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出版者:Prentice Hall

作者:Donald Hearn

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1994-04

价格:USD 73.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780131615304

丛书系列:

图书标签:

• 编程
• 计算机图形学
• 图形学
• 渲染
• OpenGL
• DirectX
• CG
• 图像处理
• 可视化
• 游戏开发
• 三维建模

编程的艺术与科学：深入探索数据结构与算法的殿堂 本书关键词： 算法设计、数据结构、复杂度分析、C++实现、问题求解、高效编程 目标读者： 计算机科学专业学生、软件工程师、对底层系统优化感兴趣的开发者、准备技术面试的专业人士。 --- 导言：构建数字世界的基石 在这个信息爆炸的时代，软件已经渗透到我们生活的方方面面。然而，驱动这些复杂应用流畅运行的核心，始终是其底层数据组织方式和处理逻辑的效率。本书并非专注于图形学那炫目的视觉效果，而是毅然决然地将焦点投向了计算机科学的“硬核”领域——数据结构与算法。我们相信，真正的编程艺术，诞生于对信息如何存储和被高效操作的深刻理解之上。 本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的知识体系，涵盖了从基础概念到前沿优化策略的每一个关键环节。我们摒弃了过于冗余的理论堆砌，力求以清晰的逻辑链条和大量的实践案例，引导读者掌握设计、分析和实现高效计算解决方案的能力。 第一部分：基础与度量——效率的语言 在开始构建任何复杂的系统之前，我们必须学会如何用严谨的语言来描述效率。本部分奠定了后续所有讨论的理论基础。 第一章：抽象与封装——数据世界的组织者 我们将从最核心的抽象概念入手。数据结构不仅仅是数组和链表，它们是针对特定问题量身定制的信息组织模型。 抽象数据类型（ADT）的本质： 理解什么是真正的ADT，以及它如何将“做什么”与“怎么做”分离。 线性结构的精修： 深入解析数组的内存布局、动态数组的增长策略、链表的变体（单向、双向、循环），以及栈与队列的实际应用场景（如递归、广度优先搜索）。 内存管理与指针艺术（C++视角）： 由于性能分析往往需要直观的内存感知，本章将回顾C++中对内存的精细控制，包括RAII原则在数据结构设计中的体现，为后续的性能优化打下坚实的基础。 第二章：算法分析的严谨性 没有度量，就没有改进。本章教授如何像科学家一样分析算法。 渐近分析的威力： 详细阐述大O、大Ω和Θ符号的数学含义，区分最佳、最坏和平均情况的分析方法。 常见复杂度模型： 深度剖析$O(1)$、$O(log n)$、$O(n)$、$O(n log n)$、$O(n^2)$和指数级复杂度的物理意义和性能差异。 递归的深度剖析： 引入主定理（Master Theorem），提供一套系统化的方法来求解分治算法的递归关系，这是理解快速排序和归并排序等高效算法的关键。 空间复杂度与时间复杂度的权衡： 探讨如何在内存占用和执行速度之间做出合理的工程决策。 第二部分：核心结构——组织信息的利器 本部分专注于那些构建现代软件几乎不可或缺的核心数据组织方式。 第三章：排序的进化史 排序是算法世界的“Hello World”，但其深度远超初学者想象。 比较排序的极限： 证明基于比较的排序在理论上的最佳性能（$O(n log n)$），并详细实现和比较归并排序（稳定性）与快速排序（原地性与缓存效率）。 非比较排序的突破： 深入探讨计数排序、基数排序和桶排序，理解它们在特定约束下如何打破$O(n log n)$的限制，并分析其内存开销。 