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3D計算機圖形學基礎

( 簡體 字)
作者:[美]史蒂文·J.戈特勒(Steven J. Gortler)著 夏時洪 高林 譯類別:1. -> 教材 -> 數位影像處理
譯者:
出版社:清華大學出版社3D計算機圖形學基礎 3dWoo書號: 53707
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NT定價: 295
折扣價: 236

出版日:10/1/2020
頁數:213
光碟數:0
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印刷:黑白印刷語系: ( 簡體 版 )
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ISBN:9787302561057
作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 
作者序:

譯者序:

前言:

推 薦 序計算機圖形學已經成功應用于計算機輔助設計與制造、科學計算可視化、動畫與電影制作、圖形用戶界面、虛擬現實等領域。特別地,ACM將2019年“圖靈獎”授予Edwin E. Catmull與Patrick M. Hanrahan,以表彰其為3D計算機圖形學做出的基礎貢獻。近年來,3D計算機圖形學正在逐步被引用到以深度學習為代表的人工智能領域。因此,《3D計算機圖形學基礎》的出版不僅是圖形學學科建設和人才培養的需求,也是相關科學技術發展的需要。
這本教材翻譯自哈佛大學教授Steven J. Gortler的著作Foundations of 3D Computer Graphics。該著作于2012年由美國麻省理工學院出版社出版。該書結構頗有特色,一開始就介紹OpenGL相關知識,讓學生很快可以進入高級圖形編程階段。其次,教材內容頗為豐富,不僅涉及變換、三維相機模型等基礎知識,還有曲線曲面表示、高度真實感繪制部分,以及三維建模、動畫等與研究生研究課題相關的高階內容。此外,該書重視圖形學重要概念的數學基礎,且數形結合、圖文并茂。為了幫助學生加深對計算機圖形學概念的理解,書中不僅給出數學原理及公式推導,而且提供OpenGL示例代碼和運行結果。因此,該書是一本頗有水準的教材,適合于研究生和高年級本科生學習3D計算機圖形學的基本理論和重要算法。
譯者在計算機圖形學與虛擬現實領域有多年的研究經驗和良好的研究基礎,取得了諸多高水平研究成果,積累了豐富的計算機圖形學前沿知識,也指導了多屆該領域的研究生,積累了豐富的培養指導學生方面的經驗。在翻譯過程中,譯者忠實于英文原著,保證了該教材高質量的出版。
該教材的出版必將在我國計算機圖形學及相關領域優秀人才培養中發揮積極作用。

