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出版者:郑州大学出版社

作者:卢德友等编

出品人:

页数:329

译者:

出版时间:2003-8

价格:32.00元

装帧:平装

isbn号码:9787810488044

丛书系列:

图书标签:

• 计算机绘图
• 图形学
• OpenGL
• DirectX
• CG
• 渲染
• 图像处理
• 可视化
• 编程
• 教程

计算机图形学基础与应用：从原理到实践的深度探索 本书导读： 在数字时代浪潮的推动下，计算机图形学已不再是遥不可及的专业领域，而是渗透到我们日常生活的方方面面——从电影特效、视频游戏，到工业设计、医学影像乃至虚拟现实的构建。本书旨在为有志于深入理解和掌握计算机图形学核心理论与实践技能的读者提供一本全面、深入且极具操作指导意义的参考指南。我们不满足于仅仅停留在软件操作层面，而是致力于揭示图形图像背后的数学原理、算法机制以及高效的渲染流程。 第一部分：图形学的基石——几何与变换 本部分内容聚焦于构建三维世界的几何基础，这是所有图形渲染的起点。我们将详细剖析计算机图形学中描述和操作对象的数学工具。 第一章：向量代数与空间坐标系 我们将从最基础的向量概念入手，系统阐述向量的加减法、数乘、点积（内积）和叉积（外积）的几何意义及其在计算中的应用。重点讲解如何利用这些运算来确定空间中的投影、夹角以及法线。紧接着，本书会深入讲解二维和三维坐标系的转换，包括笛卡尔坐标系、右手系与左手系的选择，以及不同基底之间的坐标转换矩阵推导过程，为后续的几何变换打下坚实的基础。 第二章：基础几何实体表示与属性 本章探讨如何在计算机内部精确地表示点、线、面等基本几何元素。对于直线和射线，我们将探究参数方程和隐式方程的优劣对比。在曲面表示方面，本书将详尽介绍参数曲面（如 Bézier 曲线与 B-spline 曲线）的数学定义、控制点的作用，以及它们在光滑造型中的重要性。此外，还将涉及网格模型的存储结构（如 DCEL、Half-Edge 结构）及其拓扑操作的实现思路。 第三章：三维几何变换的矩阵理论 几何变换是图形学的核心操作之一。本章将系统阐述平移、旋转、缩放、剪切等基本线性变换的矩阵表示。尤其深入探讨三维旋转的复杂性，介绍欧拉角、旋转向量（轴角表示）以及四元数（Quaternion）在避免万向节锁（Gimbal Lock）问题中的关键作用和运算方法。最后，本部分将合成所有变换，构建从局部坐标系到世界坐标系、再到观察坐标系的完整模型-观察变换管线。 第二部分：可视化的桥梁——投影与光栅化 当三维几何体被定义和定位后，下一步是如何将其准确地投射到二维屏幕上，并最终转化为像素颜色。 第四章：从三维到二维的投影原理 本章详细区分正投影（正交投影）和透视投影。透视投影部分将详细推导其投影矩阵的构建过程，重点分析近平面（Near Plane）和远平面（Far Plane）的截断作用。讲解视景体（View Frustum）的定义及其与屏幕坐标的映射关系。 第五章：可见性判断与消隐技术 在复杂的场景中，只有部分物体或表面是可见的。