3D计算机图形学（原书第3版）

第1章  计算机图形学的数学基础  1
 1.1  处理三维结构  1
 1.1.1  计算机图形学中的三维仿射变换  1
 1.1.2  改变坐标系的变换  6
 1.2  结构变形变换  7
 1.3  向量和计算机图形学  9
 1.3.1  向量的加法  9
 1.3.2  向量的长度  10
 1.3.3  法向量和叉积  10
 1.3.4  法向量和点积  11
 1.3.5  与法向量反射相关的向量  12
 1.4  光线和计算机图形学  13
 1.4.1  光线几何—相交  14
 1.4.2  相交—光线与球  14
 1.4.3  相交—光线与凸多边形  15
 1.4.4  相交—光线与包围盒  16
 1.4.5  相交—光线与二次形  18
 1.4.6  光线跟踪几何—反射和折射  18
 1.5  图像平面中的插值性质  20
 第2章  三维物体的表示和建模（1）  21
 引言  21
 2.1  三维物体的多边形表示  25
 2.1.1  创建多边形物体  28
 2.1.2  多边形物体的手工建模  29
 2.1.3  多边形物体的自动产生  29
 2.1.4  多边形物体的数学产生  30
 2.1.5  程序化的多边形网格物体—分形物体  34
 2.2  物体的构造实体几何表示  36
 2.3  物体表示的空间细分技术  38
 2.3.1  八叉树和多边形  40
 2.3.2  BSP树  41
 2.3.3  创建体素实体  42
 2.4  用隐函数表示物体  43
 2.5  场景管理和物体表示  44
 2.6  总结  48
 第3章  三维物体的表示和建模（2）  51
 引言  51
 3.1  Bezier曲线  53
 3.1.1  连接Bezier曲线段  58
 3.1.2  Bezier曲线性质总结  59
 3.2  B样条表示  60
 3.2.1  B样条曲线  60
 3.2.2  均匀B样条  61
 3.2.3  非均匀B样条  64
 3.2.4  B样条曲线性质总结  70
 3.3  有理曲线  70
 3.3.1  有理Bezier曲线  70
 3.3.2  NURBS  72
 3.4  从曲线到表面  73
 3.4.1  连续性和Bezier曲面片  76
 3.4.2  一个Bezier曲面片物体—Utah茶壶  78
 3.5  B样条表面的曲面片  79
 3.6  建立曲面片表面  82
 3.6.1  截面或线性轴设计实例  84
 3.6.2  控制多面体设计—基本技术  87
 3.6.3  用表面拟合来创建曲面片物体  90
 3.7  从曲面片到物体  94
 第4章  表示和绘制  97
 引言  97
 4.1  绘制多边形网格—简单综述  97
 4.2  绘制参数化表面  98
 4.2.1  直接由曲面片描述进行绘制  99
 4.2.2  曲面片向多边形转换  100
 4.2.3  物体空间细分  101
 4.2.4  图像空间细分  106
 4.3  绘制构造实体几何表示  108
 4.4  绘制体素表示  110
 4.5  绘制隐函数  110
 第5章  绘图流程（1）：几何操作  113
 引言  113
 5.1  绘图流程中的坐标空间  113
 5.1.1  局部坐标系或建模坐标系  113
 5.1.2  世界坐标系  114
 5.1.3  摄像机/眼睛/观察坐标系  114
 5.2  在观察空间中进行的操作  116
 5.2.1  消隐或背面清除  116
 5.2.2  视见体  116
 5.2.3  三维屏幕空间  118
 5.2.4  视见体和深度  120
 5.3  先进的观察系统（PHIGS和GKS）  123
 5.3.1  PHIGS观察系统概述  124
 5.3.2  观察方向参数  125
 5.3.3  观察映射参数  126
 5.3.4  观察平面的更详细讨论  127
 5.3.5  实现一个PHIGS型观察系统  128
 第6章  绘图流程（2）：绘制或算法过程  131
 引言  131
 6.1  在视见体上裁剪多边形  131
 6.2  对像素明暗处理  134
 6.2.1  局部反射模型  135
 6.2.2  局部反射模型—实际问题  139
 6.2.3  局部反射模型—关于光源的考虑  140
 6.3  插值明暗处理技术  140
 6.3.1  插值明暗处理技术—Gouraud明暗处理  140
 6.3.2  插值明暗处理技术—Phong明暗处理  141
 6.3.3  绘制程序的明暗处理选项  142
 6.3.4  Gouraud明暗处理和Phong明暗处理的比较  143
 6.4  光栅化  143
 6.4.1  光栅化边  143
 6.4.2  光栅化多边形  145
