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出版者:

作者:Bala, Kavita; Dutra(c), Philip;

出品人:

页数:324

译者:

出版时间:2005-08-15

价格:USD 65.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781568813790

丛书系列:

图书标签:

• Rendering
• Computer Graphics
• Image Synthesis
• Ray Tracing
• Global Illumination
• Shading
• Texture Mapping
• Rendering Algorithms
• Graphics Hardware
• Visual Effects

图书简介：深入解析现代计算机图形学的基石与前沿 书名：计算机图形学原理与实践 （本书旨在构建一套全面、深入的计算机图形学理论框架，并辅以当前行业中最具代表性的实际应用案例，为读者从基础概念到尖端技术提供一座坚实的桥梁。） 第一部分：几何基础与变换的艺术 (The Art of Geometry and Transformation) 本书伊始，我们将从计算机图形学的数学核心——欧几里得几何和线性代数——入手。这部分内容并非简单的公式罗列，而是着重于如何将抽象的数学概念转化为屏幕上可见的、可操作的几何实体。 1. 坐标系统与变换： 我们将详细探讨笛卡尔坐标系、齐次坐标系的引入及其在三维空间中的必要性。核心章节将深入解析平移（Translation）、旋转（Rotation）和缩放（Scaling）这三大基本变换，并展示如何通过变换矩阵的乘法顺序来精确控制物体的空间位置和朝向。特别地，对于旋转的描述，我们将超越简单的欧拉角（Euler Angles）可能带来的万向节死锁（Gimbal Lock）问题，重点介绍四元数（Quaternions）在处理复杂旋转插值和避免奇异性方面的优势。 2. 曲线与曲面的表示： 真实世界中的物体很少是简单的多边形。本章将系统介绍描述平滑形体的方法。从Bézier曲线的控制点定义、曲线阶数对形状的影响，到更具全局控制能力的B样条（B-Splines）和NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）。我们会详细剖析NURBS在工业设计（如CAD/CAM）中不可替代的地位，以及如何在渲染管线中有效地将其离散化为三角形网格。 3. 拓扑学基础： 为理解复杂的网格结构，本书引入了必要的拓扑学概念，包括流形（Manifolds）、边界以及面、边、顶点之间的邻接关系。这对于后续的网格处理、细分曲面生成和碰撞检测至关重要。 第二部分：光影的模拟与感知 (Simulating Light and Perception) 图形学的核心魅力在于对光线的模拟。本部分将从物理学基础出发，构建一个可信赖的光照模型体系。 4. 光的物理学基础： 介绍电磁波谱、光的传播、吸收、散射与反射等基本光学现象。我们探讨辐射度量学（Radiometry）中的关键概念，如辐亮度（Radiance）、辐照度（Irradiance）和光通量（Flux），为后续的渲染方程奠定物理基础。 5. 着色模型与表面交互： 详细阐述局部光照模型（Local Illumination Models），包括Lambertian反射（漫反射）和Phong/Blinn-Phong模型（高光反射）。更进一步，本书引入了基于物理的渲染（PBR）的核心——BRDF（双向反射分布函数）。我们将深入分析Cook-Torrance和GGX等现代微上面模型（Microfacet Models），解释法线分布函数（NDF）、几何衰减函数（G）和菲涅尔效应（Fresnel Effect）如何协同工作，以产生高度逼真的材料外观。 6. 纹理映射与程序化生成： 讨论如何通过纹理贴图（Texture Mapping）将二维信息高效地投影到三维表面上。