編輯推薦

本書麵嚮的讀者範圍非常寬泛，既可作為高等院校相關專業的圖形學教材，也適閤想從事計算機圖形學相關領域工作的初學者，同樣也可作為計算機圖形學領域高級研究人員的參考書。

內容簡介

本書是作者多年來教學與科研工作的總結，采用WebGL圖形編程接口循序漸進開發一個賽車遊戲的方式對計算機圖形學基礎知識和真實感渲染的物理原理進行講解，涵蓋瞭圖形學基本概念、WebGL圖形編程接口、3D圖形錶示、幾何變換、光柵化、光照和陰影技術、紋理映射等基本的計算機圖形學內容，以及粒子係統、光綫跟蹤、光子跟蹤、基於圖像的繪製和全局光照等高級內容。並為讀者進一步深入學習和研究，在每章裏都給齣瞭相關的程序實例。

作者簡介

Fabio Ganovelli於1995年畢業於意大利比薩大學，2001年獲得博士學位，目前是意大利國傢研究委員會可視計算研究室的研究員。Fabio目前的研究領域包括變形模擬、多分辨率模擬、真實感繪製和幾何處理。Massimiliano Corsini 於2000年畢業於意大利佛羅倫薩大學的信息工程學院，2005年獲得信息通訊學院博士學位，目前是意大利國傢研究委員會可視計算研究室的研究員。Massimiliano目前主要研究錶麵獲取和建模、2D/3D注冊技術和基於圖像的重光照技術
邵緒強，博士，畢業於北京航空航天大學，華北電力大學計算機學院教師，主要專業方嚮為計算機圖形學，虛擬現實。

