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页数:324

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出版时间:2007-9

价格:28.00元

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isbn号码:9787113080532

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• C/C++
• 程序设计
• 教程
• 编程入门
• 算法
• 数据结构
• 计算机基础
• 开发
• 学习
• 代码
• 实践

计算机图形学基础与实践 导言： 本教程旨在为读者提供一个全面而深入的计算机图形学入门路径，重点关注二维和三维图形的生成、渲染与交互技术。在数字化时代，图形学已成为人机交互、虚拟现实、游戏开发、电影特效乃至科学可视化的核心技术。本书将引导读者从基础概念出发，逐步掌握现代图形系统的工作原理和实现方法。 第一部分：图形学基础与数学准备 第一章：图形学概述与发展历程 本章将界定计算机图形学的范畴，探讨其在不同行业（如工业设计、医学成像、娱乐）中的应用。我们将回顾图形学从早期的光栅扫描技术到现代实时渲染管线的发展历程，理解向量图形与栅格图形的基本区别及其适用场景。同时，介绍图形学领域中的重要标准和API，为后续的实践打下理论基础。 第二章：核心数学工具 图形学的强大依赖于坚实的线性代数基础。本章将深入讲解在图形学中至关重要的数学概念： 向量代数： 向量的加减、点积（内积）与叉积（外积）的几何意义，单位向量的规范化处理。重点阐述如何利用向量进行方向、投影和法线计算。 矩阵运算： 二维和三维齐次坐标下的矩阵表示。详细讲解矩阵乘法、逆矩阵的性质及其在变换中的应用。 几何变换： 平移、旋转（欧拉角与四元数）、缩放的矩阵表示。重点讨论如何组合这些基本变换以实现复杂的运动和定位。 坐标系系统： 模型坐标系、世界坐标系、观察（摄像机）坐标系、投影坐标系之间的相互转换关系，为后续的视图变换和投影奠定基础。 第二部分：二维图形处理 第三章：光栅化基础 光栅图形系统是显示设备的基础。本章将聚焦于如何将几何描述转换为像素点的过程： 扫描转换算法： 详细介绍直线（DDA算法、布雷森汉姆算法）和圆（中点圆算法）的扫描转换原理与优化。 区域填充算法： 边界填充（种子填充）和扫描线填充算法的实现细节，包括如何处理复杂的自交多边形和凹多边形。 字体与文本渲染： 字体的矢量描述（如PostScript/TrueType）与光栅化显示。 第四章：二维几何变换与剪裁 本章扩展第二章的矩阵知识到二维环境： 二维变换矩阵： 构造二维平移、旋转和缩放矩阵，并在齐次坐标系下进行复合变换。 二维图形裁剪： 介绍直线段的裁剪算法（如Cohen-Sutherland算法）和多边形的裁剪算法（如Sutherland-Hodgman算法），确保图形只在可见窗口内被渲染。 第三部分：三维图形建模与变换 第五章：三维几何表示 深入探讨三维空间中的对象描述方法： 参数曲面与网格模型： 介绍多边形网格（Polygon Mesh）作为最常用的三维模型表示，包括顶点、边、面的概念。讨论Bézier曲线和B-Spline曲面在精确建模中的应用。 模型层次结构： 使用场景图（Scene Graph）组织复杂的模型，实现部件间的相对运动和变换管理。 表面法线计算： 理解法线在光照计算中的关键作用，并学习如何计算平面和三角面片的法线向量。 第六章：三维观察与投影 本章详细解析如何将三维场景映射到二维屏幕上： 视图变换（LookAt）： 详细推导如何构造一个观察矩阵，实现从世界空间到摄像机空间的转换，包括摄像机位置、视线方向和上方向的设定。 投影技术： 正交投影（Orthographic Projection）： 适用于工程制图，平行光线投射，用于消除透视效果。 透视投影（Perspective Projection）： 模拟人眼视觉，近大远小的效果。推导其投影矩阵，以及如何处理近平面和远平面的裁剪。 第四部分：三维渲染管线与光照 第七章：光栅化渲染管线 本章是理解现代图形硬件（GPU）工作方式的核心。我们将详细剖析图形渲染管线的各个阶段： 顶点处理阶段： 顶点着色器（Vertex Shader）的功能，包括坐标转换和属性插值。 图元装配与几何处理： 顶点如何组合成边和三角形。 光栅化： 如何将三角形扫描到屏幕像素上，并进行深度测试前的准备。 片元处理阶段： 片元着色器（Fragment Shader）的作用，颜色计算的初步。 输出合并： 深度缓冲（Z-Buffer）、模板缓冲和混合（Blending）操作。 第八章：颜色模型与基本光照 光照是使三维场景真实感的基础： 颜色理论回顾： RGB颜色空间，以及人眼感知与亮度的关系。 局部光照模型（Local Illumination）： 详细讲解Phong反射模型及其组成部分：环境光（Ambient）、漫反射（Diffuse）和镜面反射（Specular）。理解高光点的形成机理。 纹理映射基础： 如何将二维图像数据（纹理）映射到三维表面上，实现细节的丰富。纹理坐标（UV）的定义和插值。 第五部分：高级渲染技术 第九章：深度与可见性判定 处理三维场景中物体遮挡关系的关键技术： Z-Buffer（深度缓冲）算法： 算法原理、实现细节及优缺点分析。 画家算法（Painter’s Algorithm）： 涉及场景中物体的排序问题，及其在复杂场景中的局限性。 遮挡剔除（Occlusion Culling）： 介绍如何高效地剔除被遮挡的几何体，以优化渲染性能。 第十章：着色技术进阶 本章将超越简单的Phong模型，探讨更高级的着色方法： 纹理的进阶应用： 细节纹理（Detail Mapping）、多重纹理混合、纹理过滤（线性插值与Mipmap）。 法线贴图（Normal Mapping）： 利用纹理存储法线信息，以极小的几何复杂度模拟高细节的表面凹凸感。 雾效（Fog）： 基于距离的颜色衰减模型，用于增强场景的深度感。 结论与展望 总结本书所涵盖的核心知识点，并简要介绍图形学前沿领域，如全局光照（Ray Tracing, Radiosity）、实时阴影技术（Shadow Mapping）以及GPU编程（Shader Model）的初步概念，鼓励读者继续深入学习。 附录： 常用数学公式速查表；常见图形API（如OpenGL/DirectX）的概念对照。

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