 6.5  绘制的顺序  146
 6.6  隐藏面消除  147
 6.6.1  Z缓冲器算法  148
 6.6.2  Z缓冲器和CSG表示  148
 6.6.3  Z缓冲器与合成  149
 6.6.4  Z缓冲器和绘制  150
 6.6.5  扫描线Z缓冲器  151
 6.6.6  跨跃式隐藏面消除  151
 6.6.7  一个跨跃式扫描线算法  151
 6.6.8  Z缓冲器和复杂场景  153
 6.6.9  Z缓冲器总结  154
 6.6.10  BSP树和隐藏面消除  155
 6.7  多路绘制和累加缓冲器  157
 第7章  模拟光线—物体相交：局部反射模型  161
 引言  161
 7.1  来自完全表面的反射  162
 7.2  来自不完全表面的反射  163
 7.3  双向反射分布函数  163
 7.4  漫反射分量和镜面反射分量  165
 7.5  完全漫反射—经验型散布镜面反射  166
 7.6  基于物理的镜面反射  166
 7.6.1  建模表面的微观几何  167
 7.6.2  阴影和屏蔽效果  167
 7.6.3  观察几何学  169
 7.6.4  Fresnel项  169
 7.7  预计算BRDF  171
 7.8  基于物理的漫反射分量  172
 第8章  映射技术  175
 引言  175
 8.1  二维纹理映射到多边形网格物体  179
 8.1.1  用双线性插值进行反向映射  179
 8.1.2  用中间表面进行反向映射  180
 8.2  二维纹理域到双三次参数曲面片物体  182
 8.3  广告牌  184
 8.4  凹凸映射  184
 8.4.1  用于凹凸映射的多路技术  186
 8.4.2  用于凹凸映射的预计算技术  187
 8.5  光线图  187
 8.6  环境映射或反射映射  189
 8.6.1  立方体映射  190
 8.6.2  球映射  192
 8.6.3  环境映射：比较点  193
 8.6.4  表面性质和环境映射  193
 8.7  三维纹理域技术  194
 8.7.1  三维噪声  195
 8.7.2  模拟扰动  196
 8.7.3  三维纹理和动画  197
 8.7.4  三维光线图  198
 8.8  反走样和纹理映射  199
 8.9  纹理映射中的交互式技术  201
 第9章  几何阴影  205
 引言  205
 9.1  计算机图形学中阴影的性质  205
 9.2  地平面上的简单阴影  207
 9.3  阴影算法  207
 9.3.1  阴影算法：投影多边形/扫描线  207
 9.3.2  阴影算法：阴影体  209
 9.3.3  阴影算法：从光源变换导出阴影多边形  211
 9.3.4  阴影算法：阴影Z缓冲器  211
 第10章  全局照明  215
 引言  215
 10.1  全局照明模型  216
 10.1.1  绘制方程  216
 10.1.2  辐射光亮度. 辐照度和辐射光亮度方程  217
 10.1.3  路径的标注  219
 10.2  全局照明算法的发展  221
 10.3  已建立的算法—光线跟踪和辐射度  221
 10.3.1  Whitted 光线跟踪方法  221
 10.3.2  辐射度方法  223
 10.4  全局照明中的蒙特卡罗技术  225
 10.5  路径跟踪  228
 10.6  分布式光线跟踪  229
 10.7  二路光线跟踪  232
 10.8  依赖于观察/独立于观察和多路方法  234
 10.9  存储照明  236
 10.10  光线体  238
 10.11  粒子跟踪和密度估计  238
 第11章  辐射度方法  241
 引言  241
 11.1  辐射度理论  242
 11.2  形状因子的确定  243
 11.3  Gauss-Seidel方法  247
 11.4  观察部分解—渐进式细化  248
 11.5  辐射度方法存在的问题  250
 11.6  辐射度图像中的人工痕迹  251
 11.6.1  半立方体人工痕迹  251
 11.6.2  重建人工痕迹  253
 11.6.3  网格化人工痕迹  254
 11.7  网格化策略  255
 11.7.1  自适应或后网格化  256
 11.7.2  预网格化  260
 第12章  光线跟踪策略  271
 引言—Whitted光线跟踪  271
 12.1  基本算法  272
 12.1.1  跟踪光线—初始的考虑  272
 12.1.2  照明模型分量  272
 12.1.3  阴影  273
 12.1.4  隐藏面消除  274
 12.2  用递归方法实现光线跟踪  275
 12.3  七条光线的旅程—一个光线跟踪研究  277
 12.4  光线跟踪多边形物体—多边形交点处的法向插值  279
