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出版者:清华大学出版社

作者:黎连业等

出品人:

页数:228

译者:

出版时间:2004-6-1

价格:25.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302086086

丛书系列:

图书标签:

• 无线网络
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• 网络技术
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• 通信工程
• 信息技术

现代计算机图形学与渲染技术：从理论基石到前沿实践 本书深入剖析了现代计算机图形学的核心原理、关键算法及其在三维场景构建、图像合成与实时渲染领域的前沿应用。 它旨在为读者提供一个全面而扎实的知识体系，涵盖从数学基础到最新GPU编程模型的完整链条。 第一部分：图形学基础与数学支撑 本书首先建立起理解计算机图形学的坚实数学基础。详细阐述了线性代数在图形变换中的核心作用，包括向量代数、矩阵运算、齐次坐标系以及四元数在处理三维旋转时的优势与应用。随后，深入探讨了几何表示，包括参数曲面（如Bézier、B样条和NURBS）的数学定义、插值方法与局部控制机制，并对比分析了多边形网格作为主流几何表示的优缺点及其拓扑结构处理。 坐标系统与变换是本部分的核心。我们不仅系统讲解了模型空间、世界空间、观察空间和屏幕空间的转换流程，还详细解析了透视投影和正交投影的数学模型，并解释了视景体剪裁（View Frustum Culling）的实现细节，确保三维物体能够准确地映射到二维屏幕平面。 第二部分：光栅化管线与实时渲染 本部分聚焦于实时图形渲染的核心——光栅化流程。详细分解了标准的实时渲染管线（Fixed-Function Pipeline的演变与现代可编程管线的结构）。重点介绍了三角形设置、扫描转换（Rasterization）算法的效率优化，以及深度缓冲（Z-Buffering）在解决可见性问题中的精确应用。 可见性是图形学的基石之一。本书超越了基础的深度测试，深入讲解了遮挡剔除技术，包括视锥体剔除、后向面剔除（Back-Face Culling），并引入了如硬件加速的精确遮挡查询（Occlusion Query）和环境遮挡（Ambient Occlusion, AO）的近似计算方法，以提高渲染效率和场景的视觉真实感。 光照与着色模型是决定图像质量的关键。本书系统回顾了经典的光照模型，如Lambertian、Phong、Blinn-Phong模型，并详细剖析了其局限性。随后，将重点转向基于物理的渲染（Physically Based Rendering, PBR）范式。我们深入研究了微表面理论（Microfacet Theory），特别是GGX等BRDF（双向反射分布函数）模型的数学形式，以及如何使用Cook-Torrance模型准确模拟金属和电介质表面的反射特性，为构建高保真度的材质系统奠定基础。 第三部分：纹理、着色器与编程实践 现代图形学高度依赖可编程管线。本书将大量的篇幅投入到GPU编程模型的解析，特别是着色器语言（如GLSL或HLSL）的语法结构和执行机制。读者将学会如何编写高效的顶点着色器（Vertex Shader）来处理几何形变、骨骼动画，以及如何编写片段着色器（Fragment Shader）来实现复杂的光照、纹理混合和后期处理效果。 纹理映射被提升到更专业的层面，不仅讲解了基础的2D纹理映射，还涵盖了多重纹理、纹理过滤（如Mipmapping、各向异性过滤），以及处理复杂材质信息的纹理通道（如法线贴图、粗糙度贴图、金属度贴图）的打包与采样策略。 第四部分：高级渲染技术与前沿算法 为了追求电影级或高度逼真的实时效果，本书探讨了一系列高级渲染技术： 1. 延迟渲染（Deferred Shading）与延迟着色（Deferred Lighting）：详细解析了其G-Buffer结构、优势（尤其在处理大量动态光源时）以及面临的挑战（如透明度处理）。 2. 全局光照的近似实现：由于精确的全局光照计算成本极高，本书重点介绍了其实用的近似方案，包括辐射度图（Radiosity）的离散化方法、屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）的快速实现，以及在实时系统中越来越重要的探针（Probes）技术，如光照探针和反射探针的放置、烘焙与插值。 3. 阴影技术：对比分析了硬阴影和软阴影的生成算法。重点阐述了阴影贴图（Shadow Mapping）的原理、PCF（Percentage-Closer Filtering）的软化技术，以及解决其常见伪影（如阴影走样、光线泄漏）的先进方法，如级联阴影贴图（CSM）。 4. 后处理效果（Post-Processing）：讲解了如何通过在屏幕空间对整个图像进行操作来增强视觉效果，包括运动模糊（Motion Blur）、景深（Depth of Field, DoF）、环境光遮蔽（Bloom）以及各种色彩校正技术。 第五部分：面向性能的优化与未来趋势 本书的最后部分强调了性能优化在现代图形应用中的重要性。详细介绍了GPU架构（如SIMT/SIMD）对渲染性能的影响，以及如何通过Draw Call批处理、实例化（Instancing）、以及合理利用LOD（细节层次）系统来最大化GPU吞吐量。 此外，还对实时光线追踪（Real-Time Ray Tracing）技术进行了深入介绍，包括BVH（包围盒层次结构）的构建与遍历，以及如何将光线追踪与传统光栅化技术（混合渲染）结合，以实现更加真实的光影和反射效果，展望了下一代图形API和硬件加速带来的变革。 本书内容严谨，理论与实践紧密结合，辅以大量清晰的数学推导和代码片段示例，是计算机科学、游戏开发、虚拟现实（VR）及仿真技术领域专业人士和高阶学生的理想参考资料。

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