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出版者:第1版 (2004年1月1日)

作者:钟华

出品人:

页数:255

译者:

出版时间:2004-5

价格:23.00

装帧:平装

isbn号码:9787801447975

丛书系列:

图书标签:

• AutoCAD
• AutoCAD 2004
• 中文版
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• 计算机辅助设计
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• 软件操作

计算机图形学与几何建模：理论与实践 本书旨在为读者提供一个全面而深入的计算机图形学基础理论体系，并结合现代几何建模技术的前沿进展，构建从数学原理到实际应用的全景图。它不仅适合于希望深入理解图形学核心概念的计算机科学专业学生和研究人员，也为从事三维建模、虚拟现实、游戏开发以及数字媒体设计领域的工程师和专业人士提供了坚实的理论支撑和实用的技术指导。 --- 第一部分：图形学基础与数学核心 本部分聚焦于计算机图形学赖以建立的数学基础和基本原理，为后续的高级主题打下坚实的地基。 第一章：图形学的历史、范式与基础结构 本章将追溯计算机图形学的起源与发展脉络，介绍从早期的向量显示技术到现代的基于像素的渲染管线的演变。我们将详细剖析图形系统的基本组成部分，包括输入设备、中央处理单元（CPU/GPU）、图形硬件加速、以及主要的软件框架。重点讨论图形学研究的四大支柱：几何建模、绘制（Rendering）、动画与可视化。 第二章：线性代数与变换的艺术 几何变换是图形学中最核心的数学工具。本章将深入讲解向量空间、矩阵运算在二维和三维空间中的应用。内容涵盖： 基础变换：平移、缩放、旋转（欧拉角与四元数解析）。 齐次坐标系统：为何使用四维向量表示三维变换，以及透视投影的实现机制。 视图变换与模型变换：如何在世界坐标系、观察坐标系和屏幕坐标系之间进行精确转换。 矩阵的分解与优化：如LU分解在几何处理中的潜在应用。 第三章：光栅化基础与扫描转换算法 本章转向将几何描述转换为屏幕像素的过程——光栅化。我们将详尽分析实现高效、高质量光栅化的关键算法： 直线扫描转换：DDA算法、布雷森汉姆（Bresenham）算法的原理、效率对比与实现细节。 圆与椭圆的扫描转换：中点法算法的推导与优化。 多边形填充算法：边函数法、奇偶填充规则、非零环绕数规则的深入剖析及其在复杂多边形处理中的应用。 Z缓冲（深度缓冲）机制：理解深度测试如何解决可见性问题。 --- 第二部分：几何建模与表示 本部分探讨如何使用数学形式精确、灵活地描述现实世界中的三维对象，这是后续渲染和仿真的基础。 第四章：参数曲线与曲面：从贝塞尔到NURBS 参数化表示法是现代CAD/CAM和动画制作的基石。本章将系统地介绍不同类型的曲线和曲面模型： 贝塞尔（Bézier）曲线与曲面：德卡斯特里奥（De Casteljau）算法的几何意义，控制点的操作与局部/全局形状调整。 B-样条（B-Spline）曲线与曲面：基函数的特性、分段多项式的优势、以及相对于贝塞尔曲线的灵活性。 NURBS（非均匀有理B样条）：权重参数的引入如何实现圆锥曲线的精确表示，以及其在工业设计中的不可替代性。 细分曲面（Subdivision Surfaces）：Catmull-Clark算法等，用于生成光滑有机形状的方法。 第五章：实体建模技术（CSG与边界表示） 实体建模关注对象的拓扑结构和空间占用。本章对比分析两种主流的实体表示方法： 构造实体几何（CSG）：如何通过布尔运算（并、交、差）组合简单的原始体（立方体、圆柱等）来构建复杂模型。CSG的优点与在某些应用中的局限性。 边界表示（B-Rep）：使用顶点、边、面等元素精确描述对象的边界。