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出版者:第1版 (2000年11月1日)

作者:唐荣锡

出品人:

页数:377 页

译者:

出版时间:2000年11月1日

价格:36.0

装帧:平装

isbn号码:9787030888952

丛书系列:

图书标签:

• 计算机图形学
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计算机图形学教程 (修订版) （请注意：以下内容为一本书籍的详细简介，旨在描绘一本关于计算机图形学的专业教材的深度与广度，完全不包含您所提到的特定书籍名称或内容，而是构建了一个详尽的、符合学术规范的教程大纲与侧重点。） --- 前言：构建数字世界的基石 在信息技术飞速发展的今天，计算机图形学已不再是少数专业人士的专属领域，它渗透到我们生活的方方面面——从电影特效的逼真渲染，到医疗影像的精准可视化，再到虚拟现实（VR）与增强现实（AR）带来的沉浸式体验。理解和掌握计算机图形学的原理与技术，是进入高新科技行业的必备素养。 本书（《计算机图形学教程（修订版）》）旨在为读者提供一个全面、深入且结构严谨的图形学知识体系。修订版在保持经典理论体系的基础上，紧密结合最新的行业标准与研究进展，特别加强了实时渲染管线、先进的几何处理技术以及现代物理渲染（PBR）的实践应用。本书的目标读者包括计算机科学、软件工程、动画设计、人机交互以及相关交叉学科的高年级本科生、研究生，以及希望系统提升自身专业技能的行业工程师。 --- 第一部分：基础理论与数学核心 (Fundamentals and Mathematical Foundations) 本部分奠定了整个图形学领域的数学基础，确保读者能够扎实地理解后续所有转换、投影与光照模型的底层逻辑。 第一章：绪论与图形学概述 本章首先界定计算机图形学的范畴、发展历史以及其在现代科学与工程中的应用领域。我们将探讨图形系统的基本组成结构，包括输入设备、图形硬件（GPU架构简介）与软件接口（如OpenGL/Vulkan的初探）。重点阐述从几何数据采集到最终像素输出的完整流程概述。 第二章：几何表示与变换 这是图形学的心脏部分。我们将详细介绍曲线与曲面的数学描述，包括参数曲线（如Bézier、B-Spline）及其在几何建模中的应用。重点解析二维与三维空间中的线性代数变换：平移、旋转、缩放和剪切。我们深入探讨齐次坐标系（Homogeneous Coordinates）如何优雅地统一所有仿射变换，并详细阐述变换的组合与矩阵乘法的顺序规则。 第三章：投影几何与观察 本章聚焦于如何将三维世界坐标转换到二维屏幕坐标。内容涵盖正投影（Orthographic Projection）与透视投影（Perspective Projection）的数学推导，以及视景体（Viewing Frustum）的裁剪过程。同时，本章会介绍视点变换（View Transformation）的建立，这是实现“摄像机运动”的关键。 --- 第二部分：光栅化渲染管线 (The Rasterization Pipeline) 本部分是实时图形学的基础，重点讲解如何高效地将几何体转换为屏幕上的像素序列。 第四章：图形硬件与管线概览 深入剖析现代GPU的并行架构与流水线设计。本章将详细描述固定功能管线（Fixed-Function Pipeline）的演变，并为后续的可编程管线（Programmable Pipeline），即基于着色器的模型做铺垫。 第五章：几何处理与裁剪 本章关注如何优化几何数据和进行高效的屏幕空间管理。内容包括： 1. 图元生成算法：直线（DDA、中点法）和圆的生成算法的原理分析。 2. 