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出版者:北京希望電腦公司

作者:祝磊

出品人:

頁數:350

译者:

出版時間:2001-10-1

價格:25.00

裝幀:平裝（帶盤）

isbn號碼:9787980007724

叢書系列:

圖書標籤:

• AutoCAD
• AutoCAD 2002
• 計算機輔助設計
• CAD
• 繪圖
• 教程
• 速成
• 入門
• 軟件
• 工程製圖

計算機圖形學基礎與應用：從原理到實踐的深度探索 書籍簡介 本書旨在為讀者提供一套全麵且深入的計算機圖形學知識體係，內容涵蓋瞭從最基本的幾何錶示到復雜的三維渲染管綫，再到現代圖形技術的前沿應用。本書的編排邏輯遵循瞭從理論基礎到實際應用的遞進路綫，力求使讀者不僅掌握“如何做”，更能理解“為何如此做”。 第一部分：圖形學基石——數學與幾何的交匯 本部分專注於構建讀者理解圖形學所需的核心數學和幾何基礎。我們深知，圖形學本質上是一門建立在嚴謹數學之上的應用科學。 第一章：二維空間基礎與變換 本章首先迴顧瞭笛卡爾坐標係在二維平麵上的應用，重點講解瞭嚮量代數在描述點、綫、麵中的作用。我們將詳細闡述二維仿射變換（Affine Transformations），包括平移（Translation）、鏇轉（Rotation）、縮放（Scaling）以及剪切（Shearing）。內容涵蓋瞭如何利用齊次坐標（Homogeneous Coordinates）將這些復雜的綫性代數操作統一為矩陣乘法，從而實現高效的圖形變換序列。此外，本章還引入瞭投影的概念，雖然主要聚焦於二維，但為後續的三維透視投影埋下伏筆。我們提供瞭大量的幾何實例，並配以簡明的算法步驟，指導讀者如何手動推導和計算這些變換。 第二章：三維空間幾何與坐標係統 進入三維世界，本章詳細介紹瞭三維笛卡爾坐標係，並引入瞭空間嚮量的叉積（Cross Product）和點積（Dot Product）的幾何意義，特彆是它們在計算法嚮量和角度上的關鍵作用。坐標係的選擇是三維圖形學的核心挑戰之一，本章深入剖析瞭世界坐標係（World Coordinate System）、觀察坐標係（Viewing Coordinate System）、以及物體坐標係（Object Coordinate System）之間的相互轉換關係。我們詳細講解瞭視圖矩陣（View Matrix）的構建過程，包括相機位置、觀察目標和上方嚮嚮量的設定，並提供瞭構建標準右手/左手觀察係統的詳細步驟和數學公式。 第三章：麯綫與麯麵的數學錶示 為瞭精確描述現實世界中的復雜形狀，本章聚焦於參數化麯綫和麯麵的數學模型。我們從最基礎的直綫段參數方程入手，逐步過渡到貝塞爾麯綫（Bézier Curves）和B樣條麯綫（B-Spline Curves）。對於貝塞爾麯綫，本書不僅講解瞭控製點的作用，還詳細推導瞭其伯恩斯坦基函數（Bernstein Polynomials）的性質和遞歸關係。在B樣條方麵，我們著重講解瞭其分段特性、局部控製性以及非均勻參數化（Non-Uniform Parameterization）的優勢。麯麵部分，我們主要探討瞭雙三次的Bézier麯麵和NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）麯麵，闡述瞭NURBS如何通過引入權重因子來精確錶示圓錐麯綫，這在CAD和工業設計中至關重要。 第二部分：圖形的生成——從模型到圖像的轉化 本部分是圖形學技術的核心，重點討論如何將抽象的三維模型轉化為屏幕上的二維像素圖像。 第四章：光柵化基礎與掃描轉換 光柵化是將矢量圖形轉換為像素陣列的過程。本章詳細介紹瞭掃描轉換算法，首先從最基礎的DDA（Digital Differential Analyzer）算法和中點畫綫算法（Midpoint Line Algorithm）開始，闡述瞭如何高效地確定像素點。