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出版者:第1版 (2004年1月1日)

作者:鍾華

出品人:

頁數:255

译者:

出版時間:2004-5

價格:23.00

裝幀:平裝

isbn號碼:9787801447975

叢書系列:

圖書標籤:

• AutoCAD
• AutoCAD 2004
• 中文版
• 教程
• 計算機輔助設計
• CAD
• 繪圖
• 機械製圖
• 建築製圖
• 軟件操作

計算機圖形學與幾何建模：理論與實踐 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的計算機圖形學基礎理論體係，並結閤現代幾何建模技術的前沿進展，構建從數學原理到實際應用的全景圖。它不僅適閤於希望深入理解圖形學核心概念的計算機科學專業學生和研究人員，也為從事三維建模、虛擬現實、遊戲開發以及數字媒體設計領域的工程師和專業人士提供瞭堅實的理論支撐和實用的技術指導。 --- 第一部分：圖形學基礎與數學核心 本部分聚焦於計算機圖形學賴以建立的數學基礎和基本原理，為後續的高級主題打下堅實的地基。 第一章：圖形學的曆史、範式與基礎結構 本章將追溯計算機圖形學的起源與發展脈絡，介紹從早期的嚮量顯示技術到現代的基於像素的渲染管綫的演變。我們將詳細剖析圖形係統的基本組成部分，包括輸入設備、中央處理單元（CPU/GPU）、圖形硬件加速、以及主要的軟件框架。重點討論圖形學研究的四大支柱：幾何建模、繪製（Rendering）、動畫與可視化。 第二章：綫性代數與變換的藝術 幾何變換是圖形學中最核心的數學工具。本章將深入講解嚮量空間、矩陣運算在二維和三維空間中的應用。內容涵蓋： 基礎變換：平移、縮放、鏇轉（歐拉角與四元數解析）。 齊次坐標係統：為何使用四維嚮量錶示三維變換，以及透視投影的實現機製。 視圖變換與模型變換：如何在世界坐標係、觀察坐標係和屏幕坐標係之間進行精確轉換。 矩陣的分解與優化：如LU分解在幾何處理中的潛在應用。 第三章：光柵化基礎與掃描轉換算法 本章轉嚮將幾何描述轉換為屏幕像素的過程——光柵化。我們將詳盡分析實現高效、高質量光柵化的關鍵算法： 直綫掃描轉換：DDA算法、布雷森漢姆（Bresenham）算法的原理、效率對比與實現細節。 圓與橢圓的掃描轉換：中點法算法的推導與優化。 多邊形填充算法：邊函數法、奇偶填充規則、非零環繞數規則的深入剖析及其在復雜多邊形處理中的應用。 Z緩衝（深度緩衝）機製：理解深度測試如何解決可見性問題。 --- 第二部分：幾何建模與錶示 本部分探討如何使用數學形式精確、靈活地描述現實世界中的三維對象，這是後續渲染和仿真的基礎。 第四章：參數麯綫與麯麵：從貝塞爾到NURBS 參數化錶示法是現代CAD/CAM和動畫製作的基石。本章將係統地介紹不同類型的麯綫和麯麵模型： 貝塞爾（Bézier）麯綫與麯麵：德卡斯特裏奧（De Casteljau）算法的幾何意義，控製點的操作與局部/全局形狀調整。 B-樣條（B-Spline）麯綫與麯麵：基函數的特性、分段多項式的優勢、以及相對於貝塞爾麯綫的靈活性。 NURBS（非均勻有理B樣條）：權重參數的引入如何實現圓錐麯綫的精確錶示，以及其在工業設計中的不可替代性。 細分麯麵（Subdivision Surfaces）：Catmull-Clark算法等，用於生成光滑有機形狀的方法。 第五章：實體建模技術（CSG與邊界錶示） 實體建模關注對象的拓撲結構和空間占用。本章對比分析兩種主流的實體錶示方法： 構造實體幾何（CSG）：如何通過布爾運算（並、交、差）組閤簡單的原始體（立方體、圓柱等）來構建復雜模型。CSG的優點與在某些應用中的局限性。 邊界錶示（B-Rep）：使用頂點、邊、麵等元素精確描述對象的邊界。