2020年7月◆3D計算機圖形學基礎····························································
原書前言這本書來源于我在哈佛大學開授的計算機圖形學課程。1996年至今,我教授過很多優秀的學生,也收獲很多教學的樂趣。學生們在課堂上提出過很多好問題,從這些問題中,我經常意識到自己在課堂上的一些解釋有點草率,而且有時并沒有完全理解自己想解釋的話題。這導致了我對教材的反思和未來教學的創新,并將這些新的想法融入本書中。這本書的整個課程不僅涵蓋了基本知識點,還同時強調了對一些更加細節概念的理解。
在這本書中,我們將介紹生成3D計算機圖形所需的基本算法與技術。我們將介紹用算法表示和處理3D形狀的基本思想,以及如何使用算法模擬相機,將這些3D數據轉換為由屏幕上的離散點或像素集組成的2D圖像。之后,我們還將在本書中討論一些更高級的主題,包括顏色和燈光表示的基礎知識、生成照片級真實感圖像的光模擬、幾何建模以及生成動畫圖形的各種方法。
在本書中,我們將介紹API上層和下層的知識,多數內容(尤其是前序章節)是學習3D計算機圖形學時需了解的基礎知識。我們也介紹OpenGL的內部流程,這對于一個優秀的圖形學從業者尤為必要。并且,了解計算機圖形學計算設施的工作原理和工作方式本身就令人著迷。
本書不涉及計算機圖形學中硬件和編譯器的相關知識,也不會過度關注2D計算機圖形學或人機交互接口,這些主題本身都相當有趣,但與3D計算機圖形學的算法層面截然不同。
因為很多計算機圖形學技術基于OpenGL,搭建一個“基于光柵化”的實時渲染環境,而不是采用諸如“基于光線跟蹤”的環境,所以本書也圍繞其進行講解。廣泛地講,從事3D電子游戲領域的所有工作者均需掌握這本教材(以及更多知識)。我們特意選擇了OpenGL API(基于GLSL著色語言),因為它可以跨多個計算平臺運行。
◆3D計算機圖形學基礎原書前言本書適用于至少有一年編程經驗的計算機科學、數學、物理學專業的高年級本科生,且需要對線性代數有基本的了解。
對于授課
下面將介紹一些需要特別注意的細節問題,這些問題需要深究才能理解透徹,但是經常在教學過程中未被解釋清楚,我希望學生們能在本書中掌握這些內容。
附錄A: 由一個盡可能簡單的OpenGL程序開始,OpenGL的用途是管理著色程序、頂點緩沖區對象和紋理。因為我們將使用現代版本的OpenGL,慶幸的是剩余需要講授的API知識不是太多。本書不涉及任何舊版的OpenGL知識,它們并未出現在現代計算機圖形學編程中。
第2∼4章: 在計算機圖形學中,需要從無坐標和全坐標的角度考慮點和向量。我們往往使用坐標得到一種具體的表示形式,最終生成渲染圖像。但在不同坐標系下,點的表示和變換通常十分重要,需注意以下幾點。
區分一個幾何點和在某坐標系下表示該點的坐標。
使用符號來清晰地標記一組基,該基用于表示一組坐標系。
區分標記矩陣方程和矩陣表達式的符號,其中,矩陣方程表示基變換,矩陣表達式表示點的幾何變換。
最終引出所謂的左定則(leftQof rule),它可以更好地解釋矩陣表達式并明確變換的基。
