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出版者:清华大学

作者:赵志芳

出品人:

页数:140

译者:

出版时间:2005-9

价格:16.00元

装帧:

isbn号码:9787302118725

丛书系列:

图书标签:

• 大学物理
• 物理实验
• 实验教学
• 高等教育
• 理工科
• 物理学
• 实验报告
• 教学参考书
• 大学生
• 实践教学

深入探索：新一代计算机图形学原理与实践 书籍简介： 本书旨在为有志于深入理解和掌握现代计算机图形学核心原理与前沿技术的读者提供一本全面、深入且具有实践指导意义的教材或参考书。它超越了基础的几何变换和光栅化技术，聚焦于构建逼真、高效、可交互的三维视觉体验所必需的数学基础、算法模型和渲染管线知识。 第一部分：数学与几何基础的深度重构 本部分将重新审视计算机图形学赖以生存的数学基石，但着眼于现代图形计算的需求。 1. 线性代数在三维空间中的精确表达： 我们将详细解析向量空间、矩阵变换在三维场景中的几何意义，重点讨论四元数在处理旋转问题时的优势（如万向节死锁的规避），以及如何利用这些工具高效地进行坐标系转换和视图投影。不仅限于基础的仿射变换，还将深入探讨透视投影的数学模型构建，以及反向投影（射线投射）在光线追踪中的基础作用。 2. 微分几何在表面建模中的应用： 介绍参数化曲面（如 Bézier 曲线和 B-样条）的高级性质，并着重讲解 NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) 的结构和权重函数，这对于工业设计和复杂曲面重建至关重要。此外，会深入探讨曲面的法线计算、曲率分析，并引入微分几何概念来理解曲面上的参数化流动和局部几何特征。 3. 坐标系与数据结构优化： 探讨如何利用空间划分数据结构（如 BSP 树、四叉树/八叉树）来优化场景管理、碰撞检测和可见性计算的效率。对比不同结构在不同应用场景下的性能权衡。 第二部分：现代渲染管线的剖析与重构 本部分是本书的核心，将彻底解构当前主流实时渲染管线（如 DirectX/Vulkan 管道）的每一个阶段，并深入研究高级着色技术。 1. 可编程管线（Programmable Pipeline）的机制： 详细阐述顶点着色器、几何着色器、细分着色器和片段着色器的功能、输入输出机制以及它们在 GPU 上的并行执行模型。重点分析如何通过这些可编程阶段实现复杂的形变、LOD (Level of Detail) 管理和几何实例化。 2. 光照与着色模型的高级理论： 告别传统的 Lambert/Phong 模型。本书将全面介绍基于物理的渲染（PBR: Physically Based Rendering）的哲学和数学基础。深入研究 BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) 的理论，特别是微表面模型（如 GGX 分布）在模拟真实材质属性（粗糙度、金属度）中的作用。解析 Cook-Torrance 模型的推导过程及其参数的物理含义。 3. 全局光照（Global Illumination）的计算方法： 区分局部光照和全局光照的根本差异。详尽介绍 Monte Carlo 积分在渲染中的应用，特别是 路径追踪 (Path Tracing) 算法的实现细节，包括重要性采样（Importance Sampling）和俄罗斯轮盘赌（Russian Roulette）策略以提高收敛速度和减少噪声。同时，讨论实时全局光照的近似方法，如屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）、屏幕空间反射（SSR）以及基于探针（Probe-based）的预计算全局光照技术。 4. 纹理映射与数据表示： 探讨高分辨率纹理的挑战，包括 Mipmap 技术的生成原理和过滤机制，以及 各向异性过滤 (Anisotropic Filtering) 的数学实现。介绍法线贴图、高度图和位移贴图的原理，以及如何利用切线空间进行高效的光照计算。 第三部分：高级建模、几何处理与计算几何 本部分关注如何高效地表示和操作复杂的三维几何数据，并探讨它们与渲染的交互。 1. 隐式曲面与体绘制（Volume Rendering）： 介绍使用数学函数定义几何体的隐式曲面方法（如 SDFs: Signed Distance Functions），及其在实时渲染中的潜力。深入讨论体绘制的基础，包括光线行进算法（Ray Marching）和密度函数在医学成像及特效中的应用。 2. 网格简化与细节保持： 讨论在不损失视觉质量的前提下，如何通过边坍缩 (Edge Collapse) 等操作简化高精度三角网格。着重分析 二次误差度量 (Quadric Error Metrics, QEM) 算法，它如何在简化过程中保持原始几何形状的关键特征。 3. 拓扑结构与网格处理： 探讨半边数据结构（Half-Edge Data Structure）在高效遍历和修改网格拓扑结构中的优势。介绍网格的平滑算法（如 Laplacian Smoothing）及其在几何处理中的应用。 第四部分：性能优化、并行计算与前沿趋势 本部分侧重于将理论转化为高性能的实际应用，并展望图形学未来的发展方向。 1. GPU 计算与并行架构： 深入分析现代 GPU 的 SIMT (Single Instruction, Multiple Thread) 架构，解释 CUDA/OpenCL/Shader Model 如何映射到硬件。讨论如何将非图形任务（如物理模拟、数据处理）卸载到 GPU 上执行，以加速整个应用。 2. 延迟渲染与高性能技术： 详细解析 延迟渲染（Deferred Shading） 的原理、优势与局限性，以及如何结合前向渲染（Forward Rendering）以应对透明度和 PBR 的需求。讨论深度缓冲区的优化技术，如 Z-Prepass 和 Hi-Z Occlusion Culling。 3. 交互与虚拟现实（VR/AR）的挑战： 探讨 VR/AR 环境对渲染延迟和帧率的极端要求，包括 时间扭曲（Time Warp） 和注视点渲染（Foveated Rendering） 等关键技术如何最小化感知延迟。 4. 神经图形学初步（Neural Graphics）： 介绍利用深度学习技术辅助或替代传统渲染流程的最新进展，例如神经辐射场（NeRF）的基本思想和其对光线追踪的潜在革命性影响。 本书结构严谨，理论阐述详实，辅以大量的数学推导和算法伪代码，旨在培养读者构建下一代高性能、高保真三维系统的能力。适合高年级本科生、研究生以及从事图形软件开发、游戏引擎设计和视觉计算领域的专业人士深入研习。