本章集中讨论如何高效地解决可见性问题。我们将深入讲解画家算法（Painter's Algorithm）的局限性，并详细阐述基于深度信息的Z-Buffer（深度缓冲）算法的实现细节、性能考量以及在现代GPU流水线中的地位。对于轮廓和遮挡线，也会涉及交线法和深度排序技术的探讨。 第六章：光栅化——几何到像素的转换 光栅化是将几何图元（点、线、三角形）转换为屏幕像素的过程。对于直线，本书将详细分析布雷森汉姆（Bresenham's）算法的原理与优化。对于三角形，重点讲解边函数（Edge Function）法或扫描线算法，如何快速判断像素是否位于三角形内部，以及如何在光栅化过程中进行属性（如颜色、法线、纹理坐标）的插值计算。 第三部分：真实感——着色、光照与纹理 计算机图形学的终极目标之一是实现照片级的真实感。本部分深入探讨光线与物体的交互模型。 第七章：光照模型基础与计算 本章讲解光与物质表面的相互作用。从最基础的环境光、漫反射光（Lambertian）和镜面反射光（Phong/Blinn-Phong 模型）开始，推导其数学公式，并分析反射向量和视角向量的计算。随后，本书会介绍更高级的局部光照模型，讨论平行光、点光源、聚光灯的特性及衰减计算。 第八章：纹理映射与细节增强 为了增加场景的丰富度，纹理贴图至关重要。本章详细介绍二维图像如何被“包裹”到三维表面上（UV 坐标系），包括纹理的过滤（最近邻、双线性插值）和纹理的寻址模式。此外，还将介绍先进的细节增强技术，如凹凸贴图（Bump Mapping）和法线贴图（Normal Mapping），解释它们如何通过修改表面法线来实现微观几何细节的假象，而无需增加几何复杂度。 第九章：高级渲染技术导论 本部分将目光投向现代渲染管线的核心。讲解颜色缓冲（Color Buffer）和帧缓冲（Frame Buffer）的作用。介绍抗锯齿技术的演进，从简单的超采样（SSAA）到更高效的形态学抗锯齿（MLAA）。对于高级光照，简要介绍辐射度（Radiosity）和路径追踪（Path Tracing）的基本思想，为读者后续深入研究全局光照打下概念基础。 第四部分：交互与实时图形编程接口 本部分将理论与现代图形硬件的实际编程紧密结合。 第十章：图形管线与GPU编程概述 本章将系统梳理现代实时图形管线的结构，从应用程序到显卡的完整流程。重点剖析可编程管线的引入，介绍顶点着色器（Vertex Shader）和片元着色器（Fragment Shader）在数据处理和最终颜色计算中的角色。 第十一章：实时渲染编程接口（以OpenGL/Vulkan为例） 本书将选取一个主流的图形API作为实践载体，详细介绍如何使用该API来初始化窗口、创建渲染上下文、管理缓冲区对象（VBO, EBO）以及加载和编译着色器程序。通过具体的代码示例，演示如何实现模型加载、变换矩阵的上传以及基本的材质渲染。 结语： 本书内容覆盖了从基础的解析几何到复杂的着色算法，力求为读者构建一个清晰、逻辑严密的计算机图形学知识体系。掌握这些原理，读者将能够独立设计和实现高效的图形系统，而非仅仅依赖于预设的库函数。

