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出版者:北京航空航天大学出版

作者:余永权 编

出品人:

页数:654

译者:

出版时间:2004-7

价格:59.50元

装帧:

isbn号码:9787810774383

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• 嵌入式系统
• 电子工程
• 技术手册
• 微控制器
• 电子技术
• DIY
• 硬件开发
• 电路设计
• 技术参考

计算机图形学与交互设计原理 本书深入剖析了计算机图形学的基础理论、核心算法及其在现代人机交互系统中的应用。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的理解视角，涵盖从底层数学模型到高层可视化效果的整个技术栈。我们关注的重点在于如何高效、真实地渲染三维世界，以及如何设计直观、高效的用户交互界面。 第一部分：图形学基础与数学建模 本部分奠定了整个图形学领域所需的坚实数学基础，确保读者能够理解后续所有算法的推导过程。 1. 几何基础与变换： 详细介绍了向量代数、矩阵运算在三维空间中的应用。重点阐述了仿射变换（平移、旋转、缩放）和透视投影的数学原理。我们对欧拉角、四元数在处理复杂旋转问题中的优人劣势进行了细致的对比分析。此外，书中还引入了计算机辅助设计（CAD）中常用的曲线和曲面表示方法，如贝塞尔曲线、B样条（B-Spline）及其NURBS（非均匀有理B样条）在工程和艺术领域的应用实例。 2. 坐标系与视景变换管线： 系统梳理了从物体空间到屏幕空间的完整坐标变换流程。深入解析了模型视图矩阵（ModelView Matrix）和投影矩阵（Projection Matrix）的构建与作用。对于透视投影和正交投影的几何特性，我们提供了大量的图示和推导过程，帮助读者理解深度信息是如何被编码并最终映射到二维屏幕上的。 3. 颜色模型与感知： 本章探讨了光与色彩的物理学基础，并将其转化为计算机可处理的数学模型。详细介绍了RGB、CMY、HSV等常用颜色空间的转换机制。更重要的是，本书深入探讨了人眼视觉系统的工作原理，解释了为什么需要使用更复杂的模型（如CIELAB）来描述颜色感知，并讨论了色彩管理和校正技术，确保屏幕显示与物理世界色彩的一致性。 第二部分：光栅化渲染核心技术 本部分聚焦于实时图形学的基石——光栅化渲染流水线。这是当前绝大多数游戏引擎和实时仿真系统的核心技术。 4. 扫描转换与片段处理： 讲解了如何将连续的几何图形（如直线、多边形）转换成离散的像素点阵。对比分析了中点算法（Bresenham's algorithm）等经典扫描转换算法的效率和精度。重点讨论了多边形填充算法，包括边界函数法和扫描线算法，并引入了抗锯齿（Anti-aliasing）技术，如超采样（SSAA）和多重采样（MSAA），以提高图像的视觉质量。 5. 深度缓冲与可见性判定： 阐述了Z-Buffer（深度缓冲）技术的原理及其在解决可见性问题中的核心地位。分析了深度测试的精度问题，以及如何通过调整投影矩阵来优化深度缓冲区的有效利用率。此外，还探讨了早期的可见性算法，如画家算法（Painter's Algorithm）的局限性。 6. 纹理映射与表面属性： 纹理是赋予物体表面细节的关键技术。本书详细讲解了二维纹理如何被映射到三维表面上，包括纹理坐标的生成、过滤技术（最近邻、双线性、三线性插值）。针对纹理失真问题，引入了各向异性过滤（Anisotropic Filtering）的应用场景和实现细节。表面光照模型（如Phong和Blinn-Phong模型）被用于模拟材料的反射特性，使得物体看起来更具质感。 第三部分：高级光照模型与真实感渲染 本部分深入研究了使图像达到照片级真实感的复杂光照计算方法，主要集中于离线渲染领域，但许多原理也影响了实时渲染的发展方向。 7. 局部与全局光照： 区分了局部光照模型（只考虑直接光照）和全局光照模型（考虑间接光照、反射、散射）。详细解析了辐射度（Radiosity）方法在漫反射环境光计算中的应用，以及光线追踪（Ray Tracing）的基本原理和实现结构。 8. 光线追踪与蒙特卡洛积分： 深入探讨了光线追踪算法的优化，包括加速结构（如包围盒层次结构 Bounding Volume Hierarchy, BVH）的构建与遍历。引入了蒙特卡洛方法作为求解渲染方程的核心工具，解释了路径追踪（Path Tracing）如何通过随机采样来模拟复杂的光线行为，以获得高品质的全局光照效果。 9. 阴影、焦散与体积渲染： 讲解了实现逼真阴影的技术，如阴影贴图（Shadow Mapping）的局限性及改进方案。此外，探讨了焦散（Caustics）的模拟，以及雾、烟、云等体积介质的渲染技术，如步进法和光子图技术。 第四部分：人机交互与图形系统架构 本部分将图形学技术与实际的用户交互设计相结合，探讨图形系统的工程实现。 10. 交互设备与事件处理： 分析了现代输入设备（如鼠标、键盘、触摸屏、VR/AR控制器）的数据采集特性。重点阐述了事件驱动编程模型在图形应用中的实现，包括输入事件的捕获、过滤和分发机制。 11. 图形硬件与API： 概述了现代GPU（图形处理器）的并行计算架构，解释了可编程管线（Programmable Pipeline）的结构，即通过顶点着色器（Vertex Shader）和片段着色器（Fragment Shader）实现高度定制化的渲染效果。详细介绍了主流图形API（如OpenGL/Vulkan/DirectX）的编程接口和设计哲学，强调状态机管理和批处理的重要性。 12. 实时渲染优化与性能分析： 讨论了如何在有限的计算资源内实现高质量的实时渲染。涵盖了LOD（细节层次）、遮挡剔除（Occlusion Culling）、视锥剔除等几何优化技术。同时，介绍了性能分析工具的使用，以及如何通过异步计算和多线程技术来平衡CPU和GPU的工作负载。 本书特色： 理论与实践并重： 每个核心算法都配有清晰的数学推导和伪代码实现参考。 面向未来技术： 紧密结合最新的实时渲染前沿，如基于物理的渲染（PBR）流程概述。 深入的工程视角： 关注图形API的使用效率和硬件特性，不仅仅停留在理论层面。 通过对这些内容的系统学习，读者将能够独立设计和实现复杂的计算机图形系统，并深刻理解现代可视化技术背后的工程和科学原理。