内部排序与外部排序的差异： 简要介绍当数据量超出内存限制时，排序策略需要如何调整。 第四章：树结构：分层与搜索的艺术 树是处理层次关系和实现快速查找的基石。 二叉搜索树（BST）的性能陷阱： 理解BST的平均性能与最坏性能（退化为链表）的巨大差异。 平衡的哲学： 详细介绍AVL树和红黑树（Red-Black Tree）的自平衡机制。我们将着重解析红黑树的五条性质，以及插入和删除操作中如何通过旋转和重新着色来维持对数高度。 B树与B+树： 侧重于它们在数据库和文件系统中的关键作用，解释为什么它们是磁盘I/O优化的理想结构。 堆结构与优先级队列： 实现二叉堆，并展示其在Dijkstra算法和Prim算法中的核心地位。 第五章：散列：速度的极致追求 散列技术提供了平均$O(1)$的查找速度，是现代数据存储系统的“魔法”。 哈希函数的构建： 讨论良好的哈希函数应具备的特性（均匀分布、雪崩效应），并实现几种经典的散列函数。 冲突解决策略： 详尽对比链式法（Separate Chaining）和开放寻址法（Open Addressing，包括线性探测、二次探测和双重散列）。 完美散列与最小完美散列： 在特定静态数据集下，如何构造无需冲突的散列结构。 第三部分：图论——连接世界的模型 图结构是描述关系网络的强大工具，是网络科学、操作系统调度和路径规划的基础。 第六章：图的表示与遍历 邻接矩阵与邻接表的优劣对比： 分析在稀疏图和稠密图中的内存占用和操作效率差异。 深度优先搜索（DFS）与广度优先搜索（BFS）： 深入探讨两种遍历策略的内在联系和区别，并展示它们在线性化、拓扑排序和连通分量识别中的应用。 第七章：最短路径与最小生成树 本章聚焦于图论中最具实用价值的优化问题。 经典最短路径算法： 详细剖析Dijkstra算法（非负权边）和Bellman-Ford算法（处理负权边），并解释SPFA算法的局限性。 多源最短路： 介绍Floyd-Warshall算法，分析其动态规划核心思想及其$O(V^3)$的计算代价。 最小生成树（MST）： 重点解析Prim算法和Kruskal算法，对比它们在实现上对优先队列和并查集的使用依赖，并探讨其在网络设计中的意义。 第四部分：高级主题与应用——算法设计范式 理解了核心结构后，本部分将提升到方法论层面，学习如何应对更复杂的问题。 第八章：算法设计范式 贪心算法的精妙： 讲解如何证明一个局部最优选择能导向全局最优，并通过活动安排问题、霍夫曼编码等实例巩固理解。 动态规划（DP）的建模： 强调DP的两大特性（最优子结构和重叠子问题）。我们将通过背包问题、最长公共子序列等经典案例，教授如何从递推关系到备忘录化或表格填充的完整过程。 分治策略的回顾与深化： 除了排序，探讨Strassen矩阵乘法等更具创新性的分治应用。 第九章：高级搜索与NP问题初探 回溯法与分支限界： 针对组合优化问题（如八皇后问题、旅行商问题），细致剖析回溯法如何系统地探索解空间，以及分支限界法如何通过界限函数剪枝提高效率。 复杂度类的初步认知： 简要介绍P类、NP类和NP-完全问题的概念，让读者对哪些问题“易于解决”和哪些问题“本质上困难”有一个清醒的认识，从而避免在注定低效的问题上浪费时间。 结语：走向高效能编程 本书的最终目标是培养读者“算法思维”。这意味着面对一个新问题时，能够迅速地将其抽象为已知的模型（图、树、序列），选择最合适的结构来存储数据，并设计出能够应对大规模输入的渐近最优算法。 每一章的实现代码均采用现代C++标准，力求清晰、高效，并伴有详尽的性能测试对比。通过本书的学习，读者将不仅掌握教科书式的定义，更将获得一种将理论转化为强大、可靠且高性能软件的工程能力。本书是您通往系统优化和复杂问题求解的坚实桥梁。

