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出版者:Prentice Hall

作者:Donald Hearn

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1983-03

价格:USD 22.50

装帧:Paperback

isbn号码:9780135806623

丛书系列:

图书标签:

• 计算机图形学
• 微型计算机
• 图形编程
• 光栅图形
• 矢量图形
• 显示技术
• 图像处理
• 算法
• 可视化
• 硬件

《空间几何与计算艺术：现代计算机图形学基础》 书籍简介： 《空间几何与计算艺术：现代计算机图形学基础》 是一本深入探讨计算机图形学核心原理与实践应用的权威著作。本书旨在为读者构建一个坚实而全面的理论框架，涵盖从最基础的数学概念到前沿的渲染技术，揭示数字世界中图像如何被精确构建、转换与呈现的奥秘。它不仅是一本技术手册，更是一部连接数学严谨性与艺术创造力的桥梁之作。 第一部分：基础理论的奠基石 (The Foundations of Geometric Primitives) 本部分着重于建立理解复杂三维世界所必需的数学基础，为后续的高级主题打下坚实的地基。 第一章：解析几何与向量代数回顾 本章从高等几何的角度重温了在图形学中至关重要的概念。重点讲解了笛卡尔坐标系、齐次坐标系在透视变换中的不可替代性。向量运算（点积、叉积）如何用于确定法线、光照方向和空间关系，以及四元数在处理旋转插值（Slerp）中如何有效避免万向节死锁。此外，还将详细阐述如何利用向量和矩阵运算来高效地实现空间中的刚体变换（平移、旋转、缩放）。 第二章：线性代数与变换矩阵 线性代数是图形学的核心语言。本章深入剖析了二维和三维空间中的各种变换矩阵：投影矩阵（正交投影与透视投影的数学推导）、视图矩阵（观察者到世界的转换）以及模型矩阵（对象到世界空间的转换）。我们将详细探讨矩阵的乘法顺序对最终结果的影响，并引入坐标空间的概念——从局部模型空间到世界空间、视图空间，最终到达裁剪空间，每一步转换背后的几何意义被清晰地剖析。 第三章：曲线、曲面与细分技术 本章关注如何用数学方法精确描述和逼近现实世界中的有机形状。我们将全面介绍参数化曲线，包括贝塞尔曲线（Bézier）和B样条（B-spline）的控制点、基函数及其局部性优势。对于更复杂的表面表示，本书将详尽论述NURBS（非均匀有理B样条）的数学定义、权重函数的应用，以及如何通过Tessellation（曲面细分）技术，将低多边形模型在运行时动态地提升到高细节层次，这对于现代实时渲染管线至关重要。 第二部分：光栅化与实时渲染流水线 (Rasterization and the Real-Time Pipeline) 本部分聚焦于现代实时图形系统（如游戏引擎）的核心——光栅化过程，解释了如何将抽象的几何体高效地转化为屏幕上的像素阵列。 第四章：从几何到像素：光栅化算法 本章详细介绍了将三维图元（点、线、三角形）投影到二维屏幕上的核心算法。针对三角形光栅化，我们将深入讲解扫描线算法的原理，以及如何利用边缘函数（Edge Function）来高效地判断一个像素是否位于三角形内部（点在形内测试）。此外，还会探讨抗锯齿技术的原理，包括超采样（SSAA）和多重采样（MSAA）的硬件实现机制，以及如何通过颜色缓冲区的深度测试（Z-Buffering）来解决可见性问题。 第五章：纹理映射与参数化 纹理是赋予几何体表面细节和材质的关键。本章讲解了如何将二维图像（纹理）精确地映射到三维表面上。我们将探讨纹理坐标的生成、纹理的过滤方法（最近邻、双线性、三线性插值），以及各向异性过滤（Anisotropic Filtering）在高分辨率表面细节保留中的作用。纹理单元（Texture Units）的组织和采样顺序也是本章的重点。 第六章：管线架构与可编程着色器 现代图形学已经高度依赖可编程管线。本章系统阐述了图形处理单元（GPU）的基本架构，并详细解析了标准的渲染流水线（Rendering Pipeline）的各个阶段。重点在于顶点着色器（Vertex Shader）（处理几何变换、法线转换）和像素/片段着色器（Fragment Shader）（处理颜色、光照、纹理混合）的功能与编程接口。我们将使用类C语言的伪代码来演示这些着色器逻辑的实现。 第三部分：高级着色、光照与材质模型 (Advanced Shading, Lighting, and Material Models) 本部分深入探讨了如何模拟真实世界中的光与物质的复杂交互，这是实现照片级真实感的关键。 第七章：经典光照模型与表面属性 本章系统梳理了计算机图形学中最经典的光照模型，包括环境光（Ambient）、漫反射（Diffuse，基于Lambertian模型）和镜面反射（Specular，基于Phong或Blinn-Phong模型）。我们将剖析这些模型的数学推导，并强调法线向量在光照计算中的决定性作用。此外，还将介绍材质的参数化描述，如高光度（Shininess）和环境光吸收系数的意义。 第八章：物理正确性渲染（PBR）的核心 本书的亮点之一是对PBR的深入讲解。我们将从基础的辐射度量学（Radiometry）概念入手，介绍如何用微上面元分布函数（BRDF）来精确描述光线在材料表面的反射行为。重点讨论微表面理论（Microfacet Theory），并详解Cook-Torrance模型或GGX模型在镜面反射计算中的应用，解释什么是“能量守恒”以及它在PBR中的重要性。 第九章：阴影技术与可见性计算 阴影是增加场景真实感的关键元素。本章探讨了生成高质量阴影的多种技术。我们将从基础的阴影体积法（Shadow Volumes）开始，过渡到目前主流的阴影贴图（Shadow Mapping）技术，并详述其面临的挑战（如投影伪影、走样）及其解决方案，例如百分比相似度滤波（PCF）和级联阴影贴图（CSM）。 第四部分：高级渲染技术与数据结构 (Advanced Techniques and Data Structures) 本部分拓展视野，介绍用于处理复杂场景、实现全局光照效果的关键算法与数据结构。 第十章：加速结构与场景管理 面对包含数百万多边形的复杂场景，如何快速判断哪些物体是可见的，哪些光线与几何体相交，是性能优化的核心。本章详细介绍空间划分数据结构，包括二叉空间划分树（BSP Trees）、包围盒层次结构（Bounding Volume Hierarchies, BVH），以及用于网格结构处理的四叉树/八叉树（Quadtrees/Octrees）。重点在于构建这些结构的最佳化策略和加速射线求交的流程。 第十一章：全局光照导论：辐射度量与路径追踪 本章将读者引入实时渲染之外的、追求极致逼真度的领域——离线渲染。我们将从辐射度（Radiosity）的概念出发，理解能量在场景中的交换。随后，深入讲解路径追踪（Path Tracing）的原理，这是蒙特卡洛积分在图形学中的应用。我们将阐述光线在场景中的随机行走过程、重要性采样（Importance Sampling）的必要性，以及如何通过大量的样本积累来收敛出逼真的间接光照效果。 第十二章：图像空间处理与后处理效果 最后的成图效果往往需要一系列在图像空间完成的优化处理。本章涵盖了多种增强视觉效果的技术，包括：深度雾（Depth Fog）、屏幕空间环境光遮蔽（SSAO）、运动模糊（Motion Blur）的实现、延迟着色（Deferred Shading）的基本流程，以及色彩校正、曝光控制等后期制作流程。 《空间几何与计算艺术：现代计算机图形学基础》 结构严谨，覆盖全面，既适合有一定数学基础的高年级本科生、研究生，也是渴望深入理解现代实时渲染引擎背后机理的图形程序开发者不可或缺的参考指南。本书通过清晰的数学推导、详尽的算法剖析和丰富的图形学案例，确保读者能够真正掌握构建和控制虚拟世界的底层技术。

