計(jì)算機(jī)圖形學(xué)

前言

　　大學(xué)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)課程主要集中于動畫和實(shí)時(shí)渲染，然而很少有教材可完美地體現(xiàn)交互式圖形學(xué)特征，并在理論與實(shí)踐方面做到較好的平衡且篇幅適中。本書涵蓋了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的基礎(chǔ)知識，可在一定程度上滿足上述要求。本書適用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或游戲程序設(shè)計(jì)專業(yè)高年級本科課程以及初級研究生課程。　　除此之外，本書還適用于游戲開發(fā)人員。此類人員具備圖形API以及著色器編程經(jīng)驗(yàn)，但缺乏一定的3D圖形學(xué)背景知識。目前，市場上充斥著大量手冊式的程序設(shè)計(jì)書籍。對于游戲開發(fā)人員而言，這一類書籍并未提供應(yīng)有的數(shù)學(xué)知識。本書假設(shè)讀者了解諸如向量和矩陣等較為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合?！　∽鳛榻换ナ綀D形學(xué)的核心內(nèi)容，GPU始終在不斷地發(fā)展。為此，本書將圍繞GPU程序設(shè)計(jì)進(jìn)行組織。GPU可劃分為可編程階段和硬件階段。針對可編程階段，本書將闡述各種算法；對于硬件階段，本書也將對必要知識加以分析。　　本書的組織方式和講述內(nèi)容均經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以使讀者深入理解交互式圖形學(xué)的核心內(nèi)容。相關(guān)章節(jié)提供了大量的3D知識，以幫助讀者快速地掌握相對復(fù)雜的知識點(diǎn)。同時(shí)，本書還在提示部分講述了理論或技術(shù)細(xì)節(jié)，并涵蓋了相應(yīng)的可選章節(jié)（采用星號標(biāo)記）以供讀者閱讀。當(dāng)然，讀者也可忽略這一部分內(nèi)容，且不會對后續(xù)章節(jié)的內(nèi)容產(chǎn)生任何影響?！　irect3D和OpenGL是兩種較為知名的圖形API，本書將會弱化API的歸屬特征，并在多處提供對應(yīng)的示例代碼，進(jìn)而使讀者深入理解交互式圖形算法的實(shí)現(xiàn)方式?！　”緯o助網(wǎng)站地址為http：//media.korea.ac.kr/book，其中包含PowerPoint文件格式的教學(xué)備案以及視頻剪輯在內(nèi)的其他輔助資源。特別地，教學(xué)備案中包含了本書的全部圖像。　　　　致謝　　本書源自NexonCorporation和KoreaCreativeContentAgency所開發(fā)的項(xiàng)目，來自NexonCorporation的眾多人員均對本書的出版有所貢獻(xiàn)。JubokKim在本書的籌備階段即提出了許多中肯建議，并分別對本書的Alpha和Beta版本作了校對。SeungwonHan提供了本書所需的3D模型以及其他藝術(shù)設(shè)計(jì)工作。另外，HyunwooKi、JoongwonGouk、MinsunSong也提供了頗具價(jià)值的圖像?！　⊥瑫r(shí)，來自KoreaUniversity的相關(guān)人員也對本書的編寫工作給予了大力的支持。例如，本書的視覺內(nèi)容均來自SeungjikLee，他在藝術(shù)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)方面頗具天分。感謝NguyenTrungKien博士，在他的幫助之下，與紋理相關(guān)的3章內(nèi)容得以順利完成。HanyoungJang博士對著色模型以及物理模擬等相關(guān)章節(jié)也提出了寶貴的意見。在KiwonUm的幫助下，筆者對全書章節(jié)進(jìn)行了重新整理。同時(shí)，還要感謝來自3DInteractiveMediaLab的學(xué)生們，他們是Dong-youngKim、HyunJuShin、YoungBeomKim、EunSeokHan、GwangHyunPark、SeunghoBaek和JunhooPark。本書內(nèi)容源自KoreaUniversity和CarnegieMellonUniversity的授課內(nèi)容，在此也要對學(xué)生們的反饋信息表示感謝。　　EwhaWomansUniversity的YoungJ.Kim教授、SoongsilUniversity的Kyoung-Su教授、KwangwoonUniversity的KangHoonLee教授、UniversityofFlorida的JorgPeters教授以及Crytek的DongwookHa教授閱讀了本書的手稿并提出了諸多寶貴的建議和意見，在此深表謝意。此外，還要感謝本書編輯——來自CRCPress的Li-MingLeong，在他的大力支持下，本書方得以順利出版。　　最后，還要感謝Kyung-Ok、Jeehee和Jihoon，感謝你們的陪伴，我愛你們。