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这本书的封面设计得非常吸引人，色彩搭配既专业又不失活力，第一眼就能感受到内容的深度和广度。我尤其欣赏它在理论介绍上所下的功夫，很多以前困扰我的概念，比如光照模型、纹理映射的数学原理，都被讲解得清晰透彻，作者似乎非常擅长将复杂的数学语言转化为直观的图示和实际应用的例子。特别是关于渲染管线的部分，它不像很多教材那样仅仅罗列步骤，而是深入剖析了每一步骤背后的设计哲学，让我理解了为什么现代图形引擎会采用这样的架构。书中对于经典算法如Bresenham线画法、中点圆算法的实现细节也描述得非常到位，甚至给出了伪代码，对于初学者来说，这简直就是一本“武功秘籍”，直接上手就能实践。这本书的结构安排也体现了作者的匠心，从基础几何变换到高级的三维建模技术，层层递进，过渡自然流畅，不会让人在学习过程中感到突兀或迷失方向。我感觉作者不仅仅是在传授知识，更是在培养读者的“图形思维”，这种思维方式对于未来从事任何与视觉计算相关的工作都至关重要。

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这本书的章节逻辑设计体现了一种“由浅入深，再由点及面”的独特结构，让人在阅读过程中始终保持一种被引导的节奏感。它没有急于展示最花哨的效果，而是先花了很大篇幅巩固了线性代数在图形学中的基础应用，确保读者对坐标系、矩阵变换有扎实的理解，这为后续的复杂操作打下了坚实的地基。然后，它巧妙地将图形管线的各个阶段串联起来，例如在讲完投影变换后，紧接着就讲解了视口变换，这种“紧密耦合”的讲解方式，让知识点之间的关联性非常强，更容易形成知识网络，而不是零散的碎片信息。我特别喜欢其中穿插的“历史回顾”小节，简要介绍了某个算法的起源和发展脉络，这不仅增加了阅读的趣味性，也让人对图形学这门学科的发展有了更宏大的视角。这本书的权威性毋庸置疑，阅读它，就像是获得了一份经过时间检验、内容全面且逻辑严谨的行业标准指南，对于系统化学习图形学知识体系有着无可替代的作用。

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从一个更侧重于实践操作的角度来看，这本书的实战价值是无可替代的。它不仅仅是理论的罗列，而是提供了一套完整的学习路径，引导读者从零开始搭建自己的小型图形系统。书中针对每一个核心模块都提供了详细的步骤指导，例如如何设置OpenGL/DirectX的上下文环境，如何编写第一个顶点着色器和片段着色器。这些步骤的描述细致到让人感觉作者就在旁边手把手地教你，没有任何含糊不清的地方。我尝试着跟着书中的教程搭建了一个简单的三维场景，从向量运算到光照计算的每一步都得到了完美的验证，代码示例的简洁性和正确性令人赞叹。而且，它对调试图形程序中常见问题的处理方法也做了专门的讨论，比如纹理坐标翻转、法线方向错误等，这些都是在实际工作中经常遇到的“拦路虎”，能有这样的参考指南，无疑能节省大量摸索时间。可以说，这本书是连接理论知识与动手能力的最佳桥梁。

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这本书的深度和广度都令人印象深刻，它不仅仅局限于传统的二维图形学范畴，而是大刀阔斧地拓展到了现代图形学的诸多前沿领域。我惊喜地发现，书中花了相当大的篇幅介绍了一些非常新的概念，比如基于物理的渲染（PBR）的基本原理，以及现代实时渲染技术中常用的延迟渲染（Deferred Shading）的实现思路。这些内容往往只有在研究生级别的课程中才会涉及，但作者却能用非常简洁明了的语言进行阐释，并配以清晰的流程图，极大地拓宽了我的视野。更值得称赞的是，它对开源工具和库的引用非常及时和恰当，比如在讲解特定算法时，会顺带提及在哪个流行的图形API或库中可以找到相应的实现或优化版本，这极大地提高了我们理论学习向项目实践转化的效率。这本书的价值在于，它不仅教会了你“是什么”，更重要的是让你理解了“为什么会这样设计”，这种对底层逻辑的探索，是我在其他许多同类书籍中难以寻觅到的宝贵财富。

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说实话，我原本以为这会是一本枯燥的教科书，充满了晦涩难懂的公式堆砌，但阅读体验完全出乎我的意料。这本书的叙述风格非常接地气，很多地方读起来就像是经验丰富的工程师在跟你分享他的“踩坑”经历。比如，在讲到面向对象在图形编程中的应用时，作者没有停留在理论层面，而是举例说明了如何用C++的类来封装复杂的几何体操作，这种实践指导性极强的内容对我帮助太大了。而且，它对不同硬件平台的兼容性和性能优化也多有提及，这在很多纯理论书籍中是看不到的。我特别喜欢其中关于实时渲染性能瓶颈分析的那一章，它用非常直观的图表说明了CPU和GPU在不同任务中的负载情况，让我对优化有了更具象的认识。这本书的排版也做得很好，关键术语都有加粗或斜体突出显示，注释详尽，即便是第一次接触这门学科的人也能跟上节奏。它似乎是在努力架起理论与工业界实际应用之间那座鸿沟，而不是高高在上地讲述象牙塔里的知识。

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