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从内容广度来看，这本书的野心确实不小，试图囊括目前市面上主流和新兴的微控制器技术。然而，这种“大而全”的策略在特定领域反而带来了一些分散感。比如，当涉及到特定领域的加速器模块时，例如DSP指令集或图形渲染单元的编程接口，书中往往只是点到为止，给出一个宏观的描述，但缺乏深入到汇编级别或寄存器访问层面的具体代码示例。这使得对于需要进行极限性能优化的读者，比如音频处理工程师或实时控制算法的开发者来说，这本书提供的帮助有限。他们更需要的是一本专注于特定架构的“内功心法”，而不是一本概览性的武功秘籍。我个人更偏爱那种敢于“钻牛角尖”的书籍，愿意花几百页篇幅来彻底解析一个复杂的DMA控制器的工作机制，或者详细拆解一个特定片上系统的缓存一致性协议。这本书给我的感觉是，在每一个技术点上都铺设了足够的路基，但很少有章节能带你真正登上技术的高峰去俯瞰全局。它更像是给一个初入行的工程师提供了一个可靠的导航图，而不是给一个资深专家提供一套精密的“手术刀”。

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这本书的排版和图示清晰度达到了行业内的一流水准，这一点必须点赞。尤其是在描述复杂的总线仲裁机制或中断向量表结构时，作者团队显然花费了大量心思去设计那些流程图和时序波形图。我注意到书中对不同厂家微控制器之间在寄存器命名和内存映射上的细微差异，做了非常细致的对比分析，这对于多平台项目迁移的工程师来说，简直是福音。我记得有一次在调试一个遗留系统时，就是因为对一个老型号MCU的特定定时器溢出中断处理流程理解不够透彻，导致了难以追踪的软件Bug。如果当时能有书中这种精细的图解来对照，或许能节省我整整一周的排查时间。不过，在软件工具链的使用指导上，感觉略显保守。书中似乎更侧重于使用传统的IDE和编译器进行编译烧录，而对于目前业界越来越流行的基于云端的开发环境、或者采用更现代化的构建系统（如CMake或Bazel）的集成方案，介绍得比较少。现代的嵌入式开发越来越强调自动化和版本控制的集成，如果能在附录或者在线资源中提供一些关于如何将书中的知识点无缝接入现代CI/CD流程的指导，那这本书的实用价值将再次飙升。整体来说，视觉体验和核心原理阐述的严谨性无可挑剔，但对前沿开发模式的覆盖略有滞后。

