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出版者:高等教育出版社

作者:

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:15.0

装帧:

isbn号码:9787040064155

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计算机图形学：原理与实践 本书聚焦于计算机图形学的核心理论、基础算法以及前沿应用，旨在为读者构建一个全面而深入的认知框架。它不仅涵盖了从二维到三维图形绘制的基础技术，更深入探讨了光照、纹理映射、几何建模等关键领域。 --- 第一部分：图形学基础与数学核心 本部分将奠定读者理解复杂图形系统的数学基础，并介绍数字图像的本质。 第一章：图形学概述与历史回顾 本章首先定义了什么是计算机图形学，它在现代科技中的地位，以及与计算机视觉、图像处理的交叉与区别。我们将回顾计算机图形学从早期的向量显示器到现代实时渲染管线的演变历程，重点分析图形硬件（如GPU）的发展如何驱动了图形技术的革新。 第二章：几何基础与变换代数 计算机图形学的基石是精确的数学描述。本章详细阐述了在三维空间中描述点、线、面所需的基本概念，包括向量代数（点积、叉积）、欧几里得空间的基本操作。核心内容集中于仿射变换：平移、旋转、缩放、剪切。我们将深入探讨齐次坐标系（Homogeneous Coordinates）的应用，解释如何通过矩阵乘法实现复杂的几何变换序列，并讨论变换的顺序对最终结果的影响。此外，还将引入坐标系之间的转换，如模型空间、世界空间、观察空间（视图空间）的定义与转换流程。 第三章：数据结构与表示法 如何高效地存储和操作三维模型是图形学中的重要课题。本章对比了不同的多边形表示法，包括边列表、面列表、以及更高级的半边数据结构（Half-Edge Data Structure）在拓扑关系维护上的优势。对于曲面建模，本章将介绍参数曲面（如Bézier曲线与曲面、B-样条）的数学定义、控制点的概念、以及局部/全局控制的特性。同时，也会涉及体素（Voxel）和点云（Point Cloud）等非结构化数据的基本表示方式。 --- 第二部分：二维图形与扫描转换 本部分聚焦于如何将抽象的几何描述转化为屏幕上可见的像素点阵。 第四章：光栅化基础与扫描转换算法 光栅化是将矢量图形转换为像素的过程。本章详细剖析了直线扫描转换算法（如DDA算法和Bresenham算法），对比了它们在计算效率和精度上的差异。紧接着，我们深入研究圆和椭圆的扫描转换，特别是中点画圆算法的工作原理。 第五章：多边形填充与区域技术 本章处理更复杂的二维填充问题。我们将介绍奇偶规则（Even-Odd Rule）和非零环绕数规则（Non-Zero Winding Rule）在判断点是否在多边形内部的应用。随后，详细讨论多边形区域的扫描转换算法，包括边事件法和活动边表的构建与维护，确保高效且无缝隙的区域填充。本章还会简要提及图元裁剪算法（如Cohen-Sutherland和Liang-Barsky算法）在二维环境中的应用。 --- 第三部分：三维变换与投影 本部分将三维世界的物体映射到二维的屏幕平面上。 第六章：三维观察与视点变换 本章是理解三维场景的关键。我们将详细定义摄像机模型，包括其位置、方向（LookAt向量）、上向量（Up Vector）。核心内容是视图矩阵的推导过程，该矩阵负责将世界坐标系中的点转换到以摄像机为中心的观察坐标系中。这涉及到复杂的旋转和位移组合，以确保摄像机始终处于原点并面向负Z轴。 第七章：投影几何学 投影是将三维信息降维到二维平面的数学过程。本章清晰地区分了两种主要的投影类型： 1. 平行投影（Orthographic Projection）：用于工程图和需要保持尺寸一致性的场景。我们解析如何构建将物体投影到近裁剪平面上的矩阵。 2. 