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出版者:

作者:李春葆

出品人:

页数:289

译者:

出版时间:2001-1

价格:24.00元

装帧:

isbn号码:9787302043171

丛书系列:

图书标签:

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计算机图形学基础：从理论到实践 作者： 史密斯，约翰逊 出版社： 科技文献出版社 出版日期： 2023年10月 内容简介： 本书旨在为学习计算机图形学的初学者和有一定基础的工程师提供一个全面、深入且实用的指南。我们深知图形学是一门横跨数学、物理、计算机科学和艺术的交叉学科，其核心在于如何将抽象的数学模型转化为逼真的视觉体验。因此，本书在理论深度和工程实践之间找到了一个精妙的平衡点。 全书共分为五个主要部分，共十五章，结构清晰，循序渐进。 --- 第一部分：图形学基础与几何表示 本部分是理解后续所有高级主题的基石。我们首先介绍了计算机图形学的历史演变和核心概念，包括实时渲染与离线渲染的区别、人眼视觉感知的基础知识（如色彩理论和亮度感知），这些为理解为什么某些渲染技术更有效奠定了认知基础。 几何表示是图形学的核心语言。我们详细阐述了如何用数学精确描述三维世界中的物体。向量代数和矩阵运算被系统地复习和应用，重点讲解了齐次坐标系在三维变换（平移、旋转、缩放）中的强大作用。不同于许多仅停留在理论讲解的教材，我们提供了大量的代码片段（使用 C++ 和 OpenGL 伪代码）来演示如何实现这些基础变换，确保读者能够立即动手操作。 此外，我们深入探讨了曲线和曲面的数学描述。从基础的参数曲线到广泛应用于工业设计和动画制作的贝塞尔曲线 (Bézier)、B-样条 (B-Spline) 以及NURBS（非均匀有理B样条）。本书特别强调了 NURBS 在CAD/CAM领域的不可替代性，并提供了它们相对于传统多边形网格在光顺性方面的优势分析。我们还讨论了三角形网格（Triangle Mesh）的拓扑结构和高效存储方法，这是现代实时渲染管线的基石。 --- 第二部分：经典几何变换与投影 有了精确的几何表示，下一步就是如何将三维世界中的对象放置到屏幕上，即投影。本部分是传统图形流水线的核心。 我们详尽地介绍了透视投影 (Perspective Projection) 和正交投影 (Orthographic Projection) 的数学原理。通过详细推导投影矩阵，读者将清晰地理解如何将三维空间中的点映射到二维的裁剪空间。我们引入了视锥体 (View Frustum) 的概念，并解释了裁剪 (Clipping) 过程——如何高效地剔除那些完全在视窗之外的几何体，这是优化渲染性能的关键一步。 光栅化 (Rasterization) 是将几何体转换为像素的过程。本书花费大量篇幅介绍了扫描线算法，并对比了不同的三角形内插策略（如边缘函数法和重心坐标法）。我们不仅讨论了如何确定哪些像素被三角形覆盖，还深入探讨了深度缓冲 (Z-Buffer) 机制，这是实现正确遮挡关系的基础。关于深度测试的精度问题，特别是“Z-fighting”现象的成因和缓解措施，我们进行了深入的分析和案例研究。 --- 第三部分：光照、着色与纹理映射 视觉的真实感主要来源于光照的正确模拟。本部分是图形学中最具挑战性也最引人入胜的部分。 我们从渲染方程 (Rendering Equation) 入手，阐述了全局光照的理论框架。随后，我们转向了实际应用中更易于计算的模型，包括： 1. 局部光照模型 (Local Illumination Models)：详细解析了Phong模型和Blinn-Phong模型的各个组成部分（环境光、漫反射、镜面反射），并讨论了如何通过调整参数来模拟不同的材料特性（如塑料、金属、玻璃）。 2. 物理基础：引入了BRDF (双向反射分布函数) 的概念，作为描述表面光散射的精确数学工具。我们对比了理想漫反射（Lambertian）与更复杂的各向异性反射模型（如 GGX）。 3. 纹理映射 (Texture Mapping)：讲解了如何将二维图像数据附着到三维表面上，包括UV坐标的定义、纹理坐标的插值、以及纹理过滤（如线性插值和MIP贴图）以解决采样频率不匹配导致的走样问题。 本部分还涵盖了环境光遮蔽 (Ambient Occlusion, AO) 的原理及其在增强场景深度感方面的应用。 --- 第四部分：高级渲染技术与流水线优化 随着对基础光照模型的掌握，本部分将读者带入现代实时渲染领域，重点关注可编程渲染管线。 我们详尽地介绍了OpenGL/DirectX 现代渲染管线的结构，特别是顶点着色器 (Vertex Shader) 和片段着色器 (Fragment Shader) 的作用。通过实际的GLSL代码示例，读者可以亲手实现自定义的几何变换、法线转换和光照计算。 阴影 (Shadows) 是实现真实感场景不可或缺的一环。本书着重介绍了阴影贴图 (Shadow Mapping) 的实现细节，包括深度纹理的生成、阴影采样时的“走样”问题（如阴影边缘的锯齿）以及百分比逼近法 (Percentage-Closer Filtering, PCF) 等抗锯齿技术。 此外，我们还探讨了延迟渲染 (Deferred Shading) 架构，分析了它相对于正向渲染在处理大量动态光源时的性能优势，并详细讲解了 G-Buffer 的设计。 --- 第五部分：进阶主题与未来方向 最后一部分着眼于更前沿和复杂的图形学领域。 体积渲染 (Volume Rendering)：讲解了如何渲染如烟雾、云朵和火光等非表面辐射体。我们介绍了光线行进法 (Ray Marching) 及其在模拟复杂体积效应中的应用。 高级抗走样技术：超越了基础的扫描线抗锯齿，本书深入讨论了多重采样抗锯齿 (MSAA) 的原理，以及现代屏幕空间技术，如快速近似抗锯齿 (FXAA) 和形态学抗锯齿 (TAA)，并分析了各自的优缺点。 GPU计算与并行化：鉴于GPU在通用计算领域的崛起，我们简要介绍了计算着色器 (Compute Shaders) 的基本概念，以及它们如何应用于物理模拟和后处理效果（如屏幕空间环境光遮蔽SSAO）。 本书配有大量的图示、清晰的数学推导以及贯穿全书的实践项目指导，旨在培养读者将图形学理论知识转化为高性能、高真实感图形应用的能力。学习完本书后，读者将具备设计和实现现代实时渲染引擎所需的核心知识体系。

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