计算机图形学

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出版者:清华大学出版社
作者:韩正贤
出品人:
页数:291
译者:刘鹏
出版时间:2013-1
价格:59.00元
装帧:平装
isbn号码:9787302301837
丛书系列:
图书标签:
  • 图形学
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  • 游戏开发
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具体描述

《计算机图形学:基于3D图形开发技术》详细阐述了与计算机游戏设计相关的基本解决方案及相应的数据结构和算法,主要包括游戏模型、顶点处理机制、光栅化操作、片元处理和输出合并、光照和着色、参数曲线和表面、着色器模型、图像纹理、凹凸贴图、高级纹理操作、角色动画以及物理模拟等内容。此外,《计算机图形学:基于3D图形开发技术》还提供了相应代码以及伪代码,以帮助读者进一步理解相关方案的实现过程。

宇宙的奥秘:从量子纠缠到时空旅行的深度探索 第一章:基础物理学的重建与挑战 本书并非探讨图像的生成与显示,而是将读者的目光投向比像素更基本、比屏幕更宏大的领域——物质与能量的终极形态。我们从对经典物理学(牛顿力学、麦克斯韦电磁学)的深刻反思开始,探讨它们在描述微观世界时的局限性。 1.1 量子力学的哥本哈根诠释的争议与修正: 我们将详细分析波函数坍缩的哲学困境,并介绍多世界诠释(Many-Worlds Interpretation, MWI)和退相干理论(Decoherence)如何试图解决测量问题。重点在于理解量子叠加态在宏观世界中“消失”的机制,而非其在特定算法中的应用。 1.2 场论的统一之路:规范场论的精妙结构: 本章深入探讨杨-米尔斯理论如何成功描述强核力、弱核力和电磁力的内在联系。我们将解析描述基本粒子及其相互作用的拉格朗日量结构,重点放在规范对称性的破缺在粒子质量起源中的作用,如希格斯机制的完整数学推导。 1.3 广义相对论的几何学基础:黎曼几何与引力场方程的解析: 我们将完全跳过对光线追踪或纹理映射的讨论,转而专注于爱因斯坦场方程的几何意义。黑洞的事件视界、引力透镜效应的几何解释,以及弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克(FLRW)度规在描述宇宙学演化中的核心地位将被详尽阐述。 第二章:时间、时空与引力的前沿课题 本章将把读者带到现代物理学最令人着迷的边界——时间本质的探究和对引力本质的重新理解。 2.1 循环量子引力(Loop Quantum Gravity, LQG)的量子时空观: 面对广义相对论与量子力学的不兼容性,LQG提出了一种全新的时空观。我们将详细探讨斯平量规(Ashtekar variables)的引入如何将引力场量子化,并介绍“自旋网络”(Spin Networks)和“自旋泡沫”(Spin Foams)的概念,它们描绘了离散化的时空结构,并试图解决大爆炸奇点问题。 