現代計算機圖形學基礎

《現代計算機圖形學基礎》是2020年6月清華大學出版社出版的圖書，作者是黃華，張磊。本書介紹了幾何建模、真實感繪製、計算機動畫等傳統圖形學的內容，還著重闡述了數字幾何處理、非真實感繪製、基於圖形的影像處理、計算攝像、GPU圖形計算等圖形學的新進展。

基本介紹

• 中文名：現代計算機圖形學基礎
• 作者：黃華，張磊
• 出版社：清華大學出版社 
• ISBN：9787302552710

內容簡介

計算機圖形學是研究真實或虛擬物體在計算機中的圖形表示及互動的一門學科，在計算機輔助設計與製造、計算機動畫、計算機遊戲、計算機仿真、虛擬現實、科學計算可視化等領域有著廣泛的套用。隨著數字媒體、虛擬/增強/混合現實、大數據、人工智慧、可視分析等技術的發展，計算機圖形學的理論和方法不斷地充實與更新，已經廣泛套用到大量的科學和工程領域，成為現代計算機套用中不可缺少的重要分支。

本書涵蓋了計算機圖形學的眾多基礎內容，不僅介紹了幾何建模、真實感繪製、計算機動畫等傳統圖形學的內容，還著重闡述了數字幾何處理、非真實感繪製、基於圖形的影像處理、計算攝像、GPU圖形計算等圖形學的新進展。其中，不少章節的內容都取自近二十年內計算機圖形學領域的高水平學術論文和產業技術。此外，本書還給出了很多重要概念和方法的實例，並提供了一些代表性算法的關鍵實現步驟的代碼。

