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出版者:

作者:Goldstein, Ben

出品人:

页数:252

译者:

出版时间:2009-2

价格:$ 45.48

装帧:

isbn号码:9780521710572

丛书系列:

图书标签:

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《计算机图形学基础：理论与实践》 内容简介 本书是一部全面、深入的计算机图形学教材，旨在为学生和专业人士提供坚实的理论基础和丰富的实践指导。全书内容涵盖了现代图形学领域的核心概念、关键算法以及最新的技术发展，从最基础的数学原理到复杂的三维场景渲染，力求做到系统性与前沿性的完美结合。 第一部分：图形学基础与几何表示 本部分将读者引入计算机图形学的世界，首先介绍了图形学的历史、应用领域以及人眼与视觉系统的基本生理学知识，为后续内容打下认知基础。 核心内容集中在二维和三维几何表示上。在二维部分，详细阐述了点、线、多边形等基本图元的数据结构和存储方式。重点分析了向量代数在图形学中的应用，包括向量的运算、坐标系变换中的基础矩阵（如平移、旋转、缩放矩阵）的推导与几何意义。 进入三维领域，本书深入探讨了曲线和曲面的数学描述。我们详细讲解了参数曲线（如贝塞尔曲线、B样条曲线）的数学定义、控制点机制及其在光滑形状建模中的应用。曲面部分则涵盖了双三次曲面、NURBS（非均匀有理B样条）的理论，阐明了它们如何成为现代CAD/CAM和三维建模软件的核心。此外，还专门辟章节讲解了实体表示，包括边界表示（B-Rep）和隐含曲面表示，为复杂的几何造型提供了理论工具。 第二部分：变换与视图管线 本部分是理解三维图形如何从数学空间过渡到屏幕显示的关键。我们首先系统梳理了齐次坐标，解释了为什么引入齐次坐标能够将仿射变换统一为矩阵乘法，极大地简化了变换的组合。 随后，全景式地介绍了图形渲染流水线（Rendering Pipeline）。这一章节是本书的骨架之一，它将复杂的渲染过程分解为一系列有序的、可管理的步骤。详细剖析了模型变换、观察变换和投影变换（正投影与透视投影）的数学原理和实现细节。特别是对透视除法的几何解释，确保读者能清晰理解三维坐标如何映射到规范化的设备坐标（NDC）。 视图变换部分，不仅讲解了传统的相机模型和视景体裁剪（View Frustum Culling），还探讨了视口变换，即如何将规范化的坐标映射到具体的屏幕像素坐标。本部分强调了矩阵堆栈管理在处理复杂场景变换中的重要性，并提供了实际应用中的优化思路。 第三部分：光栅化技术与处理 光栅化是将几何信息转换为像素信息的关键过程。本部分从底层开始，解释了像素的本质及其属性（如颜色、深度）。 核心内容包括扫描转换算法。详细介绍了直线（如DDA算法、中点画线法）和圆的精确扫描转换算法，并分析了它们在计算效率上的权衡。在多边形扫描转换方面，本书深入分析了边方程法和Y-扫描线算法，重点讨论了如何高效地处理扫描线与多边形边界的交点，并进行颜色插值（如Gouraud明暗处理的插值基础）。 深度缓冲（Z-Buffer）作为现代实时渲染的基石，被给予了重点篇幅。我们不仅解释了其工作原理，还探讨了深度值的精度问题、深度写入顺序对渲染结果的影响，以及如何通过设置近裁剪面和远裁剪面来优化深度缓存的使用效率。 第四部分：着色、纹理与高级渲染 本部分是关于图形的“美学”和“真实感”的提升。 着色模型（Shading Models）是核心议题。本书详细介绍了经典的Phong反射模型（环境光、漫反射、镜面反射）和Blinn-Phong模型，并从物理学的角度引入了PBR（基于物理的渲染）的基础概念，如菲涅尔效应、微下面分布函数（BRDF）的简化模型，引导读者理解现代游戏引擎和专业软件中的光照计算。 纹理映射是增加场景细节和复杂度的主要手段。本书详尽论述了二维纹理坐标的生成、参数空间、纹理的过滤技术（如最近邻采样、双线性插值、三线性插值），以及MIP贴图的生成和使用机制，用以解决纹理采样的走样问题。此外，还涵盖了环境贴图（Environment Mapping）和凹凸贴图（Bump Mapping），后者通过法线扰动实现表面细节的假象。 高级渲染技术部分，我们介绍了隐藏面消除（Hidden Surface Removal）的高级算法，如画家算法的局限性，以及Z-Buffer之外的可见性算法。同时，对抗锯齿（Anti-Aliasing）技术进行了全面的梳理，包括超级采样（SSAA）、多重采样（MSAA）的原理和性能考量。 第五部分：交互、动画与专业实践 最后一部分关注图形学在交互和动画领域的应用。 交互技术方面，详细介绍了输入设备（鼠标、键盘、空间跟踪器）的数据捕获、事件处理机制，以及交互式对象选择（拾取，Picking）的方法，包括射线投射法（Ray Casting）。 三维动画是图形学的重要分支。本书解释了关键帧动画的原理、插值方法的选择（如样条插值在时间轴上的应用），以及骨骼动画和蒙皮（Skinning）的基本概念，这是实现角色动画的基础。 此外，本书特别关注现代图形硬件与API。虽然不局限于特定软件，但会介绍OpenGL/DirectX等图形API在实现上述算法时所扮演的角色，特别是它们如何利用GPU的并行计算能力来加速渲染过程。 本书的结构旨在平衡理论的严谨性和实践的可操作性，是学习计算机图形学、从事游戏开发、可视化工程或虚拟现实技术研究的理想参考书。通过本书的学习，读者将能构建起从数学定义到最终图像生成的完整知识体系。

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