2.2 弦论的景观:M理论与额外维度的实验检验设想: 弦论(String Theory)作为万有理论(Theory of Everything)的有力竞争者,其核心思想是通过一维的弦来取代点状粒子。本章将讨论十维(或十一维M理论)超对称性的要求,以及卡拉比-丘(Calabi-Yau)流形在紧致化额外维度中的数学作用,探讨微型黑洞和微小扰动在大型强子对撞机(LHC)上被探测的可能性。 2.3 虫洞的理论可行性与时间旅行的悖论: 依托于广义相对论的爱因斯坦-罗森桥(虫洞)解,我们将严肃分析维持虫洞喉部的负能量条件(如德塞勒效应),以及穿越虫洞所引发的祖父悖论。探讨诺维科夫自洽性原则(Novikov Self-Consistency Principle)如何试图在理论上约束时间旅行的路径。 第三章:宇宙学的宏大叙事与暗物质/暗能量的谜团 本章关注的是宇宙的整体结构、起源和命运,这是对空间和时间最大尺度的哲学与物理的结合。 3.1 宇宙暴胀理论的精确检验: 暴胀模型(Inflation)被提出以解决视界问题和扁平性问题。我们将解析暴胀动力学方程,并详细分析其对早期宇宙微波背景辐射(CMB)各向异性的具体预测,特别是原初引力波的B模极化信号作为暴胀理论的“圣杯”的重要性。 3.2 暗物质的粒子候选者与间接证据的交叉比对: 宇宙中约占总质能27%的暗物质,其本质仍是谜团。本章将不谈论计算机渲染,而是侧重于粒子物理学的预测:弱相互作用重粒子(WIMP)、轴子(Axions)的探测实验(如CDMS、XENON等)的原理,以及星系旋转曲线、星系团引力透镜效应提供的动态证据的精确度量。 3.3 暗能量与宇宙的加速膨胀: 宇宙学常数(Λ)在标准模型中的回归及其带来的“真空能量密度问题”——理论预测值与观测值相差120个数量级。我们将比较“精质”(Quintessence)等动态暗能量模型与宇宙学常数的区别,并探讨第五次宇宙学革命对我们未来宇宙演化趋势预测的影响。 第四章:信息的终极载体与量子计算的物理极限 本书的最后部分转向信息的物理学基础,探讨信息在黑洞、宇宙热力学以及未来计算范式中的角色。 4.1 黑洞热力学与霍金辐射的半经典推导: 黑洞不仅是时空结构,它们也具有熵和温度。我们将从Bekenstein-Hawking熵的定义出发,推导霍金辐射的半经典近似结果,讨论信息悖论(Information Paradox)的核心——信息在黑洞蒸发过程中是否真的丢失,并介绍防火墙(Firewall)假说等尖锐的观点。 4.2 兰道尔极限与计算的能耗边界: 探讨信息处理的物理极限,即兰道尔极限(Landauer's Principle),它规定了擦除一位信息所必须耗散的最小能量。这为构建超高效能计算系统设定了理论上限,与我们日常计算的能耗进行鲜明对比。 4.3 量子信息论的数学基础:冯·诺依曼熵与纠缠的量化: 我们将精确定义量子比特(Qubit)的数学结构(张量积空间),并使用冯·诺依曼熵来量化纯态和混合态的纠缠程度。重点阐述量子纠缠作为一种物理资源在量子隐形传态和量子计算中的核心地位,而非仅仅是算法的工具。 本书旨在为读者构建一个严谨的、基于最前沿理论物理学的思维框架,用以理解宇宙的结构、时空的本质以及物质和信息的终极规律。