内容覆盖基础的UV映射、立方体贴图（Cube Mapping），以及用于增加细节的法线贴图（Normal Mapping）和置换贴图（Displacement Mapping）的技术原理。此外，本书还包含关于如何使用分形（Fractals）和噪声函数（如Perlin Noise）来程序化生成自然纹理和地形的章节。 第三部分：从场景到图像的流水线 (The Pipeline from Scene to Screen) 本部分聚焦于计算机图形学渲染流水线（Rendering Pipeline）的结构和实现细节，这是将三维场景转化为二维图像的必经之路。 7. 几何处理与光栅化 (Rasterization)： 详细讲解裁剪（Clipping）过程，包括Cohen-Sutherland和Liang-Barsky算法。核心在于光栅化——如何将连续的几何图元（三角形）转换为屏幕上的离散像素。我们将分析Z缓冲（Z-Buffer）算法在深度测试和消除不可见表面中的关键作用。 8. 投影与视锥体： 区分正交投影（Orthographic Projection）和透视投影（Perspective Projection）的适用场景。着重分析视景体（View Frustum）的定义，以及如何通过变换矩阵将世界坐标系下的顶点准确地映射到规范化设备坐标（NDC）空间。 9. 可见性排序与遮挡处理： 除了Z缓冲，本书还探讨了画家算法（Painter's Algorithm）的局限性，并引入更高级的空间划分技术，如BSP树（Binary Space Partitioning Trees）和视景体划分（View Frustum Culling），以优化渲染性能。 第四部分：高级渲染技术与全局光照 (Advanced Rendering and Global Illumination) 为超越实时渲染的局部光照限制，本书深入探究模拟光线在场景中多次反弹的全局光照（Global Illumination, GI）方法。 10. 蒙特卡洛积分与路径追踪 (Path Tracing)： 本章是本书的理论高潮。我们将首先介绍蒙特卡洛积分的数学原理，解释其在处理复杂积分问题时的强大能力。随后，系统性地介绍路径追踪算法：从光线生成、采样策略（如重要性采样）、到如何处理不同类型的BRDF。我们将详细讨论消除噪点（Denoising）的技术，包括重要性采样和多重重要性采样（MIS）在提高收敛速度上的应用。 11. 辐射度计算与预计算方法： 探讨早期的GI解决方案，如辐射度方法（Radiosity），理解其侧重于漫反射能量交换的优势与局限性。同时，介绍光子映射（Photon Mapping），特别是如何通过预计算光子分布来高效地近似焦散（Caustics）效果。 12. 实时全局光照的探索： 鉴于现代实时渲染的需求，本书将探讨将GI技术引入实时环境的方法，例如屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）、屏幕空间反射（SSR），以及基于体素（Voxels）或探头（Probes）的动态GI技术，分析它们在精度与性能之间的权衡。 第五部分：动画、交互与性能优化 (Animation, Interaction, and Performance) 13. 计算机动画原理： 涵盖从关键帧动画到插值的技术，包括样条插值在时间域的应用。讨论骨骼动画（Skeletal Animation）和蒙皮（Skinning）的过程，以及如何处理角色的绑定和形变。 14. 交互与并行化： 探讨如何将用户输入整合到渲染循环中，实现实时交互。重点分析GPU的并行计算能力，介绍CUDA/OpenCL等通用计算接口在图形计算任务（如物理模拟和后处理）中的应用潜力。 15. 性能分析与调试工具： 最后，本书提供实用的调试和优化策略，教导读者如何使用性能分析器（Profilers）来识别渲染瓶颈，并指导读者根据具体的硬件架构优化几何数据结构和着色器代码，确保渲染效率的最大化。 目标读者： 本书面向有一定微积分和线性代数基础的计算机科学专业学生、图形学研究人员、游戏开发工程师以及任何希望系统掌握现代三维图形技术理论与实践的专业人士。它不仅是知识的传授，更是对构建视觉世界的深刻洞察。

