Foundations of 3D Graphics Programming pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer-Verlag New York Inc

作者:Chen, Jim X./ Wegman, Edward J.

出品人:

页数:307

译者:

出版时间:2006-8

价格:$ 101.64

装帧:HRD

isbn号码:9781846281853

丛书系列:

图书标签:

• 3D Graphics
• OpenGL
• DirectX
• Rendering
• Computer Graphics
• Game Development
• Visualization
• Mathematics
• Algorithms
• Programming

《三维图形学基础：从像素到视界的旅程》 这本书是一次深入探索三维图形学核心原理的旅程，它将带领读者从最基础的像素构建，一步步走向创造令人惊叹的虚拟世界。本书并非旨在介绍特定的编程技术或API，而是致力于阐述三维图形渲染背后永恒不变的数学和几何学基石。 第一部分：像素的魔法与几何的语言 像素的本质与图像的构建： 我们将从最微小的单位——像素——开始，理解它们如何组合成二维图像。这包括色彩模型（RGB、CMYK等）的基本概念，以及如何通过矩阵运算来处理像素数据。我们将探索如何运用简单的算法来绘制直线、曲线和填充区域，这构成了所有三维图形绘制的底层逻辑。 坐标系与变换的艺术： 三维世界的构建离不开精确的坐标系。本书将详细讲解笛卡尔坐标系、球面坐标系等不同坐标系的定义与转换，以及它们在图形学中的应用。在此基础上，我们将深入探讨线性代数在图形学中的强大作用，特别是矩阵运算如何实现平移、旋转、缩放等基本几何变换。理解这些变换是操纵三维模型、构建复杂场景的关键。 多边形的世界与网格的构建： 三维模型绝大多数是由多边形（通常是三角形）构成的。本书将讲解多边形的定义、顶点、边、面的概念，以及如何构建和表示三维模型的网格结构。我们将学习如何通过顶点数据来定义模型的形状，并理解面法线在光照计算中的重要性。 第二部分：光影的交织与视觉的欺骗 光照模型：模拟真实世界的辉光： 现实世界中的视觉体验很大程度上依赖于光线与物体的交互。本书将详细介绍经典的光照模型，如朗伯模型（Lambertian）、冯氏模型（Phong）和布林模型（Blinn-Phong）。我们将学习如何模拟漫反射、镜面反射等基本的光照效果，并理解光源的类型（点光源、方向光源、聚光灯）及其对场景的影响。 纹理映射：赋予模型生命与细节： 单调的颜色无法展现三维模型的丰富细节。本书将深入讲解纹理映射的技术，包括二维纹理如何在三维模型表面上展开（UV映射），以及如何通过纹理采样来赋予物体表面材质感、图案和纹理。我们将探讨不同类型的纹理（颜色纹理、法线纹理、高光纹理）及其在增强视觉真实感方面的作用。 阴影的生成与渲染： 阴影是场景深度感和真实感的关键要素。本书将介绍几种基本的阴影生成技术，包括投影映射（Projective Shadows）和阴影贴图（Shadow Mapping）的原理。我们将理解阴影如何影响物体的可见性，并如何通过模拟阴影来增强场景的立体感。 第三部分：透视的奥秘与视角的切换 投影变换：从三维到二维的桥梁： 我们看到的三维世界最终会投影到二维的屏幕上。本书将详细讲解投影变换的原理，包括正交投影（Orthographic Projection）和透视投影（Perspective Projection）的区别。我们将理解视锥体（View Frustum）的概念，以及如何通过投影矩阵将三维场景映射到二维的裁剪空间。 相机模型：观察世界的眼睛： 就像相机一样，三维图形学也需要模拟一个“相机”来捕捉场景。本书将介绍相机的基本参数，如视点（Eye）、看向点（Look At）和向上向量（Up Vector），以及如何通过视图矩阵（View Matrix）来定义相机的空间位置和方向。我们将理解相机如何决定我们观察到的场景内容和视角。 视口变换：画布上的最终呈现： 投影后的二维图像还需要被映射到最终的屏幕区域，即视口（Viewport）。本书将讲解视口变换的过程，以及如何将裁剪空间中的坐标映射到屏幕坐标，最终完成三维场景到二维图像的渲染。 第四部分：效率的追求与高级概念的雏形 遮挡剔除：隐藏的艺术： 在渲染复杂的场景时，并非所有的物体都需要被绘制。本书将介绍遮挡剔除（Occlusion Culling）的基本思想，例如画家算法（Painter's Algorithm）和深度缓冲（Z-buffer）的原理，以提高渲染效率，只绘制可见的几何体。 基本的光栅化流程： 本书将串联前面讲解的各种概念，勾勒出经典的光栅化渲染管线的整体流程。从几何体的输入，经过模型变换、视图变换、投影变换，到裁剪、光栅化、像素着色，最终输出到屏幕。 色彩混合与混合模式： 在渲染过程中，需要处理物体之间的重叠以及透明度效果。本书将介绍色彩混合（Color Blending）的概念，以及不同的混合模式（如alpha混合）如何影响最终像素的颜色，从而实现半透明物体的渲染。 本书旨在为读者打下坚实的三维图形学理论基础，帮助理解任何图形API或引擎背后的核心原理。通过对数学、几何学和光照模型的深入剖析，读者将能够更深刻地理解三维图形渲染的本质，并为进一步学习更高级的三维图形技术奠定坚实的基础。