作者简介

目录信息

目 录
第1章 游戏模型............................................................................................................1
1.1 游戏制作流程...................................................................................................1
1.2 多边形网格......................................................................................................4
1.2.1 创建多边形网格*....................................................................................6
1.2.2 多边形网格的表达方式......................................................................................9
1.2.3 表面法线............................................................................................................13
1.3 模型导出和导入...........................................................................................................15
1.4 坐标系统....... ................................................................................................................17
本章练习...............................................................................................................................19
第2章 顶点处理机制...................................................................................................20
2.1 世界转换.......................................................................................................................21
2.1.1 仿射转换以及齐次坐标....................................................................................21
2.1.2 世界矩阵...........................................................................................................24
2.1.3 欧拉转换................................................................................. ..........................28
2.1.4 表面法线的转换................................................................................................29
2.2 视见转换.......................................................................................................................31
2.2.1 相机空间...........................................................................................................31
2.2.2 空间转换和视见矩阵........................................................................................32
2.3 逐顶点光照.................................................................................................................37
2.4 投影转换......................................................................................................................38
2.4.1 视见体................................................................................................................38
2.4.2 投影矩阵...........................................................................................................40
2.4.3 投影矩阵的推导过程*......................................................................................44
本章练习.......................................................................................................... ......................47
·VI· 计算机图形学——基于3D图形开发技术
第3章 光栅化操作.......................................................................................................49
3.1 剪裁操作......................................................................................................................49
3.2 透视除法......................................................................................................................50
3.3 背面剔除操作...............................................................................................................51
3.4 再访坐标系统*.............................................................................................................55
3.4.1 3ds Max至OpenGL——翻转坐标轴................................................................55
3.4.2 OpenGL至Direct3D——反射..........................................................................57
3.4.3 OpenGL至Direct3D——顶点重排列...............................................................61
3.5 视口转换......................................................................................................................62
3.6 扫描转换......................................................................................................................65
3.7 应用:对象拾取操作...............................................................................................70
3.7.1 计算世界空间中的光线....................................................................................70
3.7.2 光线-对象相交测试...........................................................................................76
本章练习...............................................................................................................................82
第4章 片元处理和输出合并.........................................................................................83
4.1 纹理操作......................................................................................................................83
4.1.1 纹理坐标............................................................................................................84
4.1.2 表面参数化操作................................................................................................86
4.1.3 纹理坐标与纹素地址........................................................................................87
4.2 输出合并......................................................................................................................89
4.2.1 z缓冲区机制.......................................................................................................89
4.2.2 Alpha混合...........................................................................................................91
4.3 z剔除操作......................................................................................................................93
4.3.1 单元(tile)剔除...............................................................................................93
4.3.2 预写Z值..............................................................................................................96
本章练习...............................................................................................................................96
第5章 光照和着色.......................................................................................................98
5.1 Phong光照模型.............................................................................................................98
5.1.1 漫反射................................................................................................................99
5.1.2 镜面反射..........................................................................................................101
目 录·VII·
5.1.3 环境反射..........................................................................................................103
5.1.4 发射光..............................................................................................................104
5.2 着色和着色语言........................................................................................................104
5.2.1 顶点和片元着色器........................... ...............................................................104
5.2.2 高级着色语言*.................................................................................................105
5.3 管线中的光照机制....................................................................................................107
5.3.1 HLSL中的逐顶点光照机制*...........................................................................107
5.3.2 逐顶点光照与逐片元光照..............................................................................109
5.3.3 HLSL中的逐片元光照*...................................................................................111
5.4 全局光照.....................................................................................................................113
5.4.1 光线跟踪..........................................................................................................113
5.4.2 辐射度..............................................................................................................117
本章练习..............................................................................................................................119
第6章 参数曲线和表面....................................................................................121
6.1 参数曲线.....................................................................................................................121
6.1.1 Bezier曲线......................................................................................................121
6.1.2 Hermite曲线和Catmull-Rom样条...................................................................126
6.2 应用:相机路径.........................................................................................................127
6.3 Bezier表面..................................................................................................................130
6.3.1 双线性面片......................................................................................................130
6.3.2 双二次Bezier面片............................................................................... .............134
6.3.3 双三次Bezier面片............................................................................................138
6.3.4 Bezier三角形...............................................................................................140
本章练习..............................................................................................................................144
第7章 着色器模型...........................................................................................146
7.1 着色器模型4和几何体着色器...................................................................................146