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坦白说，我一开始是被这本书的封面吸引来的，感觉设计感很强。读进去之后，才发现它在讲解计算机动画方面，真的是有独到的见解。我最感兴趣的几个章节，是关于骨骼动画和蒙皮技术的部分。书中详细介绍了如何为3D模型创建“骨架”，以及如何通过“蒙皮”将模型表面与骨骼关联起来，从而实现模型的形变和运动。 特别让我印象深刻的是，书中还讨论了IK（逆向运动学）和FK（前向运动学）这两种不同的动画控制方式。它用很形象的比喻来解释这两种方法的区别和优劣，让我一下子就明白了，为什么有些动画师在制作角色行走时，手臂的摆动会显得那么自然，而有些则有些僵硬。此外，书中还涉及了关键帧动画、路径动画等多种动画技术，并且都配有清晰的流程图和代码片段，让原本复杂的动画制作过程变得条理清晰。

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这本书的光影部分真是让我大开眼界！一直以来，我都觉得计算机图形里的“光”是一个非常抽象的概念，书里却用了一种极其具象的方式去剖析它。我最喜欢的部分是关于光线追踪的章节，它不仅仅是简单地介绍算法，而是深入讲解了光线在不同材质表面反射、折射时产生的复杂效果。比如，模拟玻璃的透明度和折射率，书中给出了非常详细的数学模型和实际应用中的代码示例，我甚至能够想象出，通过调整参数，就能让渲染出的虚拟玻璃呈现出不同的晶莹剔透感。 而且，作者在讲解过程中，并没有回避复杂的数学公式，而是巧妙地将它们与直观的图示结合起来，让我这个数学功底不算特别扎实的读者也能有所理解。例如，解释BRDF（双向反射分布函数）的时候，书中用了一些生动的比喻，把原本枯燥的数学公式变得容易消化。它不像有些教科书那样，一上来就堆砌公式，而是循序渐进，一步步引导读者建立起对光照模型和表面属性的深刻认识。读完这部分，我感觉自己对现实世界中物体表面光泽、材质纹理的理解都提升了一个维度。

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这本书对于理解计算机图形学的底层原理，真的是非常有帮助。它没有回避那些复杂的数学和算法，而是用一种严谨又不失易懂的方式去讲解。我最喜欢关于“几何变换”的章节，它详细地介绍了平移、旋转、缩放等基本变换是如何通过矩阵运算来实现的，并且还讲解了投影变换，这对于理解3D模型如何在二维屏幕上成像至关重要。 书中还深入探讨了曲线和曲面表示法，特别是贝塞尔曲线和B样条。它不仅给出了数学公式，还讲解了这些曲线在计算机图形学中的应用，比如在3D建模、动画路径设计等方面。我之前一直对那些平滑的曲线和曲面感到好奇，现在终于明白了它们是如何被精确定义的。此外，书中还涉及了图形裁剪、可见性判断等算法，让我对计算机如何高效地处理和显示图形有了更全面的认识。

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这本书对于我来说，就像是打开了3D建模世界的大门。我一直对那些逼真的人物建模和场景渲染充满了好奇，但总觉得无从下手。这本书的入门章节，就非常系统地讲解了3D模型是如何构建的，从最基础的多边形建模，到更复杂的NURBS曲面，都有详细的介绍。我特别喜欢书中对于“顶点”、“边”、“面”这些基本概念的阐释，它们用非常直观的图例展示了如何通过这些基本元素去“捏造”出三维物体。 而且，它还讲解了 UV 展开和纹理贴图技术，这部分对我来说是全新的知识。我之前只知道模型表面有颜色和纹理，但并不知道这些“皮肤”是怎么“披”在模型上的。书中清晰地解释了 UV 坐标如何映射到模型表面，以及如何创建和应用纹理贴图来增加模型的细节和真实感。我甚至尝试着去用书中的方法，在简单的立方体模型上贴了一张我自己画的贴图，虽然效果还有待提高，但那种创造的乐趣和成就感是无与伦比的。

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这本书的内容，让我对图形渲染管线有了前所未有的清晰认识。在阅读之前，我一直以为图形的生成是一个“一蹴而就”的过程，但这本书让我明白，原来背后有着如此复杂而精密的步骤。从模型数据的输入，到顶点着色器、光栅化、片段着色器，再到最终的帧缓冲输出，每一个环节都经过了详细的分解和阐述。 我尤其喜欢书中对于“光栅化”这个概念的讲解，它用通俗易懂的语言和大量的图示，将原本抽象的数学过程具象化。它解释了如何将三维空间中的几何图形转换为二维屏幕上的像素点，并且在这个过程中，如何处理遮挡、裁剪等问题。此外，书中还涉及了纹理映射、混合、抗锯齿等多种渲染技术，让我对如何让画面显得更加细腻、逼真有了更深入的理解。

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