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出版者:北方交通

作者:王亮申 编

出品人:

页数:303

译者:

出版时间:2007-10

价格:32.00元

装帧:

isbn号码:9787811230727

丛书系列:

图书标签:

• 计算机绘图
• 图形学
• 计算机图形学
• 算法
• 渲染
• OpenGL
• DirectX
• 可视化
• 图像处理
• CAD

空间几何的奥秘与数字艺术的构建：一个关于“三维建模与渲染”的深度探索 图书名称：三维建模与渲染：从理论基石到实践精通 引言：数字世界的塑形之手 在这个日益依赖视觉传达的时代，从电影特效到工业设计，从虚拟现实到建筑可视化，三维空间的概念和与之相关的技术已经渗透到我们生活的方方面面。本书《三维建模与渲染：从理论基石到实践精通》旨在为那些渴望掌握数字世界“塑形之手”的读者，提供一套系统、深入且兼具前沿性的知识体系。它不满足于表面的工具操作指南，而是致力于挖掘三维构建的底层原理、数学基础以及艺术表现的精髓。 本书的核心目标是培养读者构建复杂、逼真且富有表现力的三维场景的能力。我们将把读者从几何体的基础构建出发，逐步引向光影的物理模拟，最终实现震撼人心的视觉成品。 第一部分：三维几何的数学基石与空间构建 在深入任何软件工具之前，我们必须理解三维世界是如何被数学精确定义的。本部分将是全书的理论核心，为后续的建模和渲染打下坚实的基础。 第一章：解析几何与向量代数 本章将回顾和深化读者对欧几里得空间的基本理解。我们将详细阐述笛卡尔坐标系、柱坐标系和球坐标系在三维环境中的转换与应用。重点在于向量（Vector）和矩阵（Matrix）代数： 向量运算的物理意义： 探讨点积（Dot Product）在投影和角度计算中的作用，以及叉积（Cross Product）在确定法线方向上的关键性。 齐次坐标（Homogeneous Coordinates）： 解释为何需要引入第四个维度来实现复杂的几何变换（平移、旋转、缩放）的统一表达，并深入解析如何通过矩阵乘法链式地应用这些变换。 变换的分解与组合： 讨论万向节死锁（Gimbal Lock）问题及其在不同旋转表示法（如欧拉角、四元数）中的解决方案。 第二章：网格结构与拓扑学基础 三维模型的物理载体是网格（Mesh）。本章专注于理解和优化这些结构。 多边形表示法： 详细对比点（Vertex）、边（Edge）、面（Face）的组织方式，以及三角面（Triangles）和四边面（Quads）在渲染效率和形变质量上的差异。 拓扑的健康性： 探讨非流形几何（Non-Manifold Geometry）、自相交（Self-Intersections）和奇异点（Singularities）对后续细分和渲染的影响。 细分曲面算法： 深入解析Catmull-Clark、Loop等主流细分算法的数学原理，理解它们如何将低分辨率模型平滑地转化为高精度的曲面。 第二部分：高级建模技术与形态生成 本部分将从基础的“搭建”转向“塑造”，介绍实现复杂形态的专业技术。 第三章：参数化建模与程序化生成 超越传统的推拉（Extrude）和倒角（Bevel），本章关注利用规则和算法来驱动形态的创建。 节点式工作流（Node-Based Workflow）： 剖析节点图（Node Graph）如何实现非破坏性（Non-Destructive）建模，允许用户随时回溯和修改参数，实现设计迭代。 L-Systems与分形几何： 将生物形态、树木、植被等自然元素的生成过程数学化、规则化，探索如何用简洁的规则生成无限的复杂细节。 基于体素（Voxel）和曲线（Curve）的建模： 探讨体素对大型地形和雕塑细节的处理优势，以及NURBS和Bezier曲线在工业设计和平滑曲面控制中的应用。 第四章：数字雕塑与高模细节处理 针对有机物、角色和复杂表面细节，本章聚焦于雕塑工具集的使用哲学。 动态拓扑与重拓扑（Retopology）： 解释在雕塑过程中动态增加几何密度（Dynamesh/Sculptris Pro）的原理，并详细讲解如何将高模的细节有效迁移至低模（如法线贴图烘焙）。 