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这本书的装帧设计确实挺吸引眼球的，封面那种深邃的蓝色调配上金属质感的字体，拿在手里感觉分量十足。我一开始是冲着它的“手册”这个定位去的，期望能找到一本能解决实际工程问题的“救火队员”。然而，实际翻阅下来，感觉内容深度上稍微有些偏向理论基础的讲解，对于我这种追求快速上手、解决特定项目难题的工程师来说，需要花费不少时间去消化那些基础概念，才能真正触及到应用层面。比如，在介绍某类新型传感器的接口协议时，书中花了大量的篇幅来阐述晶体管级别的开关特性和时序图的抽象分析，这对于理解原理固然重要，但对于需要立刻进行PCB布局和软件驱动编写的我而言，略显冗余了。我更希望看到的是一个包含完整项目案例的章节，例如如何利用特定的微控制器实现一个低功耗的物联网数据采集节点，里面详细列出选型、硬件连接图、关键代码片段以及性能优化技巧。期待后续的版本能在这方面进行加强，增加更多来自一线研发的实战经验分享，让这本书真正成为一本能“镇住场面”的工具书，而不是一本高阶的教科书。目前的阅读体验更像是在系统性地回顾大学期间的数字电路和嵌入式系统课程，知识点非常全面，但实操的“烟火气”稍显不足，需要读者自己去弥补从理论到实践的鸿沟。

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这本书的语言风格非常学术化，行文逻辑严密，充满了技术术语的精确使用。这对于需要引用标准或撰写技术文档的场合非常有帮助，因为它提供的定义和解释几乎是教科书级别的严谨。我发现自己在阅读涉及低级硬件交互的部分时，必须非常集中注意力，因为一个漏掉的标点符号或对某个术语的细微误解，都可能导致对整个电路行为的错误判断。这种高强度的阅读体验，虽然能确保知识的准确性，但同时也大大降低了阅读的流畅性和趣味性。它缺乏一些能够引导读者放松下来，去思考“为什么”而不是仅仅记住“是什么”的叙事技巧。例如，在解释电源管理策略时，如果能穿插一些设计者在面对电池寿命与响应速度矛盾时所做的权衡和妥协的案例故事，会更有助于建立感性认知。目前的叙述方式更像是在陈述一个既定的事实集合，而不是引导一场探索性的学习之旅。这本书无疑是知识的宝库，但它需要一位有耐心的“淘金者”才能挖掘出其真正的价值。

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这本书的理论深度与前沿性之间的平衡把握得令人费解。一方面，它收录了大量关于传统8位和16位MCU的经典架构内容，这些内容对于理解嵌入式系统的历史演进和基础原理来说是必要的补充。但另一方面，在涉及当前最热门的RISC-V架构或最新的先进制造工艺带来的特性时，描述往往显得不够深入和及时。我期待一本名为“世界流行”的技术手册能够紧跟最新的市场动态，特别是在安全特性（如TEE、PUF）和无线连接（如Thread/Matter协议栈的硬件支持）方面的最新进展。目前书中关于这些新兴领域的介绍，更像是对几年前技术趋势的总结，而不是对未来两三年内市场主流方案的预判和指导。对于希望通过这本书来规划下一代产品技术栈的研发主管来说，可能需要额外补充近期的行业白皮书和芯片厂商的最新数据手册来佐证和更新书中的信息。总而言之，这是一本坚实的基础参考书，但其“流行”的时效性略显保守，更适合作为经典知识的归档，而非快速迭代技术领域的最新指南。

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