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出版者:清华大学出版社

作者:丁凤刚

出品人:

页数:196

译者:

出版时间:2002-7-1

价格:18.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302056621

丛书系列:

图书标签:

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• 8086
• 微机原理
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计算机图形学基础与应用 本书简介 本书系统地介绍了计算机图形学的基本原理、核心算法及其在现代工业、科学研究和娱乐领域的广泛应用。内容涵盖了从基础的几何建模到复杂的三维渲染管线，旨在为读者提供一个全面且深入的理论框架和实践指南。 第一部分：图形学基础与数学原理 本部分着重于奠定读者理解后续复杂主题所需的数学和概念基础。 1. 计算机图形学的历史与发展： 追溯图形学从早期的向量显示技术到现代实时光线追踪的发展历程，探讨其在人机交互、可视化领域的关键作用。 2. 几何表示与变换： 详细阐述了二维和三维空间中的点、线、多边形、曲线和曲面的数学表示方法。重点解析了齐次坐标系在图形学中的重要性，并深入讲解了刚体变换（平移、旋转、缩放）的矩阵运算，包括如何组合和优化这些变换。此外，对四元数在三维旋转表示中的优势和应用进行了详尽的讨论。 3. 投影几何： 区分正交投影和透视投影，分析透视收缩的原理及其在模拟人眼视觉中的作用。详细介绍如何构建和应用投影矩阵，将三维世界坐标准确地映射到二维屏幕空间（裁剪空间）。 4. 扫描转换算法： 这是图形学管线中至关重要的一环。本书细致地比较和分析了直线（如DDA算法、中点直线算法）和圆的扫描转换技术。对于填充多边形，深入探讨了边界填充算法（如Sutherland-Hodgman裁剪算法）和光栅化技术，确保几何模型能被精确地转换成屏幕上的像素点集。 第二部分：三维建模与表示 本部分聚焦于如何高效、灵活地描述复杂的现实世界对象。 1. 曲线与曲面表示： 介绍了参数化曲线（如贝塞尔曲线、B样条曲线）的定义、控制点机制和局部/全局修正特性。对于曲面，详细阐述了Bézier曲面和NURBS（非均匀有理B样条）曲面，强调NURBS在工业设计和CAD领域中的统治地位，包括其权重和节点向量的控制机制。 2. 实体建模技术： 对比分析了三种主要的实体建模范式：边界表示法（B-Rep）、构造实体几何（CSG）和体素表示。CSG通过布尔操作组合简单原始体的方法被深入剖析，并讨论了这些模型如何转换为可供渲染的三角形网格。 3. 网格处理与细分： 重点讲解了多边形网格（Mesh）的组织结构（如半边数据结构）。阐述了网格简化（如边坍塌）和细分算法（如Catmull-Clark细分），这些技术是实现高细节模型和实时动态细节的关键。 第三部分：光照、着色与渲染 这是图形学中最具挑战性也最引人入胜的部分，涉及光如何与物体表面交互以及如何形成最终图像。 1. 颜色模型与感知： 介绍人眼对颜色的感知特性，以及标准颜色模型，包括RGB、CMY以及用于颜色均匀性分析的CIE XYZ空间。深入讨论了伽马校正的重要性，确保颜色在显示设备上的准确再现。 2. 局部光照模型： 详细分析了Phong和Blinn-Phong反射模型，分解了环境光、漫反射和镜面反射三个核心分量。随后引入了更精确的经验模型，如基于物理的渲染（PBR）的基础，讨论了菲涅尔效应和微表面理论的初步概念。 3. 纹理映射与表面细节： 讲解了如何通过纹理坐标将二维图像信息映射到三维表面上。除了基础的纹理映射，本书还深入探讨了环境贴图（Reflection Mapping）、凹凸贴图（Bump Mapping）和法线贴图（Normal Mapping），这些技术极大地丰富了表面的视觉细节，而无需增加几何复杂度。 4. 经典渲染算法： 扫描线算法（Rasterization Pipeline）： 全面解析现代GPU的核心——固定功能或可编程的栅格化流水线，从模型变换到片段处理的每一步骤。 光线追踪（Ray Tracing）： 阐述了光线追踪的基本原理，包括射线与几何体的求交测试（如射线-三角形求交）。重点分析了加速结构，如包围盒层次结构（BVH）和Kd树，这些是实现高效光线追踪的基石。 全局光照基础： 介绍了如何模拟间接光照。讨论了辐射度方法（Radiosity）的原理，以及路径追踪（Path Tracing）作为蒙特卡洛方法在渲染逼真图像中的强大能力。 第四部分：高级主题与实践 本部分将理论知识与工程实践相结合。 1. 可编程管线（Shader编程）： 介绍了顶点着色器（Vertex Shader）和片段着色器（Fragment Shader）在现代图形API（如OpenGL或DirectX）中的作用。通过示例代码，展示如何编写自定义程序来控制几何处理和像素颜色计算。 2. 动画与运动学： 探讨了关键帧动画、插值技术（如样条插值）以及骨骼动画（Skeletal Animation）的基本原理，包括皮肤权重和蒙皮过程。 3. 可视化与交互： 简要介绍数据可视化（如体绘制的初步概念）和沉浸式技术中的图形学挑战，如立体渲染和延迟渲染（Deferred Shading）的基础概念。 目标读者： 本书适合于计算机科学、软件工程、数字媒体艺术等专业的本科生和研究生，以及希望系统学习三维图形技术，并应用于游戏开发、虚拟现实、仿真或专业可视化领域的工程师和专业人士。读者应具备扎实的线性代数和微积分基础。

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