计算机图形学原理及实践(原书第3版基础篇)/计算机科学丛书

本书是计算机图形学领域的著作，系统全面地介绍了计算机图形学领域的关键概念、算法、技术和应用。本书先介绍了如何创建二维和三维图像，接下来介绍了更为广泛的话题，包括图像表示和操纵、图像和信号处理、图像的缩放、纹理和纹理映射、交互技术、曲线分割、曲面分割、形状的隐式表示、网格、光、材料和散射、颜色、光传输、概率和蒙特卡洛集成、动画、空间数据结构、现代图形学硬件等内容。

出版者的话 译者序 前言 作者简介 第1章　绪论1 　1.1　计算机图形学简介1 　　1.1.1　计算机图形学的世界3 　　1.1.2　应用领域的现状与前景3 　　1.1.3　关于用户界面的思考5 　1.2　简要历史6 　1.3　一个光照的例子7 　1.4　目标、资源和适度的抽象8 　　1.4.1　深度理解与常见的做法9 　1.5　图形学中的常数和一些参数值的量级9 　　1.5.1　光能量和光子到达率9 　　1.5.2　显示器的特性和眼睛的分辨率10 　　1.5.3　数码相机的特性10 　　1.5.4　复杂应用的处理需求10 　1.6　图形管线11 　　1.6.1　纹理映射与近似12 　　1.6.2　更为详细的图形管线13 　1.7　图形学与艺术、设计、感知的关系14 　1.8　基本图形系统16 　　1.8.1　图形数据16 　1.9　视为黑盒的多边形绘制18 　1.10　图形系统中的交互18 　1.11　不同类型的图形应用18 　1.12　不同类型的图形包19 　1.13　构建真实感绘制模块：概述20 　　1.13.1　光线20 　　1.13.2　物体和材料21 　　1.13.3　接收来自场景中的光线22 　　1.13.4　图像显示22 　　1.13.5　人类视觉系统23 　　1.13.6　数学运算23 　　1.13.7　积分和采样24 　1.14　学习计算机图形学24 第2章　2D图形学简介——基于WPF26 　2.1　引言26 　2.2　2D图形流水线概述26 　2.3　2D图形平台的演变27 　　2.3.1　从整数坐标到浮点数坐标27 　　2.3.2　即时模式与保留模式29 　　2.3.3　过程语言与描述性语言30 　2.4　使用WPF定义2D场景31 　　2.4.1　XAML应用程序结构31 　　2.4.2　采用抽象坐标系定义场景31 　　2.4.3　坐标系的选择范围33 　　2.4.4　WPF画布坐标系34 　　2.4.5　使用显示变换35 　　2.4.6　构造并使用模块化模板37 　2.5　用WPF实现的2D图形动态显示42 　　2.5.1　基于描述性动画的动态显示42 　　2.5.2　基于过程代码的动态显示44 　2.6　支持各种形状系数45 　2.7　讨论和延伸阅读46 第3章　一个古老的绘制器47 　3.1　一幅丢勒的木刻画47 　3.2　可见性49 　3.3　实现49 　　3.3.1　绘图52 　3.4　程序55 　3.5　局限性57 　3.6　讨论和延伸阅读59 　3.7　练习60 第4章　2D图形测试平台62 　4.1　引言62 　4.2　测试平台的细节63 　　4.2.1　使用2D测试平台63 　　4.2.2　割角63 　　4.2.3　基于测试平台的程序的结构64 　4.3　C#代码68 　　4.3.1　坐标系70 　　4.3.2　WPF数据依赖71 　　4.3.3　事件处理71 　　4.3.4　其他几何物体73 　4.4　动画73 　4.5　交互74 　4.6　测试平台的一个应用程序74 　4.7　讨论77 　4.8　练习77 第5章　人类视觉感知简介78 　5.1　引言78 　5.2　视觉系统79 　5.3　眼睛82 　　5.3.1　眼睛的生理机能82 　　5.3.2　眼睛中的光感受器83 　5.4　恒常性及其影响85 　5.5　延续性87 　5.6　阴影88 　5.7　讨论和延伸阅读89 　5.8　练习90 第6章　固定功能的3D图形平台和层次建模简介92 　6.1　引言92 　　6.1.1　WPF 3D部分的设计92 　　6.1.2　对光与物体交互的物理过程的近似93 　　6.1.3　WPF 3D概述93 　6.2　网格和光照属性94 　　6.2.1　场景设计94 　　6.2.2　生成更真实的光照98 　　6.2.3　固定功能绘制中的“光照”与“着色”101 　6.3　曲面表示和绘制102 　　6.3.1　基于插值的着色处理（Gouraud着色）102 　　6.3.2　将表面设置为多面体表面和平滑表面104 　6.4　WPF中的表面纹理105 　　6.4.1　基于分片拼接的纹理映射106 　　6.4.2　基于拉伸的纹理映射107 　6.5　WPF反射模型107 　　6.5.1　颜色设置107 　　6.5.2　光源几何108 　　6.5.3　反射率108 　6.6　基于场景图进行层次建模112 　　6.6.1　模块化建模的动因112 　　6.6.2　自顶向下的部件层次结构设计113 　　6.6.3　自下而上的构建和组合114 　　6.6.4　构件的重用118 　6.7　讨论120 第7章　2D和3D空间中的基础数学与几何121 　7.1　引言121 　7.2　记号121 　7.3　集合121 　7.4　函数122 　　7.4.1　反正切函数123 　7.5　