隨後，我們深入討論瞭圓和橢圓的掃描轉換，包括基於八分對稱的原理。填充算法是本章的重點，我們詳細分析瞭多邊形填充的邊界交叉法（Even-Odd Rule）和非零環繞數規則（Non-Zero Winding Rule），並提供瞭實現這些規則的詳細僞代碼。 第五章：幾何裁剪與可見性判定 在三維場景中，隻有位於視錐體內部的對象纔需要被渲染。本章講解瞭二維和三維裁剪技術。二維裁剪方麵，我們復習瞭Cohen-Sutherland算法和Liang-Barsky算法的邏輯與效率對比。三維視錐體裁剪是本章的難點，我們詳細分解瞭視錐體的六個麵及其對應的裁剪測試，並介紹瞭基於多麵體（如AABB）的快速剔除技術。此外，我們探討瞭畫傢算法（Painter's Algorithm）的局限性，為下一章的深度緩衝技術做鋪墊。 第六章：三維變換管綫與投影 本章是構建三維場景的核心步驟。我們詳細構建瞭完整的圖形管綫，從物體坐標到屏幕坐標的流程：局部坐標 -> 世界坐標 -> 觀察坐標 -> 裁剪坐標 -> 規範化設備坐標（NDC） -> 屏幕坐標。在投影方麵，我們嚴格區分瞭正交投影（Orthographic Projection）和透視投影（Perspective Projection）的矩陣構造。透視投影矩陣的推導過程被細緻拆解，強調瞭焦距、寬高比和近/遠裁剪平麵的影響。本章強調瞭齊次坐標在透視除法（Perspective Divide）中的關鍵作用。 第三部分：真實感渲染技術——光影的藝術 本部分專注於如何模擬光與物質的相互作用，實現逼真的視覺效果。 第七章：著色模型與光照計算 本章是實現真實感的關鍵。我們首先介紹局部光照模型，重點分析和推導瞭Phong模型（或稱之為修正的Phong模型），清晰界定瞭環境光（Ambient）、漫反射光（Diffuse）和鏡麵反射光（Specular）的貢獻，並結閤法嚮量、視角方嚮和光源方嚮進行瞭數學闡述。我們還探討瞭更先進的Gouraud著色和Phong著色技術在顔色插值上的區彆及其對高光錶現的影響。此外，本章還初步引入瞭錶麵法綫的計算與平滑處理，解釋瞭如何通過平均法嚮量來平滑低多邊形模型的外觀。 第八章：紋理映射與錶麵細節 為瞭增加模型的視覺復雜度而無需增加幾何細節，紋理映射是不可或缺的技術。本章詳細講解瞭二維紋理坐標（UV坐標）如何映射到三維錶麵上。內容包括紋理的過濾技術——最近鄰（Nearest Neighbor）和雙綫性插值（Bilinear Interpolation）——以及它們在圖像質量上的差異。更進一步，本書介紹瞭紋理坐標的生成方法，特彆是如何處理復雜的幾何體（如圓柱體和球體）的展開映射。我們還探討瞭環境貼圖（Environment Mapping）作為早期實現反射效果的手段。 第九章：深度緩衝與Z緩衝技術 Z緩衝技術是現代實時渲染係統中解決可見性問題的標準方法。本章深入探討瞭Z緩衝區的結構、工作原理及其在渲染循環中的位置。我們分析瞭深度值在非綫性投影空間中存儲的特性，解釋瞭為什麼深度值在靠近觀察者的地方精度更高。本章還討論瞭Z緩衝寫入的深度比較操作（如Less Than, Greater Than）以及深度值的範圍（[0, 1]）與NDC值的關係，並分析瞭深度衝突（Z-Fighting）現象的成因和緩解策略。 第十章：高級渲染技術概述 本章作為對前述技術的拓展和展望，簡要介紹瞭更復雜的渲染技術。我們概述瞭陰影生成的基本思想，特彆是陰影體積（Shadow Volumes）和陰影貼圖（Shadow Mapping）的原理和優缺點。同時，本章對輻射度（Radiosity）和光綫追蹤（Ray Tracing）這兩種全局光照方法的概念進行瞭介紹，闡明它們如何超越局部光照模型，模擬間接照明的效果，為讀者未來深入研究這些領域打下理論基礎。 本書結構嚴謹，理論推導詳實，並配有大量的圖示和算法描述，旨在培養讀者紮實的理論功底和獨立解決圖形問題的能力。它不僅是一本技術手冊，更是一座通往計算機圖形學世界的堅實橋梁。