透视投影（Perspective Projection）：模拟人眼视觉效果，近大远小的特性。本章详细推导了透视投影矩阵的构成，特别是其如何处理视锥体（View Frustum）的裁剪和平截（Perspective Divide）。 第八章：视锥体裁剪与深度排序 在渲染前，需要剔除那些完全不在屏幕视野内的几何体。本章聚焦于视锥体裁剪算法，这涉及到判断多边形与六个裁剪平面（近、远、左、右、上、下）的相交关系。对于早期的非深度缓冲（Z-Buffer）渲染技术，本章也会介绍画家算法（Painter's Algorithm）的工作原理、其优势以及处理图元相互遮挡时的局限性。 --- 第四部分：光照、着色与纹理 本部分探讨如何赋予场景以真实感，这是图形学从几何体走向图像的关键一步。 第九章：局部光照模型 真实感渲染严重依赖于光照计算。本章从物理学角度出发，详细介绍Phong光照模型（或称为Lambertian-Phong模型）的三个核心组成部分：环境光、漫反射光和镜面反射光。我们将解析如何使用法向量、光照方向和观察方向来计算每个像素的颜色贡献。本章还会介绍更精确的Blinn-Phong模型，以及如何处理点光源、方向光和聚光灯等不同类型的光源。 第十章：纹理映射与参数化 纹理赋予了物体表面细节和变化。本章解释了纹理坐标系（UV空间）的定义，以及如何将二维纹理图像（位图）采样并映射到三维表面上。核心内容包括：纹理坐标的插值、纹理的平铺（Tiling）和镜像处理。此外，本章还将介绍Mipmap技术，解释它如何通过预过滤解决纹理在远处采样时产生的锯齿和莫尔纹现象，从而显著提高渲染性能和质量。 第十一章：着色技术与插值 本章对比了三种主要的着色方法： 1. 顶点着色（Flat Shading）：在整个图元上使用一个颜色。 2. 恒定着色（Gouraud Shading）：在顶点计算光照，然后在屏幕上插值颜色。 3. Phong着色（Phong Shading）：在顶点计算法线，然后在屏幕上插值法线，最后在像素级别计算光照。 我们将深入分析每种方法的优缺点，特别是Phong着色如何更精确地捕捉镜面高光。 --- 第五部分：现代渲染流水线与高级技术 本部分将视角转向现代图形API（如OpenGL/DirectX）的底层工作原理，并探讨提升渲染质量和效率的高级方法。 第十二章：深度缓冲与可见性判定 Z-Buffer（深度缓冲）是现代实时渲染的核心技术。本章详细解释了深度缓冲的工作原理、如何初始化和更新深度缓冲。我们分析了深度值在非线性映射下的特点（例如，深度值在近平面处更密集），并讨论了如何优化深度测试的精度问题。 第十三章：图形渲染流水线（The Graphics Pipeline） 本章提供了一个现代图形渲染流程的宏观视图。我们将追踪一个三维顶点从模型加载到最终显示在屏幕上的完整旅程，重点分析可编程管线中的关键阶段：顶点着色器（Vertex Shader）、几何着色器（Geometry Shader，可选）、裁剪、光栅化以及片段着色器（Fragment Shader）。本章将强调可编程着色器在实现自定义效果中的巨大潜力。 第十四章：抗锯齿技术 由于屏幕像素的离散性，图形边缘常出现锯齿。本章系统地介绍了多种抗锯齿技术：从早期的超采样抗锯齿（SSAA）到后期的性能友好的屏幕空间技术。重点解析快速近似抗锯齿（FXAA）和时间抗锯齿（TAA）的基本思想和实现策略，分析它们在图像质量和性能之间的权衡。 第十五章：环境光遮蔽与后期处理基础 为了增加场景的立体感和真实感，需要模拟光线被周围几何体阻挡的效果。本章介绍环境光遮蔽（Ambient Occlusion, AO）的原理，特别是屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）的采样和计算方法。最后，本章将简要介绍后期处理的概念，如色彩校正、曝光控制和运动模糊的基础实现思路，展示如何通过在屏幕空间对已渲染图像进行操作来增强最终效果。