7.2 应用:动态粒子系统.................................................................................................147
7.2.1 粒子的物理模拟..............................................................................................148
7.2.2 焰火模拟..........................................................................................................150
7.2.3 渲染焰火..........................................................................................................153
·VIII· 计算机图形学——基于3D图形开发技术
7.3 着色器模型5和拼接操作...........................................................................................155
7.4 应用:PN三角形........................................................................................................156
7.4.1 计算控制点......................................................................................................157
7.4.2 计算控制法线..................................................................................................160
7.4.3 PN三角形拼接操作.........................................................................................163
本章练习..............................................................................................................................165
第8章 图像纹理........................................................................................................166
8.1 纹理寻址模式............................................................................................................166
8.2 纹理过滤机制.............................................................................................................168
8.2.1 放大操作..........................................................................................................169
8.2.2 缩小操作..........................................................................................................170
8.3 纹理链........................................................................................................................171
8.3.1 纹理链的构建过程..........................................................................................172
8.3.2 纹理链过滤机制..............................................................................................173
8.3.3 纹理链过滤的选取方案..................................................................................175
8.4 各向异性过滤机制.....................................................................................................179
本章练习............................................................................................................................184
第9章 凹凸贴图........................................................................................................186
9.1 高度场.........................................................................................................................187
9.2 法线贴图原理.............................................................................................................188
9.2.1 法线贴图..........................................................................................................188
9.2.2 法线贴图算法..................................................................................................190
9.3 切空间法线贴图.........................................................................................................194
9.3.1 切空间法线贴图算法.............................................................................. ........194
9.3.2 切空间计算......................................................................................................198
9.4 法线贴图应用.............................................................................................................200
9.5 视差贴图....................................................................................................................203
9.6 偏置贴图....................................................................................................................206
本章练习............................................................................................................................210
第10章 高级纹理操作...............................................................................................211
10.1 环境贴图...................................................................................................................211
目 录·IX·
10.1.1 立方体贴图....................................................................................................211
10.1.2 立方体贴图访问机制*...................................................................................214
10.1.3 动态立方体贴图............................................................................................216
10.2 光照贴图...................................................................................................................217
10.2.1 漫反射光照贴图............................................................................................217
10.2.2 辐射度法线贴图*...........................................................................................218
10.3 阴影贴图...................................................................................................................222
10.3.1 阴影贴图算法................................................................................................224
10.3.2 基于阴影贴图的着色器代码........................................................................228
10.3.3 阴影贴图过滤机制........................................................................................231
10.4 环境遮挡...................................................................................................................234
10.5 延迟着色...................................................................................................................238
本章练习..............................................................................................................................240
第11章 角色动画.......................................................................................................241
11.1 关键帧动画...............................................................................................................241
11.2 旋转...........................................................................................................................244
11.2.1 欧拉角插值....................................................................................................244
11.2.2 四元数表达方式............................................................................................245
11.2.3 基于四元数的旋转........................................................................................246
11.2.4 四元数插值....................................................................................................250
11.3 层次结构建模以及空间变换...................................................................................252
11.3.1 层次结构模型................................................................................................252
11.3.2 骨骼间的空间变换........................................................................................256
11.3.3 世界空间至骨骼空间的转换........................................................................258
11.4 前向运动学...............................................................................................................260
11.5 蒙皮和关键帧动画...................................................................................................263
11.5.1 蒙皮................................................................................................................263
11.5.2 关键帧动画中的蒙皮....................................................................................265
11.6 逆向运动学...............................................................................................................268
11.6.1 解析法............................................................................................................269
11.6.2 循环坐标下降法............................................................................................270
·X· 计算机图形学——基于3D图形开发技术
本章练习..............................................................................................................................272
第12章 物理模拟......................................................................................................274
12.1 惩罚方案...................................................................................................................274
12.2 冲量方案...................................................................................................................276
12.2.1 冲量................................................................................................................277
12.2.2 基于冲量的碰撞求解方案............................................................................278
12.3 碰撞检测...................................................................................................................282
12.3.1 色围体及其层次结构....................................................................................283
12.3.2 三角形-三角形相交测试...............................................................................286
本章练习..............................................................................................................................288
参考文献........................................................................................................................289
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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阅读这本书的过程中,我被作者对细节的极致把控所折服。特别是涉及到算法实现的部分,作者不仅提供了清晰的伪代码,还对每一步操作背后的计算复杂度和优化思路进行了细致的剖析。例如,在描述光照模型时,它不仅讲解了基础的Phong模型,还深入探讨了更高级的、用于写实渲染的BRDF(双向反射分布函数)的变种,并且用非常精妙的图示来区分不同模型的效果差异,这种对比直观到让人一目了然。对于那些容易混淆的术语和概念,作者总会设置专门的“注意”或“对比”框,将它们的细微差别揪出来进行辨析,这种严谨性在同类书籍中是比较少见的,它有效地避免了读者在学习过程中产生概念上的偏差,确保了知识的纯净度和准确性。