拓撲數據結構（如半邊數據結構Half-Edge Data Structure）的構建與遍曆，實現對幾何實體的精確操作與分析。 第六章：隱式麯麵與體素錶示 本章介紹非參數化的幾何錶示方法，特彆是用於描述復雜、連續或具有內部結構的對象： 隱式麯麵：通過函數 $F(x, y, z) = 0$ 定義的錶麵。探討水平集方法（Level Set Methods）在模擬流體、熔融、塑形等動態過程中的應用。 體素（Voxel）錶示：三維離散網格的特性，在醫學成像（MRI, CT）和體積渲染中的重要性。 網格（Mesh）錶示的優化：三角網格的存儲、簡化（如迭代邊界坍縮算法）和修復技術。 --- 第三部分：高級渲染技術與可視化 本部分深入探討光綫如何與場景中的幾何體交互，以及如何生成逼真或具有特定藝術風格的圖像。 第七章：光照模型與錶麵材質 真實感渲染的核心在於模擬光與物質的相互作用。本章將詳細介紹經典與現代的光照模型： 經驗光照模型：朗伯模型（Lambertian）、Phong模型、Blinn-Phong模型的數學推導，理解環境光、漫反射和鏡麵反射的貢獻。 更精確的局部光照：輻射度（Radiosity）方法，用於計算麵與麵之間的能量交換（間接光照）。 BRDF（雙嚮反射分布函數）：物理基礎，介紹如Cook-Torrance、GGX模型，用於描述更復雜的微錶麵細節和各嚮異性。 紋理映射與過程紋理：從簡單的二維圖像映射到程序生成（如Perlin噪聲）的復雜錶麵細節。 第八章：全局光照與光綫追蹤/光綫步進 為瞭實現照片級的真實感，必須考慮光綫的多次彈射（全局光照）。 光綫追蹤（Ray Tracing）：原理、加速結構（如BVH, Octree）的構建與遍曆。處理反射、摺射和陰影的遞歸算法。 路徑追蹤（Path Tracing）：基於濛特卡洛積分的全局光照解決方案。重要性采樣（Importance Sampling）在降低噪聲和加速收斂中的作用。 光子映射（Photon Mapping）：結閤前嚮發射和後嚮追蹤，高效處理焦散（Caustics）等復雜光照現象。 第九章：可見性判定與高級屏幕空間技術 在渲染管綫中，如何高效地確定哪些部分可見，以及如何利用屏幕空間信息增強效果。 透視投影與視錐裁剪（Frustum Culling）：高效剔除不可見幾何體的算法。 屏幕空間環境光遮蔽（SSAO）：利用深度和法綫緩存信息在屏幕空間近似計算遮擋效果，提高場景的深度感。 延遲渲染（Deferred Shading）與前嚮渲染的對比：理解現代實時渲染引擎中，如何優化對大量光源的處理。 --- 第四部分：動畫與交互 本部分探討如何在時間維度上改變幾何和視覺屬性，以及實現用戶與三維場景的有效交互。 第十章：關鍵幀動畫與插值方法 本章講解如何創建平滑、自然的運動序列。 關鍵幀技術：定義運動的起點與終點，以及關鍵姿態。 時間插值：綫性插值、三次樣條插值（Cubic Splines）和三次樣條插值（Catmull-Rom Splines）在時間軸上的應用。 運動學基礎：關節、骨骼係統（Skeletal Animation）的概念，濛皮（Skinning）技術，以及正嚮/逆嚮運動學（IK/FK）的計算方法。 第十一章：交互式三維環境設計與事件處理 三維場景需要用戶輸入來驅動變化。本章關注交互的實現機製。 拾取（Picking）技術：如何從屏幕坐標精確地確定用戶點擊瞭場景中的哪個三維物體（如射綫拾取法）。 交互式變換：實現對模型進行實時拖動、鏇轉和縮放的界麵設計與底層坐標變換的整閤。 用戶界麵（UI）與三維視圖的同步：確保2D控件的操作能精確反映到3D空間中的模型參數。 --- 總結：本書以嚴謹的數學推導為核心，以先進的計算機圖形學理論為骨架，詳細剖析瞭從二維基礎到復雜三維渲染管綫的每一個關鍵環節。讀者在掌握本書內容後，將具備設計、實現和優化下一代三維圖形係統的能力。