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一直对计算机图形学领域充满好奇，尤其是在个人电脑刚刚兴起的那段时期，那时的技术条件虽然有限，但艺术家和工程师们却创造出了许多令人惊叹的视觉效果。这本书的题目《Microcomputer Graphics》恰好触及了我内心深处的这个兴趣点。虽然我还没来得及细读，但从书名就能感受到一股浓厚的复古技术气息，仿佛能听到早期电脑显卡发出的嗡嗡声，看到屏幕上像素点构成的奇妙世界。我设想书中会详细介绍那个时代图形绘制的基本原理，比如像素、分辨率、颜色模型，以及如何利用有限的处理器能力来生成动态的图像。是否会探讨一些经典的算法，例如直线绘制、圆周绘制，甚至是早期的多边形填充和裁剪技术？我尤其好奇的是，书中会如何阐述那些早期图形库和开发工具的使用，比如是否存在一些当时被广泛使用的API，以及开发者们是如何在资源受限的环境下进行迭代和优化的。想象一下，在没有GPU加速的年代，每一次像素的刷新都可能需要精密的计算和时间管理，这种挑战本身就充满了智慧和趣味。这本书或许能带领我回到那个充满探索精神的时代，感受那种用代码创造视觉奇迹的纯粹乐趣，理解那些奠定了现代计算机图形学基础的早期创新。