拓扑数据结构（如半边数据结构Half-Edge Data Structure）的构建与遍历，实现对几何实体的精确操作与分析。 第六章：隐式曲面与体素表示 本章介绍非参数化的几何表示方法，特别是用于描述复杂、连续或具有内部结构的对象： 隐式曲面：通过函数 $F(x, y, z) = 0$ 定义的表面。探讨水平集方法（Level Set Methods）在模拟流体、熔融、塑形等动态过程中的应用。 体素（Voxel）表示：三维离散网格的特性，在医学成像（MRI, CT）和体积渲染中的重要性。 网格（Mesh）表示的优化：三角网格的存储、简化（如迭代边界坍缩算法）和修复技术。 --- 第三部分：高级渲染技术与可视化 本部分深入探讨光线如何与场景中的几何体交互，以及如何生成逼真或具有特定艺术风格的图像。 第七章：光照模型与表面材质 真实感渲染的核心在于模拟光与物质的相互作用。本章将详细介绍经典与现代的光照模型： 经验光照模型：朗伯模型（Lambertian）、Phong模型、Blinn-Phong模型的数学推导，理解环境光、漫反射和镜面反射的贡献。 更精确的局部光照：辐射度（Radiosity）方法，用于计算面与面之间的能量交换（间接光照）。 BRDF（双向反射分布函数）：物理基础，介绍如Cook-Torrance、GGX模型，用于描述更复杂的微表面细节和各向异性。 纹理映射与过程纹理：从简单的二维图像映射到程序生成（如Perlin噪声）的复杂表面细节。 第八章：全局光照与光线追踪/光线步进 为了实现照片级的真实感，必须考虑光线的多次弹射（全局光照）。 光线追踪（Ray Tracing）：原理、加速结构（如BVH, Octree）的构建与遍历。处理反射、折射和阴影的递归算法。 路径追踪（Path Tracing）：基于蒙特卡洛积分的全局光照解决方案。重要性采样（Importance Sampling）在降低噪声和加速收敛中的作用。 光子映射（Photon Mapping）：结合前向发射和后向追踪，高效处理焦散（Caustics）等复杂光照现象。 第九章：可见性判定与高级屏幕空间技术 在渲染管线中，如何高效地确定哪些部分可见，以及如何利用屏幕空间信息增强效果。 透视投影与视锥裁剪（Frustum Culling）：高效剔除不可见几何体的算法。 屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）：利用深度和法线缓存信息在屏幕空间近似计算遮挡效果，提高场景的深度感。 延迟渲染（Deferred Shading）与前向渲染的对比：理解现代实时渲染引擎中，如何优化对大量光源的处理。 --- 第四部分：动画与交互 本部分探讨如何在时间维度上改变几何和视觉属性，以及实现用户与三维场景的有效交互。 第十章：关键帧动画与插值方法 本章讲解如何创建平滑、自然的运动序列。 关键帧技术：定义运动的起点与终点，以及关键姿态。 时间插值：线性插值、三次样条插值（Cubic Splines）和三次样条插值（Catmull-Rom Splines）在时间轴上的应用。 运动学基础：关节、骨骼系统（Skeletal Animation）的概念，蒙皮（Skinning）技术，以及正向/逆向运动学（IK/FK）的计算方法。 第十一章：交互式三维环境设计与事件处理 三维场景需要用户输入来驱动变化。本章关注交互的实现机制。 拾取（Picking）技术：如何从屏幕坐标精确地确定用户点击了场景中的哪个三维物体（如射线拾取法）。 交互式变换：实现对模型进行实时拖动、旋转和缩放的界面设计与底层坐标变换的整合。 用户界面（UI）与三维视图的同步：确保2D控件的操作能精确反映到3D空间中的模型参数。 --- 总结：本书以严谨的数学推导为核心，以先进的计算机图形学理论为骨架，详细剖析了从二维基础到复杂三维渲染管线的每一个关键环节。读者在掌握本书内容后，将具备设计、实现和优化下一代三维图形系统的能力。