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我对这本书的章节划分和整体脉络感到非常好奇,从目录上来看,它似乎涵盖了一个非常宏大且全面的知识体系。开篇的绪论部分,作者并没有直接跳入晦涩的技术定义,而是用一种非常平易近人的方式,勾勒出了这个领域的发展历程和它在现代社会中的广泛应用场景,这对于初学者来说简直是福音。它似乎非常注重理论基础的构建,后面紧接着详细阐述了一些核心的数学原理,比如线性代数和几何变换,讲解得深入浅出,图文并茂,不像有些教科书那样生硬地堆砌公式。我特别欣赏它在引入新概念时,总会穿插一些历史上的经典案例或者业界正在使用的前沿技术作为佐证,这种“古为今用”的教学方式,极大地增强了知识的鲜活性和实用性,让人感觉自己学的不是过时的理论,而是正在被推动的尖端技术。

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这本书的视角显然是面向未来的,它没有满足于对经典理论的复述,而是大胆地将笔触伸向了当前研究的前沿热点。我翻阅到关于实时渲染和并行计算的章节时,深感震撼。作者似乎对GPU编程和现代图形流水线有着第一手的经验,他不仅解释了现代图形硬件的工作原理,还引导读者思考如何利用这些硬件特性来高效地解决渲染难题。其中对于数据并行处理和内存布局的讨论,对于希望从事底层优化工作的工程师来说,简直是无价之宝。它不是停留在“是什么”的层面,而是深入到了“如何做得更快、更高效”的哲学层面,这种实战导向的深度分析,让这本书的价值远远超出了普通教材的范畴,更像是一份高级技术研讨会的会议记录。

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这本书的装帧设计给我留下了非常深刻的印象,封面采用了一种低饱和度的深蓝色调,配以烫金的字体,显得既古典又蕴含着科技感,很有分量。内页的纸张质量也是上乘,触感温润,即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。拿到手里沉甸甸的感觉,就让人觉得这是一本可以认真对待的学术著作。虽然我还没有完全深入到内容细节,但仅仅从它作为一本实体书所呈现出来的专业度和精良制作来看,就能感受到出版方在编辑和印刷上的用心。装帧上的考究往往暗示着内容的扎实,这让我对接下来的阅读充满了期待,毕竟,一本好的技术书籍,除了知识的价值,良好的阅读体验也是至关重要的。这种对细节的关注,无疑提升了整本书的档次,让它不仅仅是一本工具书,更像是一件值得收藏的工艺品。我希望里面的插图和排版也能像封面一样精美且逻辑清晰。

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我发现这本书在知识的组织结构上具有极强的逻辑性和层次感,作者似乎精心设计了一条从基础到精深的认知路径。初学者可以按部就班地通过前几章打下坚实的数学和几何基础,而有一定基础的读者则可以直接跳转到感兴趣的特定模块进行深入挖掘,而不会因为跳跃而感到知识断层。更令人称道的是,每个章节的末尾都附带了一系列经过精心设计的思考题和实践项目建议,这些建议并非空泛的口号,而是有明确指向性的,比如“尝试实现一个简单的射线追踪器”或者“分析某经典纹理映射算法的性能瓶颈”。这种强烈的互动性和实践导向,使得阅读过程不再是被动的接受信息,而是一个主动探索和解决问题的过程,极大地激发了我的学习主动性,让人迫不及待地想动手实践起来。

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中文版名字有点唬人,勉强读完

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非常系统、有条理

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非常系统、有条理

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2014初读过一遍,现在2015年初了。。。

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中文版名字有点唬人,勉强读完

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