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当我看到《Microcomputer Graphics》这个书名时，我的脑海中立刻浮现出那个时代特有的视觉风格，那种像素化、色彩有限却充满创造力的画面。我好奇书中是否会深入探讨如何利用有限的资源来创造更丰富的视觉效果。比如，当时的颜色限制非常严格，可能只有16色甚至更少。那么，开发者们是如何通过抖动（dithering）等技术来模拟出更广泛的颜色范围，从而在视觉上欺骗我们的眼睛呢？我设想书中会详细介绍这些算法的原理和实现。此外，在那个处理器速度较慢的时代，动画的流畅性是一个巨大的挑战。书中是否会介绍一些关键的动画技术，比如精灵（sprite）的使用，以及如何有效地管理它们的移动和绘制？我特别感兴趣的是，书中会如何解释当时是如何进行图形的加速渲染的，即便没有独立的显卡，工程师们是如何通过软件手段来优化每一帧的绘制速度的？我想象这本书会包含大量关于色彩理论、像素艺术以及早期图形设计原则的内容，这对于理解那个时代的美学和技术取舍非常有帮助。

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《Microcomputer Graphics》这个书名让我对早期的图形用户界面（GUI）产生了浓厚的兴趣。虽然我们现在习惯了各种流畅、直观的GUI，但在微型计算机的早期，图形界面本身就是一个了不起的成就。我设想书中可能会详细介绍当时是如何设计和实现这些界面的，包括窗口、按钮、菜单等基本元素的绘制和交互。它是否会讨论当时是如何处理鼠标输入的，以及如何将用户的点击和拖动转化为屏幕上的图形操作？我特别好奇的是，书中会如何解释当时是如何在有限的硬件条件下实现多任务和窗口切换的，这对于理解操作系统的发展也至关重要。此外，书中是否会涉及到一些当时流行的GUI工具包或开发框架？了解这些工具的原理和使用方式，能够帮助我们理解那个时代的软件开发流程。这本书可能不仅仅是关于图形技术的本身，更是关于如何利用图形技术来构建更友好、更易于使用的计算环境，这对于推动个人电脑的普及起到了关键作用。

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《Microcomputer Graphics》这个书名本身就充满了复古的魅力，让我联想到那个充满实验精神的计算机发展初期。我个人非常好奇书中是否会涉及当时是如何实现三维图形的初步探索。虽然我们现在都知道，在微型计算机上实现流畅的三维动画是极其困难的，但那个时代肯定有一些先驱者在尝试。我设想书中可能会讨论一些早期的三维模型表示方法，比如线框模型，以及如何进行基本的几何变换，如平移、旋转和缩放。是不是也可能涉及到一些早期的光照模型和阴影算法？即便它们非常简化，但对于理解图形学的演进脉络来说，却是至关重要的。我特别期待看到书中是如何解释如何将三维模型投影到二维屏幕上的，这涉及到投影变换和视口变换等概念。或许书中还会介绍一些当时用于游戏开发或其他应用领域的图形技术，例如如何实现简单的动画效果，或者如何处理用户输入来驱动图形的变化。这本书对我来说，可能是一次回溯技术源头的旅程，去理解那些看似基础却又无比重要的早期创新。

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我对《Microcomputer Graphics》这个书名真的产生了浓厚的兴趣，感觉它捕捉到了一个非常独特的历史节点。在我的印象中，早期微型计算机在图形方面的探索，是技术进步的一个缩影。我猜想书中会深入讲解当时硬件的限制和创新，例如早期的图形芯片是如何工作的，它们提供了哪些基本的绘图指令，以及内存管理在图形显示中扮演的关键角色。我想象作者会详细介绍一些当时流行的图形显示标准和技术，比如VGA、EGA，甚至是更早期的Hercules显卡，以及它们在色彩深度、分辨率和刷新率上的不同。书中是否会包含一些关于如何优化图形性能的技巧？在那个时代，每一帧的渲染都需要花费相当长的时间，开发者们肯定绞尽脑汁地寻找各种方法来提高效率，比如使用汇编语言进行底层优化，或者采用一些巧妙的算法来减少计算量。我特别期待书中能够展示一些具体的代码示例，让我们得以一窥当时工程师们的编程思维和实现细节。这不仅仅是关于图形技术本身，更是关于那个时代创新精神和解决问题的智慧。

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