本書面向?qū)W生、研究人員和從業(yè)人員，介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的許多重要概念和思想。其中一些概念讀者并不陌生，它們?cè)缫殉霈F(xiàn)在廣為流行的學(xué)術(shù)出版物、技術(shù)報(bào)告、教科書和行業(yè)報(bào)刊中。在某個(gè)概念出現(xiàn)一段時(shí)間后再將其寫入教科書的好處是，人們可以更充分地理解它的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響并將其置于一個(gè)更大的背景中予以領(lǐng)悟。本書將盡可能詳細(xì)地介紹這些概念（當(dāng)然也略過(guò)了一些曾經(jīng)火熱但現(xiàn)在已不再重要的概念），并以一種清晰、流暢的風(fēng)格將它們呈現(xiàn)給初學(xué)者。
本書屬于第二代圖形學(xué)教科書：我們并不將之前的所有工作全部認(rèn)定為天然合理的，而是按今天的理解重新審視它們，進(jìn)而更新其原有的陳述方式。
甚至一些最基本的問(wèn)題也可能變得非常棘手。舉例來(lái)說(shuō)，假如要設(shè)計(jì)一個(gè)適用于低光照環(huán)境（如電影院的暗環(huán)境）的程序。顯然，我們不能采用亮屏幕顯示器，這意味著在顯示程序中采用亮度對(duì)比來(lái)區(qū)分環(huán)境中的不同對(duì)象不再適宜。也許可以改用彩色顯示，但遺憾的是，在低光照環(huán)境中人們對(duì)顏色的感知同樣有所降低，某些顏色的文字要比其他顏色更易讀。在這種情況下，光標(biāo)是否仍容易被用戶看到呢？一種簡(jiǎn)單的應(yīng)對(duì)方式是利用人眼對(duì)運(yùn)動(dòng)的感知能力，讓光標(biāo)持續(xù)抖動(dòng)。于是，一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題最后涉及交互界面設(shè)計(jì)、顏色理論以及人類感知等領(lǐng)域。
盡管上述例子很簡(jiǎn)單，但仍隱含了某些假設(shè)：采用圖形方式輸出（而不是通過(guò)觸覺(jué)或封閉良好的耳機(jī)來(lái)輸出）；顯示設(shè)備既非常規(guī)的影院屏幕，也不是頭盔顯示器。其中也包含了一些顯式的假設(shè)，例如采用光標(biāo)（也有一些用戶界面不使用光標(biāo)）。上述每一種假設(shè)都是對(duì)用戶界面的一種選擇。
遺憾的是，這種多方面內(nèi)容相互交織的關(guān)系使得我們不可能完全按照某種順序來(lái)講述各主題，而且還能很好地介紹它們的研究動(dòng)因和背景，也就是說(shuō)，這些主題無(wú)法以線性方式展開(kāi)。也許，我們可以先介紹它們涉及的所有相關(guān)的數(shù)學(xué)、感知理論或其他內(nèi)容，總之，將較為抽象的內(nèi)容和主題放在前面介紹，然后再介紹圖形學(xué)應(yīng)用。盡管這種內(nèi)容組織方式可能便于參考（讀者很容易找到講述一般化向量叉積的有關(guān)章節(jié)），但對(duì)一本教科書而言，其效果并不好，原因是那些涉及主題研究動(dòng)因的應(yīng)用都要等到書的最后才會(huì)介紹。另一種展開(kāi)方式是采取案例研究的思路，分別介紹各種不同的任務(wù)（難度不斷增大），然后根據(jù)問(wèn)題的需要講述相關(guān)內(nèi)容。在某些情況下，這確實(shí)是一種自然的內(nèi)容演繹方式，但難以對(duì)各主題做出整體性、結(jié)構(gòu)化的呈現(xiàn)。本書是這兩種方式的折中：開(kāi)始部分介紹了廣泛使用的數(shù)學(xué)知識(shí)和常規(guī)的符號(hào)標(biāo)記方式，然后逐個(gè)主題展開(kāi)內(nèi)容，根據(jù)需要補(bǔ)充介紹必要的數(shù)學(xué)工具。熟悉數(shù)學(xué)的讀者完全可以跳過(guò)開(kāi)始部分而不致錯(cuò)過(guò)任何圖形學(xué)知識(shí)。