希望通過掌握這套清晰的符號機制,學生易于理解如何進行復雜的變換。這不同于“在程序執行正確的操作之前嘗試大量排序和矩陣序列的逆運算”的方法,該想法最初源于Tony DeRose 的手稿 〔16〕。
第5、6章: 描述一個處理計算機圖形學坐標系的組織框架,以及如何將其轉換為簡單的3D OpenGL代碼。我們從中得出了使用“混合輔助坐標系”移動物體的有效方法。例如,這使得我們可以正確地圍繞其中心旋轉物體,但其方向自然對應于屏幕上的方向。
第7章: 簡要介紹一個四元數表示形式以描述旋轉。本書還推導了如何組合四元數和平移向量,以定義一個剛體變換數據類型,使其可以像矩陣一樣進行乘法和求逆運算。
第8章: 簡要介紹軌跡球和弧球旋轉的接口,并說明軌跡球接口的鼠標路徑無關性。
第9章: 簡要介紹Bezier和CatmullQRom樣條。
第10∼13章: 介紹使用4×4矩陣模擬相機投影的方法,以及OpenGL中特定函數的運算。特別注意為可變變量推導正確的插值公式,有關仿射函數和插值的背景拓展知識參見附錄B,Jim Blinn〔5〕完美地解釋了多數細節內容。這些章節將不再詳細介紹裁剪和光柵化算法。
第14、15章: 為漫反射、反光和各向異性材料給出簡單的樣例著色器,以及一些高級的實時渲染技術,如多通道渲染和陰影映射。誠然,此部分過于簡短,想必追求更高階渲染技能的學生將需學習更多現代實時渲染中不斷發展的技術(和技巧)。
第16∼18章: 介紹使用濾波計算離散圖像的原因,以及通過基函數重建連續圖像的方法,特別是如何將這兩個思想結合起來,以在紋理映射期間正確地獲得濾波(Paul Heckbert的碩士論文〔28〕)。該部分不深入研究傅里葉分析的細節內容,因為它偏離了本書主線(總之,最終使用盒式濾波器)。
第19章: 介紹人類色彩感知的基本理論。從數學的角度來看,我們試圖明確顏色的定義,及其形成線性空間的原理,相關論述參見Feynman’s Lectures〔20〕。針對多數顏色計算的技術問題,本書參考了Charles Poynton對顏色常見問題的解答〔58〕。
第20章: 完整起見,簡要介紹光線跟蹤計算。由于它不是課程的重點,因此本書僅提及該主題。
第21章: 引入真實感渲染中的高階主題,詳細介紹描述光的物理單元以及反射、渲染和度量方程。例如,我們密切關注使用特定單位度量反射的原因。有關基礎知識及更多內容參見Eric Veach的博士論文〔71〕。
第22章: 概述羅列計算機圖形學中曲面的建模和表示方法。簡要介紹該部分,而非技術性地討論。我們的確探究了足夠的細節,以實現CatmullQRom 細分曲面(假設擁有方便的網格數據結構),因為該方法可以快速簡單地表示曲面簇。
第23章: 概述計算機圖形學中實現動畫的方法。與上一章類似,本章僅作簡單介紹,而非技術性地討論。CMU網站上Adrien Treuille博士的動畫課程可作為該領域優秀的入門資料。
本書內容豐富多彩,無法在一學期內全部教授完畢。它也并不是一本百科全書,只是試圖涵蓋計算機圖形學理論和實踐中的所有主題。此外,本書與目前廣泛使用的教材較類似,不涉及一些最新的科研成果和思想,未來它們可能成為標準實踐的一部分。

