3D計算機圖形學

前言

隨著計算機軟硬件技術(shù)的進步，計算機圖形學技術(shù)發(fā)展很快，在各方面的應用也越來越廣。特別是近幾年以動畫、游戲為代表的數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，極大地推動了計算機圖形學相關(guān)學科的發(fā)展。目前計算機圖形學是計算機應用、軟件工程、數(shù)字媒體等專業(yè)的核心課之一。 我們自2005年開始教授計算機圖形學課程以來，一直較難找到一本合適的教科書，目前市面上的教材中雖然不乏優(yōu)秀之作，但我們發(fā)現(xiàn)這些教材在用于實際教學時還存在以下一些問題： 1）多以二維圖形和理論闡述為主。對直線、圓、曲線等基本圖形算法講述較多，但是目前的圖形學應用主要是3D的，二維圖形算法已經(jīng)非常成熟和硬件化了。 2）對當前應用領(lǐng)域中所用到的最新圖形技術(shù)涉及較少。隨著動畫、游戲等技術(shù)的發(fā)展，計算機圖形技術(shù)涌現(xiàn)了越來越多的新方法和新技術(shù)，但現(xiàn)有的教材無法緊跟最新技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)容陳舊。 3）實踐案例教學內(nèi)容欠缺。目前的教材沒有理論結(jié)合實踐，缺乏講解具體算法的實現(xiàn)方法，要么主要講理論，要么講程序語言OpenGL的簡單使用方法，與實際應用需求嚴重脫節(jié)，使得學生學習一學期后也無法進行具體的圖形編程。 為此，迫切需要有一本教學內(nèi)容與時俱進、理論與實踐并重的教材，不僅要把經(jīng)典計算機圖形學的基本原理講透，而且能適當融合當前三維計算機圖形技術(shù)的最新發(fā)展，并結(jié)合具體實踐開展案例教學。基于上面的考慮，我們編寫了這本教材，并已經(jīng)以講義的形式進行過幾年的教學，效果良好。 本書在內(nèi)容上偏重于三維計算機圖形的最新技術(shù)，在介紹基本圖形生成處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，進一步介紹了特效繪制技術(shù)、LOD技術(shù)、GPU加速技術(shù)等，以及3D圖形開發(fā)技術(shù)的最新進展。同時本書將理論與實際相結(jié)合，著重培養(yǎng)學生的編程實現(xiàn)能力，即利用DirectX或OpenGL進行圖形編程的能力。此外，本書通俗易懂、深入淺出，并較多地融合了最新3D游戲圖形開發(fā)技術(shù)以及作者在相關(guān)領(lǐng)域的科研成果。作者還根據(jù)教學實踐開發(fā)了一套輔助教師教學的“3D圖形教學輔助演示系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可以交互地演示圖形生成過程，效果直觀，交互方便，便于學生理解。 本書的主要特色： 1）偏重最新的3D計算機圖形技術(shù)。用較少的篇幅介紹最經(jīng)典的二維圖元繪制算法，然后重點介紹當前用得最廣泛的三維圖形技術(shù)，融合最新3D游戲圖形開發(fā)技術(shù)和作者在相關(guān)領(lǐng)域的科研成果。 2）理論結(jié)合實際。在每一章講完理論后，緊接著介紹如何采用DirectX或OpenGL進行具體編程實現(xiàn)的方法和步驟，使學生可以利用所學知識做出自己的圖形，提高了學生的學習興趣與編程能力。

內(nèi)容概要

本書重點介紹三維計算機圖形學的基本概念、算法與編程實現(xiàn)，以及3D圖形開發(fā)技術(shù)的最新進展。主要內(nèi)容包括：計算機圖形學概述、基本圖形生成算法、3D圖形數(shù)學基礎(chǔ)、圖形變換、三維場景的繪制基礎(chǔ)、真實感圖形光照處理、紋理映射技術(shù)、場景組織與管理技術(shù)、游戲特效繪制技術(shù)、地形繪制技術(shù)、陰影繪制技術(shù)、碰撞檢測技術(shù)、計算機動畫技術(shù)、GPU硬件加速技術(shù)等?！　”緯碚摻Y(jié)合實際，圖文并茂，注重培養(yǎng)學生的編程實現(xiàn)能力，可作為高等院校本科生或研究生計算機圖形學課程的教材，也可供從事計算機圖形學、游戲動畫開發(fā)等工作的研究人員參考。封底無防偽標均為盜版版權(quán)所有，侵權(quán)必究　　本書法律顧問北京市展達律師事務所