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这本书的编排结构，简直是教科书级别的范本，逻辑性强到让人佩服。它不是那种零散地罗列命令的字典式手册，而是采取了项目驱动的学习模式。每一章都围绕着一个实际的工程图纸案例展开，比如从绘制一个简单的平面图开始，然后过渡到零件的轴测图绘制，最后甚至还涉及到了图纸的打印和输出设置。最让我印象深刻的是它对“图层管理”那一块的阐述。它不仅仅是告诉你如何新建图层，而是深入讲解了不同用途的图线、不同颜色和线型应该分配给哪个图层，以及为什么要这样做——这直接关系到后续的工程出图规范。读完那一章，我才真正理解了为什么专业人士画图都要严格遵守图层规范，而不是随手乱画。这种从“怎么做”到“为什么要这么做”的深入讲解，极大地提升了我的工程思维，而不仅仅是机械地记住几个快捷键而已。这种系统性的训练，比单纯的软件功能堆砌要有价值得多。

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这本书，说实话，拿到手的时候我心里是有点犯嘀咕的。毕竟是04年的版本了，现在都多少年过去了，软件更新换代多少回了？但冲着“标准教程”这四个字，我还是决定翻开看看。没想到，里面的内容基础讲得真是扎实得不像话。它没有急着抛出那些花里胡哨的新功能，而是非常耐心地从最基本的绘图环境设置讲起，比如那个经典的命令行操作逻辑，以及各个工具栏图标的布局和作用，都讲得非常详尽。对于一个完全零基础的新手来说，这简直就是保姆级的指导。我记得我当时对照着书上的步骤，一步一步在电脑上操作，光是理解“对象捕捉”这个概念，书里就用了好几页篇幅配上清晰的截图进行解释，连鼠标指针在不同状态下会显示什么小图标都标注出来了。这种对细节的执着，在后来的很多快速教程里是看不到的，很多现代教程恨不得把这些基础部分一笔带过。这本书的价值，恰恰在于它把那些被后来的版本视为“常识”的东西，用最原始、最清晰的方式展现了出来，让我对CAD的底层逻辑有了非常坚固的认知基础。

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这本书的语言风格，带着一种老派工匠的严谨和一丝不苟，读起来很舒服，虽然偶尔会觉得有些枯燥，但这种枯燥恰恰是技术类书籍所必需的稳定感。它对术语的定义非常精确，不像现在很多网络资料那样随意使用缩写或模糊不清的描述。比如，它对“块（Block）”的定义和应用，划分得非常清晰，区分了“块定义”、“块插入”和“外部参照（Xref）”这三个概念，并且用大量篇幅解释了Xref在大型项目中的文件管理优势。这种对概念的厘清，对于后续接触更复杂的CAD/BIM工作流至关重要。我当时学习时的一个小困扰是，书里的很多截图分辨率和清晰度确实不如现在，偶尔需要眯着眼睛辨认一下工具栏上那些像素化的小图标，但一旦把操作路径记下来，这个障碍很快就克服了。

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我必须承认，这本书在“高级应用”和“三维建模”部分的篇幅相对有限，这或许是受限于那个时代的软件能力，也可能是它定位就是面向初学者的入门教程。但是，它在“二维绘图规范”和“标注精度控制”方面，简直是登峰造峰。特别是关于尺寸标注的部分，它详细对比了不同类型的尺寸标注（如线性、对齐、半径、直径）在特定场景下的使用差异，并强调了标注文字的高度、箭头样式等细节如何影响图纸的可读性和规范性。那时候的CAD还没有现在这么智能地自动判断，很多精度都需要手动校准。这本书里提供的那些关于“夹点编辑”和“对象编辑命令组合使用”的技巧，虽然现在看来可能有些陈旧，但在当年，绝对是提高效率的法宝。它教会了我如何用最少的步骤去修正复杂的图形错误，这是一种非常宝贵的“故障排除”能力，而不是单纯的功能演示。

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总的来说，这是一本打地基的“内功心法”宝典。如果你是想快速学会几个花哨的新功能，或者追求最新的渲染效果，那这本书肯定不是你的菜。但如果你是像我一样，想真正弄明白AutoCAD这套体系为什么会这样设计，想建立起一套严格的、符合工程实践的绘图习惯，那么这本书的价值无可替代。它更像一位经验丰富的老工程师在手把手教你如何把工具用得“正确”和“规范”，而不是仅仅“能用”。它教会了我耐心、精确和逻辑，这些素养，比任何一个版本更新迭代带来的新功能都要长久和宝贵。时至今日，当我处理一些需要兼容老旧图纸格式或者需要进行底层逻辑调试的工作时，我反而会怀念这本书里那种最纯粹的、不被花哨界面干扰的训练过程。

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