本書不僅可以作為高等院校計算機相關專業的“計算機圖形學”課程教材，也可以作為計算機圖形學科研工作者和產業界技術人員的參考用書。

圖書目錄

第1章引言/1

1.1計算機圖形學的概念1

1.2計算機圖形學的發展2

1.2.120世紀60年代3

1.2.220世紀70年代4

1.2.320世紀80年代5

1.2.420世紀90年代6

1.2.521世紀7

1.3計算機圖形學與其他學科的關係7

1.4計算機圖形學的套用9

1.5小結11

思考題11

第2章基礎知識/12

2.1圖形的顯示12

2.2幾何變換14

2.2.1模型變換15

2.2.2視點變換17

2.2.3投影變換19

2.2.4視窗變換21

2.3光柵化處理22

2.3.1簡單圖元生成22

2.3.2多邊形填充24

2.3.3剔除25

2.3.4可見性判斷26

2.4圖形硬體28

2.5小結29

思考題29

第3章幾何建模/30

3.1數學基礎303.1.1幾何形狀的數學形式30

3.1.2幾何性質32

3.1.3建模工具34

3.2自由曲線/曲面建模35

3.2.1平面三次多項式曲線35

3.2.2Bézier曲線/曲面36

3.2.3B樣條曲線/曲面38

3.3細分曲面建模41

3.3.1CatmullClark細分曲面41

3.3.2DooSabin細分曲面43

3.3.3Loop細分曲面44

3.3.4Butterfly細分曲面45

3.4三維重建46

3.4.1被動式與主動式建模46

3.4.2基於圖像的三維重建47

3.4.3基於視頻的三維重建50

3.4.4基於雷射測距的三維重建51

3.4.5基於Kinect的三維重建53

3.5其他建模方法54

3.5.1分形54

3.5.2基於粒子系統的建模55

3.5.3基於語言學的建模55

3.6幾何數據結構56

3.6.1構造實體幾何模型56

3.6.2邊界模型57

3.7小結59

思考題59

〖1〗現代計算機圖形學基礎目錄〖3〗〖3〗第4章數字幾何處理/60

4.1幾何基礎60

4.1.1幾何模型60

4.1.2幾何性質62

4.2格線去噪64

4.2.1基本方法64

4.2.2Laplacian平滑65

4.3格線簡化67

4.3.1頂點聚類68

4.3.2漸進式格線69

4.4格線參數化70

4.4.1數學模型71

4.4.2平面參數化72

4.4.3球面參數化76

4.4.4基域參數化77

4.5重新格線化77

4.5.1格線質量78

4.5.2漸進式重新格線化78

4.5.3重心Voronoi圖填充重新格線化79

4.5.4基於參數化的重新格線化80

4.6格線編輯81

4.6.1自由編輯81

4.6.2帶約束的編輯83

4.6.3編輯遷移84

4.7格線形變84

4.7.1基於參數化的格線形變84

4.7.2基於微分坐標的格線形變85

4.8小結86

思考題86

第5章真實感繪製/88

5.1光照88

5.2BRDF和著色91

5.2.1BRDF92

5.2.2著色94

5.3紋理映射99

5.3.1簡單的紋理映射99

5.3.2環境映射102

5.3.3凹凸映射102

5.4光線跟蹤繪製104

5.4.1基本原理104

5.4.2光線投射模型105

5.4.3光線跟蹤模型105

5.4.4光線跟蹤加速108

5.4.5光線跟蹤的其他改進110

5.5輻射度繪製110

5.5.1基本原理111

5.5.2輻射度繪製模型111

5.5.3輻射度方程的數值計算112

5.6特殊效果繪製113

5.7小結115

思考題115

第6章非真實感繪製/116

6.1概述116

6.2基於筆畫建模的繪製118

6.2.1筆畫模型118

6.2.2油畫風格化繪製119

6.2.3水彩畫風格化繪製126

6.2.4素描風格化繪製126

6.3基於紋理合成的繪製127

6.3.1基於風格類比的紋理合成繪製方法128

6.3.2基於筆畫的紋理合成繪製方法129

6.4基於圖像濾波的繪製131

6.4.1基於流體場的雙邊濾波繪製131

6.4.2基於亮度的雙邊濾波繪製132

6.4.3基於紋理/結構分層的濾波繪製133

6.5視頻非真實感繪製134

6.5.1基於幀間光流的筆畫繪製135

6.5.2基於視頻體的筆畫繪製136

6.6基於深度學習的繪製137

6.6.1基於卷積神經網路的風格遷移137

6.6.2基於生成對抗網路的風格遷移139

6.7小結140

思考題140

第7章基於圖形的影像處理/142

7.1影像摳圖142

7.1.1藍屏摳圖144

7.1.2基於三色圖的自然圖像摳圖145

7.1.3基於筆畫的自然圖像摳圖147

7.1.4基於閃光的自然圖像摳圖149

7.1.5視頻摳圖149

7.2影像縮放150

7.2.1圖像縫隙增刪151

7.2.2圖像格線變形153

7.2.3視頻縮放方法154

7.3影像融合155

7.3.1泊松圖像融合156

7.3.2基於均值坐標插值的圖像融合156

7.3.3視頻融合方法158

7.4影像拼接158

7.4.1儘可能單應變換的圖像拼接159

7.4.2形狀保持的半單應變換圖像拼接160

7.4.3自適應混合變換圖像拼接162

7.4.4視頻拼接162

7.5影像編輯163

7.5.1顏色遷移164

7.5.2圖像變形165

7.5.3編輯傳播166

7.5.4視頻去抖168

7.6小結170

思考題170

第8章計算攝像/171

8.1攝像學的發展171

8.1.1成像設備171

8.1.2成像原理174

8.1.3相機成像176

8.2數字攝像177

8.2.1去馬賽克177

8.2.2白平衡179

8.2.3色調映射181

8.2.43A調整182

8.3計算攝像183

8.3.1計算成像編/解碼184

8.3.2性能分析187

8.4計算光場成像187

8.4.1基於光場的重對焦成像188

8.4.2基於光圈編碼的去散焦成像189

8.5計算光譜成像190

8.5.1傳統光譜成像190

8.5.2基於掩膜分光鏡的計算光譜成像191

8.5.3基於雙相機壓縮感知的計算光譜成像192

8.5.4基於成像機理的計算光譜復原194

8.6小結196

思考題196

第9章計算機動畫/197

9.1動畫製作197

9.1.1傳統動畫197

9.1.2計算機動畫概述198

9.1.3動畫製作流程199

9.2關鍵幀插值200

9.2.1形狀保持的圖像形變插值201

9.2.2形狀保持的三維格線形變插值203

9.3物理模擬204

9.4運動捕捉206

9.4.1主動式運動捕捉207

9.4.2被動式運動捕捉208

9.4.3運動重定向208

9.5群體動畫209

9.5.1FlockandBoid模型211

9.5.2社會力模型212

9.6小結213

思考題213

第10章基於GPU的圖形計算/215

10.1GPU簡介215

10.1.1組成結構215

10.1.2並行處理216

10.1.3GPU的發展217

10.2數值計算218

10.2.1計算模式218

10.2.2通用數值計算220

10.3GPU快速建模221

10.3.1GPU加速的NURBS建模221

10.3.2GPU加速的泊松三維重建223

10.4GPU快速繪製224

10.4.1GPU加速的光線跟蹤繪製224

10.4.2GPU加速的輻射度繪製224

10.5GPU計算光譜成像226

10.6小結227

思考題228

參考文獻/229

作者簡介

黃華，北京理工大學計算機學院教授，國家傑出青年基金和中國青年科技獎獲得者，萬人計畫科技創新領軍人才入選者。分別於1996、2001、2006年在西安交通大學獲得工學學士、碩士、博士學位。主要研究圖像與視頻處理、計算機圖形學。主持國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計畫項目等。