內(nèi)容概要

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)--基于3D圖形開發(fā)技術(shù)》編著者JungHyun Han。
《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)——基于3d圖形開發(fā)技術(shù)》詳細(xì)闡述了與計(jì)算機(jī)游戲設(shè)計(jì)相關(guān)的基本解決方案及相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和法，主要包括游戲模型、頂點(diǎn)處理機(jī)制、光柵化操作、片元處理和輸出合并、光照著色、參數(shù)曲線和表面、著色器模型、圖像紋理、凹凸貼圖、高級紋理操作、角色動畫以及物理模擬等內(nèi)容。此外，本書還提供了相應(yīng)代碼以及偽代碼，以幫助讀者進(jìn)一步理解相關(guān)方案的實(shí)現(xiàn)過程。
《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)——基于3d圖形開發(fā)技術(shù)》適合作為高等院校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的教材，也可作為相關(guān)開發(fā)人員的自學(xué)教材和參考手冊。

作者簡介

作者:(韓)韓正賢 譯者:劉鵬

書籍目錄

第1章 游戲模型
 1.1 游戲制作流程
 1.2 多邊形網(wǎng)格
 1.2.1 創(chuàng)建多邊形網(wǎng)格
 1.2.2 多邊形網(wǎng)格的表達(dá)方式
 1.2.3 表面法線
 1.3 模型導(dǎo)出和導(dǎo)入
 1.4 坐標(biāo)系統(tǒng)
 本章練習(xí)
第2章 頂點(diǎn)處理機(jī)制
 2.1 世界轉(zhuǎn)換
 2.1.1 仿射轉(zhuǎn)換以及齊次坐標(biāo)
 2.1.2 世界矩陣
 2.1.3 歐拉轉(zhuǎn)換
 2.1.4 表面法線的轉(zhuǎn)換
 2.2 視見轉(zhuǎn)換
 2.2.1 相機(jī)空間
 2.2.2 空間轉(zhuǎn)換和視見矩陣
 2.3 逐頂點(diǎn)光照
 2.4 投影轉(zhuǎn)換
 2.4.1 視見體
 2.4.2 投影矩陣
 2.4.3 投影矩陣的推導(dǎo)過程
 本章練習(xí)
第3章 光柵化操作
 3.1 剪裁操作
 3.2 透視除法
 3.3 背面剔除操作
 3.4 再訪坐標(biāo)系統(tǒng)
 3.4.1 3ds max至opengl——翻轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸
 3.4.2 opengl至direct3d——反射
 3.4.3 opengl至direct3d——頂點(diǎn)重排列
 3.5 視口轉(zhuǎn)換
 3.6 掃描轉(zhuǎn)換
 3.7 應(yīng)用：對象拾取操作
 3.7.1 計(jì)算世界空間中的光線
 3.7.2 光線-對象相交測試
 本章練習(xí)
第4章 片元處理和輸出合并
 4.1 紋理操作
 4.1.1 紋理坐標(biāo)
 4.1.2 表面參數(shù)化操作
 4.1.3 紋理坐標(biāo)與紋素地址
 4.2 輸出合并
 4.2.1 z緩沖區(qū)機(jī)制
 4.2.2 alpha混合
 4.3 z剔除操作
 4.3.1 單元（tile）剔除
 4.3.2 預(yù)寫z值
 本章練習(xí)
第5章 光照和著色
 5.1 phong光照模型
 5.1.1 漫反射
 5.1.2 鏡面反射
 5.1.3 環(huán)境反射
 5.1.4 發(fā)射光
 5.2 著色和著色語言
 5.2.1 頂點(diǎn)和片元著色器
 5.2.2 高級著色語言
 5.3 管線中的光照機(jī)制