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这本书的语言风格非常独特，它摒弃了传统教材那种冰冷、疏离的说教腔调，转而采用了一种更像是资深导师在娓娓道来的口吻。行文中穿插着一些历史性的脚注，简要介绍了某些经典实验方法被发现和完善的过程，这极大地激发了我对物理学发展史的好奇心。这种叙事性的手法，使得原本可能枯燥的实验步骤，增添了一层人文色彩和探索的乐趣。例如，在讲解如何精确测定万有引力常数时，作者没有直接给出最优解法，而是先描述了早期科学家遇到的困难和巧妙的权宜之计，让人仿佛置身于那个探索的时代。这种将科学史融入实验教学的尝试，无疑是极具启发性的。当然，这种风格的取舍也意味着，对于那些只求速成、只想知道“怎么做”的学生来说，可能需要多花一些精力去筛选关键的操作信息。

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这本书在概念的引入与逻辑的铺陈上，展现出一种近乎严苛的系统性思维。作者似乎非常注重从最基本的物理原理出发，层层递进地构建起整个实验体系的框架。我尤其欣赏它在介绍实验误差分析那一章节时所采用的详尽论述，它没有仅仅停留在公式的罗列，而是深入探讨了不同误差来源的物理根源，以及如何通过实验设计来最大程度地规避它们。这种“知其所以然”的教学方法，使得读者在面对具体数据处理时，不再是机械地套用模板，而是真正理解了背后蕴含的物理意义。这种严谨性贯穿始终，即便是对于那些看似简单的基础测量实验，也挖掘出了其深层次的科学价值。唯一的遗憾是，对于一些涉及现代数据采集与处理软件的介绍略显保守，如果能加入更多关于Python或MATLAB在数据拟合与可视化中的实际应用案例，那将是锦上添花。

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从教学资源整合的角度来看，这本书的附录部分堪称宝库。它不仅仅是简单地堆砌公式或常数表，而是精心挑选了与实验紧密相关的辅助材料。例如，其中关于有效数字计算的深度解析，远超出了高中或初等物理课程的要求，真正达到了本科阶段应有的精度要求。此外，它对几种关键物理量单位制（如CGS和SI）的转换规则进行了详尽的对比和说明，这在处理跨学科实验数据时显得尤为重要。我特别欣赏它在附录中提供的部分经典实验的原始数据示例，这些数据虽然是“模拟”的，但其随机分布和噪声特征高度逼真，非常适合用来练习高级的数据拟合算法和不确定度传播。这本书的价值在于，它不仅教会了你“如何做实验”，更教会了你“如何像一个严谨的物理学家那样思考和记录实验结果”。

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作为一名对实验操作有较高要求的学生，我最关注的是其实际可操作性和安全性指导。坦白说，这本书在这方面做得相当到位。它对每一个实验步骤的描述都细致到了近乎于“手把手”的程度，无论是仪器的安装、参数的调节，还是数据记录的规范，都列出了清晰的流程图和注意事项清单。特别是关于高压、真空或激光等危险性设备的操作规范，其详尽的警示语和应急处理流程，让人在实际操作前心里踏实许多。这本教材明显是基于多年一线教学经验总结出来的，它规避了许多新手在初期容易犯的低级错误。我感觉，光是研读这部分的指导，就相当于提前“踩过”了好几次真正的实验室的坑。如果能增加一个“常见故障排除”的附录，针对实验中可能出现的典型技术难题提供快速诊断路径，那么它的实用价值将更上一层楼。

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这本书的排版设计着实让人眼前一亮，那种沉稳又不失现代感的字体选择，配合着恰到好处的留白，阅读起来非常舒适。我特别喜欢它对章节标题和图表编号的处理方式，清晰明了，即便是初次接触这类专业书籍的人也能迅速找到重点。装帧质量也相当过硬，纸张的手感厚实，文字和图片的印刷精度极高，即便是放大细节观察，也找不到任何模糊或重影的瑕疵。这不仅仅是一本工具书，更像是一件工艺品，放在书架上都显得赏心悦目。不过，如果能在封面设计上多增加一些与现代物理实验前沿技术相关的视觉元素，或许能更贴合“大学”这个层次的深度与广度，让它在众多教材中更具辨识度。总体而言，从物理层面的接触体验来看，这本书在视觉和触觉上都给予了读者极高的尊重，阅读过程本身就是一种享受，体现了出版方对知识载体的精雕细琢。

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