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這本書，說實話，拿到手的時候我心裏是有點犯嘀咕的。畢竟是04年的版本瞭，現在都多少年過去瞭，軟件更新換代多少迴瞭？但衝著“標準教程”這四個字，我還是決定翻開看看。沒想到，裏麵的內容基礎講得真是紮實得不像話。它沒有急著拋齣那些花裏鬍哨的新功能，而是非常耐心地從最基本的繪圖環境設置講起，比如那個經典的命令行操作邏輯，以及各個工具欄圖標的布局和作用，都講得非常詳盡。對於一個完全零基礎的新手來說，這簡直就是保姆級的指導。我記得我當時對照著書上的步驟，一步一步在電腦上操作，光是理解“對象捕捉”這個概念，書裏就用瞭好幾頁篇幅配上清晰的截圖進行解釋，連鼠標指針在不同狀態下會顯示什麼小圖標都標注齣來瞭。這種對細節的執著，在後來的很多快速教程裏是看不到的，很多現代教程恨不得把這些基礎部分一筆帶過。這本書的價值，恰恰在於它把那些被後來的版本視為“常識”的東西，用最原始、最清晰的方式展現瞭齣來，讓我對CAD的底層邏輯有瞭非常堅固的認知基礎。

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總的來說，這是一本打地基的“內功心法”寶典。如果你是想快速學會幾個花哨的新功能，或者追求最新的渲染效果，那這本書肯定不是你的菜。但如果你是像我一樣，想真正弄明白AutoCAD這套體係為什麼會這樣設計，想建立起一套嚴格的、符閤工程實踐的繪圖習慣，那麼這本書的價值無可替代。它更像一位經驗豐富的老工程師在手把手教你如何把工具用得“正確”和“規範”，而不是僅僅“能用”。它教會瞭我耐心、精確和邏輯，這些素養，比任何一個版本更新迭代帶來的新功能都要長久和寶貴。時至今日，當我處理一些需要兼容老舊圖紙格式或者需要進行底層邏輯調試的工作時，我反而會懷念這本書裏那種最純粹的、不被花哨界麵乾擾的訓練過程。

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我必須承認，這本書在“高級應用”和“三維建模”部分的篇幅相對有限，這或許是受限於那個時代的軟件能力，也可能是它定位就是麵嚮初學者的入門教程。但是，它在“二維繪圖規範”和“標注精度控製”方麵，簡直是登峰造峰。特彆是關於尺寸標注的部分，它詳細對比瞭不同類型的尺寸標注（如綫性、對齊、半徑、直徑）在特定場景下的使用差異，並強調瞭標注文字的高度、箭頭樣式等細節如何影響圖紙的可讀性和規範性。那時候的CAD還沒有現在這麼智能地自動判斷，很多精度都需要手動校準。這本書裏提供的那些關於“夾點編輯”和“對象編輯命令組閤使用”的技巧，雖然現在看來可能有些陳舊，但在當年，絕對是提高效率的法寶。它教會瞭我如何用最少的步驟去修正復雜的圖形錯誤，這是一種非常寶貴的“故障排除”能力，而不是單純的功能演示。

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這本書的語言風格，帶著一種老派工匠的嚴謹和一絲不苟，讀起來很舒服，雖然偶爾會覺得有些枯燥，但這種枯燥恰恰是技術類書籍所必需的穩定感。它對術語的定義非常精確，不像現在很多網絡資料那樣隨意使用縮寫或模糊不清的描述。比如，它對“塊（Block）”的定義和應用，劃分得非常清晰，區分瞭“塊定義”、“塊插入”和“外部參照（Xref）”這三個概念，並且用大量篇幅解釋瞭Xref在大型項目中的文件管理優勢。這種對概念的厘清，對於後續接觸更復雜的CAD/BIM工作流至關重要。我當時學習時的一個小睏擾是，書裏的很多截圖分辨率和清晰度確實不如現在，偶爾需要眯著眼睛辨認一下工具欄上那些像素化的小圖標，但一旦把操作路徑記下來，這個障礙很快就剋服瞭。

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這本書的編排結構，簡直是教科書級彆的範本，邏輯性強到讓人佩服。它不是那種零散地羅列命令的字典式手冊，而是采取瞭項目驅動的學習模式。每一章都圍繞著一個實際的工程圖紙案例展開，比如從繪製一個簡單的平麵圖開始，然後過渡到零件的軸測圖繪製，最後甚至還涉及到瞭圖紙的打印和輸齣設置。最讓我印象深刻的是它對“圖層管理”那一塊的闡述。它不僅僅是告訴你如何新建圖層，而是深入講解瞭不同用途的圖綫、不同顔色和綫型應該分配給哪個圖層，以及為什麼要這樣做——這直接關係到後續的工程齣圖規範。讀完那一章，我纔真正理解瞭為什麼專業人士畫圖都要嚴格遵守圖層規範，而不是隨手亂畫。這種從“怎麼做”到“為什麼要這麼做”的深入講解，極大地提升瞭我的工程思維，而不僅僅是機械地記住幾個快捷鍵而已。這種係統性的訓練，比單純的軟件功能堆砌要有價值得多。

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