3D計算機圖形學（OpenGL版）

圖書信息

作者：Samuel R.Buss著、唐龍等譯 圖書詳細信息：
裝幀：平裝
印刷日期：2007-11-28

圖書簡介

本書計畫的形成是依據我作為一個數學學術研究者的個人經驗和在多個套用計算機項目，在教授這門課程中，我確信需要這樣一本書，來介紹計算機圖形學的基礎數學理論。
寫此書的另一動力是我涉及一些虛擬現實和計算機遊戲的項目。本書中所包含的許多話題作為主要內容提出，其原因是我發現它們常用在計算機遊戲應用程式中。當前計算機遊戲和虛擬現實應用程式是技術上要求很多的軟體項目：這些應用程式要求軟體能夠顯示令人信服的三維環境。通常，應用程式必須保持跟上多個目標的運動；維持住主要目標的有關光照，色彩和紋理等信息；並在螢幕上以每秒30或60幀顯示。此外，需要相當高的藝術性和創造性的技巧來做成為一種適宜的三維環境。毫不奇怪，這要求由大量程式設計師、藝術家和設計師進行成熟的軟體開發。

圖書前言

最近10年，計算機圖形學有著異常的發展，從二維（2D）圖形進步到複雜的、高質量的三維（3D）的環境。在娛樂方面，電影和計算機遊戲中廣泛地使用計算機圖形學。卡通片發展到完全靠計算機製作。甚至非卡通片也主要依靠計算機圖形學去開發特定的效果。例如，20世紀70年代中期電影“星球大戰”的成功就是個證明。
計算機圖形學在非娛樂方面也有重要套用。例如，在學習訓練中經常使用虛擬現實系統。對於科學計算可視化和計算機輔助設計（CAD），計算機圖形學是一種不可缺少的工具。我們需要有很好的方法，以便直觀地顯示大量數據集和大規模的科學仿真結果。
自從計算機出現以來，20世紀60年代初就開始熱起來的計算機圖形學的藝術和科學已經很有進展。計算機圖形學發展成一個豐富多彩，深奧且有吸引力的領域。本書的目的瞄準計算機圖形學的數學基礎，並用OpenGL編程做具體介紹。我深信對於計算機圖形學的任何一種高級套用，懂得數學的基礎知識都是很重要的。為此，本書試圖做到完全覆蓋計算機圖形學的基礎數學知識。此原則指導著本書的選材，選用對計算機圖形學的從業者，尤其是對軟體開發有實際重要意義的話題。我希望本書對用在該領域的標準工具，尤其是對這些工具背後的數學理論，做全面的介紹。
關於本書
本書計畫的形成是依據我作為一個數學學術研究者的個人經驗和在多個套用計算機項目，包括計算機遊戲和虛擬現實等項目的實踐。當我在San Digo加州大學（UCSD）給一個數學班講授計算機圖形學和幾何時，就開始寫本書。構成該課程的內容包括介紹用OpenGL編寫三維圖形學程式和計算機圖形學的數學基礎知識。在教授這門課程中，我確信需要這樣一本書，來介紹計算機圖形學的基礎數學理論。
寫此書的另一動力是我涉及一些虛擬現實和計算機遊戲的項目。本書中所包含的許多話題作為主要內容提出，其原因是我發現它們常用在計算機遊戲應用程式中。當前計算機遊戲和虛擬現實應用程式是技術上要求很多的軟體項目：這些應用程式要求軟體能夠顯示令人信服的三維環境。通常，應用程式必須保持跟上多個目標的運動；維持住主要目標的有關光照，色彩和紋理等信息；並在螢幕上以每秒30或60幀顯示。此外，需要相當高的藝術性和創造性的技巧來做成為一種適宜的三維環境。毫不奇怪，這要求由大量程式設計師、藝術家和設計師進行成熟的軟體開發。
3D計算機圖形學要求很寬廣的數學，這或許有點令人感到驚訝。然而，這是客觀存在的事實。而且，數學趨向於高雅和跨學科。計算機圖形學需用數學知識使來自各個領域的構造和方法組成在一起。這些領域包括：幾何學、計算方法、線性代數、數值分析、抽象代數、數據結構和算法。實際上，計算機圖形學是數學的組合性和優雅性套用的最好佐證。