 5.3.1 hlsl中的逐頂點(diǎn)光照機(jī)制
 5.3.2 逐頂點(diǎn)光照與逐片元光照
 5.3.3 hlsl中的逐片元光照
 5.4 全局光照
 5.4.1 光線跟蹤
 5.4.2 輻射度
 本章練習(xí)
第6章 參數(shù)曲線和表面
 6.1 參數(shù)曲線
 6.1.1 bezier曲線
 6.1.2 hermite曲線和catmull-rom樣條
 6.2 應(yīng)用：相機(jī)路徑
 6.3 bezier表面
 6.3.1 雙線性面片
 6.3.2 雙二次bezier面片
 6.3.3 雙三次bezier面片
 6.3.4 bezier三角形
 本章練習(xí)
第7章 著色器模型
 7.1 著色器模型4和幾何體著色器
 7.2 應(yīng)用：動態(tài)粒子系統(tǒng)
 7.2.1 粒子的物理模擬
 7.2.2 焰火模擬
 7.2.3 渲染焰火
 7.3 著色器模型5和拼接操作
 7.4 應(yīng)用：pn三角形
 7.4.1 計(jì)算控制點(diǎn)
 7.4.2 計(jì)算控制法線
 7.4.3 pn三角形拼接操作
 本章練習(xí)
第8章 圖像紋理
 8.1 紋理尋址模式
 8.2 紋理過濾機(jī)制
 8.2.1 放大操作
 8.2.2 縮小操作
 8.3 紋理鏈
 8.3.1 紋理鏈的構(gòu)建過程
 8.3.2 紋理鏈過濾機(jī)制
 8.3.3 紋理鏈過濾的選取方案
 8.4 各向異性過濾機(jī)制
 本章練習(xí)
第9章 凹凸貼圖
 9.1 高度場
 9.2 法線貼圖原理
 9.2.1 法線貼圖
 9.2.2 法線貼圖算法
 9.3 切空間法線貼圖
 9.3.1 切空間法線貼圖算法
 9.3.2 切空間計(jì)算
 9.4 法線貼圖應(yīng)用
 9.5 視差貼圖
 9.6 偏置貼圖
 本章練習(xí)
第10章 高級紋理操作
 10.1 環(huán)境貼圖
 10.1.1 立方體貼圖
 10.1.2 立方體貼圖訪問機(jī)制
 10.1.3 動態(tài)立方體貼圖
 10.2 光照貼圖
 10.2.1 漫反射光照貼圖
 10.2.2 輻射度法線貼圖
 10.3 陰影貼圖
 10.3.1 陰影貼圖算法
 10.3.2 基于陰影貼圖的著色器代碼
 10.3.3 陰影貼圖過濾機(jī)制
 10.4 環(huán)境遮擋
 10.5 延遲著色
 本章練習(xí)
第11章 角色動畫
 11.1 關(guān)鍵幀動畫
 11.2 旋轉(zhuǎn)
 11.2.1 歐拉角插值
 11.2.2 四元數(shù)表達(dá)方式
 11.2.3 基于四元數(shù)的旋轉(zhuǎn)
 11.2.4 四元數(shù)插值
 11.3 層次結(jié)構(gòu)建模以及空間變換
 11.3.1 層次結(jié)構(gòu)模型
 11.3.2 骨骼間的空間變換
 11.3.3 世界空間至骨骼空間的轉(zhuǎn)換
 11.4 前向運(yùn)動學(xué)
 11.5 蒙皮和關(guān)鍵幀動畫
 11.5.1 蒙皮
 11.5.2 關(guān)鍵幀動畫中的蒙皮
 11.6 逆向運(yùn)動學(xué)
 11.6.1 解析法
 11.6.2 循環(huán)坐標(biāo)下降法
 本章練習(xí)
第12章 物理模擬
 12.1 懲罰方案
 12.2 沖量方案
 12.2.1 沖量
 12.2.2 基于沖量的碰撞求解方案
 12.3 碰撞檢測
 12.3.1 色圍體及其層次結(jié)構(gòu)
 12.3.2 三角形-三角形相交測試
 本章練習(xí)