目錄

目 錄
第1章 計算機圖形學概述 1
1．1 計算機圖形學的應用範圍和研究領域 1
1．1．1 應用範圍 1
1．1．2 研究領域 2
1．2 顔色和圖像 3
1．2．1 人類視覺係統 3
1．2．2 顔色空間 4
1．2．3 光源 9
1．2．4 伽馬值 9
1．2．5 圖像錶示 9
1．3 三維場景的光柵圖像生成算法 12
1．3．1 光綫跟蹤 12
1．3．2 光柵化流水綫 14
1．3．3 光綫跟蹤與光柵化流水綫 15
第2章 基本步驟 17
2．1 應用程序接口 17
2．2 WebGL光柵化流水綫 18
2．3 渲染流水綫算法：初步渲染 20
2．4 WebGL的支持庫 29
2．5 NVMC簡介 29
2．5．1 架構 30
2．5．2 NVMC類用於描述世界 30
2．5．3 基本客戶端 31
2．5．4 代碼的組織方式 35
第3章 三維模型錶示方式 37
3．1 概述 37
3．1．1 現實世界數字化 37
3．1．2 幾何建模 38
3．1．3 過程建模 38
3．1．4 仿真 38
3．2 多邊形網格 38
3．2．1 三角形扇和三角形帶 39
3．2．2 流形 39
3．2．3 朝嚮 40
3．2．4 多邊形網格的優勢和劣勢 40
3．3 隱式麯麵 41
3．4 參數麯麵 42
3．4．1 參數麯綫 42
3．4．2 貝塞爾麯綫 43
3．4．3 B樣條麯綫 45
3．4．4 參數麯綫擴展為參數麯麵 47
3．4．5 貝塞爾麯麵 47
3．4．6 NURBS麯麵 48
3．4．7 參數麯麵的優勢和劣勢 48
3．5 體素 49
3．5．1 體素渲染 49
3．5．2 體素錶示的優勢和劣勢 50
3．6 構造實體幾何 50
3．7 細分麯麵 51
3．7．1 Chaikin算法 51
3．7．2 4點算法 52
3．7．3 麯麵的細分方法 52
3．7．4 細分方法分類 52
3．7．5 細分模式 53
3．7．6 細分麯麵的優勢和劣勢 55
3．8 多邊形網格的數據結構 55
3．8．1 索引數據結構 56
3．8．2 翼邊 57
3．8．3 半邊 57
3．9 第一個代碼：創建和顯示簡單圖元 58
3．9．1 立方體 58
3．9．2 錐體 59
3．9．3 柱體 61
3．10 自測題 63
第4章 幾何變換 65
4．1 幾何實體 65
4．2 基本幾何變換 66
4．2．1 平移 66
4．2．2 縮放 66
4．2．3 鏇轉 67
4．2．4 用矩陣符號錶示變換 67
4．3 仿射變換 69
4．3．1 幾何變換組閤 69
4．3．2 繞任意點鏇轉和縮放 70
4．3．3 剪切 71
4．3．4 逆變換和交換律 71
4．4 框架 72
4．4．1 一般框架和仿射變換 73
4．4．2 框架的層次 73
4．4．3 第三維 74
4．5 三維空間中的鏇轉 75
4．5．1 軸-角鏇轉 75
4．5．2 歐拉角鏇轉 77
4．5．3 用四元數鏇轉 78
4．6 觀察變換 79
4．6．1 設置觀察參考框架 79
4．6．2 投影 80
4．6．3 視見體 82
4．6．4 從規範化設備坐標到窗口坐標 83
4．6．5 小結 85
4．7 圖形繪製流水綫中的變換 85
4．8 升級客戶端：第一個3D客戶端 86
4．8．1 組裝樹和汽車 87
4．8．2 定位樹和汽車 88
4．8．3 觀察場景 88
4．9 編碼 88
4．10 用矩陣堆棧操作變換矩陣 89
4．10．1 升級客戶端：增加從上麵和後麵的觀察 91
4．11 操縱視圖和對象 92
4．11．1 用鍵盤和鼠標控製觀察 93
4．11．2 升級客戶端：增加攝影師觀察 94
4．11．3 用鍵盤和鼠標操縱場景：虛擬跟蹤球 95
4．12 升級客戶端：創建觀察者相機 97
4．13 自我練習 98
第5章 頂點轉化為像素 100
5．1 光柵化 100
5．1．1 直綫 100
5．1．2 多邊形(三角形) 103
5．1．3 屬性插值：質心坐標 105
5．1．4 小結 107
5．2 隱藏麵消除 108
5．2．1 深度排序 108
5．2．2 掃描綫 109
5．2．3 深度緩存 109
5．2．4 深度緩存精度和深度衝突 110
5．3 從片元到像素 111
5．3．1 丟棄測試 112
5．3．2 融閤 112
5．3．3 走樣和反走樣 113
5．3．4 升級客戶端：從駕駛員角度進行觀察 114
5．4 裁剪 117
5．4．1 裁剪綫段 117
5．4．2 裁剪多邊形 119
5．5 剔除 119
5．5．1 背麵剔除 119
5．5．2 視見體剔除 120
5．5．3 遮擋剔除 122
第6章 光照和著色 123
6．1 光與物質之間的交互 123
6．2 輻射度量學簡介 127
6．3 反射率和雙嚮反射分布函數(BRDF) 129
6．4 繪製方程 131
6．5 評估繪製方程 132
6．6 計算錶麵法嚮量 133
6．6．1 摺痕角 135
6．6．2 錶麵法嚮量變換 136
6．7 光源類型 136
6．7．1 方嚮光 137
6．7．2 升級客戶端：添加太陽光源 138
6．7．3 點光源 141
6．7．4 升級客戶端：添加路燈光源 142
6．7．5 聚光燈光源 143
6．7．6 麵光源 144
6．7．7 升級客戶端：添加汽車的前燈和隧道的指示燈 145
6．8 Phong光照模型 146
6．8．1 概述和動機 146
6．8．2 漫反射光分量 147
6．8．3 鏡麵反射光分量 147
6．8．4 環境光分量 148
6．8．5 完整模型 148
6．9 著色技術 149
6．9．1 平麵著色和Gouraud著色 149
6．9．2 Phong著色 150
6．9．3 升級客戶端：使用Phong光照 150
6．10 高級反射模型 151
6．10．1 Cook-Torrance模型 151
6．10．2 Oren-Nayar模型 152
6．10．3 Minnaert模型 153
6．11 自測題 153
第7章 紋理 155
7．1 引言：是否需要紋理映射 155
7．2 基本概念 155
7．3 紋理過濾：從片元紋理坐標到片元顔色 157
7．3．1 紋理放大效應 157
7．3．2 多重映射的紋理縮小效應 158
7．4 透視校正插值：從頂點紋理坐標到片元紋理坐標 160
7．5 升級客戶端：為地麵、街道和建築物增加紋理 162
7．6 升級客戶端：添加後視鏡 165
7．7 紋理坐標生成以及環境映射 167
7．7．1 球體映射 167
7．7．2 立方體映射 169
7．7．3 升級客戶端：為視域增加一個天空盒子 169
7．7．4 升級客戶端：為賽車增加反射效果 171
7．7．5 投影紋理映射 173
7．8 利用紋理映射為幾何模型增加細節 173
7．8．1 位移貼圖 173
7．8．2 法綫貼圖 174
7．8．3 升級客戶端：添加瀝青 175
7．8．4 切空間法綫貼圖 176
7．9 網格參數化 178
7．9．1 接縫 179
7．9．2 參數化的質量 180
7．10 三維紋理及其用途 181
7．11 自測題 181
第8章 陰影 182
8．1 陰影現象 182
8．2 陰影貼圖 183
8．3 升級客戶端程序：增加陰影 185
8．4 陰影貼圖的僞影和局限 188
8．4．1 有限的數值精度：錶麵缺陷 188
8．4．2 有限的陰影圖分辨率：走樣 190
8．5 陰影體 191
8．5．1 構建陰影體 192
8．5．2 算法 193
8．6 自測題 193
第9章 基於圖像的Impostor技術 195
9．1 圖像 195
9．2 布告闆 196
9．2．1 靜態布告闆 196
9．2．2 屏幕對齊布告闆 197
9．2．3 升級客戶端：添加屏幕位置固定小工具 197
9．2．4 升級客戶端：添加鏡頭光斑效果 198
9．2．5 軸對齊布告闆 201
9．2．6 動態布告闆 204
9．2．7 球形布告闆 204
9．2．8 布告闆雲 204
9．3 光綫跟蹤Impostor 206
9．4 自測題 207
第10章 高級技術 208
10．1 圖像處理 208
10．1．1 模糊 209
10．1．2 升級客戶端：一個具有景深的更好的攝像機 211
10．1．3 邊緣檢測 216
10．1．4 升級客戶端：卡通渲染 217
10．1．5 升級客戶端：一個更好的平移攝像機 219
10．1．6 銳化 223
10．2 環境光遮蔽 223
10．3 延遲著色 226
10．4 粒子係統 227
10．4．1 粒子係統的運動 227
10．4．2 粒子係統的渲染 228
10．5 自測題 228
第11章 全局光照 229
11．1 光綫跟蹤 229
11．1．1 光綫-代數錶麵相交 230
11．1．2 光綫-參數錶麵相交 231
11．1．3 光綫?場景相交 231
11．1．4 基於光綫跟蹤的繪製 238
11．1．5 經典光綫跟蹤 238
11．1．6 路徑跟蹤 239
11．2 多通道算法 242
11．2．1 光子追蹤 242
11．2．2 輻射度 243
11．2．3 形狀因子 243
11．2．4 通量傳輸方程和輻射度傳輸方程 244
11．2．5 輻射度方程組求解 247
附錄A NVMC類 250
附錄B 嚮量積的特性 253
參考文獻 256

