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出版者:Addison-Wesley Professional

作者:James D. Foley

出品人:

页数:1200

译者:

出版时间:1995-8-14

价格:USD 99.99

装帧:Hardcover

isbn号码:9780201848403

丛书系列:

图书标签:

• 计算机图形学
• 图形学
• Graphics
• 计算机
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• C
• 数据可视化
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• Computer Graphics
• 3D Modeling
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《数字世界的构建：从几何原理到视觉感知》 引言：跨越想象与现实的桥梁 在信息爆炸的时代，视觉信息的处理与呈现能力，构成了现代技术文明的核心驱动力之一。我们所见的电影特效、精密的工程模拟、沉浸式的虚拟现实体验，乃至日常生活中界面上每一个精心设计的图标，其背后都潜藏着一套严谨而精妙的数学和算法体系。本书《数字世界的构建：从几何原理到视觉感知》并非一本关于计算机图形学（Computer Graphics）基础理论的教科书，而是专注于探究如何将抽象的数学模型转化为逼真的、可交互的三维视觉体验的实践哲学与核心技术集锦。 本书旨在为那些已经掌握了基础图形学概念，渴望深入理解现代渲染管线深层机制、高级光照模型以及前沿交互技术的设计师、工程师和研究人员提供一份详尽的蓝图。我们将避开那些标准教材中常见的、侧重于基础变换矩阵或光栅化流水线入门介绍的内容，转而深入探讨那些决定视觉质量和计算效率的高级议题。 第一部分：数学基石的再审视与高效几何处理 本部分聚焦于几何处理领域中，那些对高性能计算至关重要的数学工具和数据结构，而非仅仅是基础的向量代数。 1. 高维空间中的几何拓扑与表示： 我们将深入探讨非欧几里得几何在三维建模中的应用，特别是微分几何在描述复杂曲面（如细分曲面、NURBS 进阶应用）的局部性质和全局平滑性上的作用。重点分析黎曼几何思想如何指导曲面重构和网格简化（Mesh Simplification）算法，以保持拓扑结构的完整性。同时，我们将详细剖析面向硬件加速的有界体积表示（BVO），以及它们在处理超大规模场景时的内存优化策略，例如使用四元树（Quadtrees）和八叉树（Octrees）的变体，如 kd-tree 和 BVH（Bounding Volume Hierarchy）的高效构建与动态更新算法，特别是在光线追踪加速中的应用。 2. 拓扑不变性与网格处理的高级技术： 本书不复述基础的网格遍历，而是侧重于网格的结构化编辑。我们将详细介绍诸如 Laplacian 算子在网格上的离散化及其在平滑、拉普拉斯变形（Laplacian Deformation）中的应用。此外，对网格参数化的深入探讨是本篇的重点，包括：如何通过共形映射（Conformal Mapping）技术实现纹理坐标的最佳展开，最小化拉伸和扭曲；以及如何利用双全纯映射（Biharmonic Coordinates）实现对非流形（Non-manifold）几何体的精确控制和编辑。这些技术是实现复杂雕刻软件中“粘土般”编辑体验的数学核心。 第二部分：超越 Phong：现代渲染方程的深度解析 本书的第二部分彻底跳过了基础的 Lambertian 和 Phong 模型，直接进入对光与物质相互作用的物理精确描述。 3. 渲染方程（The Rendering Equation）的数值解法： 我们假设读者已经熟悉蒙特卡洛积分的基本概念。本部分的核心在于如何高效、稳定地求解复杂的渲染方程。我们将详细对比和分析路径追踪（Path Tracing）、双向路径追踪（BDPT）以及元域光线追踪（Metropolis Light Transport, MLT）的收敛特性、方差特性及其各自的计算瓶颈。特别关注于如何通过重要性采样（Importance Sampling）技术，如分层采样（Stratified Sampling）和基于 BRDF 的采样，来显著降低噪声水平。 4. 表面散射模型的精细化与异构介质： 本书摒弃传统 BRDF 的简化，转而聚焦于描述真实世界材质的微表面模型（Microfacet Models）。我们将深入探讨 GGX、Beckmann 等模型在各向异性（Anisotropy）处理上的优劣，并结合菲涅尔方程（Fresnel Equations）的精确应用，实现对金属、磨砂玻璃等复杂材料的精确捕获。此外，书中将有一章专门讨论体积渲染（Volume Rendering），涵盖在烟雾、雾气等异构介质中光线传播的 Monte Carlo 模拟，包括如何正确处理散射、吸收和各向异性介质的传输方程。 5. 实时光线追踪与硬件加速架构： 针对实时应用，我们将剖析现代 GPU 架构（如 NVIDIA RTX 或 AMD RDNA 架构）如何通过专用核心（如 RT Cores）实现光线与 BVH 的快速求交。重点分析光线缓存（Ray Caching）、降噪技术（Denoising），特别是基于深度学习的空域和时域降噪算法（如 NRD 或 SVGF 技术的原理），这些技术是实现高保真实时渲染的产业标准。 第三部分：感知、交互与动画的动态控制 本部分关注图形学在人类感知层面的优化，以及复杂动态系统的构建。 6. 人眼生理学与视觉感知优化： 图形的最终目的是被感知。我们不再简单地讨论色彩空间转换，而是深入研究人眼视觉系统（HVS）对空间频率、对比度和动态范围的敏感度。基于此，我们将介绍如何利用感知量化（Perceptual Quantization, PQ）和混合对数伽马（HLG）标准，优化 HDR 内容的显示。此外，色调映射（Tone Mapping）的先进算法（如基于视觉对比度的自适应映射）将作为提高低动态范围显示器上观看体验的关键技术进行讨论。 7. 物理驱动的仿真与粒子系统： 本书将介绍如何将有限元方法（FEM）和离散元法（DEM）集成到图形流程中，以模拟软体、流体和刚体的复杂形变。特别是对无网格方法（Meshless Methods），如平滑粒子流体动力学（SPH）的现代改进，以及如何处理大规模的碰撞检测和响应，以确保物理仿真的稳定性和可信度。 8. 复杂动画的参数化控制与形变场： 对于角色动画和复杂的形变，我们关注基于骨骼的形变（Skinning）之外的方法。重点在于向量场驱动的形变，以及如何利用张量场来描述和控制各向异性物体的变形。此外，我们将探讨基于学习的动作生成模型（如使用 VAEs 或 GANs 生成平滑、自然的运动序列）与传统关键帧动画的无缝集成方案。 结语：通往未知领域的展望 《数字世界的构建》旨在提供一个技术深度、实践广度兼备的视角，引导读者跳出现有的图形学范式，去探索计算效率、视觉真实感与交互延迟之间的动态平衡点。我们坚信，对这些底层机制的深刻理解，是下一代沉浸式计算体验创新的基石。

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我对科学可视化一直抱有浓厚的兴趣，它能够将抽象的数据转化为直观的图像，帮助我们理解复杂的世界。《Computer Graphics》这本书，在我看来，就是连接科学与艺术的桥梁。虽然我还没开始阅读，但我可以想象，书中将会包含大量关于如何用计算机图形学技术来呈现科学数据的精彩内容。我期待书中能够详细讲解各种“数据表示”的方法，例如点云、体素、以及各种高级的科学可视化数据结构。我也对书中可能会涉及到的“渲染技术”在科学可视化中的应用感到好奇，例如如何利用体渲染技术来呈现三维医学影像，或者如何利用等值面提取技术来可视化流体动力学模拟的结果。更让我兴奋的是，如果书中能够探讨如何利用交互式图形技术，让科学家能够更直观地探索和分析数据，那将是多么激动人心的创新。这本书对我来说，不仅仅是学习计算机图形学，更是在学习如何用技术去“看见”那些肉眼无法观察到的科学奥秘。

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作为一名曾经的3D建模爱好者，我一直感觉自己在理论知识上有所欠缺，常常是“知其然，不知其所以然”。《Computer Graphics》这本书的出现，恰好填补了我在这方面的空白。我翻阅了一下目录，看到诸如“向量代数”、“几何变换”、“曲线与曲面”、“渲染方程”等章节，这些都是我曾经在实践中模糊感知但从未深入理解的概念。我期待这本书能够详细地阐述这些数学基础，并解释它们是如何在计算机图形学的世界中发挥作用的。例如，我一直对如何将一个模型从一个位置移动到另一个位置，或者如何将其旋转、缩放感到好奇，我相信向量代数和几何变换是解答这些疑问的关键。我也对书中关于曲线和曲面的描述非常感兴趣，它们是构建复杂三维模型的基础，而理解贝塞尔曲线、B样条等是如何工作的，将极大地提升我建模的精度和效率。更不用说“渲染方程”这个让我感到一丝畏惧但又无比期待的章节，我知道这是理解光照和着色的核心，而这正是让CG画面从“看起来像”到“真实存在”的关键飞跃。这本书对我来说，不仅仅是学习知识，更像是在弥补我曾经因为缺乏理论指导而走过的弯路，是巩固和提升我实践能力的重要基石。

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作为一名曾经在软件开发领域摸爬滚打的工程师，我一直对图形用户界面（GUI）的背后原理感到好奇。《Computer Graphics》这本书，在我看来，就是解开GUI神秘面纱的一把钥匙。虽然我还没深入阅读，但我可以预见，书中将包含大量与GUI设计和实现相关的概念。我期待书中能够详细讲解“图形管线”的概念，它如何将用户的输入转化为屏幕上可见的元素，并且如何高效地处理大量的图形绘制请求。我也对书中可能会涉及到的“事件处理”机制非常感兴趣，例如鼠标点击、键盘输入等，这些事件是如何被捕获和响应的，从而实现用户与界面的交互。如果书中能够讲解如何利用各种“几何图元”，例如直线、矩形、圆形等，来构建复杂的GUI界面，那将是多么棒的学习体验。此外，我也对书中可能出现的关于“动画”在GUI中的应用感到期待，例如平滑的过渡效果、微妙的反馈动画等，这些能够极大地提升用户体验。这本书对我来说，不仅仅是学习计算机图形学，更是学习如何用图形学去“构建”那些我们每天都在使用的、直观且易于操作的数字界面。

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我一直认为，一个优秀的技术书籍，不仅仅是提供知识，更应该能够激发读者的创造力和想象力。《Computer Graphics》这本书，从它的封面上那种充满科技感和艺术感的图案，就足以让我感受到它所蕴含的巨大潜力。我还没来得及深入阅读，但粗略地翻看了一下，书中的插图和一些代码示例（如果存在的话）似乎都在暗示着，这本书将带领我们进入一个可以“创造”的世界。我期待书中能够详细讲解如何从零开始构建一个简单的图形，例如一个立方体或一个球体，并且解释在计算机中是如何用数据来表示这些几何体的。我也希望能够学习到如何对这些几何体进行材质的贴附和纹理的映射，因为我知道这是让模型看起来更具真实感和细节的关键。更让我兴奋的是，如果书中能够探讨如何利用图形硬件（GPU）来加速渲染过程，那将是多么激动人心。我一直对GPU的强大并行计算能力感到惊叹，而能够了解如何利用它来生成复杂的视觉效果，无疑会打开我全新的视野。这本书，对我而言，不仅仅是一本学习资料，更是一个可以让我挥洒创意，将脑海中的奇思妙想变为现实的工具箱。

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我一直对算法和数据结构在实际应用中的魅力深感着迷，而计算机图形学无疑是其中最直观、最富表现力的领域之一。《Computer Graphics》这本书，在我看来，就是一座宝库，等待我去挖掘。尽管我还没来得及深入阅读，但仅仅是凭着对这个领域的向往，我就能预见到书中会包含大量精妙的算法和巧妙的数据组织方式。我期待书中能够详细介绍各种用于表示几何体的基本数据结构，例如顶点、边、面，以及更高级的网格结构。我也非常好奇书中会如何阐述“裁剪”和“消隐”这些重要的算法，它们是如何在三维场景中去除不可见的几何体，从而提高渲染效率的。更让我兴奋的是，如果书中能够讲解关于“光栅化”的算法，比如DDA（数字微分分析）算法和Bresenham算法，那将是多么棒的学习体验。我一直对这些基础算法感到好奇，它们是如何将连续的几何图形转化为离散的像素点的。这本书对我来说，不仅仅是学习计算机图形学，更像是学习如何用高效的算法和优化的数据结构来“绘制”出世界上最美的画面。

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作为一个对游戏开发充满热情的人，我深知计算机图形学在其中扮演着至关重要的角色。《Computer Graphics》这本书，在我看来，就是通往逼真游戏世界的一把钥匙。虽然我还没深入阅读，但我可以想象，书中将会包含大量与游戏开发紧密相关的技术。我期待书中能够详细讲解“纹理映射”和“着色器”的概念。我知道，纹理能够赋予物体表面的细节和质感，而着色器则是控制物体如何与光线互动，从而呈现出各种视觉效果的程序。如果书中能够介绍如何编写简单的着色器，例如顶点着色器和片元着色器，那对我来说将是巨大的进步。我也对书中可能会涉及到的“动画”技术感到兴趣，例如骨骼动画、关键帧动画等，这些技术是让游戏角色和场景动起来的关键。此外，如果书中能够探讨如何优化图形渲染的性能，以达到实时渲染的要求，那将是对我游戏开发实践的直接指导。这本书对我来说，不仅仅是学习理论，更是为我打开了通往创造更具沉浸感、更震撼游戏世界的大门。