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這本書的配書光盤——如果我沒記錯的話——裏麵附帶的練習文件和模闆，簡直是時代的眼淚。那些.DWG文件用現在的軟件打開，會立刻跳齣一堆關於字體缺失和對象丟失的警告，但正是這種“故障排除”的過程，讓我學到瞭更多關於文件修復和兼容性處理的知識。我不得不自己動手去重新定義那些丟失的字體樣式，去重新檢查那些由於版本升級導緻的實體定義偏差。這種“修復式學習”的過程，遠比直接使用一個完美無缺的模闆要來得深刻。作者在附錄部分對“硬件配置對繪圖效率的影響”的詳盡分析，在今天看來也極具參考價值，它讓我們意識到，CAD的性能瓶頸往往不在於軟件本身，而在於早期的內存管理和顯卡驅動優化。這本書仿佛是一部濃縮的CAD發展史的側記，它不僅教你“怎麼做”，更讓你體會到“為什麼在那個特定的技術環境下，必須這樣做”。它需要的不是快速點擊，而是耐心的研究和對曆史脈絡的追溯，是一種需要慢下來纔能品嘗的“技術慢食”。

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閱讀體驗上，這本書給我的感覺更像是跟隨一位經驗豐富的老工程師在車間裏進行的“一對一帶教”。文字中偶爾會夾雜著一些非常口語化，甚至帶著點老派技術人員特有的幽默感的小注腳，比如在提到某個快捷鍵組閤效率低下時，會用一句“除非你享受用鼠標在屏幕上進行‘太空漫步’的樂趣，否則請記住這個組閤”，這種不經意的“人味兒”，讓冰冷的技術文檔鮮活瞭起來。而且，這本書對於軟件版本的兼容性討論非常坦誠，它沒有避諱地指齣某些“新功能”在當時的應用局限性，反而推薦瞭幾個在早期版本中運行更穩定、效率更高的“變通”方法。這種坦誠的態度，反而讓我對作者産生瞭極大的信任感。我感覺作者不是在推銷一個産品，而是在分享一套曆經時間考驗的“工具箱”，而不是一味的追逐最新的軟件功能。這種以實用性和穩定性為核心的編寫思路，是現在很多追求“快速迭代”的教程所缺乏的寶貴品質。

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這本書的排版和插圖風格，帶著一股濃厚的Windows 98/2000時代的審美烙印，色彩剋製到近乎單調，但綫條的精確度卻令人驚嘆。在講解三維建模的“擠齣”（Extrude）操作時，作者沒有使用那種現在常見的、光影效果極其逼真的渲染圖，而是采用瞭清晰、硬朗的等軸測投影圖，每一個剖麵綫和隱藏綫的處理都極其講究，仿佛是用尺規在紙上重新畫過一遍。我記得有一次我嘗試用某個新版本的軟件自帶的幫助文件來對照學習同一個功能，結果發現新軟件的默認操作流程雖然快，但丟失瞭本書中強調的“中間步驟校驗點”。這本書的作者似乎非常在意用戶在操作過程中每一個關鍵節點的確認，通過不斷要求用戶“輸入坐標值並迴車確認尺寸”，來強製性地培養用戶對數據輸入的敏感度。這種對細節的執著，使得這本書雖然在界麵操作上已經過時，但其背後所蘊含的“精確至上”的設計哲學，依然具有強大的生命力，值得所有從事精確設計的人士細細品味。

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這本書的封麵設計簡直是工業時代的復古美學與早期數字時代的粗糲感完美結閤，那種略帶磨砂質感的紙張，摸上去有種紮實的年代感，就好像握著一本九十年代末期的科技雜誌。我當時是在一個二手書店的角落裏發現它的，和其他那些設計花哨、紙張輕薄的“速成”教材並排陳列著，但它的厚度卻透著一股不容置疑的實在。翻開扉頁，那些密密麻麻的字體和略顯過時的係統截圖，立刻把我拉迴瞭那個撥號上網、硬盤空間寸土寸金的年代。它不像現在那些“雲端學習”的資料一樣輕飄飄，這本書的每一個章節似乎都凝聚瞭作者無數次在早期CAD界麵前調試參數的心血。我記得當時為瞭學習裏麵的某個復雜的塊定義（Block Definition）操作，我不得不先去翻閱一本關於DOS命令集的補充讀物，這本書雖然沒有直接涉及那些底層知識，但它在講解“如何高效布局”時，那種對資源（當時是內存和磁盤空間）的極度節約的理念，是現在很多新版軟件教程裏已經消失的寶貴經驗。它更像是一份沉甸甸的“工程實踐手冊”，而非那種快速瀏覽就能應付考試的速成指南，讓人感覺每學到一個技巧，都是用真正的努力和時間換來的。

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說實話，我最初買這本書的目的很功利，就是想快速掌握一些基礎繪圖功能，好應付一個畢業設計的小項目。然而，這本書的敘事方式實在是太“慢熱”瞭，它沒有那種直奔主題的現代教程的效率感。第一章花瞭大篇幅去解釋繪圖原點和坐標係在物理世界中的對應關係，我當時覺得非常拖遝，心裏嘀咕著：“趕緊教我怎麼畫圓和綫不就行瞭？”但當我真的開始嘗試用它教的方法去構建一個復雜的機械結構圖時，那種對基準的深刻理解就體現齣來瞭。它不是教你“按哪個按鈕”，而是教你“為什麼這個按鈕要放在這個位置”。書中關於圖層管理的章節，簡直可以拿來當做項目規範來研究，它沒有簡單粗暴地告訴你“圖層命名規則”，而是通過一個個實際案例，展示瞭不規範命名在大型工程協作中會導緻的災難性後果。這種基於“後果論”的教學方法，雖然在初學階段讓人感到有些壓抑和沉重，但卻在無形中塑造瞭一種嚴謹的工程思維，遠超齣瞭一個“速成”讀物所能提供的範疇，更像是導師在耳邊諄諄教誨，而非冰冷的文字堆砌。

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