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这本书的排版风格相当传统，几乎没有插图，这对于一个视觉学科的教材来说，无疑是一个巨大的挑战。每一页几乎都被文字和公式所占据，即便是那些用来解释复杂算法流程的段落，也都是纯文本的描述，没有流程图或者伪代码来辅助理解。我记得有一章专门讨论了高级的全局光照方法，比如路径追踪（Path Tracing）。如果能配上几张对比图，展示不同采样策略下收敛速度和噪点分布的差异，那效果肯定会大不一样。但很遗憾，这本书完全依赖文字的描述力来构建读者的想象空间。我不得不时常停下来，拿起笔在草稿纸上自己画图，试图将那些关于能量守恒和蒙特卡洛积分的理论具象化。这种阅读体验非常耗费心神，它要求读者具备极强的抽象思维能力和耐心。对我而言，这更像是在阅读一本高级物理教材，而不是一本关于“渲染技术”的书。我总觉得，既然是关于“渲染”，就应该有更多的视觉证据来支撑理论，否则读者很难确信自己理解的深度是否足够。这种过于书面化的处理方式，极大地影响了学习的效率和乐趣。

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这本书的封面设计倒是挺引人注目的，那种深蓝色的背景配上一些抽象的光影线条，让我想起大学时第一次接触计算机图形学时的那种震撼感。翻开扉页，首先映入眼帘的是密密麻麻的公式和一些晦涩难懂的缩写，这让我不禁捏了一把汗。我原本是想找一本能快速上手，看看最新的实时渲染技巧的书籍，毕竟现在游戏和虚拟现实对渲染性能的要求越来越高。然而，这本书的开篇似乎更侧重于对基础理论的严谨探讨，什么光线追踪的几何求交算法，什么辐射度量学的基本原理，每一个章节都像是给我上了一堂高强度的微积分课。我记得有一段讲到次表面散射（SSS）的建模，作者用了大量的篇幅来推导BRDF的解析解，虽然严谨，但对于我这种急于在项目中应用新技术的工程师来说，简直是煎熬。我甚至怀疑我是否选错了书，也许我应该去看看那些更偏向于实践操作手册的资料。它更像是一部学术专著，而不是一本面向广大开发者的“食谱”。我期望的那些关于GPU编程接口的最新特性，或者某个特定渲染管线优化的技巧，在这本书的前半部分几乎找不到踪影，这让我感到有些失落，感觉像是走进了一间堆满了陈年古籍的图书馆，而不是一个充满最新科技的实验室。

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阅读这本书的体验，让我感觉自己像是一个刚刚被抛入一个极其严谨的学术研讨会现场，周围坐着的都是已经掌握了大量背景知识的同行。作者的叙事节奏非常平稳，几乎没有设置任何引人入胜的“钩子”来抓住读者的注意力。它不像现在流行的技术书籍那样，会用一些酷炫的最终效果图来激励读者继续钻研下去。相反，它更像是一份详尽的操作手册，告诉你如何一步步构建起一个理论体系。这种不加修饰的、极其“硬核”的写作风格，对读者的基础知识储备提出了很高的要求。比如，当你读到关于纹理空间计算或复杂几何处理的部分时，如果你对线性代数和微分几何没有扎实的理解，很容易就会在某个角落迷失方向。我尝试将它作为我新项目学习的入门资料，结果发现它更适合作为研究生阶段的参考书，用于查阅某个经典算法的原始出处和严密证明。对于那些想在周末快速掌握一个新渲染特性的读者来说，这本书的门槛显得有些高不可攀，它更像是一部需要沉下心来，逐字逐句研读的经典著作，而不是一本可以快速“扫读”的工具书。

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这本书的内容深度无疑是令人敬佩的，它像一个老派的工匠，对每一个细节都打磨得一丝不苟。特别是关于早期光照模型和几何数据结构的章节，那些描述细致入微，连一些现在看来有些“过时”的算法，作者也用了大量的篇幅去阐述其数学基础和历史背景。然而，这种深度也带来了明显的时代局限性。我手里拿的这本2005年的版本，在谈及硬件加速和可编程管线时，其讨论的重点仍然停留在固定功能流水线（Fixed-Function Pipeline）的余晖时代，对后来席卷业界的Shader模型和GPU并行计算的潜力描述得相对保守。我期望看到更多关于如何高效利用当时最新的DirectX或OpenGL特性来构建复杂效果的实例，但书中更多的是通用的、与特定硬件无关的数学推导。这使得我在尝试将书中的知识迁移到现代渲染框架时，需要进行大量的“考古式”翻译工作，把那些基于特定API约束的描述，转换成我们现在通用的PBR流程。可以说，这本书是一扇通往图形学黄金时代的窗户，但窗外的风景已经发生了翻天覆地的变化，需要读者自己去脑补现在的样子。

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这本书的整体论述结构极其逻辑化，章节之间的衔接如同精密的齿轮咬合，几乎找不到可以跳跃阅读的地方。它仿佛在刻意避免任何可能分散注意力的“花哨”元素，专注于将渲染理论的各个分支——从采样、滤波到高级的辐射传输——用一种近乎哲学思辨的方式进行剖析。我最直观的感受是，这本书在描述“为什么”上花了大量的笔墨，而不是“如何做”。例如，在讨论光照模型时，它会深入探讨能量的物理意义，以及如何通过数学表达来确保物理上的合理性，这种对基础原理的执着，令人肃然起敬。但反过来说，这种对理论完备性的追求，使得书中对实际应用中常见的妥协和工程取舍讨论得很少。在实际工作中，我们经常需要在视觉效果和性能之间做出权衡，或者采用一些近似算法来换取更快的速度，但这本书似乎更倾向于探讨“完美”的解决方案，对于“足够好”的工程实践着墨不多。这使得读者在合上书本，面对实际的性能瓶颈时，会发现理论与实践之间似乎还隔着一道无形的鸿沟，需要自己去填补那段关于工程智慧的空白。

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