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出版者:人民邮电出版社

作者:徐士良

出品人:

页数:192

译者:

出版时间:2001-10-1

价格:17.0

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787115092045

丛书系列:

图书标签:

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• 算法

计算机图形学基础与实践 本书导言 在信息技术日新月异的今天，图形和图像处理已渗透到我们生活的方方面面，从电影特效、虚拟现实到医学影像、工业设计，无不依赖于强大的计算机图形学理论与技术支撑。本书旨在为读者系统、深入地介绍计算机图形学的核心概念、基本算法以及现代图形编程实践。我们力求在理论深度与工程应用之间找到最佳平衡点，使读者不仅理解“如何做”，更能明白“为何如此做”。 第一部分：图形学基础理论 本部分奠定坚实的数学和几何基础，这是理解和实现任何高级图形技术的基石。 第一章 几何基础与变换 本章首先回顾必要的线性代数知识，包括向量运算、矩阵乘法以及齐次坐标系的引入。重点讲解二维和三维空间中的基本几何变换：平移、旋转、缩放。深入探讨复合变换的原理和实现顺序的重要性。我们将详细阐述欧拉角（Euler Angles）在旋转中的局限性，并引入四元数（Quaternions）作为更稳定、更通用的旋转表示方法，及其在插值中的应用。同时，介绍几何对象（如点、线、多边形）的表示方法，为后续的建模打下基础。 第二章 观察与投影 有效的图形渲染依赖于精确的观察模型。本章聚焦于如何将三维世界中的场景投影到二维屏幕平面上。我们将系统介绍视图变换（Viewing Transformation）的建立过程，包括定义摄像机位置、观察方向和“向上”向量。随后，深入剖析两种核心投影技术：正交投影（Orthographic Projection）和透视投影（Perspective Projection）。针对透视投影，我们将详细解析截锥体（View Frustum）的概念及其与投影矩阵的对应关系。讨论视口变换（Viewport Transformation）如何将规范化的设备坐标映射到屏幕像素坐标系。 第三章 光栅化原理 光栅化是将几何模型转换为屏幕像素集合的过程。本章从底层原理出发，介绍像素、分辨率和扫描转换的概念。核心内容包括：直线（如Bresenham算法）和圆（如中点圆算法）的扫描转换实现。对于多边形的扫描转换，重点讲解边函数（Edge Function）和Slab技术，如何高效地填充任意凹凸多边形，并讨论处理水平边和顶点处的特殊情况。本章还将初步涉及抗锯齿（Anti-aliasing）的基础思想。 第二部分：三维模型与表示 本部分探讨如何使用计算机语言描述和构建复杂的三维场景。 第四章 几何建模技术 本章介绍描述真实世界物体的常见方法。首先介绍参数曲面（Parametric Surfaces）的基础，包括贝塞尔曲线（Bézier Curves）和B样条曲线（B-Splines）。详细分析这些曲线的控制点、局部/全局控制性以及求值方法。接着，扩展到曲面建模，如贝塞尔曲面和NURBS（非均匀有理B样条），阐述它们在工业设计中的强大能力。此外，还将简要介绍基于多边形网格的隐式曲面方法，如等值面提取算法（如Marching Cubes）。 第五章 纹理映射与表面细节 为了增加场景的真实感，纹理是必不可少的。本章从二维图像到三维表面的映射过程入手。讲解纹理坐标的定义（UV坐标）和纹理映射的实现，包括点采样和插值过滤（如最近邻、双线性过滤）。深入讨论纹理坐标的重复、钳位和镜像模式。最后，介绍高级的纹理技术，如环境贴图（Environment Mapping）用于模拟反射，以及纹理坐标的程序化生成。 第三部分：高级渲染技术 本部分聚焦于模拟真实光照和材质，实现逼真的视觉效果。 第六章 局部光照模型 本章是实现表面色彩和亮度的核心。详细介绍经典的光照模型，如环境光、漫反射光（Lambertian Model）和镜面反射光（Phong/Blinn-Phong模型）。重点分析法线、视线向量、光源方向和半角向量之间的几何关系。讨论材质参数（如颜色、高光系数）如何与光照公式结合，计算出像素的最终颜色。此外，还会介绍如何通过法线贴图（Normal Mapping）和凹凸贴图（Bump Mapping）在不增加几何复杂度的情况下，模拟出表面的微观细节。 第七章 深度与消隐技术 在三维场景中，物体之间存在遮挡关系，必须正确处理深度信息以避免渲染错误。本章系统介绍消隐（Hidden Surface Removal）算法。首先深入讲解Z-Buffer（深度缓冲）的工作原理、实现细节和性能考量。随后，讨论画家算法（Painter's Algorithm）的适用范围和局限性。对于更精确的遮挡处理，介绍二进制空间划分（BSP Tree）的构建和遍历方法。 第八章 走查与光线追踪入门 本章引入更先进的、基于物理的光线追踪方法。详细阐述光线追踪的采样过程，从屏幕像素发射光线，并计算其与场景中几何体的交点。重点讲解光线与平面、球面等基本二次曲面的求交算法。在交点处，讨论如何递归地追踪反射光线和折射光线，以模拟镜面和透明材质。最后，概述蒙特卡洛（Monte Carlo）积分在全局光照计算中的基本思想。 第四部分：现代图形编程实践 本部分将理论与最新的硬件加速技术相结合，引导读者进行实际的图形程序开发。 第九章 图形管线与GPU编程 本章介绍现代图形处理单元（GPU）的工作架构，即可编程渲染管线。详细解析顶点处理器（Vertex Shader）和片段处理器（Fragment Shader）的功能和工作流程。阐述如何使用着色语言（如GLSL或HLSL）编写自定义的顶点处理逻辑（如骨骼动画、非线性形变）和片段着色逻辑（如自定义光照模型、后期处理）。讨论数据流的组织，如顶点缓冲对象（VBO）和索引缓冲对象（EBO）的使用。 第十章 性能优化与后期处理 高效的渲染要求对性能有深刻理解。本章探讨优化策略，包括剔除技术（视锥体剔除、背面剔除）、LOD（细节层次）系统以及批处理的优势。同时，介绍强大的后期处理技术，这些技术在片段着色器中对整个屏幕图像进行操作。具体内容包括屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）、运动模糊（Motion Blur）和景深（Depth of Field）的实现原理与Shader编写技巧。 附录 附录提供常用的数学库函数参考、标准几何体数据结构定义，以及一个基于现代图形API（如OpenGL或Vulkan）的最小化渲染框架的快速入门指南，以供读者快速上手实践。 本书特色 本书不仅关注传统算法的精确性，更强调与现代GPU编程模型的结合。每章后的“实践思考”部分引导读者将理论转化为代码实现。本书适合计算机科学、数字媒体技术等相关专业的高年级学生、研究生以及希望深入了解图形渲染引擎开发的工程师阅读。通过本书的学习，读者将建立起从几何建模到逼真渲染的完整知识体系，并具备开发高性能三维图形应用的能力。

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