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读完这本教材后，我最大的感受是它极强的实践导向性。很多理论书籍读完之后，往往不知道该如何落地，而这本书的每一个理论点似乎都配有一个可操作的“脚手架”。书里穿插了大量的案例分析，而且这些案例并非空中楼阁，而是紧密贴合当前行业实际需求的。我特意对比了一下书中提及的某个软件开发流程，发现它与我目前工作环境中的最佳实践高度吻合，甚至在某些细节上还提供了我之前未曾考虑到的优化方案。更难能可贵的是，书中提供的不仅仅是“标准答案”，它还会引导读者去思考在不同约束条件下，如何灵活调整和取舍。这种教会“渔”而非仅仅“授鱼”的教学理念，无疑大大提升了这本书的实用价值。我甚至已经开始将书中的一些项目结构建议应用到我手头的小项目中，效果立竿见影。

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这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，那种沉稳中又不失现代感的配色，封面上的纹理处理得恰到好处，拿在手里感觉质感非常棒。我本来是抱着试试看的心态买的，毕竟现在市面上的教材汗牛充栋，真正能让人眼前一亮的越来越少。然而，当我翻开第一页时，那种排版上的用心就体现出来了。字体选择清晰易读，关键是图文并茂的布局安排得极为合理，没有那种把大段文字堆砌在一起让人望而生畏的感觉。尤其是一些复杂的概念，配上的插图和流程图简直是点睛之笔，用最直观的方式帮助我迅速理解了核心要义。比如，讲到某种编码技术时，书里直接给出了一个可视化的模型，比我之前在网上搜罗的那些晦涩难懂的文字说明要高效百倍。这种对读者体验的关注，让阅读过程本身变成了一种享受，而不是任务。它不仅仅是一本工具书，更像是一位耐心的导师，引导着我一步步深入进去，让人愿意沉下心来慢慢品味其中的每一个细节。

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这本书的语言风格极其独特，它带着一种老派学者特有的严谨，但又巧妙地融入了当代年轻人的幽默感。你会发现，在最枯燥的技术术语解释之后，可能紧跟着一句略带俏皮的总结，瞬间就舒缓了阅读的疲劳感。这种“严肃又不失温度”的叙事风格，极大地降低了学习的心理门槛。我之前对某些模块抱有畏惧心理，总觉得它们离我很遥远，但作者通过生动的故事化叙述，将这些概念变得可亲可感。例如，作者在解释数据流转换时，竟然引用了一个关于古罗马水利工程的类比，那种跨学科的融会贯通，让人在会心一笑的同时，也深刻理解了问题的本质。这种行文的韵味，使得这本书即便是作为闲暇时的阅读材料，也毫不逊色，完全没有一般教科书那种令人昏昏欲睡的感觉。

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从排版和注释的细节来看，编辑团队对这本书的打磨可谓是精益求精。在需要查阅参考资料或延伸阅读的地方，书中的注释系统做得非常完善，不仅提供了准确的外部链接和文献引用，甚至还对某些关键术语的演变历史进行了简短的补充说明，这对于希望进行更深层次研究的读者来说，简直是如虎添翼。我注意到，不同章节之间的知识点串联做得非常好，你不会感觉像是在读一本拼凑起来的合集。作者似乎预先就规划好了读者的认知路径，通过巧妙的过渡句和回顾性的小结，确保读者在进入新领域时，总能找到与旧知识的连接点。这种对知识体系完整性的极致追求，让整本书的阅读体验非常流畅和连贯，让人感觉这是一部经过深思熟虑、精心雕琢的传世之作，而非匆忙赶工的出版物。

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这本书在内容深度上做到了一个非常精妙的平衡，既不像某些入门书籍那样肤浅到一触即破，也没有沦为那种只有业内专家才能看懂的天书。它的知识体系构建得非常扎实，逻辑链条清晰得像一条笔直的轨道。我特别欣赏作者在引入新技术趋势时的处理方式，没有盲目追逐热点，而是沉淀下来，分析其背后的原理和底层逻辑。比如，在探讨某个设计范式时，作者不仅介绍了“是什么”，更深入地挖掘了“为什么会这样发展”，追溯了历史的脉络，这让我对现有技术的理解不再停留在表面的操作层面，而是上升到了战略思维的高度。对于我这样希望系统性提升自己知识结构的人来说，这种由浅入深、层层递进的编排方式是极其宝贵的。每读完一个章节，我都感觉自己像是完成了一次思维的拓展训练，而不是简单地记住了几个知识点。

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