前言/序言

前 言

目前有很多關於計算機圖形學的書籍，其中大多數都處於初級階段，重點在於講解如何使用圖形API來生成漂亮的圖片。還有相當多的高級圖形學書籍，隻專門介紹計算機圖形學的部分領域，如全局光照、幾何建模和非真實感繪製。然而，很少圖形學書籍能夠同時涵蓋計算機圖形基礎知識的細節和真實感繪製背後的物理原理，因此，本書適用的讀者範圍廣泛，從初學者到高水平計算機圖形學課程的學生，以及希望從事計算機圖形相關領域的工作的人和/或希望在計算機圖形學領域進行研究的學者。此外，很少有書籍將理論和實踐作為同一知識體係進行闡述。我們相信，讀者需要這樣一本圖形學書籍，因而在本書中緻力滿足這一需求。

本書的中心內容是實時渲染，即三維場景的交互式可視化。關於這一點，我們從初級到中間層次，漸進地涵蓋實時渲染的有關主題。對於每個主題，本書都對基本數學概念和/或物理原理進行解釋，並推導齣相關的方法和算法。本書還涵蓋瞭建模，從多邊形錶示到NURBS以及細分錶麵錶示。

沒有操作實例和交互而講授計算機圖形學幾乎是不可能的。因此，這本書的許多章節都配有實例。本書的特彆之處在於，它遵循在上下文中教學的方法，也就是說，所有的實例都是為開發一個大型圖形應用程序而設計的，提供瞭將理論付諸實踐的環境。我們選擇的圖形應用程序是賽車遊戲，駕駛員控製汽車在軌道上移動。這個實例程序從場景中沒有任何圖形開始，然後每章都添加一些圖形，最後，期望能夠接近經典視頻遊戲中的場景。

這本書麵嚮相對較廣範圍的讀者而設計。假設讀者已掌握微積分的基本知識和一些編程語言技術。盡管本書包含瞭從初級到高級的各種主題，讀者將會根據本書的章節來擴展基礎內容之外所需要的專業知識。因此，我們相信，初級水平和高級水平的計算機圖形學專業學生將成為本書的主要讀者。除瞭能夠從本書獲得計算機圖形學的各方麵知識外，從教育的角度來看，學生將會精通許多基本算法，有助於深入理解更高級的算法。本書對於從事任何計算機圖形交互式應用程序的軟件開發人員，以及想要瞭解更多計算機圖形學的工作者都是非常有用的。

目前，將實時渲染與GPU編程分開是不可能的，因此對於實時算法，需要藉助於GPU兼容的API。本書選擇WebGL作為所有操作實例的圖形API，其為JavaScript綁定瞭OpenGL-ES。選擇WebGL的原因是多方麵的：首先，智能手機、平闆電腦和筆記本電腦已經變得無處不在，幾乎所有這些設備都具有支持WebGL的瀏覽器。其次，除瞭Web瀏覽器和簡單的文本編輯器，WebGL不需要任何專門的開發平颱。最後，還有大量公開可用的高質量教程來獲取有關WebGL的更多信息。

最後，由於使用瞭WebGL，本書有大量的在綫組件。所有的示例代碼都可以在本書的網站（http://www.envymycarbook.com）上獲得。我們也承諾將來在本網站上提供最新的在綫信息以及更多實例。