《基於物理的建模與動畫》是2020年12月電子工業出版社出版的圖書，作者為[美]Donald H. House（唐納德·豪斯）、[美]John C. Keyser（約翰·凱澤），譯者為葉勁峰等。
基本介紹
- 書名：基於物理的建模與動畫
- 作者：[美]Donald H. House（唐納德·豪斯）、[美]John C. Keyser（約翰·凱澤）
- 譯者：葉勁峰
- 出版社：電子工業出版社
- 出版時間：2020年12月
- 頁數：392 頁
- 定價：109.00 元
- 開本：16 開
- ISBN：9787121386749
內容簡介,圖書目錄,作者簡介,
內容簡介
《基於物理的建模與動畫》基於原作者開設的一門關於物理建模的課程編寫而成，概括地介紹了這一領域的知識，包括對粒子、粒子系統、剛體、約束系統、鉸接體、流體等的模擬，還深入介紹了相關的數學知識。本書兼具實用性與理論性，既有豐富的偽代碼供讀者參考，也有詳細的理論推導幫助讀者深入地理解相關的概念。
本書適合計算機專業的中高年級本科生、研究生學習，也可供涉足該領域的研究人員、工程師參考。
圖書目錄
第1部分 基礎
第1章 導論
1.1 什麼是基於物理的動畫
1.2 動態模擬與離散事件模擬
1.3 數學記法約定
1.4 工具包及商用軟體
1.5 本書結構
第2章 模擬的基礎
2.1 模型及模擬
2.2 牛頓運動定律
2.3 在一維中落下一個球
2.4 運動的微分方程
2.5 基本的模擬循環
2.6 數值近似方法
2.7 空氣中的三維運動
2.7.1 跟蹤三個維度
2.7.2 空氣阻力
2.7.3 風
2.8 總結
第3章 追蹤彈跳球
3.1 與平面碰撞
3.1.1 碰撞檢測
3.1.2 碰撞測定
3.1.3 更改模擬循環
3.2 碰撞回響
3.2.1 彈性
3.2.2 摩擦力
3.2.3 把所有結合起來
3.3 實現彈跳球
3.3.1 數值精度
3.3.2 靜止條件
3.4 多邊形的幾何學
3.5 點與多邊形的碰撞
3.6 特例：三角形相交
3.7 總結
第2部分 基於粒子的模型
第4章 粒子系統
4.1 什麼是粒子系統
4.2 隨機數、隨機矢量及隨機點
4.3 粒子生成器
4.4 粒子模擬
4.4.1 運算的編排
4.4.2 撤銷粒子
4.4.3 碰撞
4.4.4 幾何
4.4.5 高效的隨機數
4.5 粒子渲染
4.5.1 點及劃痕
4.5.2 精靈
4.5.3 幾何圖形
4.5.4 體積渲染
4.6 總結
第5章 粒子編排
5.1 加速度操作
5.1.1 引力吸引器
5.1.2 隨機加速度
5.1.3 拖拽與反拖拽
5.1.4 速度限制器
5.2 速度操作
5.2.1 仿射速度操作
5.2.2 旋渦
5.3 避障
5.3.1 勢場
5.3.2 操控
5.4 總結
第6章 互動粒子系統
6.1 狀態向量
6.1.1 單一粒子的狀態向量
6.1.2 互動粒子的狀態向量
6.1.3 實現
6.2 擴展狀態的概念
6.3 空間數據結構
6.3.1 均勻空間格線
6.3.2 八叉樹
6.3.3 kd樹
6.4 天文模擬
6.4.1 聚簇
6.4.2 一個採用均勻空間格線的簡單算法
6.4.3 一個採用八叉樹的自適應算法
6.5 群集系統
6.5.1 核心算法
6.5.2 距離與視域
6.5.3 加速度的優先權
6.5.4 繞過障礙
6.5.5 轉向與側飛
6.6 總結
第7章 數值積分
7.1 級數展開與積分
7.2 韋爾萊積分與蛙跳積分
7.2.1 基礎韋爾萊積分
7.2.2 速度韋爾萊積分
7.2.3 蛙跳積分
7.3 龍格–庫塔積分
7.3.1 一階和二階龍格–庫塔法
7.3.2 四階龍格–庫塔法
7.4 高階數值積分的實現
7.4.1 狀態向量算法
7.4.2 用更高階積分做碰撞檢測
7.5 積分的精度和穩定性
7.5.1 指數衰減和正弦振盪
7.5.2 指數衰減的積分
7.5.3 正弦振盪的積分
7.5.4 RK方法的性能
7.5.5 阻尼與穩定性
7.6 自適應時步
7.7 隱式積分
7.7.1 直接求解隱式積分
7.7.2 雅克比和線性化函式
7.7.3 求根法求解隱式積分
7.7.4 隱式公式的精度和穩定性
7.8 總結
第8章 可形變彈性格線
8.1 阻尼彈性連線件
8.1.1 阻尼彈簧的數學原理
8.2 彈性格線
8.2.1 支撐桿——一種彈性格線的三維結構元素
8.2.2 用支撐桿構造一個彈性格線
8.2.3 空氣阻力與風
8.2.4 彈性格線的模擬
8.2.5 結構剛度
8.3 扭轉彈簧
8.3.1 力矩
8.3.2 根據扭轉彈簧計算力矩
8.3.3 根據扭轉彈簧計算頂點受力
8.3.4 帶有扭轉彈簧的格線的模擬
8.4 選擇好的參數
8.5 碰撞
8.5.1 碰撞的類型