書籍目錄

前言教學建議第1章計算機圖形學　1?1計算機圖形學概述　1?2計算機圖形學的發(fā)展歷史　1?3計算機圖形學的應用領(lǐng)域　　1?3?1計算機輔助設計 (CAD/CAM)　　1?3?2科學計算可視化　　1?3?3圖形化的用戶界面　　1?3?4電腦游戲　　1?3?5動畫特效　　1?3?6地理信息系統(tǒng)　　1?3?7虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)　　1?3?8計算機藝術(shù)　1?4計算機圖形設備與圖形系統(tǒng)　　1?4?1計算機圖形設備　　1?4?2計算機圖形系統(tǒng)　1?5計算機圖形的最新發(fā)展動向　本章小結(jié)　習題第2章基本圖形生成算法　2?1圖形光柵化的原理　2?2直線的光柵化算法　　2?2?1逐點比較法　　2?2?2數(shù)值微分法　　2?2?3中點Bresenham算法　2?3圓的光柵化算法　　2?3?1簡單方程法產(chǎn)生圓弧　　2?3?2Bresenham算法產(chǎn)生圓弧　2?4其他圖形的光柵化算法　2?5基本圖元的代碼實現(xiàn)　　2?5?1基本圖元的C語言實現(xiàn)　　2?5?2基本圖元的MFC實現(xiàn)　2?6多邊形填充　2?7寬圖元　　2?7?1復制像素畫寬圖元　　2?7?2移動畫筆畫寬圖元　本章小結(jié)　習題第3章3D圖形中的數(shù)學基礎(chǔ)　3?1坐標系　3?2向量　　3?2?1向量的基本概念　　3?2?2向量的基本運算　　3?2?3向量的代碼實現(xiàn)　3?3矩陣　　3?3?1矩陣的基本概念　　3?3?2矩陣的基本運算　　3?3?3Direct3D中的矩陣　3?4空間幾何的運算　　3?4?1幾何形體的表達　　3?4?2幾何體之間的空間關(guān)系　本章小結(jié)　習題第4章圖形變換　4?1二維及三維圖形幾何變換　　4?1?1二維圖形幾何變換　　4?1?2三維圖形幾何變換　4?2投影與投影變換　　4?2?1平行投影　　4?2?2透視投影　4?3圖形變換的實現(xiàn)　　4?3?1Direct3D中的矩陣　　4?3?2Direct3D中的矩陣變換　4?4編程實例　本章小結(jié)　習題第5章三維場景繪制基礎(chǔ)　5?1三維場景繪制流水線　　5?1?1世界變換　　5?1?2觀察空間變換　　5?1?3背面揀選　　5?1?4光照　　5?1?5裁剪　　5?1?6投影　　5?1?7視口變換　　5?1?8光柵化　5?2Direct3D的繪制流程　　5?2?1創(chuàng)建場景　　5?2?2繪制場景　　5?2?3Direct3D繪制流水線　本章小結(jié)　習題第6章真實感圖形光照處理　6?13D圖形的顏色原理　　6?1?1顏色的光學性質(zhì)　　6?1?2CIE色度圖　　6?1?3顏色空間模型　6?2光照明模型　　6?2?1簡單光照明模型　　6?2?2基于簡單光照明模型的多邊形繪制　　6?2?3整體光照明模型和光線跟蹤算法　6?3光照的Direct3D編程實現(xiàn)　　6?3?1Direct3D顏色定義　　6?3?2光源　　6?3?3材　　6?3?4Direct3D頂點顏色　本章小結(jié)　習題第7章紋理映射技術(shù)　7?1紋理映射的基本原理　　7?1?1紋理的基本概念　　7?1?2紋理映射的概念　　7?1?3紋理映射中的幾何關(guān)系　7?2紋理映射的實現(xiàn)過程　　7?2?1紋理映射的OpenGL實現(xiàn)　　7?2?2紋理映射的Direct3D實現(xiàn)　7?3高級紋理映射技術(shù)　　7?3?1紋理的優(yōu)化處理技術(shù)　　7?3?2多重紋理映射　　7?3?3凹凸紋理　　7?3?4環(huán)境映射技術(shù)　本章小結(jié)　習題第8章場景組織與管理技術(shù)　8?13D場景組織方式　　8?1?1場景圖　　8?1?2基于繪制狀態(tài)的場景管理　8?2優(yōu)化場景繪制的幾何剖分技術(shù)　　8?2?1四叉樹　　8?2?2八叉樹　　8?2?3BSP樹　8?3三維場景的快速可見性判斷　　8?3?1入口技術(shù)　　8?3?2遮擋剔除　　8?3?3潛在可見集方法　8?4LOD加速繪制技術(shù)　　8?4?1LOD技術(shù)分類　　8?4?2LOD的主要簡化方法分類　　8?4?3典型LOD的簡化方法　本章小結(jié)　習題第9章游戲特效繪制技術(shù)　9?1廣告牌技術(shù)　9?2粒子系統(tǒng)技術(shù)　　9?2?1粒子的屬性　　9?2?2粒子系統(tǒng)的創(chuàng)建　9?3精靈動畫技術(shù)　9?5煙、霧、火特效技術(shù)　　9?5?1粒子系統(tǒng)　　9?5?2分形幾何　　9?5?3過程紋理　　9?5?4細胞自動機　　9?5?5基于物理的方法　9?6眩光特效技術(shù)　　9?6?1太陽及鏡頭光暈的繪制　　9?6?2光暈淡入淡出效果　　9?6?3可見性判斷　本章小結(jié)　習題第10章地形繪制技術(shù)　10?1地形繪制的基本理論　　10?1?1地形生成　　10?1?2地表紋理　　10?1?3地形光照　　10?1?4地形的霧化效果　10?2簡單地形的繪制方法　　10?2?1生成地形高度數(shù)據(jù)　　10?2?2創(chuàng)建地形網(wǎng)格　　10?2?3添加紋理　　10?2?4計算陰影　　10?2?5添加霧化效果　10?3高級地形繪制技術(shù)　　10?3?1地形LOD技術(shù)簡介　　10?3?2基于GeoMipmapping的地形LOD技術(shù)　　本章小結(jié)　習題第11章陰影繪制技術(shù)　11?1陰影的基本原理　11?2平面陰影技術(shù)　　11?2?1投影矩陣　　11?2?2模板緩存　　11?2?3繪制過程　11?3復雜陰影實現(xiàn)技術(shù)　　11?3?1陰影圖算法　　11?3?2陰影體算法　本章小結(jié)　習題第12章碰撞檢測技術(shù)　12?1碰撞檢測的基本原理　　12?1?1概念　　12?1?2碰撞檢測問題描述　　12?1?3碰撞檢測算法分類　12?2高級碰撞檢測技術(shù)　　12?2?1基于圖像空間的碰撞檢測算法　　12?2?2基于一般表示模型的碰撞檢測算法　　12?2?3面向可變形體的碰撞檢測算法　12?3基本碰撞檢測算法實現(xiàn)　　12?3?1使用邊界框測試碰撞　　12?3?2使用邊界球測試碰撞　12?4示例程序　　12?4?1邊界框碰撞　　12?4?2邊界球碰撞　本章小結(jié)　習題第13章計算機動畫技術(shù)　13?1計算機動畫概述　13?2計算機三維動畫過程　13?3關(guān)鍵幀動畫　13?4過程動畫　　13?4?1三維紋理映射與過程紋理　　13?4?2L系統(tǒng)　　13?4?3傅里葉合成技術(shù)　13?5變形動畫　13?6基于物理模型的動畫　　13?6?1剛體動力學模擬　　13?6?2彈性變形體模擬　　13?6?3流體模擬　13?7人體和關(guān)節(jié)動畫　　13?7?1人體骨架模型　　13?7?2運動學方法　　13?7?3動力學方法　　13?7?4基于運動捕獲的方法　本章小結(jié)　習題第14章GPU硬件加速技術(shù)　14?1GPU硬件加速的原理　14?2GPU與CPU比較　14?3HLSL著色器　　14?3?1HLSL簡介　　14?3?2HLSL的數(shù)據(jù)類型　　14?3?3編寫HLSL著色器代碼　　14?3?4在Direct3D程序中加載　　14?3?5HLSL的Effect框架　　14?3?6基于HLSL的光照效果程序　14?4GLSL著色器　　14?4?1GLSL數(shù)據(jù)類型　　14?4?2GLSL的輸入輸出　　14?4?3頂點著色器與片段著色器操作　　14?4?4GLSL光照示例程序　本章小結(jié)　習題附錄A圖形開發(fā)庫Direct3D編程入門附錄BOpenGL簡介參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：客觀世界中的事物是多姿多彩的，而呈現(xiàn)在我們眼前的往往是它們的外觀，通過外觀人們進一步地認識及研究它們。以圖畫為表現(xiàn)形式的圖形信息在人類的社會生活中起著非常重要的作用，與其他的信息表現(xiàn)形式相比，圖形信息具有容易理解、容易記憶、直觀等特點。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，用計算機來處理圖形的信息，完成圖形的構(gòu)造、顯示與分析，很自然地就成為人們研究與探索的方法。經(jīng)過30多年的發(fā)展，計算機圖形學已成為計算機科學中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應用。本章將介紹計算機圖形學的研究內(nèi)容、發(fā)展歷史、應用領(lǐng)域等，使讀者對計算機圖形學的基本內(nèi)容有大致的了解。1.1計算機圖形學概述首先，我們來看什么是計算機圖形學？簡單來說，計算機圖形學是指用計算機把對象的圖形進行輸出的技術(shù)。更確切地說，計算機圖形學是利用計算機研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學科，它綜合了應用數(shù)學、計算機科學等多方面的知識。例如要表現(xiàn)一個桌子的圖形，我們需要先研究如何在計算機上表示這個圖形，并準備表現(xiàn)該圖形所需的數(shù)據(jù)，如桌子的長、寬、高等，這是建模的過程；接著我們需要考慮如何顯示已準備好的圖形，這是繪制的過程；當然中間還要考慮人與圖形的交互和參數(shù)化，這是交互式圖形學的主要內(nèi)容。計算機圖形學的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線（曲面）造型、實體造型、真實感圖形繪制技術(shù)，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實等。

編輯推薦

《3D計算機圖形學》結(jié)合了作者多年教授計算機圖形學課程及從事相關(guān)領(lǐng)域研究的經(jīng)驗編寫而成，是一本教學內(nèi)容與時俱進、理論與實踐并重的教材，不僅透徹地講解了經(jīng)典計算機圖形學的基本原理，而且融合了當前3D計算機圖形技術(shù)的最新發(fā)展，并結(jié)合具體實踐開展案例教學，使學生能快速掌握3D計算機圖形學技術(shù)。《3D計算機圖形學》特點著重介紹最新的3D計算機圖形技術(shù)，融合了作者在相關(guān)領(lǐng)域的科研成果。理論結(jié)合實際，培養(yǎng)學生的編程實現(xiàn)能力。圖文并茂，交互演示。書中含有大量的圖例和項目應用實例?！?D計算機圖形學》為授課教師免費提供電子教案和教輔，其中包括作者自主開發(fā)的“3D圖形教學輔助演示系統(tǒng)”，生動形象，直觀易懂，在實際教學中獲得了廣泛的好評。

圖書封面

圖書標簽Tags

無

評論、評分、閱讀與下載

---

    3D計算機圖形學 PDF格式下載

---