.4实现示例291

图书

书名:计算机图形学(21世纪高等院校规划教材)

ISBN:750842898

作者:银红霞//杜四春//蔡立军

出版社:中国水利水电出版社

定价:26

页数:260

出版日期:2005-5-1

版次:

开本:小16开

包装:平装

简介:本书详细雨介绍了计算机图形学的基本原理、理论、数学方法、算法及计算机图形系统。内容包括计算机图形系统、计算机图形学的基本算法、裁剪与变换、自由曲线和曲面、几何造型、隐藏线和面的消除、真实感图形显示等。书后有3个附录，内容包括图形变换的数学基础、三套模拟试题及参考答案、课程实验指导和课程实验参考解决方案。

本书可以作为高等学校计算机及相近专业的教材，或作为计算机图形学的培训、自学教材；也可供从事计算机图形学或相关领域研究的技术人员参考。

本书为授课教师和读者免费提供PowerPoint电子教案，教师可以根据教学需要任意修改。

目录:

序

前言

第1章 绪论

1.1 计算机图形学的研究内容

1.2 计算机图形学与图像处理

1.3 计算机图形学的发展

1.4 计算机图形学的应用领域

习题一

第2章 图形系统

2.1 图形系统的组成

2.1.1 图形系统的功能

2.1.2 图形系统的分类

2.2 图形硬件设备

2.2.1 图形显示设备

2.2.2 图形绘制设备

2.2.3 图形输入设备

2.3 图形软件系统

2.3.1 图形软件的层次

2.3.2 图形软件标准

2.3.3 OpenGL简介

习题二

第3章 基本图形生成算法

3.1 生成直线的常用算法

3.1.1 DDA画线算法

3.1.2 中点画线算法

3.1.3 Bresenham画线算法

3.1.4 直线属性

3.2 生成圆弧的常用算法

3.2.1 圆的特性

3.2.2 中点画圆算法

3.2.3 Bresenham画圆算法

3.3 区域填充

3.3.1 区域的表示和类型

3.3.2 扫描线多边形填充算法

3.3.3 边填充算法

3.3.4 种子填充算法

3.3.5 圆域的填充

3.3.6 区域填充属性

3.4 字符

3.4.1 字符存储与显示

3.4.2 字符属性

3.5 裁剪

3.5.1 点的裁剪

3.5.2 直线裁剪

3.5.3 多边形裁剪

3.5.4 曲线裁剪

3.5.5 字符裁剪

3.5.6 三维图形的裁剪

3.6 反走样

3.6.1 光栅图形的走样现象

3.6.2 常用反走样技术

习题三

第4章 图形变换

4.1 二维图形几何变换

4.1.1 齐次坐标

4.1.2 二维图形的基本变换

4.1.3 复合变换

4.2 三维图形几何变换

4.2.1 三维图形的基本变换

4.2.2 复合变换

4.3 投影变换

4.3.1 投影变换的基本概念

4.3.2 平行投影

4.3.3 透视投影

4.4 坐标系统及其变换

4.4.1 坐标系统

4.4.2 模型变换

4.4.3 观察变换

4.4.4 窗口-视区变换

习题四

第5章 曲线和曲面

5.1 参数表示曲线和曲面的基础知识

5.1.1 曲线和曲面的表示方法

5.1.2 位置矢量、切矢量、法矢量、曲率与挠率

5.1.3 样条表示

5.2 Hermite曲线

5.2.1 n次参数多项式曲线

5.2.2 三次Hermite曲线的定义

5.2.3 三次Hermite曲线的矩阵表示

5.2.4 三次Hermite曲线的算法

5.3 Bezier曲线

5.3.1 Bezier曲线的定义

5.3.2 Bernstein基函数的性质

5.3.3 Bezier曲线的性质

5.3.4 Bezier曲线的生成

5.4 B样条曲线

5.4.1 B样条曲线的定义

5.4.2 B样条曲线的表示及性质

5.4.3 B样条曲线的生成

5.5 Coons曲面

5.5.1参数曲面的基本概念

5.5.2 Coons曲面的定义

5.5.3 Coons曲面的拼合

5.6 Bezier曲面

5.6.1 Bezier曲面的定义及性质

5.6.2 Bezier曲面的生成

5.7 B样条曲面

5.7.1 B样条曲面的定义

5.7.2 B样条曲面的生成

习题五

第6章 几何造型

6.1 简单几何形体

6.1.1 几何元素的定义

6.1.2 平面立体的拓扑关系

6.2 形体的常用模型

6.2.1 线框模型

6.2.2 表面模型

6.2.3 实体模型

6.3 形体的常用表示方法

6.3.1 分解表示

6.3.2 构造表示

6.3.3 边界表示

习题六

第7章 消隐

7.1 基本概念

7.1.1 消隐的定义

7.1.2 消隐的分类

7.1.3 消隐算法的基本原则

7.2 画家算法

7.2.1 算法的基本思想

7.2.2 深度优先级表的建立

7.3 z缓冲区(z—Buffer)算法

7.3.1 算法的基本思想

7.3.2 算法的描述

7.3.3 算法的改进

7.4 扫描线z缓冲区算法

7.4.1 算法的基本思想

7.4.2 算法的描述

7.5 光线追踪算法

7.5.1 算法的基本思想

7.5.2 算法的描述

习题七

第8章 真实图形

8.1 光照模型

8.1.1 基本光学原理

8.1.2 环境光

8.1.3 漫反射光

8.1.4 镜面反射光和冯(Phong)反射模型

8.2 明暗处理

8.2.1 双线性光强插值(Gouraud明暗处理

8.2.2 双线性法向插值(Phong明暗处理)

8.3纹理

8.3.1 概述

8.3.2 二维纹理域的映射

8.3.3 三维纹理域的映射

8.3.4 几何纹理

8.4 光线跟踪

8.4.1 基本光线跟踪算法

8.4.2 光线与物体的求交

8.4.3 光线跟踪算法的加速

习题八

附录

附录A 图形变换的数学基础

一、矢量的定义及运算

二、矩阵的定义及运算

三、线性方程组的求解

附录B 模拟试题

模拟试题一

模拟试题二

模拟试题三

模拟试题一参考答案

模拟试题二参考答案

模拟试题三参考答案

附录C 课程实验指导

一、课程实验方案

二、课程实验解决方案

参考文献