具体描述
计算机图形学原理与应用：从理论到实践的深度解析 【图书定位】 本书旨在为高等院校计算机专业学生、图形学研究人员以及希望深入理解和掌握计算机图形学核心技术的工程师，提供一套全面、系统且深入的理论与实践指导。它不仅侧重于经典算法的数学基础和几何原理，更将前沿的渲染技术、交互设计与实际工程应用紧密结合，构建起一座从抽象概念到具体实现的高效桥梁。 【内容概述】 本书内容结构清晰，逻辑严谨，共分为五大部分，共计十五章。 第一部分：图形学基础与几何建模（第1章至第3章） 本部分奠定了整个学科的理论基石。 第1章 绪论与可视化基础： 详细阐述了计算机图形学的历史演进、核心分支（如几何建模、渲染、动画与交互）及其在现代工业、科学计算、娱乐等领域的广泛应用。重点介绍人眼视觉系统的工作原理，以及数字化图像的形成与表示，为后续章节的理解奠定感知基础。 第2章 核心数学与几何变换： 这是理解所有图形变换的基础。深入讲解了二维和三维空间中的向量代数、齐次坐标系，以及矩阵表示的刚体变换（平移、旋转、缩放）。着重分析了欧拉角与四元数在旋转表示上的优缺点及相互转换方法，特别是四元数在避免万向锁问题中的关键作用。 第3章 曲线与曲面的参数表示： 系统介绍了几何建模中最常用的参数化表达方法。内容涵盖贝塞尔曲线、B样条曲线及其发展出的NURBS（非均匀有理B样条）曲面。教程详细推导了基函数的构建和几何意义，并讨论了如何利用De Boor算法和De Casteljau算法进行高效的曲线/曲面评估和局部控制。 第二部分：三维几何与空间划分（第4章至第6章） 本部分聚焦于场景的描述和数据结构的优化，是高效渲染和碰撞检测的前提。 第4章 实体几何表示与布尔运算： 探讨了计算机中表示三维实体模型的几种主要方法，包括边界表示（B-Rep）、体素表示和空间划分结构。详细解析了CSG（Constructive Solid Geometry）的实现原理及其在CAD/CAM中的地位。 第5章 计算机图形学的基本变换流水线： 全面解析了从物体空间到屏幕空间的完整转换过程。内容包括物体变换、视图变换（阐述了观察者坐标系、世界坐标系的建立）、投影变换（正交投影与透视投影的矩阵推导），以及视口变换。 第6章 空间数据结构与加速算法： 针对大规模场景的复杂性，本章引入了提高查询效率的关键技术。详细介绍和比较了BSP树、八叉树（Octree）和四叉树（Quadtree）的构建、遍历和应用，特别是它们在可见性判定和光线追踪加速中的作用。 第三部分：经典光栅化渲染技术（第7章至第9章） 本部分是实时图形学的核心，讲解了如何将三维几何体准确高效地绘制到二维屏幕上。 第7章 扫描转换算法： 专注于将几何图元转换为像素点的过程。深入分析了直线（DDA、中点圆算法）和圆的扫描转换，并详细推导了多边形填充算法，如边表法和种子填充算法的实现细节。 第8章 隐藏面消除技术： 讨论了如何确定场景中哪些部分是可见的。详尽解析了深度缓冲（Z-Buffer）算法的工作流程、精度要求和局限性。同时，也对比了画家算法（Painter's Algorithm）和区域子划分（Area Subdivision）等方法。 第9章 连续光照模型与消隐： 本章深入研究了光照和着色的数学模型。详细介绍环境光、漫反射（Lambertian模型）、镜面反射（Phong模型）和Blinn-Phong模型的数学公式。并通过纹理映射、颜色插值等技术，展示了如何增强图像的真实感。 第四部分：高级渲染技术与真实感（第10章至第12章） 本部分转向追求照片级真实感的离线渲染方法，聚焦于光线如何与材质交互。 第10章 光线追踪基础与实现： 系统介绍了光线追踪算法的原理，包括光线生成、物体求交测试（特别是球体和平面交点计算）。重点阐述了反射、折射的递归过程，并讨论了如何处理阴影和焦散现象。 第11章 全局光照与辐射度方法： 超越局部光照模型，本章讲解了间接光照的模拟。深入分析了辐射度（Radiosity）方法，包括网格划分、能量传递矩阵的建立与求解，以及在处理漫反射场景时的优势。 第12章 纹理、阴影与高级着色技术： 扩展了表面细节的表达。内容包括环境贴图（Environment Mapping）、凹凸贴图（Bump Mapping）和法线贴图（Normal Mapping）的原理。此外，本章还详细介绍了阴影技术，如阴影体积（Shadow Volumes）和百分比接近模糊（PCF）阴影。 第五部分：图形系统、交互与动画（第13章至第15章） 本部分关注图形系统的集成、用户交互以及动态效果的实现。 第13章 计算机图形学硬件与API概述： 简要概述了图形处理单元（GPU）的并行架构及其在现代图形渲染中的核心地位。对行业标准的图形API（如OpenGL或DirectX的架构思想）进行概念性介绍，但不涉及特定版本API的语法细节。 第14章 计算机动画基础： 阐述了数字动画的原理和关键技术。内容涵盖关键帧动画、形变（Morphing）、骨骼动画（Skeletal Animation）的数学基础，以及时间插值曲线（如样条插值）在保证运动平滑性中的应用。 第15章 人机交互与可视化设计： 探讨了如何将用户的输入转化为图形系统的有效指令。介绍事件驱动模型、设备无关的输入处理，并讨论了三维用户界面（3D UI）的设计原则和反馈机制。 【本书特色】 1. 理论与实践的平衡： 每一个核心算法都配有清晰的数学推导和算法描述，同时辅以大量伪代码示例，帮助读者理解如何在实际编程中实现这些模型。 2. 深度与广度兼顾： 内容覆盖了从早期的扫描线算法到现代的基于物理的渲染（PBR）概念的过渡，确保读者对整个技术栈有清晰的认识。 3. 面向应用： 强调几何变换和空间数据结构的应用效率，为构建大型、高性能的三维应用打下坚实基础。 本书适合作为计算机图形学、虚拟现实、游戏开发等专业方向的教材或参考书，对于希望系统提升自身图形学内功的开发者而言，是不可多得的深度学习资料。
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