8.5.2 碰撞確定
8.5.3 彈性物體的碰撞回響
8.6 晶格形變器
8.7 布料建模
8.8 總結
第3部分 剛體動力學與約束動力學
第9章 剛體動力學
9.1 剛體狀態
9.2 剛體屬性
9.2.1 質心
9.2.2 慣性張量
9.3 剛體運動
9.3.1 力矩
9.3.2 更新剛體狀態
9.3.3 四元數表示法
9.4 實現
9.5 總結
第10章 剛體的碰撞與接觸
10.1 剛體碰撞
10.1.1 與靜態物體的無摩擦碰撞
10.1.2 兩個運動物體間的無摩擦碰撞
10.2 碰撞檢測
10.2.1 包圍體
10.2.2 粗略碰撞檢測
10.2.3 精確碰撞檢測
10.3 線性互補問題
10.3.1 處理多個接觸剛體
10.3.2 作為LCP的多個碰撞與靜止接觸
10.3.3 摩擦力轉為LCP
10.4 總結
第11章 約束
11.1 罰函式
11.1.1 P（比例）控制器
11.1.2 PD（比例微分）控制器
11.1.3 PID（比例積分微分）控制器
11.2 約束動力學
11.2.1 單約束
11.2.2 多約束
11.3 約化坐標
11.3.1 廣義坐標和廣義速度
11.3.2 動能、功和勢能
11.3.3 拉格朗日量與拉格朗日方程
11.3.4 落球的例子
11.3.5 鐘擺的例子
11.3.6 線上運動的珠子的例子
11.4 總結
第12章 鉸接體
12.1 鉸接體的結構
12.2 鉸接體的動態狀態
12.3 空間代數
12.3.1 空間速度與加速度
12.3.2 空間變換
12.3.3 空間力
12.3.4 空間轉置
12.3.5 空間內積
12.3.6 空間叉積
12.4 空間代數記號下速度和加速度的傳遞
12.5 空間孤立量
12.6 第一次循環
12.7 計算空間鉸接量
12.8 計算構件加速度
12.9 推廣到樹狀鉸接體
12.10 總結
第4部分 流體動力學
第13章 流體動力學基礎
13.1 拉格朗日模擬與歐拉模擬
13.2 流體模擬的數學背景知識
13.2.1 標量場和矢量場
13.2.2 梯度
13.2.3 散度
13.2.4 旋度
13.2.5 拉普拉斯算符
13.3 納維–斯托克斯方程
13.4 勢流場
13.5 總結
第14章 光滑粒子流體動力學
14.1 空間採樣和重構
14.2 粒子加速度計算
14.2.1 壓強梯度
14.2.2 擴散
14.2.3 外部加速度和碰撞
14.3 核函式
14.4 流體表面和表面張力
14.5 模擬算法
14.6 總結
第15章 有限差分算法
15.1 有限差分
15.1.1 數值微分
15.1.2 微分算符
15.1.3 採樣和插值
15.1.4 CFL條件
15.2 半拉格朗日法
15.2.1 w1增加外部加速度
15.2.2 w2用回溯法實現拉格朗日對流
15.2.3 w3速度擴散的隱式積分
15.2.4 w4得到一個無散速度場
15.2.5 煙模擬計算的結構
15.2.6 水模擬計算的結構
15.3 FLIP
15.4 總結
附錄A 矢量
附錄B 矩陣代數
附錄C 仿射變換
附錄D 坐標系統
附錄E 四元數
附錄F 重心坐標
索引
作者簡介
Donald H. House是美國南加州的克萊門森大學計算機學院計算機視覺部門的主席和教授。他在美國聯合學院獲得了數學學士學位，倫斯勒理工學院獲得了電氣工程碩士學位，阿默斯特的麻薩諸塞大學獲得計算機與信息科學博士學位。他早年的研究包括布料模擬、基於物理的動畫，最近的研究則專注於不確定性視覺的認知和感知最佳化。
John C. Keyser是美國德克薩斯州農工大學計算機科學與工程系的學術副主任和教授。他在阿比林基督大學獲得了套用數學、工程物理和計算機科學的學士學位，北卡羅來納大學獲得計算機科學博士學位。他的研究領域包括了計算機圖形學的多個主題，特別是基於物理的模擬和實體造型。
葉勁峰（Milo Yip），從小自習編程，並愛好計算機圖形學。上中學時兼職開發策略RPG《王子傳奇》，該遊戲在1995年於台灣發行。其後他獲取了香港大學認知科學學士、香港中文大學系統工程及工程管理哲學碩士。畢業後在香港理工大學設計學院從事遊戲引擎及相關技術的研發，職至項目主任。除發表學術文章外，也曾合著《DirectX9遊戲編程實務》。2008年往上海育碧擔任引擎工程師開發《美食從天而降（Cloudy with a Chance of Meatballs）》Xbox360/PS3/Wii/PC，2009年起於麻辣馬開發《愛麗絲：瘋狂回歸（Alice: Madness Returns）》Xbox360/PS3/PC，2011年加入騰訊互動娛樂引擎技術中心擔任專家工程師，所研發的技術已用於《鬥戰神》、《天涯明月刀》、《眾神爭霸》等項目中。