多边形填充算法：扫描线算法、奇偶规则与非零绕数规则的实现细节。 3. 区域裁剪：Cohen-Sutherland和Liang-Barsky算法在视景体裁剪中的应用，以及多边形裁剪的Sutherland-Hodgman算法。 第六章：光栅化与深度处理 本章讲解如何确定屏幕上哪个像素被哪个图元覆盖。重点剖析Z-Buffer（深度缓冲）机制，包括其精度问题、精度损失的数学分析，以及如何进行深度值的重新映射。此外，本章还将介绍抗锯齿（Anti-aliasing）的基础技术，如超采样（SSAA）和多重采样（MSAA）的概念。 --- 第三部分：光照、着色与纹理 (Lighting, Shading, and Texturing) 本部分是赋予图形“真实感”的关键，涉及光与物体表面的物理交互模型。 第七章：二维与三维着色模型 着色是决定物体颜色的过程。本章从最基础的环境光、漫反射（Lambertian）和镜面反射（Phong/Blinn-Phong）模型开始。随后，引入更先进的局部光照模型的推导，并讨论如何处理光源（点光源、平行光、聚光灯）的几何关系。 第八章：纹理映射与参数化 本章阐述如何将二维图像数据（纹理）应用到三维表面上。内容涵盖：纹理坐标的定义、纹理的过滤技术（最近邻插值、双线性插值），以及MIP贴图在消除纹理闪烁（Texture Jittering）中的关键作用。我们还将讨论环境贴图（Environment Mapping）的基础应用。 第九章：高级着色模型与PBR导论 本章迈向现代渲染的前沿。详细介绍基于物理的渲染（PBR）的核心思想，特别是微表面理论（Microfacet Theory）以及如何使用Cook-Torrance或GGX等BRDF模型来更真实地模拟材料特性。着色器（Shader）编程在这一过程中的地位将被重点强调。 --- 第四部分：真实感渲染的高级技术 (Advanced Realism Techniques) 本部分探讨超越实时管线的、用于制作电影级画面的离线渲染技术，以及更精细的几何与视觉效果。 第十章：光线追踪与全局光照 详细介绍光线追踪（Ray Tracing）的基本算法，包括光线与几何体的求交测试（特别是光线与三角形的求交）。重点阐述全局光照（Global Illumination, GI）的概念，如递归反射、焦散（Caustics）现象的模拟，以及辐射度（Radiosity）方法的基本原理。 第十一章：体积渲染与雾效 针对烟雾、云层、火焰等非表面介质的渲染方法。介绍体积渲染的基本方程（Radiative Transfer Equation），以及如何通过采样技术（如步进法）来模拟光线在介质中的吸收、散射和发射。 第十二章：几何细节的层次化处理 解决高精度模型带来的计算负担。内容包括： 1. 细节层次（Level of Detail, LOD）：根据距离动态选择模型的复杂度。 2. 法线贴图（Normal Mapping）与凹凸贴图（Bump Mapping）：如何利用纹理在不增加几何复杂度的前提下，模拟表面的微观细节。 --- 附录 附录部分提供必要的数学参考资料，包括矩阵运算的完整规则、向量代数回顾，以及关键算法的伪代码实现参考，以帮助读者在实际编程中快速落地理论知识。 --- 本书特色： 1. 理论与实践的平衡： 每章末尾均附有“实践思考”部分，引导读者将抽象的数学模型转化为具体的算法实现。 2. 现代化视野： 大量篇幅投入到现代图形API（如基于着色器的编程范式）和PBR模型，确保内容与当前行业主流技术同步。 3. 严谨的数学推导： 所有核心算法均提供清晰、自洽的数学推导过程，为深入研究打下坚实基础。 通过学习本书，读者不仅能理解数字图像是如何被“绘制”出来的，更能掌握如何高效、逼真地构建数字世界。