坐标124 　7.6　坐标运算124 　　7.6.1　向量126 　　7.6.2　如何理解向量127 　　7.6.3　向量长度127 　　7.6.4　向量运算127 　　7.6.5　矩阵乘法130 　　7.6.6　其他类型的向量131 　　7.6.7　隐式直线132 　　7.6.8　平面直线的隐式描述133 　　7.6.9　能否采用y=mx+b134 　7.7　直线求交134 　　7.7.1　参数化参数化直线求交134 　　7.7.2　参数化隐式直线求交135 　7.8　更一般的求交计算135 　　7.8.1　光线平面求交136 　　7.8.2　光线球求交137 　7.9　三角形138 　　7.9.1　重心坐标138 　　7.9.2　空间三角形139 　　7.9.3　半平面和三角形140 　7.10　多边形141 　　7.10.1　内/外测试141 　　7.10.2　非简单多边形的内部143 　　7.10.3　平面多边形的符号面积：分而治之143 　　7.10.4　空间多边形的法向量144 　　7.10.5　更一般多边形的符号面积145 　　7.10.6　倾斜原理145 　　7.10.7　重心坐标的模拟146 　7.11　讨论147 　7.12　练习147 第8章　2D和3D形状的简单表示150 　8.1　引言150 　8.2　2D空间中的“网格”：折线151 　　8.2.1　边界151 　　8.2.2　1D网格的数据结构153 　8.3　3D网格154 　　8.3.1　流形网格154 　　8.3.2　非流形网格156 　　8.3.3　网格结构的存储要求157 　　8.3.4　网格操作158 　　8.3.5　边折叠158 　　8.3.6　边交换159 　8.4　讨论和延伸阅读159 　8.5　练习160 第9章　网格函数161 　9.1　引言161 　9.2　重心坐标插值代码163 　　9.2.1　另一视角下的线性插值166 　　9.2.2　扫描线插值167 　9.3　分段线性扩展的局限168 　　9.3.1　依赖网格结构169 　9.4　更平滑扩展169 　　9.4.1　非凸空间169 　　9.4.2　使用哪一种插值方法好170 　9.5　顶点处定义函数乘171 　9.6　应用：纹理映射172 　　9.6.1　纹理坐标赋值172 　　9.6.2　纹理映射细节173 　　9.6.3　纹理映射问题173 　9.7　讨论173 　9.8　练习174 第10章　2D变换177 　10.1　引言177 　10.2　5个实例177 　10.3　关于变换的重要事实180 　　10.3.1　与矩阵相乘为线性变换180 　　10.3.2　与矩阵相乘为唯一的线性变换180 　　10.3.3　函数组合和矩阵乘法的关系181 　　10.3.4　矩阵的逆和反函数的关系181 　　10.3.5　求解变换的关联矩阵182 　　10.3.6　变换和坐标系184 　　10.3.7　矩阵性质和奇异值分解185 　　10.3.8　计算SVD186 　　10.3.9　SVD和伪逆186 　10.4　平移188 　10.5　再谈点和向量188 　10.6　为什么使用3×3矩阵而不是一个矩阵和一个向量189 　10.7　窗口变换189 　10.8　构建3D变换190 　10.9　另一个构造2D变换的实例191 　10.10　坐标系193 　10.11　应用：绘制场景图194 　　10.11.1　场景图中的坐标改变200 　10.12　变换向量和余向量202 　　10.12.1　对参数化直线进行变换204 　10.13　更一般的变换205 　10.14　变换与插值209 　10.15　讨论和延伸阅读209 　10.16　练习210 第11章　3D变换212 　11.1　引言212 　　11.1.1　投影变换理论213 　11.2　旋转214 　　11.2.1　2D和3D情形的类比214 　　11.2.2　欧拉角215 　　11.2.3　旋转轴和旋转角的描述216 　　11.2.4　从旋转矩阵中寻找旋转轴和旋转角217 　　11.2.5　以物体为中心的欧拉角219 　　11.2.6　旋转和3D球219 　　11.2.7　计算稳定性224 　11.3　旋转表示间的比较224 　11.4　旋转与旋转参数的指定225 　11.5　对矩阵变换进行插值226 　11.6　虚拟跟踪球和弧球226 　11.7　讨论和延伸阅读228 　11.8　练习228 第12章　2D和3D图形变换库230 　12.1　引言230 　12.2　点和向量230 　12.3　变换231 　　12.3.1　效率231 　12.4　变换的参数232 　12.5　实现232 　　12.5.1　投影变换233 　12.6　3D空间235 　12.7　相关变换235 　12.8　其他结构235 　12.9　其他方法235 　12.10　讨论238 　12.11　练习238 第13章　相机设定及变换239 　13.1　引言239 　13.2　一个2D的示例239 　13.3　透视型相机设定240 　13.4　基于相机设定构建变换242 　13.5　相机变换和光栅化绘制流水线248 　13.6　透视变换和z值250 　13.7　相机变换和层次化建模251 　13.8　正交相机252 　　13.8.1　