其他人則可從這些章節(jié)中獲益良多。教師授課時(shí)可根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行取舍�；�于主題的章節(jié)安排方式可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)容上的重復(fù)。例如，本書從不同的細(xì)節(jié)層次對(duì)圖形流水線進(jìn)行了多次討論。與其讓讀者回頭參考之前的章節(jié)，有時(shí)我們會(huì)再次陳述部分內(nèi)容，使對(duì)該問(wèn)題的討論更為流暢。畢竟讓讀者返回500頁(yè)之前去查看一幅圖并非令人愜意的事。
對(duì)本教材的作者來(lái)說(shuō)，另一個(gè)挑戰(zhàn)是選材的廣度。本書的第1版確實(shí)覆蓋了當(dāng)時(shí)圖形學(xué)出版物中的大部分內(nèi)容，第2版至少也約略提到了其中大部分的研究工作。本版教材不再追求內(nèi)容的覆蓋度，理由很簡(jiǎn)單：當(dāng)本書第2版出版時(shí)，我們一只手就能拿起SIGGRAPH會(huì)議的全部論文集（這些論文幾乎包含了圖形學(xué)領(lǐng)域的代表性工作）；如今，SIGGRAPH會(huì)議的全部論文集（僅僅是許多圖形學(xué)出版物中的一種）疊在一起高達(dá)數(shù)米。即使是電子版的教材也無(wú)法將全部?jī)?nèi)容塞進(jìn)1000頁(yè)中。本書這一版旨在為讀者指明在哪里可以找到和復(fù)制當(dāng)今的大部分SIGGRAPH論文。下面是幾點(diǎn)說(shuō)明：
●第一，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的交叉面越來(lái)越大，但這并不能構(gòu)成讓我們將本書寫成計(jì)算機(jī)視覺(jué)教材的理由，盡管一些有該領(lǐng)域豐富知識(shí)的人已經(jīng)這樣做了。
●第二，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)涉及編程，盡管許多圖形學(xué)應(yīng)用題目很大，但本書并沒(méi)有試圖講授編程和軟件工程。當(dāng)然，在書中我們也會(huì)簡(jiǎn)要討論一些專門針對(duì)圖形學(xué)的編程方法（尤其是排錯(cuò)）。
●第三，許多圖形學(xué)應(yīng)用都提供了用戶界面。在編寫本書時(shí)，大多數(shù)界面均基于Windows操作系統(tǒng)，采用菜單和鼠標(biāo)進(jìn)行交互。不過(guò)基于觸覺(jué)的交互界面正變得越來(lái)越常見(jiàn)。交互界面的研究曾經(jīng)是圖形學(xué)的一部分，但如今已成為一個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域（盡管它仍和圖形學(xué)有很大的交叉）。我們假定讀者在編寫含用戶界面的程序方面已具備了一些經(jīng)驗(yàn)，因此本書將不再對(duì)它們做深入討論（除了其實(shí)現(xiàn)過(guò)程與圖形學(xué)密切關(guān)聯(lián)的3D界面外）。
毋庸置疑，圖形學(xué)領(lǐng)域的研究論文區(qū)別很大：有些涉及很多的數(shù)學(xué)表述；有些介紹的是一個(gè)大規(guī)模的系統(tǒng)，涉及各種復(fù)雜的工程因素的權(quán)衡；還有些涉及物理學(xué)、色彩理論、地形學(xué)、攝影學(xué)、化學(xué)、動(dòng)物學(xué)等各個(gè)學(xué)科的知識(shí)。我們的目標(biāo)是讓讀者領(lǐng)會(huì)這些論文中的圖形學(xué)貢獻(xiàn)，而其他的相關(guān)知識(shí)則需要讀者在課外自行學(xué)習(xí)。
歷史上的方法
在歷史上，圖形學(xué)大多為一些面向當(dāng)時(shí)急需解決的問(wèn)題的專門方法。這么說(shuō)并非對(duì)那些曾經(jīng)使用這些方法的人有所不敬，他們手頭有任務(wù)，必須想辦法完成。其中