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从排版和组织结构上看，这本书展现出一种严谨的工程美学。章节之间的过渡自然流畅，从基础的向量点乘到复杂的相机模型，再到后处理效果的实现，知识点层层递进，构建了一个完整的学习路径。虽然文字密度很高，但图表的运用恰到好处，有效地辅助了对空间关系的理解。我发现自己经常需要停下来，对照图例在纸上画草图来验证理解，这是一种非常积极的学习过程。这本书的价值在于它提供的是一套完整的知识体系，而不是零散的技巧集合。它培养的是一种系统性的问题解决能力——当你面对一个新的渲染需求时，你知道应该从哪个数学基础开始着手，以及应该选择哪种算法框架去实现它。对于任何严肃对待三维图形编程事业的人来说，这本书无疑是书架上不可或缺的参考经典。

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这本书的另一大亮点在于它对渲染方程的阐述，这几乎是现代全局光照技术的基础。作者并没有跳过那些复杂的积分运算和近似方法，而是耐心地引导读者逐步理解从理论模型到实用算法的演变过程。特别是它对蒙特卡洛积分在图形学中的应用的介绍，虽然涉及概率论，但作者巧妙地将随机采样的概念与实际的着色点采样联系起来，使得原本抽象的概念变得可视化。这对于后来学习光线追踪、路径追踪等高级技术的读者来说，是至关重要的一步。它教会你如何通过统计学的方法来逼近一个解析上无法求解的问题，这是计算机图形学中最迷人的部分之一。我非常欣赏这种从基础物理现象出发，最终回归到高性能计算策略的完整逻辑链条。

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我发现这本书在处理几何数据结构和算法方面展现出了极强的实用性。我们都知道，在处理复杂的三维场景时，如何高效地存储和查询几何信息至关重要。这本书没有放过这些细节，它详细讨论了如BSP树、八叉树（Octree）等空间划分技术。我特别欣赏作者在解释这些结构时，不仅给出了算法描述，还附带了它们在实际应用中带来的性能提升分析。比如，在处理可见性问题时，它对比了不同遍历策略的效率差异，这对于优化渲染性能非常有启发性。此外，关于曲面建模的部分，虽然篇幅不是最长的，但对贝塞尔曲线和曲面的介绍非常到位，它清晰地展示了控制点如何影响最终形状的生成过程，这对于需要进行程序化内容生成或复杂物体建模的开发者来说，是极其宝贵的知识点。整体来说，这本书更像是一本工具书和教科书的完美结合体，它告诉你“怎么做”，更重要的是告诉你“为什么这么做”。

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这本书真是个宝藏，尤其是对于那些想深入理解计算机图形学核心原理的读者来说。它没有像很多入门书籍那样只停留在API的表面调用上，而是真正地剖析了底层的数学和算法基础。我印象最深的是关于变换矩阵的章节，作者的讲解深入浅出，将复杂的线性代数概念与实际的三维空间操作无缝衔接起来。读完后，我感觉自己对模型视图投影（MVP）管线的理解达到了一个新的高度，不再是简单地堆砌代码，而是真正理解了为什么某些操作会产生预期的视觉效果。书中对光照模型的推导也非常严谨，从最基础的环境光、漫反射到后来的高光反射，每一步都有清晰的数学公式支撑，这对于希望自己实现PBR（基于物理的渲染）的读者来说，简直是太有价值了。而且，它并没有局限于某一个特定的图形API，虽然可能涉及了一些经典实现的例子，但其核心思想是通用的，这使得这本书的生命力很强，即使技术栈更新换代，这些基础知识依然是金科玉律。对于那些渴望摆脱“调包侠”称号，真正想成为图形学工程师的人，这本书提供的理论深度是其他很多教材望尘莫及的。

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坦率地说，这本书的阅读体验并非一帆风顺，它对读者的预备知识要求较高。如果你对微积分和线性代数只有模糊的印象，可能会在某些章节感到吃力。但这恰恰是它的优点所在——它没有为了迎合初学者而稀释知识的浓度。我花了比预期更多的时间去消化关于向量代数和矩阵分解的部分，但回报是巨大的。每当我遇到一个复杂的变换问题，我都能回溯到书中的对应章节，找到那个精确的数学表达来指导我的实现。这本书的叙事风格非常学术化，逻辑严密，很少有插科打诨式的轻松描述，这使得它更像一本权威的参考手册。对于那些已经有一定编程经验，但在图形学理论上感到瓶颈期的中高级开发者来说，这本书提供了一个坚实的理论基石，帮助他们理解现代渲染管线背后的深层逻辑，而不是仅仅依赖引擎提供的黑箱功能。

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