本書呈現了套用和理論主題的結合。在更多的地方，我建議採用OpenGL，它是一種對3D圖形非常有用的、自由的、跨平台的編程環境。本書給出了可以免費網際網路下載的OpenGL程式的C和C++代碼，並介紹OpenGL如何實現本書所討論的許多數學概念。本書還描述了一個光線追蹤軟體包；該軟體包也可以從網際網路絡下載。在理論方面，本書強調計算機圖形學的數學基礎，遠超過我所見到的任何其他教材。對於有可能使用的諸如OpenGL或Direct3D這類工具，或者稍微擴展，CAD程式，我深信計算機圖形學的數學基礎知識都是相當重要的。
在本書中，所選擇數學主題依據是它們對於圖形學的重要性和相關性。當然，如果對計算機圖形學很關鍵的概念，例如，等軸測坐標的投影幾何表示，我會毫不猶豫地介紹。如果你要正確地使用計算機圖形軟體技術，良好的數學知識使無價的，如果你要開發新的或有創造性的使用計算機圖形學，很好數學知識就更重要。
如何使用本書
本書側重於作為教科書，作為自學的材料或是參考資料使用。特彆強調建議你試運隨本書提供的程式，寫一些你自己的OpenGL程式。請注意，本書最好與一本介紹用OpenGL編程的書聯繫一起讀。
第1章引言，介紹計算機圖形學的基本概念；繪製點、線和多邊形；以多邊形來造型；動畫；OpenGL編程入門。
第2章變換與視圖，討論繪製流水線，線性和仿射變換，二維和三維矩陣，平移和旋轉，homogeneous坐標，在OpenGL中的變換，正交視圖和透視變換，投影幾何，像素化，Gouraud和掃描線插值，Bresenham 算法。
第3章光照、亮度和著色，發表Phong光照模型；周圍環境光，漫反射和鏡面反射；在OpenGL中的光照和物質屬性；Cook?Torrance光照模型。
第4章均值與插值，提出線性插值；重心坐標，雙線性插值，凸面，雙曲線插值，球面的線性插值。這是較多數學的一章，帶有在本書其他地方用到的許多工具。在初次讀時，你也許希望跳過本章好多地方，當需要時再回來讀。
第5章紋理映射，討論紋理和紋理坐標，映射，超採樣和顫動，撞擊映射，環境映射，以及OpenGL中的紋理映射。
第6章色彩，色彩感知的發表，加和減色彩，RGB和HSL色彩的表達。
第7章貝塞爾曲線，三階和通用階次的貝塞爾曲線；De Casteljau 方法；細分；分段貝塞爾曲線；Hermite 多項式；貝塞爾曲面片；OpenGL中的貝塞爾曲線；有理貝塞爾曲線；圓錐曲線段，階次的提高；Catmull?Rom, Bessel?Overhauser插值，緊張?連續性?斜偏的樣條；貝塞爾曲面插入。
第8章B樣條曲線，描述規則的和不規則的B樣條及其特性，OpenGL中的B樣條，de Boor 算法，Blossoms，平滑特性，有理的B樣條（NURBS），圓錐形截面，結點插入，貝塞爾曲線的關係，以及用B樣條曲線插入。本章混合有介紹性話題和較專業化話題。我們給全部證明，但建議在初次讀時跳過這些證明。
第9章光線跟蹤，提出遞歸光線跟蹤、反射和透射，分散式光線跟蹤，逆向光線跟蹤，還有逃離以及避免光線跟蹤的技巧。
第10章相交測試，描述與球面、平面、三角形，多邊行及其他面的相交測試，和體邊界定址，還有修枝相交測試。
第11章輻射度，給出路徑，組成因子，以及輻射度公式；半立方體方法；Jacobi, Gauss?Seidel和Southwell重複方法
第12章動畫與運動學，討論關鍵幀，靈活地移入和靈活地移出，定方位表達方式，公式，插入公式，有關節剛性多形體的向前和反向的運動學。
附錄A數學背景，複習矢量，矩陣，線性代數和計算。
附錄B射線追蹤軟體包，介紹光線跟蹤軟體包。該軟體可免費下載。

3D計算機圖形學（OpenGL版）

基本介紹

圖書信息

圖書簡介

圖書前言

圖書目錄

相關詞條

熱門詞條