从1开始3D编程(清华科技大讲堂)

本书系统全面地介绍了 在透视投影、正交投影、光 线追踪等不同场景下，3D 编程的基础知识，简称为“1 ”。1包含两方面的内容：输 入的顶点纹理坐标1，经过 3D流水线处理后，输出内 容的尺寸；3D程序和流水 线的几何数学基础。本书可 以作为分析Android、 Chromium的图形系统和设 计游戏引擎的理论基础，也 可以作为高校计算机图形学 课程的参考读物。 本书将透视投影拆分为 几何模型和透视除法模型两 部分进行分析；也分析了 3D程序常用的模型视图变 换、视口变换、纹理映射等 对3D顶点纹理坐标1的影响 ；分析了虚拟现实使用的透 镜畸变的形成原因，以及通 过模型变换或者纹理映射实 现的畸变校正。本书还分析 了一些基于透视投影或者类 似透视投影的常用3D编程 模型，如双摄像头立体成像 、延迟渲染、阴影等。对于 正交投影，分析了正交投影 的基本变换，同时分析了基 于正交投影的Skia，包括 Skia的顶点坐标、纹理坐标 等的特点。此外，本书分析 了光线追踪的基本原理，并 利用计算着色器模拟了部分 物体的光线追踪。最后，介 绍了一种通用的GPU的多进 程、多线程模型。 本书提供了大量基于 WebGL和Vulkan的示例来 验证书中的结论，以加深读 者对问题的理解。

徐星，2007年硕士毕业于武汉大学无线电物理专业，工作后专注在操作系统的图形基础框架的开发。目前就职于Intel公司，从事Chromium图形系统的研发工作，是Chromium committer。

第1章 3D程序分析方法 1.1 输入顶点数据 1.1.1 描述顶点 1.1.2 传递顶点 1.1.3 绑定顶点缓冲区 1.2 输入MVP数据 1.3 输入纹理 1.3.1 创建并传递纹理 1.3.2 绑定纹理 1.4 输出帧缓冲 1.5 数据处理过程 1.6 TensorFlow JS的输入输出 1.7 Vulkan的输入输出 1.8 GL和Vulkan的线程模型 1.9 源码下载和编译 小结 第2章 3D图形学基础 2.1 符号和约定 2.2 向量的基本运算 2.3 齐次坐标 2.3.1 4×4齐次矩阵 2.3.2 平行线相交 2.4 顶点、三角形、片元 2.5 光栅化原语 2.6 视景体 2.7 光照模型 小结 第3章 透视投影 3.1 左右手坐标系 3.2 3D坐标和坐标系 3.3 3D流水线 3.4 小孔成像 3.5 模型变换和世界变换的意义 3.6 透视投影的几何模型 3.6.1 眼睛坐标到投影坐标 3.6.2 投影坐标到NDC坐标——xy分量 3.6.3 眼睛坐标到NDC坐标——xy分量 3.6.4 眼睛坐标到NDC坐标——z分量 3.6.5 裁剪 3.6.6 透视投影的几何模型 3.6.7 几何模型的算法分析 3.7 透视投影的透视除法模型 3.7.1 眼睛坐标到裁剪坐标——xy分量 3.7.2 眼睛坐标到NDC坐标——zw分量 3.7.3 透视除法 3.7.4 裁剪 3.7.5 FOV表示透视投影矩阵 3.7.6 真实深度 小结 第4章 视图变换和眼睛坐标系 4.1 平移 4.2 旋转 4.3 视图变换矩阵 4.4 示例 小结 第5章 正交投影 5.1 坐标系和坐标变换 5.2 正交投影变换 小结 第6章 视口变换 6.1 NDC到窗口的变换 6.2 NDC到[O，1]的变换 小结 第7章 3D顶点——3D世界的1 7.1 眼睛坐标 7.2 正交投影 7.3 透视投影 小结 第8章 纹理坐标 8.1 像素和多重采样 8.2 三角形插值 8.2.1 最近距离法 8.2.2 加权距离法 8.2.3 重心坐标法 8.3 纹理映射和纹理坐标 8.3.1 环绕模式 8.3.2 非全窗口输出 8.3.3 全窗口输出：NDC顶点坐标1，uv小于1 8.3.4 全窗口输出：NDC顶点坐标1，Mv大于1 8.3.5 非归一化的纹理坐标 8.4 点原语及其纹理坐标 8.5 网格和纹理映射 8.5.1 Blender介绍 8.5.2 平面纹理映射 8.5.3 球体纹理映射 小结 第9章 VR枕形畸变 9.1 理想薄凸透镜的放大率 9.2 厚凸透镜的畸变 9.2.1 厚凸透镜的基点和焦距公式 9.2.2 厚凸透镜的畸变 9.2.3 厚凸透镜放大率的泰勒级数 9.3 畸变校正 9.3.1 像差畸变校正 9.3.2 像比例畸变校正 小结 第10章 一种特殊的全窗口显示的方法 10.1 三个顶点实现全窗口显示 10.2 O顶点实现全窗口显示 小结 第ll章 光线追踪 11.1 正向追踪和逆向追踪 11.2 光线追踪过程 11.3 射线生成 11.4 FOV、像的大小、占屏比 11.5 光线追踪实现远小近大 11.6 光线追踪平面 11.6.1 射线和平面的关系 11.6.2 射线和平面相交的实现 11.6.3 Skybox 11.7 光线追踪三角形 11.7.1 射线和三角形的相交 11.7.2 光线追踪三角形实现 11.8 光线追踪球 11.8.1 射线和球的相交 11.8.2 光照计算 11.8.3 光线追踪的1 11.9 光线追踪的阴影实现 11.10 光线追踪和光栅化对比 11.11 示例 小结 第12章 透视投影的其他应用 12.1 双摄像头立体成像 12.2 延迟渲染 12.2.1 深度测试剔除所有被遮挡的点 12.2.2 示例 12.3 阴影 12.3.1 生成最近深度纹理 12.3.2 使用深度纹理 12.3.3 示例 小结 第13章 Skia 13.1 Skia基础 13.1.1 常用接口 13.1.2 Skia矩阵 13.1.3 测试方法 13.2 Skia物体坐标和世界坐标 13.2.1 物体坐标 13.2.2 模型变换 13.3 Skia纹理坐标 13.3.1 顶点坐标不包含模型变换 13.3.2 顶点坐标包含模型变换 13.4 Skia正交投影 13.4.1 正交投影 13.4.2 窗口映射 13.4.3 窗口映射对原点的影响 13.5 Skia图像边缘检测 13.5.1 Sobel算子 13.5.2 实现边缘检测 小结 第14章 一种通用的GPU多进程、多线程框架 14.1 资源 14.2 纹理Mailbox扩展 14.3 同步Sync标记扩展 14.4 资源的生命周期 14.4.1 显示客户端生产资源 14.4.2 显示客户端到显示合成器的IPC 14.4.3 显示合成器使用资源 14.4.4 删除资源 小结 参考文献