致謝
在編寫此書的一年中,我收到了Hamilton Chong、Guillermo DiezQCanas和Dylan Thurston為本書提供的大量幫助。
感謝Julie Dorsey、Hugues Hoppe、Zoe Wood、Yuanchen Zhu和Todd Zickler為本書提供的諸多寶貴建議。
感謝Gilbert Bernstein、Fredo Durand、Ladislav Kavan、Michael Kazhdan和PeterQPike Sloan為本書作評。
感謝Xiangfeng Gu、Danil Kirsanov、Chris Mihelich、Pedro Sander和Abraham Stone在這門課程的設計期間給予的極大幫助。
最后,感謝在本課程中擔任過助教的所有優秀學生,他們為這本教材的創新作出了許多貢獻,他們是Brad Andalman、Keith Baldwin、Forrester Cole、Ashley Eden、David Holland、Brad Kittenbrink、Sanjay Mavinkurve、Jay Moorthi、Doug Nachand、Brian Osserman、Ed Park、David Ryu、Razvan Surdulescu和Geetika Tewari。····························································
譯 者 序計算機圖形學是用計算機研究圖形的表示、生成、處理和顯示的一門計算機分支學科,已經成功應用于計算機輔助設計與制造、科學計算可視化、動畫與電影制作、圖形用戶界面、虛擬現實等領域。作為一種計算技術,計算機圖形學已經且必將繼續發揮其基礎性作用。
自2015年以來,譯者受聘于中國科學院大學講授研究生的專業普及課“計算機圖形學”。在教學過程中,譯者發現選修這門課程的研究生背景不一,并非都是計算機科學專業;即便是研究生階段進入到計算機科學專業領域,其在本科階段也不一定學習過圖形學課程。因此,譯者萌生了為這類背景不一的學生編寫一本覆蓋面廣且基礎性強的圖形學教材的想法。
譯者注意到了哈佛大學教授Steven J. Gortler的著作Foundations of 3D Computer Graphics。該著作于2012年由美國麻省理工學院出版社出版。該書通過一個OpenGL例子首先為讀者呈現出將幾何模型渲染為圖像的全貌,由此介紹將幾何點映射到圖像像素的過程,及其相關基本概念和重要算法,包括變換和坐標系、旋轉和插值、相機模型和光柵化、圖像像素處理等基礎知識。然后,該書介紹一些高級主題,包括高真實感渲染、幾何建模、動畫等內容。該書另外一個顯著特點是,詳細介紹圖形學中重要概念的數學原理,并提供OpenGL代碼和示例。因此,譯者選擇了翻譯這本著作。讀者可掃描書中的二維碼觀看原著中的彩色插圖和參考文獻。本書網址為http://www.3dgraphicsfoundations.com/code.html。
感謝Steven J. Gortler教授和麻省理工學院出版社的許可和支持。感謝清華大學出版社支持出版,并幫助譯者取得了麻省理工學院出版社的翻譯出版權。感謝中國科學院大學教材出版中心資助。
感謝中國科學院計算技術研究所的研究生曾士軒、王倩蕓、袁宇杰參與了本書的部分翻譯和校對工作。感謝清華大學出版社編輯的耐心和辛勤工作。
感謝中國工程院院士、北京航空航天大學教授趙沁平博士為本教材傾情作序。
由于譯者水平有限,譯文中難免有不妥之處,敬請讀者批評和指正。