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在数字媒体艺术领域，计算机图形学是不可或缺的基石，它赋予了艺术家们无限的创作可能。《Computer Graphics》这本书，在我看来，就像一本技艺精湛的调色板，等待我去探索其丰富的色彩。虽然我还没深入阅读，但我可以预见到，书中将包含大量与艺术创作息息相关的技术。我期待书中能够详细讲解“颜色理论”在计算机图形学中的应用，包括RGB、CMYK等色彩空间的转换，以及如何通过算法来生成各种微妙的色彩效果。我也对书中可能会涉及到的“光照和阴影”的模拟技术非常感兴趣，因为我知道，它们是营造画面氛围和空间感的重要手段。如果书中能够讲解如何通过程序来模拟不同的光源类型，例如点光源、方向光、聚光灯等，并且阐述它们是如何影响物体表面的明暗变化的，那将是多么美妙的学习体验。此外，我也对书中可能出现的关于“后期处理”技术的介绍感到期待，例如模糊、景深、色调映射等，这些技术能够进一步增强画面的艺术表现力。这本书对我来说，不仅仅是学习技术，更是学习如何用技术去“描绘”出那些触动人心的视觉艺术作品。

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我对虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术所带来的沉浸式体验一直充满着好奇和憧憬。《Computer Graphics》这本书，在我看来，就是通往这些未来科技世界的一扇窗口。虽然我还没深入阅读，但我可以想象，书中将包含大量与VR/AR技术紧密相关的图形学原理。我期待书中能够详细讲解“三维场景重建”的技术，例如如何通过计算机视觉技术来获取真实世界的几何信息，并将其转化为可以在虚拟环境中使用的三维模型。我也对书中可能会涉及到的“相机模型”和“投影变换”在VR/AR中的应用感到好奇，它们是如何将虚拟场景准确地映射到用户的视野中的。更让我兴奋的是，如果书中能够探讨如何实现“实时渲染”和“交互”在VR/AR中的关键作用，那将是对我理解这些前沿技术巨大的帮助。我一直认为，VR/AR的魅力在于其能够打破物理空间的限制，创造出全新的交互体验，而计算机图形学无疑是实现这一切的技术核心。这本书对我来说，不仅仅是学习知识，更是在学习如何用技术去“创造”那些能够模糊真实与虚拟界限的、令人惊叹的沉浸式体验。

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我一直对视觉艺术和技术交织的领域充满好奇，而《Computer Graphics》这本书，如同其名，正是我一直期待的那扇通往数字世界奇妙景象的窗口。从拿到这本书的那一刻起，我就被其厚重的篇幅和一丝不苟的排版所吸引。书中的插图和图表，尽管我还没深入阅读，但仅仅是浏览，就足以让我感受到其中蕴含的深邃知识。我想象着，每一张图表背后都隐藏着复杂的算法和精妙的设计，而每一个章节都可能揭示着三维建模、着色、渲染等一系列令人惊叹的技术。我尤其对书中可能会涉及到的光线追踪和全局光照技术感到兴奋，因为这些技术是创造出逼真光影效果的关键，也是我一直以来在欣赏CG作品时最津津乐道的部分。我希望这本书能够带领我理解这些技术是如何实现的，从最基础的数学原理，到更高级的实现细节，让我不仅能够欣赏，更能理解其背后的逻辑。此外，我对于书中可能会提及的计算机图形学发展史也充满兴趣，了解这些技术是如何一步步演进，以及有哪些里程碑式的突破，这对于建立更全面的认知框架至关重要。这本书的出现，无疑为我提供了一个系统学习计算机图形学的绝佳机会，我迫不及待地想要沉浸其中，探索这个充满创造力和想象力的领域。

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我对计算机图形学的兴趣，源于我第一次在电影院看到的那些令人惊叹的特效场景，它们让我相信，在屏幕上的画面，可以突破现实的界限，创造出前所未有的视觉奇观。《Computer Graphics》这本书，在我看来，正是这扇通往魔法世界的大门。虽然我还没有开始阅读，但光是看到书名，我就已经开始想象书中所描述的那些令人着迷的技术。我希望这本书能够详细介绍“渲染”这个概念，包括不同的渲染技术，例如扫描线渲染、光线追踪、光子映射等。我期待能够了解这些技术是如何模拟光线在物体表面的传播，以及如何计算出最终呈现在屏幕上的像素颜色。我也对书中可能会涉及到的“着色模型”非常感兴趣，例如冯氏着色模型、布林-丰着色模型，以及更高级的PBR（基于物理的渲染）模型，我相信它们是实现逼真视觉效果的基石。我希望这本书能够深入浅出地讲解这些模型背后的数学原理和实现方法，让我能够真正理解，那些电影中的奇幻景象是如何在计算机中诞生的。这对我来说，不单单是知识的学习，更是一种对艺术和科技完美结合的探索。

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看的最新版的，比较晦涩，需要再仔细研读一遍

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