 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：    圖5.1（c）顯示了僅采用環(huán)境光項(xiàng)渲染的茶壺對象。由于與茶壺表面并無太大差異，因而渲染結(jié)果類似于2D對象。 環(huán)境光項(xiàng)類似于真實(shí)光照世界中對象問的多次反射結(jié)果，觀察者可看到場景中的陰暗角落（該場景并非由光源直接照射）。例如，在圖5.1（a）和圖5.1（b）中，由于未被直接照亮，因而茶壺對象的右下角呈現(xiàn)為黑色。相比較而言，圖5.1（c）中茶壺對象的同一部位被照亮。然而，式（5.10）中所定義的環(huán)境光項(xiàng)過于簡單，因而無法捕捉到真實(shí)世界中間接光照的細(xì)節(jié)內(nèi)容。10.4節(jié)將介紹一種技術(shù)，可增加環(huán)境反射的細(xì)節(jié)內(nèi)容。 5.1.4發(fā)射光 發(fā)射光項(xiàng)描述了對象表面自身所發(fā)射的光線量，可將其簡單地定義為RGB顏色值并記為me。圖5.1（d）顯示了僅采用發(fā)射光項(xiàng)的渲染結(jié)果（該對象包含較少的發(fā)射光顏色值）。需要注意的是，在局部光照模型中，發(fā)射光對象并非是光源，且并不照亮場景中的其他對象。 Phong光照模型對上述4項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行求和計(jì)算，進(jìn)而確定對象表面的顏色值。 圖5.1（e）顯示了求和結(jié)果。如果對象自身并不發(fā)光，則可簡單地移除發(fā)射光項(xiàng)me。如果對象接近Lambertian表面，則md的RGB分量較大，me的RGB分量則較小。為了逼真地描述發(fā)光金屬表面，ms應(yīng)定義為較大值。 5.2著色和著色語言 近年來，GPU性能獲得了顯著的提升。GPU包含強(qiáng)大的并行體系結(jié)構(gòu)，因而可針對頂點(diǎn)和片元實(shí)現(xiàn)彼此獨(dú)立的細(xì)顆粒度操作。另外，包含固定功能處理器的GPU具備可編程能力，進(jìn)而可增強(qiáng)某些特定的固定功能。實(shí)際上，類似于中央處理器單；元CPU，基于圖形處理單元的GPU同樣內(nèi)嵌了可編程芯片。 5.2.1頂點(diǎn)和片元著色器 著色是指通過調(diào)整光照級別進(jìn)而描述3D對象中的深度感知效果。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，光照效果可通過光照模型進(jìn)行計(jì)算。這里，運(yùn)行TGPU之上的可執(zhí)行程序稱為著色器，其主要任務(wù)就是著色。 圖5.6基本上可視為圖2.1的副本，并顯示了渲染管線中的第一個(gè)著色器，即頂點(diǎn)著色器（也稱為頂點(diǎn)程序）。頂點(diǎn)著色器的輸入和輸出可視為包含頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的一種結(jié)構(gòu)，如位置、顏色值、紋理坐標(biāo)等。對于各個(gè)頂點(diǎn)，頂點(diǎn)著色器僅執(zhí)行一次。各個(gè)頂點(diǎn)均獨(dú)自進(jìn)行處理。因此，GPU的并行結(jié)構(gòu)適用于同步處理大量的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。 通過頂點(diǎn)著色器輸出的頂點(diǎn)可組裝為圖元（如三角形），同時(shí)，硬件光柵器則生成片元以對圖元進(jìn)行填充。隨后，片元著色器1（也稱為片元程序）針對各個(gè)片元執(zhí)行一次，并計(jì)算片元的顏色值。

編輯推薦

《計(jì)算機(jī)圖形學(xué):基于3D圖形開發(fā)技術(shù)》適合作為高等院校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的教材，也可作為相關(guān)開發(fā)人員的自學(xué)教材和參考手冊。

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