夏時洪高林2020年6月于北京
內容簡介:

《3D計算機圖形學基礎》共分為23章和兩個附錄,首先講解了將幾何點映射到圖像像素的過程,及其相關基本概念和重要算法,包括變換和坐標系、旋轉和插值、相機模型和光柵化、圖像像素處理等基礎知識。接著介紹一些高級主題,包括高真實感渲染、幾何建模、動畫等內容。最后的附錄給出了OpenGL編程及仿射函數的相關內容。本書的特色在于詳細介紹圖形學中重要概念的數學原理,強調基本算法與編程的結合及其內在聯系,并提供OpenGL代碼示例和習題,是一本覆蓋面廣且基礎性強的優秀教材。
本書可作為計算機科學、數學、物理等相關專業本科生和研究生的教材或參考書,也可作為計算機圖形技術人員的參考資料。
目錄:

第一篇入門
第1章簡介3
1.1OpenGL3
習題7
第2章線性變換8
2.1幾何數據類型8
2.2向量、坐標向量與基9
2.3線性變換和3×3矩陣10
2.3.1單位矩陣和逆矩陣11
2.3.2矩陣的基礎變換12
2.4其他結構12
2.5旋轉13
2.6縮放15
習題15
第3章仿射變換16
3.1點和坐標系16
3.2仿射變換和4×4矩陣17
3.3點的線性變換18
3.4點的平移19
3.5綜合20
3.6法向量20◆3D計算機圖形學基礎目錄習題22
第4章進階23
4.1坐標系的重要性23
4.1.1使用輔助坐標系變換24
4.2多重變換25
習題26
第5章坐標系28
5.1世界坐標系、對象坐標系和眼坐標系28
5.2移動坐標系30
5.2.1移動對象30
5.2.2移動眼睛31
5.2.3觀察31
5.3縮放坐標系32
5.4層次結構32
習題36
第6章3D世界37
6.1坐標和矩陣37
6.2繪制形狀38
6.3頂點著色器42
6.4后續43
6.5利用矩陣放置和移動45
習題46
第二篇旋轉和插值
第7章四元數51
7.1插值51
7.1.1周期52
7.1.2不變性52
7.2表示形式54
7.3運算55
7.4冪56
7.4.1球面線性插值和線性插值56
7.4.2冪插值和球面線性插值的等價性證明(選讀)58
7.5四元數編程59
7.6結合平移59
7.6.1RBT插值60
7.6.2RBT編程60
習題62
第8章軌跡球和弧球63
8.1交互63
8.2性質64
8.3實現65
習題65
第9章平滑插值66
9.1三次Bezier函數67
9.1.1函數性質68
9.1.2推廣68
9.2CatmullQRom樣條69
9.3四元數樣條函數70
9.4其他樣條70
9.5空間曲線71
習題72
第三篇相機和光柵化
第10章投影77
10.1針孔相機77
10.2相機數學模型79
10.3變換相機79
10.3.1縮放相機80
10.3.2移位相機83
10.3.3其他85
10.4環境85
習題85
第11章深度87
11.1可見性87
11.1.1可見性計算的其他用途88
11.23D投影變換基本數學模型88
11.2.1投影變換的共線性(選讀)89
11.3遠近關系90
11.4編程92
習題93
第12章從頂點到像素94
12.1裁剪94
12.1.1選擇坐標系96
12.1.2更新變量97
12.2背面剔除97
12.3視口98
12.3.1紋理視口99
12.4光柵化100
習題101
第13章可變變量102
13.1引出紋理拼接異常問題102
13.2有理線性插值103
習題105
第四篇像素等相關問題
第14章材料109
14.1基本假設109
14.2漫反射111
14.3反光112
14.4各向異性114
習題116
第15章紋理映射117
15.1基本紋理118
15.2法線映射119
15.3環境立方體貼圖119
15.4投影紋理映射121
15.5多通道123
15.5.1反射映射124
15.5.2陰影映射125
習題126
第16章采樣127
16.1兩種模型127
16.2引出走樣問題128
16.3解決方法129
16.3.1實際情況132
16.3.2反走樣線132
16.4Alpha132
16.4.1與連續合成的比較(選讀)134
16.4.2非預乘134
16.4.3摳圖135
16.4.4實際應用135
習題136
第17章重建137
17.1常量137
17.2雙線性138
17.3基函數139
17.3.1邊緣保留140
習題141
第18章重采樣142
18.1理想重采樣142
18.2放大143
18.3mip映射144
第五篇高級主題
第19章顏色149
19.1簡單生物物理模型149
19.1.1色彩空間圖152
19.2數學模型153
19.2.1技術細節155
19.3顏色匹配156
19.4基157
19.4.1色域158
19.4.2特定基159
19.5模擬反射161
19.5.1白平衡161
19.6自適應161
19.7非線性顏色162
19.7.1距離感知162
19.7.2伽馬校正163
19.7.3量化164
19.7.4伽馬校正與計算機圖形學164
習題165
第20章光線跟蹤166
20.1循環排序166
20.2相交167
20.2.1平面167
20.2.2三角形168
20.2.3球體169
20.2.4預排除169
20.3二次光線169
20.3.1更多應用170
習題170
第21章光(高階)172
21.1單位172
21.1.1輻射通量172
21.1.2輻照度173
21.1.3輻射率174
21.2反射176
21.2.1BRDF177
21.2.2鏡面與折射178
21.3光照模擬179
21.3.1直接點光源179
21.3.2直接面光源180
21.3.3二次反射180
21.3.4拓展182
21.3.5渲染方程(選讀)183
21.4感光元件184
21.5積分算法186
21.6其他光學效應186
習題187
第22章幾何建模基礎188
22.1三角形集合188
22.2網格189
22.3隱式曲面190
22.4體素191
22.5參數面片191
22.6細分曲面192
22.6.1CatmullQClark193
習題195
第23章動畫196
23.1插值196
23.1.1關鍵幀196
23.1.2蒙皮196
23.2仿真197
23.2.1顆粒198
23.2.2剛體198
23.2.3布料199
23.2.4可變形材料200
23.2.5火和水200
23.3人體運動201
習題202
附錄AHelloWorld2D203
A.1APIs203
A.2主程序204
A.2.1initGlutState204
A.2.2glewInit205
A.2.3initGL205
A.2.4initShaders206
A.2.5initVBO206
A.2.6Display208
A.2.7頂點著色器209
A.2.8片元著色器209
A.3添加接口210
A.4添加紋理212
A.5展望214
習題214
附錄B仿射函數216
B.12D仿射216
B.23D仿射217
B.3反向推導217
B.4正向推導217
B.5雙向推導218
習題219
參考文獻220
序: