3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

前言

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，在各方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣。特別是近幾年以動(dòng)畫(huà)、游戲?yàn)榇淼臄?shù)字娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用、軟件工程、數(shù)字媒體等專(zhuān)業(yè)的核心課之一。 我們自2005年開(kāi)始教授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程以來(lái)，一直較難找到一本合適的教科書(shū)，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(shí)際教學(xué)時(shí)還存在以下一些問(wèn)題： 1）多以二維圖形和理論闡述為主。對(duì)直線、圓、曲線等基本圖形算法講述較多，但是目前的圖形學(xué)應(yīng)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(duì)當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域中所用到的最新圖形技術(shù)涉及較少。隨著動(dòng)畫(huà)、游戲等技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)涌現(xiàn)了越來(lái)越多的新方法和新技術(shù)，但現(xiàn)有的教材無(wú)法緊跟最新技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)容陳舊。 3）實(shí)踐案例教學(xué)內(nèi)容欠缺。目前的教材沒(méi)有理論結(jié)合實(shí)踐，缺乏講解具體算法的實(shí)現(xiàn)方法，要么主要講理論，要么講程序語(yǔ)言O(shè)penGL的簡(jiǎn)單使用方法，與實(shí)際應(yīng)用需求嚴(yán)重脫節(jié)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)一學(xué)期后也無(wú)法進(jìn)行具體的圖形編程。 為此，迫切需要有一本教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)、理論與實(shí)踐并重的教材，不僅要把經(jīng)典計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理講透，而且能適當(dāng)融合當(dāng)前三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的最新發(fā)展，并結(jié)合具體實(shí)踐開(kāi)展案例教學(xué)?；谏厦娴目紤]，我們編寫(xiě)了這本教材，并已經(jīng)以講義的形式進(jìn)行過(guò)幾年的教學(xué)，效果良好。 本書(shū)在內(nèi)容上偏重于三維計(jì)算機(jī)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(jìn)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(kāi)發(fā)技術(shù)的最新進(jìn)展。同時(shí)本書(shū)將理論與實(shí)際相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)現(xiàn)能力，即利用DirectX或OpenGL進(jìn)行圖形編程的能力。此外，本書(shū)通俗易懂、深入淺出，并較多地融合了最新3D游戲圖形開(kāi)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(xué)實(shí)踐開(kāi)發(fā)了一套輔助教師教學(xué)的“3D圖形教學(xué)輔助演示系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可以交互地演示圖形生成過(guò)程，效果直觀，交互方便，便于學(xué)生理解。 本書(shū)的主要特色： 1）偏重最新的3D計(jì)算機(jī)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(diǎn)介紹當(dāng)前用得最廣泛的三維圖形技術(shù)，融合最新3D游戲圖形開(kāi)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(shí)際。在每一章講完理論后，緊接著介紹如何采用DirectX或OpenGL進(jìn)行具體編程實(shí)現(xiàn)的方法和步驟，使學(xué)生可以利用所學(xué)知識(shí)做出自己的圖形，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與編程能力。

內(nèi)容概要

本書(shū)重點(diǎn)介紹三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本概念、算法與編程實(shí)現(xiàn)，以及3D圖形開(kāi)發(fā)技術(shù)的最新進(jìn)展。主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述、基本圖形生成算法、3D圖形數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、圖形變換、三維場(chǎng)景的繪制基礎(chǔ)、真實(shí)感圖形光照處理、紋理映射技術(shù)、場(chǎng)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(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)、GPU硬件加速技術(shù)等?！　”緯?shū)理論結(jié)合實(shí)際，圖文并茂，注重培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)現(xiàn)能力，可作為高等院校本科生或研究生計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程的教材，也可供從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、游戲動(dòng)畫(huà)開(kāi)發(fā)等工作的研究人員參考。封底無(wú)防偽標(biāo)均為盜版版權(quán)所有，侵權(quán)必究　　本書(shū)法律顧問(wèn)北京市展達(dá)律師事務(wù)所

書(shū)籍目錄

前言教學(xué)建議第1章計(jì)算機(jī)圖形學(xué)　1?1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述　1?2計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展歷史　1?3計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域　　1?3?1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD/CAM)　　1?3?2科學(xué)計(jì)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(dòng)畫(huà)特效　　1?3?6地理信息系統(tǒng)　　1?3?7虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)　　1?3?8計(jì)算機(jī)藝術(shù)　1?4計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備與圖形系統(tǒng)　　1?4?1計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備　　1?4?2計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)　1?5計(jì)算機(jī)圖形的最新發(fā)展動(dòng)向　本章小結(jié)　習(xí)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(diǎn)比較法　　2?2?2數(shù)值微分法　　2?2?3中點(diǎn)Bresenham算法　2?3圓的光柵化算法　　2?3?1簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)　　2?5?1基本圖元的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)　　2?5?2基本圖元的MFC實(shí)現(xiàn)　2?6多邊形填充　2?7寬圖元　　2?7?1復(fù)制像素畫(huà)寬圖元　　2?7?2移動(dòng)畫(huà)筆畫(huà)寬圖元　本章小結(jié)　習(xí)題第3章3D圖形中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)　3?1坐標(biāo)系　3?2向量　　3?2?1向量的基本概念　　3?2?2向量的基本運(yùn)算　　3?2?3向量的代碼實(shí)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(yùn)算　　3?3?3Direct3D中的矩陣　3?4空間幾何的運(yùn)算　　3?4?1幾何形體的表達(dá)　　3?4?2幾何體之間的空間關(guān)系　本章小結(jié)　習(xí)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(shí)現(xiàn)　　4?3?1Direct3D中的矩陣　　4?3?2Direct3D中的矩陣變換　4?4編程實(shí)例　本章小結(jié)　習(xí)題第5章三維場(chǎng)景繪制基礎(chǔ)　5?1三維場(chǎng)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(chǎng)景　　5?2?2繪制場(chǎng)景　　5?2?3Direct3D繪制流水線　本章小結(jié)　習(xí)題第6章真實(shí)感圖形光照處理　6?13D圖形的顏色原理　　6?1?1顏色的光學(xué)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(jiǎn)單光照明模型　　6?2?2基于簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)　　6?3?1Direct3D顏色定義　　6?3?2光源　　6?3?3材　　6?3?4Direct3D頂點(diǎn)顏色　本章小結(jié)　習(xí)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(shí)現(xiàn)過(guò)程　　7?2?1紋理映射的OpenGL實(shí)現(xiàn)　　7?2?2紋理映射的Direct3D實(shí)現(xiàn)　7?3高級(jí)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(xí)題第8章場(chǎng)景組織與管理技術(shù)　8?13D場(chǎng)景組織方式　　8?1?1場(chǎng)景圖　　8?1?2基于繪制狀態(tài)的場(chǎng)景管理　8?2優(yōu)化場(chǎng)景繪制的幾何剖分技術(shù)　　8?2?1四叉樹(shù)　　8?2?2八叉樹(shù)　　8?2?3BSP樹(shù)　8?3三維場(chǎng)景的快速可見(jiàn)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(jiàn)集方法　8?4LOD加速繪制技術(shù)　　8?4?1LOD技術(shù)分類(lèi)　　8?4?2LOD的主要簡(jiǎn)化方法分類(lèi)　　8?4?3典型LOD的簡(jiǎn)化方法　本章小結(jié)　習(xí)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(dòng)畫(huà)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(guò)程紋理　　9?5?4細(xì)胞自動(dòng)機(jī)　　9?5?5基于物理的方法　9?6眩光特效技術(shù)　　9?6?1太陽(yáng)及鏡頭光暈的繪制　　9?6?2光暈淡入淡出效果　　9?6?3可見(jiàn)性判斷　本章小結(jié)　習(xí)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(jiǎn)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(jì)算陰影　　10?2?5添加霧化效果　10?3高級(jí)地形繪制技術(shù)　　10?3?1地形LOD技術(shù)簡(jiǎn)介　　10?3?2基于GeoMipmapping的地形LOD技術(shù)　　本章小結(jié)　習(xí)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(guò)程　11?3復(fù)雜陰影實(shí)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(xí)題第12章碰撞檢測(cè)技術(shù)　12?1碰撞檢測(cè)的基本原理　　12?1?1概念　　12?1?2碰撞檢測(cè)問(wèn)題描述　　12?1?3碰撞檢測(cè)算法分類(lèi)　12?2高級(jí)碰撞檢測(cè)技術(shù)　　12?2?1基于圖像空間的碰撞檢測(cè)算法　　12?2?2基于一般表示模型的碰撞檢測(cè)算法　　12?2?3面向可變形體的碰撞檢測(cè)算法　12?3基本碰撞檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)　　12?3?1使用邊界框測(cè)試碰撞　　12?3?2使用邊界球測(cè)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(xí)題第13章計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)　13?1計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)概述　13?2計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫(huà)過(guò)程　13?3關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)　13?4過(guò)程動(dòng)畫(huà)　　13?4?1三維紋理映射與過(guò)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(dòng)畫(huà)　13?6基于物理模型的動(dòng)畫(huà)　　13?6?1剛體動(dòng)力學(xué)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(dòng)畫(huà)　　13?7?1人體骨架模型　　13?7?2運(yùn)動(dòng)學(xué)方法　　13?7?3動(dòng)力學(xué)方法　　13?7?4基于運(yùn)動(dòng)捕獲的方法　本章小結(jié)　習(xí)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(jiǎn)介　　14?3?2HLSL的數(shù)據(jù)類(lèi)型　　14?3?3編寫(xiě)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(lèi)型　　14?4?2GLSL的輸入輸出　　14?4?3頂點(diǎn)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(xí)題附錄A圖形開(kāi)發(fā)庫(kù)Direct3D編程入門(mén)附錄BOpenGL簡(jiǎn)介參考文獻(xiàn)

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(guò)外觀人們進(jìn)一步地認(rèn)識(shí)及研究它們。以圖畫(huà)為表現(xiàn)形式的圖形信息在人類(lèi)的社會(huì)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(diǎn)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用計(jì)算機(jī)來(lái)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(guò)30多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最為活躍的分支之一，并得到廣泛的應(yīng)用。本章將介紹計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容、發(fā)展歷史、應(yīng)用領(lǐng)域等，使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本內(nèi)容有大致的了解。1.1計(jì)算機(jī)圖形學(xué)概述首先，我們來(lái)看什么是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是指用計(jì)算機(jī)把對(duì)象的圖形進(jìn)行輸出的技術(shù)。更確切地說(shuō)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是利用計(jì)算機(jī)研究圖形的表示、生成、處理、顯示的學(xué)科，它綜合了應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多方面的知識(shí)。例如要表現(xiàn)一個(gè)桌子的圖形，我們需要先研究如何在計(jì)算機(jī)上表示這個(gè)圖形，并準(zhǔn)備表現(xiàn)該圖形所需的數(shù)據(jù)，如桌子的長(zhǎng)、寬、高等，這是建模的過(guò)程；接著我們需要考慮如何顯示已準(zhǔn)備好的圖形，這是繪制的過(guò)程；當(dāng)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(xué)的主要內(nèi)容。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線（曲面）造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形繪制技術(shù)，以及科學(xué)計(jì)算可視化、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

編輯推薦

《3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》結(jié)合了作者多年教授計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程及從事相關(guān)領(lǐng)域研究的經(jīng)驗(yàn)編寫(xiě)而成，是一本教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)、理論與實(shí)踐并重的教材，不僅透徹地講解了經(jīng)典計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理，而且融合了當(dāng)前3D計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的最新發(fā)展，并結(jié)合具體實(shí)踐開(kāi)展案例教學(xué)，使學(xué)生能快速掌握3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)?！?D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》特點(diǎn)著重介紹最新的3D計(jì)算機(jī)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(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)現(xiàn)能力。圖文并茂，交互演示。書(shū)中含有大量的圖例和項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例?！?D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)》為授課教師免費(fèi)提供電子教案和教輔，其中包括作者自主開(kāi)發(fā)的“3D圖形教學(xué)輔助演示系統(tǒng)”，生動(dòng)形象，直觀易懂，在實(shí)際教學(xué)中獲得了廣泛的好評(píng)。

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