笔刷动力学与形变控制： 深入分析不同笔刷（Standard, Clay Buildup, Move, Pinch）背后的形变算法，以及如何通过笔刷设置模拟不同材料的物理特性（如粘土、蜡）。 第三部分：光影的物理模拟与真实感渲染 建模是形体，渲染则是赋予生命。本部分是本书的视觉核心，侧重于光线与材质的互动科学。 第五章：光线追踪与渲染方程 本章是渲染理论的基石，解释了现代逼真渲染器（如Ray Tracing, Path Tracing）的工作原理。 渲染方程（The Rendering Equation）： 详细剖析其数学形式，理解出射辐射度、反射率和积分的含义。 采样与降噪： 探讨蒙特卡洛积分在渲染中的应用，以及如何通过有效的采样策略（如重要性采样 Importance Sampling）来平衡渲染速度和图像质量。 加速结构： 分析加速光线求交的常用数据结构，如包围盒层次结构（BVH）和空间划分树（K-D Tree），它们如何大幅提升渲染效率。 第六章：着色模型与材质的物理学（PBR） 现代渲染的成功依赖于对光与物质交互的精确模拟。 BRDF与BSDF： 深入讲解双向反射分布函数（BRDF）和双向散射分布函数（BSDF）的数学模型，对比Lambertian、Phong、Blinn-Phong模型的局限性。 物理渲染（PBR）核心： 详细介绍基于微表面（Microfacet）理论的PBR工作流，重点解析Metallic/Roughness（金属度/粗糙度）流程的物理意义，以及电介质与导体的区分。 次表面散射（SSS）： 探讨光线进入半透明物体（皮肤、蜡、玉石）后散射的物理机制及其在渲染中的实现，区分Dipole与BSSFD模型。 第七章：纹理、贴图与复杂表面表达 纹理是赋予几何细节和化学属性的“皮肤”。 坐标空间与投影： 详述UV贴图、切线空间、世界空间与物体空间的转换，以及消除UV拉伸和接缝的技术。 程序纹理（Procedural Textures）： 利用噪声函数（Perlin, Worley, Simplex）生成无限变化的表面细节，实现无需位图的复杂材质。 PBR贴图集深入： 不仅是漫反射（Albedo），更深入分析法线贴图（Normal Map）、高度/置换贴图（Height/Displacement Map）在不同尺度细节上的应用策略和烘焙精度控制。 第四部分：灯光、合成与最终呈现 本书最后一部分将关注如何利用光线和后期处理将数字资产转化为引人入胜的最终图像。 第八章：高级布光技术与环境光照 光照是场景情绪和空间感的决定因素。 光照类型与物理特性： 区分点光源、面光源、聚光灯和体积光的物理模型，理解其能量衰减规律。 全局光照（GI）与间接光： 详细解析光线反弹的原理，如辐射度（Radiosity，作为历史回顾），以及现代路径追踪器如何通过多次采样实现逼真的间接照明和色彩渗透（Color Bleeding）。 HDR与环境贴图： 学习如何使用高动态范围图像（HDRI）捕捉真实世界的光照环境，并利用其进行精确的图像式照明（Image-Based Lighting, IBL）。 第九章：后期处理、色彩管理与图像校正 渲染输出仅仅是原材料，合成和校正赋予其最终的电影质感。 色彩空间与色彩管理： 介绍ACES、sRGB、Rec.709等色彩空间标准，确保色彩的跨平台一致性。 镜头效应模拟： 深入解析景深（Depth of Field）、运动模糊（Motion Blur）的数学模型，以及光晕（Bloom）和镜头光斑（Lens Flare）的逼真模拟。 色调映射（Tone Mapping）与对比度增强： 研究如何将渲染器的高动态范围输出安全地映射到显示设备的有限动态范围内，使用Reinhard、Filmic等算法来优化视觉冲击力。 结语：通往数字创作者之路 《三维建模与渲染：从理论基石到实践精通》不是一本速成手册，而是一张通往深度理解的路线图。通过对几何、算法、物理和艺术的全面解析，本书旨在赋予读者独立解决复杂视觉问题的能力，让他们不仅仅是软件的用户，更是数字空间的设计师和架构师。掌握这些原理，你将能驾驭任何前沿的渲染引擎，创造出真正具有说服力的三维作品。

