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出版者:

作者:赵国增 编

出品人:

页数:319

译者:

出版时间:2004-7

价格:27.10元

装帧:

isbn号码:9787040149067

丛书系列:

图书标签:

• 计算机绘图
• 图形学
• 计算机图形学
• 算法
• 渲染
• OpenGL
• DirectX
• 可视化
• 图像处理
• CAD

像素的史诗：数字图像的构建与视觉模拟的奥秘 书籍简介 这是一部深入探索数字图像生成与视觉模拟核心原理的学术专著。本书旨在为读者构建一个扎实而全面的理论框架，用以理解我们日常接触的每一帧数字画面——从电影特效到医学成像，从虚拟现实到高精度工程设计——背后所蕴含的数学、物理与算法的精妙结合。本书摒弃了浅尝辄止的工具介绍，转而专注于揭示图像如何从无到有被“绘制”的底层逻辑。 全书的叙事脉络围绕着光线、几何与感知这三大支柱展开。我们不讨论特定软件的操作界面，而是探讨驱动所有图形系统的基础引擎。 第一部分：光影的数学化表达——基础几何与渲染方程 本部分是全书的基石，重点在于如何将真实世界中的光照、材质与观察者模型转化为可计算的数学实体。 第一章：空间表示与变换的几何基础 我们将从线性代数的核心概念切入，详细阐述三维空间中的点、向量、法线以及它们的运算。重点解析齐次坐标系如何简化复杂的透视投影和空间平移操作。本书将用大量篇幅剖析仿射变换与射影变换的区别与联系，以及它们在模型（Model）、观察（View）和投影（Projection）三大矩阵中的具体应用。特别探讨了四元数在处理复杂旋转，尤其是避免万向锁问题方面的优势，这对于构建平滑、连续的三维动画至关重要。 第二章：光线的追踪与相交性判定 在数字世界中，图像的生成本质上是对光线路径的模拟。本章深入探讨如何高效地追踪一条从摄像机出发、穿过像素、最终与场景中物体发生交互的光线。我们详细分析了光线与不同几何原语（平面、球面、二次曲面）的解析解，以及如何运用布尔运算来构建复杂的非凸形体。重点内容包括加速结构（Acceleration Structures）的构建，如包围盒层次（Bounding Volume Hierarchy, BVH）和空间划分结构（如Kd树、八叉树）的构建算法、遍历策略以及动态场景下的更新机制。 第三章：渲染方程的物理本质 这是理解现代逼真渲染技术的关键。本书将详尽介绍渲染方程（The Rendering Equation）的物理学基础，将其视为一个积分方程，描述了场景中某一点的辐射度是如何由所有方向射入的光线贡献累加而成的。我们将深入分析出射辐射度（Radiance）和双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF）的数学模型。BRDF的章节会超越简单的漫反射模型，详述菲涅尔效应（Fresnel Effect）、微表面模型（如GGX、Beckmann分布）如何准确模拟金属、塑料和玻璃等不同材质的光学特性，为生成具有真实感表面的纹理打下坚实的理论基础。 第二部分：图像的构建与算法的优化——从光线追踪到光栅化 本部分将从理论推导转向具体的计算实现，对比不同渲染管线的设计思路与性能考量。 第四章：基于路径的全局光照模拟 本章聚焦于如何求解渲染方程的复杂积分，这是实现全局光照（Global Illumination, GI）的核心。我们将详细解析蒙特卡洛积分法在渲染领域的应用，特别是重要性采样（Importance Sampling）和多重重要性采样（Multiple Importance Sampling, MIS）。对于路径追踪（Path Tracing）算法，我们将细致剖析路径的生成、俄罗斯轮盘赌（Russian Roulette）的概率控制，以及如何通过光子映射（Photon Mapping）和辐射度（Radiance Caching）等技术，平衡计算成本与图像质量，尤其是在处理焦散（Caustics）和间接照明时。 第五章：高效渲染管线：光栅化的核心机制 在实时应用领域，光栅化仍然占据主导地位。本章系统梳理了从三维几何数据到二维屏幕像素的转换流程。详细讲解了裁剪（Clipping）算法（如Sutherland-Hodgman），屏幕空间映射，以及重心坐标系在插值（如颜色、纹理坐标、深度）中的应用。重点分析了深度缓冲（Z-Buffering）的工作原理及其对渲染顺序的依赖性，以及如何通过透视校正确保纹理映射的准确性。 第六章：纹理的映射与过滤 纹理是赋予物体表面细节的关键。本章超越简单的UV映射，探讨纹理坐标空间的畸变与抗走样（Anti-Aliasing）的必要性。详细分析了Mipmap技术的工作原理，它如何通过预计算不同尺度的纹理层级来解决采样频率不匹配导致的莫尔条纹（Moiré patterns）。此外，本书还将涉及各向异性过滤（Anisotropic Filtering），它在处理倾斜视角下纹理时如何提供更清晰的视觉效果。 第三部分：视觉的后处理与感知模拟——超越基础的精修 本部分关注图像生成后的优化步骤，探讨如何使最终输出更接近人眼所见的真实效果。 第七章：抗走样与图像重构 数字采样必然带来信息损失。本章深入探讨了采样理论在图像生成中的应用，特别是奈奎斯特-香农采样定理的局限性。详细比较了超采样（Supersampling）与子像素渲染（Subpixel Rendering）的效率差异。随后，我们将聚焦于现代算法，如基于形态学边缘检测（Morphological Antialiasing, MLAA）和时间性抗走样（Temporal Antialiasing, TAA），分析它们如何利用相邻帧信息来平滑锯齿和消除闪烁（Flicker）。 第八章：屏幕空间特效与后期处理 本章探讨那些在光线完成追踪或光栅化后，通过对二维图像进行像素级运算来增强视觉效果的技术。这包括环境光遮蔽（Ambient Occlusion, AO）的快速近似计算、屏幕空间反射（SSR）的原理与局限性。此外，本书将详述景深（Depth of Field, DoF）的模拟，如何通过对焦平面外的像素进行卷积操作来模仿光学镜头的散景效果，以及运动模糊（Motion Blur）在时间域上的积分处理。 第九章：色彩管理与人眼感知模型 最终的图像需要准确地呈现在显示设备上。本章从人眼生理学角度出发，解释色彩空间（如sRGB、Rec. 709、P3）的定义和转换。我们将深入探讨高动态范围（HDR）的概念，以及如何使用色调映射（Tone Mapping）算子（如Reinhard、Filmic Uncharted 2）将巨大的亮度信息压缩到显示器的可表示范围内，确保在低动态范围设备上依然能保持良好的对比度和视觉冲击力。 总结与展望 全书结构严谨，理论推导详尽，旨在提供一套可操作且具有深度洞察力的数字图像生成方法论。它不仅是理解现有渲染技术的教科书，更是激发未来视觉计算创新的理论基石。通过本书的学习，读者将能够从根本上理解并设计出下一代的视觉模拟系统。

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