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从一个应用开发者的角度来看，这本书的价值在于其对现代图形学技术广度和深度的兼顾。它没有仅仅停留在基础的OpenGL固定管线层面，而是深入探讨了诸如基于物理的渲染（PBR）的核心思想，以及现代实时渲染中关于延迟渲染和前向+渲染的一些前沿概念的原理。虽然它不是一本纯粹的编程手册，但它提供的理论深度足以让我自信地去阅读和理解最新的图形学论文和引擎源代码。例如，书中对全局光照（Global Illumination）的介绍，从早期的光子映射到现在的路径追踪（Path Tracing），脉络清晰地勾勒出了行业的发展轨迹和技术演变。这种历史的纵深感让我对图形学不再是零散的知识点，而是一个有机的整体。当我接触到新的渲染效果时，我能很快地在脑海中定位到它所依赖的基础理论是哪一个章节的内容。这种“知识地图”的建立，对于解决实际工程中的复杂渲染难题，提供了强大的思维工具和理论支撑，远远超过了一本简单的“如何使用某个API”的书籍的价值。

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这本书的叙事风格非常平实且具有启发性，它没有故作高深，而是用一种很真诚的方式与读者对话。我最欣赏的是作者在引入一些复杂算法时，会先从一个非常直观的物理现象或日常观察入手，比如为什么影子会有柔和的边缘，或者物体在不同角度看起来的颜色差异。这种“从现象到原理”的过渡非常自然，极大地降低了理解的门槛。很多技术书籍在处理复杂数学公式时，往往会直接甩出结论，让人感到挫败，但这本书似乎总是会耐心地解释“这个数学工具为什么适合解决这个问题”。读起来感觉不像是在被动接受知识灌输，而更像是在和一位非常耐心的老师一起进行一场智力探险。书中穿插的一些历史轶事和先驱者的贡献介绍，也让这门冰冷的学科增添了一丝人文色彩，让人对手工构建虚拟世界的创造者们肃然起敬。这种充满人情味的写作方式，使得即使是面对最抽象的线性代数或微积分应用，学习过程也变得愉快起来。

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这本关于计算机图形学的书，拿到手里就有一种厚重感，里面的内容组织得非常有条理，感觉作者对这个领域有着非常深刻的理解。我印象最深的是它对基础理论的讲解，无论是光栅化、几何变换还是纹理映射，作者都用了很多生动的例子和清晰的数学推导来阐述，完全不像有些教材那样干巴巴的公式堆砌。特别是关于投影和视图变换的部分，我以前总是模模糊糊的，读完之后才真正明白它们是如何协同工作的，为后续学习更复杂的渲染技术打下了坚实的基础。书中对不同算法的优缺点对比也非常到位，这对于我们这些想知道“为什么是这个算法而不是那个”的学习者来说，简直是宝贵的资源。总的来说，这本书更像一位经验丰富的大师在为你循循善诱，让你不仅学会“怎么做”，更明白“为什么这么做”。我本来还在担心内容会不会太偏向于理论而脱离实际应用，但翻阅下来发现，它在介绍完理论后，往往会紧跟着一些实际的编程实现思路或者案例分析，这种理论与实践紧密结合的方式，让我感觉每翻一页都能有所收获，非常适合作为系统学习计算机图形学领域的入门和进阶参考书。

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我手里这本书的排版和插图设计非常出色，这一点对于学习图形学来说至关重要。你想象一下，如果一个复杂的几何结构或者一个光线追踪的流程图印得模糊不清，那学习起来得多费劲？幸运的是，这本书在这方面做得非常到位。很多关键概念，比如Bézier曲线的控制点变化，或者深度缓冲区的处理流程，都有清晰、高质量的彩色插图辅助说明，有些甚至是三维空间的透视图，一下子就把抽象的概念具象化了。我特别欣赏作者在讲解渲染管线时，那种步步为进的视觉化呈现方式，就像在给你拆解一个精密的仪器，每一个部件的功能和连接关系都展示得清清楚楚。这种对视觉呈现的重视，本身就体现了图形学这门学科的精神。此外，书中的字体选择和章节布局也让人阅读起来十分舒适，长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。这表明出版方在制作过程中投入了极大的心血，确保了读者在吸收知识的同时，也能享受到良好的阅读体验。对于初学者而言，视觉上的友好性往往是坚持下去的关键因素之一，这本书在这方面无疑做得非常成功，绝对能激发持续探索的欲望。

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与其他市面上强调特定API（如最新的Vulkan或特定游戏引擎API）的教材相比，这本书的优势在于其对核心数学和算法原理的坚实聚焦。它提供的是一套跨越时间、独立于具体软件实现的底层知识体系。这意味着，无论未来图形硬件如何迭代，图形API如何更新换代，这本书教授的核心概念——例如变换矩阵的本质、光线与几何体的求交测试、采样与抗锯齿的原理——永远都是基石。我发现，当我真正掌握了这些底层原理后，学习新的图形API框架反而成了一种相对容易的“翻译”过程，因为我已经理解了背后到底发生了什么。这种“授人以渔”的教学理念在书中体现得淋漓尽致。它没有浪费篇幅去介绍那些可能过时的具体操作步骤，而是把精力集中在那些永恒不变的数学模型和算法优化思想上。因此，这本书更像是一本可以放在案头，每隔一段时间就翻阅，以巩固和深化理解的“工具箱”，而不是一本读完一遍就可以束之高阁的速成手册。它的价值在于其长期的参考性和知识的底层深度。

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