宽高比和视域253 　13.9　讨论和延伸阅读253 　13.10　练习254 第14章　标准化近似和表示256 　14.1　引言256 　14.2　评价各种表示方法256 　　14.2.1　测量值258 　　14.2.2　历史上的模型258 　14.3　实数258 　　14.3.1　定点数259 　　14.3.2　浮点数260 　　14.3.3　缓冲区260 　14.4　建立光线光学模块263 　　14.4.1　光264 　　14.4.2　光源267 　　14.4.3　光传输267 　　14.4.4　材质268 　　14.4.5　相机268 　14.5　大尺度物体几何269 　　14.5.1　网格270 　　14.5.2　隐式曲面273 　　14.5.3　样条曲面和细分曲面274 　　14.5.4　高度场275 　　14.5.5　点集276 　14.6　远距离物体277 　　14.6.1　层次细节277 　　14.6.2　贴图板和Imposter技术277 　　14.6.3　天空立方盒278 　14.7　体模型278 　　14.7.1　有限元模型278 　　14.7.2　体素279 　　14.7.3　粒子系统280 　　14.7.4　雾280 　14.8　场景图281 　14.9　材质模型282 　　14.9.1　散射函数283 　　14.9.2　朗伯反射286 　　14.9.3　归一化Blinn-Phong反射函数287 　14.10　半透明和颜色混合289 　　14.10.1　混合290 　　14.10.2　局部覆盖率（α）291 　　14.10.3　透射293 　　14.10.4　自发光295 　　14.10.5　光晕和镜头眩光295 　14.11　光源模型295 　　14.11.1　辐射度函数295 　　14.11.2　直接光和间接光296 　　14.11.3　实用和艺术考虑296 　　14.11.4　矩形面光源301 　　14.11.5　半球面光源303 　　14.11.6　全向光源303 　　14.11.7　平行光源304 　　14.11.8　聚光灯305 　　14.11.9　统一的点光源模型306 　14.12　讨论308 　14.13　练习308 第15章　光线投射与光栅化309 　15.1　引言309 　15.2　顶层设计概述310 　　15.2.1　散射310 　　15.2.2　可见点311 　　15.2.3　光线投射：像素优先312 　　15.2.4　光栅化：三角形优先312 　15.3　实现平台313 　　15.3.1　选择标准313 　　15.3.2　工具类315 　　15.3.3　场景表示319 　　15.3.4　测试场景321 　15.4　光线投射绘制程序321 　　15.4.1　生成视线323 　　15.4.2　采样框架：求交和着色325 　　15.4.3　光线三角形求交326 　　15.4.4　调试328 　　15.4.5　着色329 　　15.4.6　朗伯散射330 　　15.4.7　光泽型散射331 　　15.4.8　阴影331 　　15.4.9　更复杂的场景334 　15.5　间奏曲334 　15.6　光栅化335 　　15.6.1　交换循环次序335 　　15.6.2　包围盒优化336 　　15.6.3　近平面裁剪338 　　15.6.4　提升效率338 　　15.6.5　光栅化阴影区域343 　　15.6.6　包围盒算法之外345 　15.7　使用光栅化API进行绘制347 　　15.7.1　图形流水线347 　　15.7.2　接口348 　15.8　性能和优化357 　　15.8.1　关于抽象的思考357 　　15.8.2　关于架构的思考358 　　15.8.3　提前深度测试的例子359 　　15.8.4　什么情况下需进行早期优化359 　　15.8.5　改进性能估计界限360 　15.9　讨论360 　15.10　练习361 第16章　实时3D图形平台综述363 　16.1　引言363 　　16.1.1　从固定功能流水线到可编程的绘制流水线364 　16.2　编程模型：OpenGL兼容（固定功能）配置文件365 　　16.2.1　OpenGL程序结构366 　　16.2.2　初始化和主循环367 　　16.2.3　光照与材质368 　　16.2.4　几何处理368 　　16.2.5　相机设置370 　　16.2.6　绘制图元371 　　16.2.7　组装：静态帧372 　　16.2.8　组装：动态效果372 　　16.2.9　层次建模372 　　16.2.10　拾取关联373 　16.3　编程模型：OpenGL可编程流水线373 　　16.3.1　可编程流水线的抽象373 　　16.3.2　核心API的本性375 　16.4　图形应用程序的架构375 　　16.4.1　应用程序模型375 　　16.4.2　从应用程序模型到IM平台的流水线376 　　16.4.3　场景图中间件381 　　16.4.4　图形应用程序平台383 　16.5　其他平台上的3D应用384 　　16.5.1　移动设备上的3D应用384 　　16.5.2　浏览器中的3D应用384 　16.6　讨论385 参考文献 　参考文献为网络资源，请访问华章网站www.hzbook.com下载。——编辑注