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坦白说，我本来对手册类的书籍是抱持着一种实用主义的态度，想着无非是些软件操作的堆砌，学完就能用，效果立竿见影。但《计算机绘图》这本书，它给我带来的冲击是哲学层面的。它没有过多纠缠于某个特定软件的版本更新，而是将焦点锚定在了那些永恒不变的图形学核心思想上，比如透视投影的原理，多边形填充的效率优化，以及纹理映射的数学基础。书中的图示，简洁到近乎刻板，但每一个箭头和坐标轴的指向都精准无误，仿佛是宇宙运行的物理定律被投影到了纸面上。我记得有一部分专门讲解了三次样条曲线和Bézier曲线的控制点调整对最终曲面的影响，作者没有直接给出“拖动这个点会发生什么”的经验之谈，而是通过函数导数的分析，解释了为什么在特定的控制点位置，曲面会产生那样的“张力”。这种深入骨髓的理论阐释，让我意识到，真正的“创造力”并非凭空产生，而是建立在对底层规律深刻理解之上的自由发挥。对于一个想要从“操作员”跃升为“设计者”的人来说，这种底层逻辑的重建，其价值无可估量。

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我向来对那些把“艺术”和“技术”强行捆绑在一起的书籍持保留态度，因为很多时候，它们要么技术细节缺失，要么艺术讲解空泛。但《计算机绘图》这本书，却达到了奇妙的平衡。它没有用华丽的辞藻来歌颂数字艺术的辉煌，而是用最冷静的笔触，勾勒出两者结合的物理边界和无限可能。我特别欣赏其中关于色彩模型的讨论，从RGB到CMYK，再到更宽广的色彩空间模型，作者不仅仅是罗列了数值范围，而是探讨了人眼对颜色的感知机制与计算机处理之间的差异和鸿沟，这对于任何从事视觉设计的人来说，都是极其关键的知识盲区。这本书不是一本“速查手册”，它更像是一本“思维工具箱”，教你的不是具体的工具的使用方法，而是如何设计和制造更高效、更精确的工具。读完之后，我再去看那些电影特效或者游戏画面，不再仅仅是惊叹于其视觉冲击力，而是会不自觉地分析：这里的阴影是用哪种方法计算的？环境光照是如何模拟的？这种带着解构主义视角的观察，彻底改变了我对“观看”这件事的理解。

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这本书的编排结构，简直像一部精心设计的交响乐章，从低沉的序曲（基础概念）慢慢递进到高潮（高级渲染技术）。我必须承认，在阅读过程中，我遇到过好几次“卡壳”，特别是涉及到光线追踪算法的迭代过程，那密集的公式推导和递归调用关系，差点让我想扔下笔去玩一局动作游戏放松一下。但正是这种挑战性，反而激起了我的斗志。作者似乎深谙读者的心理，在每一个复杂章节的末尾，都会穿插一些历史性的回顾或者应用案例的简短说明，让你在紧绷的理论学习之余，有机会喘口气，看看这些理论是如何在工业界生根发芽的。比如，它提到早期计算机图形学是如何解决遮挡问题的，那种对计算资源的极度节约和巧妙的算法设计，让人不禁对那个“计算能力稀缺”的年代产生一种由衷的敬佩。这本书的阅读体验，更像是在攀登一座知识的险峰，虽然每一步都走得缓慢而艰辛，但每一次回望，都能看到自己留下的脚印和更广阔的视野。

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这本书的文字风格沉稳、内敛，几乎找不到任何情绪化的表达，就像一台高效运转的计算引擎，只输出精确的结果。它对理论的阐述达到了近乎“完美”的程度，但这种完美，也对读者的基础知识提出了较高的要求。对于刚接触图形学的零基础小白来说，可能会感到一定的挫败感，因为作者默认读者具备一定的线性代数和微积分常识。不过，正是这种“不迁就”的态度，保证了内容的深度和纯粹性。我特别喜欢它对图形管线（Graphics Pipeline）的逐级分解，从模型输入、几何变换、光照计算到最终的像素输出，每一步的逻辑衔接都如同链条般紧密无懈可击。读完这本书，我清晰地感受到自己从一个只会使用软件的“用户”，蜕变成一个可以理解并可能去设计新算法的“工程师”。它不是一本能让你在短时间内做出惊艳作品的书，但它是一本能让你在计算机图形学的世界里走得更远、更稳健的基石之作，没有多余的赘述，全是干货的重量。

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这本《计算机绘图》的横空出世，真让我这个老骨头对手里的笔都提不起劲来了。我一直对那些光怪陆离的数字艺术充满了好奇，总觉得屏幕上的画面有着某种魔力，能把抽象的思维瞬间具象化。然而，翻开这本书，我首先感受到的是一股扑面而来的严谨与专业。它不像市面上那些浮夸的“速成秘籍”，一上来就教你几个花哨的快捷键，然后就宣称你已经掌握了“艺术的精髓”。恰恰相反，它像一位耐心的老教授，从最底层的数学原理讲起，什么向量空间、矩阵变换，听着头大，但作者的叙述方式却像抽丝剥茧，将那些晦涩的符号转化成了可以理解的几何概念。我尤其喜欢它对光栅扫描与向量图形两种范式的深入对比，那种对技术路线的清晰梳理，让我这个习惯了传统绘画的门外汉，终于明白了数字世界里“画笔”背后的逻辑。书中引用的案例，那些早期计算机图形学的里程碑式的作品分析，看得人肃然起敬，让人意识到每一次像素的跳动，都凝聚了多少代人的智慧结晶。这本书，与其说是教你如何“画”，不如说是教你如何“思考”计算机是如何理解和再现世界的。读完前几章，我感觉自己的“数字视力”都被提升了一个档次，看任何CG作品，都能本能地去探究其背后的算法支撑。

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