前言
自人类文明出现以来，图形便和语言、文字一道成为了人类交流思想、传递信息的有力工具。事实上，最早出现的象形文字就是一种图形。刻在山崖上的古代壁画记录了古代人生活、劳作的情景，在各种流传的典籍中，人们也广泛采用插图展示书中描绘的精彩情节，激发读者对故事的兴趣。在制造、建筑、土木等工程技术领域，计算机图形技术可以将抽象的产品数字模型转换为具有真实感的图像，设计人员可以通过形象直观的方式从产品形状、结构、功能等多方面检查、验证设计方案的合理性； 在互联网领域，顾客可以通过虚拟试衣系统观察自己在穿着所选款式、颜色、尺码的衣服后具有真实感的着装效果，从而避免线下购物时现场试衣的麻烦； 在文化旅游领域，遗址公园可以通过三维重建技术在游客眼前重现文物的原貌，展现其背后的历史风云，为游客提供深入的文化体验； 在数字城市领域，可通过单击二维城市地图，实时呈现该处的三维景观及用户感兴趣的相关信息； 在地质和石油勘探领域，通过对地质勘探数据的三维重建及可视化，技术人员可以更清晰地看到地下矿藏的分布。类似的例子不胜枚举。在信息技术高度发展的今天，图形已成为应用最为广泛的信息载体。计算机图形成为许多学科进行研究和开发的基础性工具，从2000年起，教育部已将“计算机图形学”列为高校本科生的公共选修课之一。

目前，大多数计算机、机械、化工、建筑、土木、生物、医学、地矿等专业的本科生或研究生学习计算机图形学不是为了去研究图形学算法本身，而是为了运用图形学已有的研究成果为其科研和教学服务。尽管如今走进书店，有关图形学的教科书和各种图形软件使用的工具书琳琅满目，但它们大多是面向从事图形学研究的研究生和专业人员编写的，书中过于详细的算法描述、严谨复杂的数学推导使许多初学者望而却步。


本书是一本为涉及虚拟现实应用的各
专业本科生开设“计算机图形学”课程而编写的教材。与国内现有的大多数图形学教材不同，本书以通俗易懂的方式介绍计算机图形生成的基本概念、基本原理和基本技术。由于本科生和研究生的教学要求不同，本书不会详述图形表示的数学原理及形形色色的图形加速算法，而将重点放在现有图形软件的应用上。本书叙述力求简明，概念力求准确，内容力求新颖，应用力求具体，可供36学时讲授。


本书共9章。第1章，首先通过一个实例，即在Windows环境下生成简单图形，让读者对图形生成有一个直观的了解。在此基础上，介绍光栅图形显示的基本原理、图形的基本数据结构、帧缓存，以及点、线、圆、字符的生成方法，然后引入RGB颜色系统和色彩概念。在“图”和“形”中，“形”是“图”的基础，“图”是“形”的反映。第2章介绍了几何物体在计算机内的表示方法，包括网格曲面、参数曲面、隐式曲面及各种自然景物。第3章着重讨论场景造型和图形生成中常用的各种变换和裁剪技术。第4章叙述表面着色和消隐算法，重点介绍了二维区域种子填充算法、多边形扫描转换算法、z缓冲器消隐算法和画家算法。前4章的内容是全书的基础。与一般图形学教科书不同的是，本书并没有专辟章节单独介绍直线、圆弧生成算法，以及各种线、面裁剪算法。随着计算机图形显示技术的发展，这些基础性算法已经非常成熟，许多算法已经由硬件实现，对于大多数从事图形学应用的人员，只需要熟练地调用相应子程序即可。


本书第5～9章全面介绍计算机图形技术的发展和应用，包括真实感图形、计算机动画、数据可视化、虚拟现实等。第5章介绍了生成真实感图形的各种局部和整体光照明模型、光线跟踪和光能辐射度两大主流绘制技术及增添场景真实感的纹理映射技术，并简要讨论了可表现不同艺术风格的非真实感图形绘制技术和面向视觉仿真的大规模场景实时绘制技术。第6章介绍了计算机动画生成的基本原理和基本技巧，包括关键帧动画、关节动画、过程动画、行为动画、Flash动画、渐变技术、运动捕获技术、抠像技术、网络游戏和虚拟演播室等。数据可视化为不同领域的科技人员运用计算机图形显示技术揭示和理解各种应用数据中所蕴含的规律开辟了新的前景。第7章讲述可视化的基本理念、基础流程、编码与设计方法，围绕不同的数据类型阐述相应的可视化方法，概述了代表性可视化软件与系统。第8章介绍了近年来日趋火热的虚拟现实技术，讨论了虚拟现实与增强现实的联系与区别，其主要内容包括虚拟现实的系统组成、立体视觉的生成原理及呈现设备、虚拟现实交互技术及相关设备、增强现实技术的特点及应用等。为了便于读者运用图形软、硬件支撑平台进行进一步的科研开发，第9章介绍了几个目前流行的具有代表性的图形编程环境OpenGL、Direct 3D、VRML、Unity及三维动画软件3ds Max等。在本书有限的篇幅内，详细介绍这些软件和平台的功能及编程方法是不可能的，但我们力求为读者提供一个入门的向导。

本书的编者都是长期从事计算机图形学教学、科研的教师，其中部分编者曾参与《计算机图形学教程》（修订版）（科学出版社，2000年）、《计算机真实感图形的算法基础》（科学出版社，1999年）、《数据可视化的基本原理与方法》（科学出版社，2013年）、《增强现实算法基础》（清华大学出版社，2022年）的编写。尽管如此，为非图形专业的本科生编写一本面向应用的计算机图形学教材对我们来说仍然是一个巨大的挑战。我们以对相关软件的介绍贯穿全书，并为开设此课的教师提供了36学时课件。课件中附有各种示范性实例和实现这些实例的源程序，可供读者揣摩和练习。

本书由彭群生制定编写大纲，金小刚负责第1、6章的撰写，冯结青负责第2～4章的撰写，万华根负责第5章的撰写，陈为负责第7章的撰写，秦学英负责第8章的撰写，钟凡负责第9章的撰写，缪永伟参与了第2章部分内容的撰写。全书由彭群生统稿。秦学英参与了部分书稿的编辑和排版工作。

限于编者的水平，书中的疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。


编者2023年4月