 12.5  光线跟踪方法的效率问题  280
 12.5.1  自适应深度控制  280
 12.5.2  第一次碰撞加速  281
 12.5.3  具有简单形状的限定物体  281
 12.5.4  二次数据结构  283
 12.5.5  光线空间细分  287
 12.6  利用光线的连贯性  288
 12.7  一个历史话题—彩虹的光学问题  291
 第13章  体绘制  293
 引言  293
 13.1  体绘制和体数据的可视化  295
 13.2  “半透明胶质”选项  298
 13.2.1  体素分类  299
 13.2.2  变换到观察方向  299
 13.2.3  沿着光线合成像素  300
 13.3  半透明胶质和表面  301
 13.4  体绘制算法中关于结构的考虑  304
 13.4.1  光线投射（未经变换的数据）  305
 13.4.2  光线投射（变换后的数据）  306
 13.4.3  体素投影方法  307
 13.5  体绘制过程中的透视投影  309
 13.6  三维纹理和体绘制  309
 第14章  反走样理论及实践  311
 引言  311
 14.1  走样和采样  311
 14.2  锯齿形边  315
 14.3  计算机图形学中的采样与真实采样之间的比较  316
 14.4  采样和重建  317
 14.5  一个简单的比较  318
 14.6  预过滤方法  319
 14.7  超采样或后过滤  320
 14.8  非均匀采样—一些理论概念  322
 14.9  图像的傅里叶变换  326
 第15章  颜色和计算机图形学  333
 引言  333
 15.1  计算机成像中的颜色集  334
 15.2  颜色和三维空间  335
 15.2.1  RGB空间  337
 15.2.2  HSV单六面体模型  338
 15.2.3  YIQ空间  340
 15.3  颜色. 信息和感知空间  340
 15.3.1  CIE XYZ空间  341
 15.3.2  CIE xyY空间  344
 15.4  绘制和颜色空间  346
 15.5  关于监视器的考虑  347
 15.5.1  RGB监视器和其他监视器的考虑  347
 15.5.2  关于监视器的考虑—不同的监视器和相同的颜色  347
 15.5.3  关于监视器的考虑—颜色显示范围的映射  349
 15.5.4  关于监视器的考虑—g校正  350
 第16章  基于图像的绘制和照片建模  353
 引言  353
 16.1  以前绘制的图像的复用—二维技术  353
 16.1.1  平面“冒名顶替者”或小画面  354
 16.1.2  计算平面小画面的有效性  355
 16.2  改变绘制的资源  356
 16.2.1  优先绘制  356
 16.2.2  图像分层  357
 16.3  运用深度信息  359
 16.3.1  三维扭曲  359
 16.3.2  分层深度图像  363
 16.4  观察插值  365
 16.5  四维技术—照明绘图或光线场绘制方法  368
 16.6  照片建模和IBR  370
 16.6.1  利用照片全景图进行基图像的绘制  373
 16.6.2  合成全景图  373
 16.6.3  基于图像绘制的照片建模  374
 第17章  计算机动画  377
 引言  377
 17.1  计算机动画技术的分类和描述  379
 17.2  刚体动画  380
 17.2.1  插值或关键帧  380
 17.2.2  明确的脚本  382
 17.2.3  旋转的插值  384
 17.2.4  用四元方法表示旋转  386
 17.2.5  对四元式插值  388
 17.2.6  作为动画物体的摄像机  392
 17.3  连接结构和层次化运动  392
 17.4  计算机动画中的动力学  400
 17.4.1  刚体的基本理论—粒子  401
 17.4.2  力的性质  402
 17.4.3  刚体—有翼展的物质  403
 17.4.4  在计算机动画中运用动力学  405
 17.4.5  模拟成块物质的动力学  406
 17.4.6  空间-时间限制  409
 17.5  碰撞检测  411
 17.5.1  非限制性阶段/限制性阶段算法  411
 17.5.2  用OBB进行非限制性阶段的碰撞检测  412
 17.5.3  限制性阶段：凸多面体对—准确的碰撞检测  414
 17.5.4  单阶段算法—物体的层次结构  415
 17.6  碰撞响应  417
 17.7  粒子动画  419
 17.8  行为动画  421
 17.9  总结  423
 第18章  比较图像研究  425
 引言  425
 18.1  局部反射模型  425
 18.2  纹理映射和阴影映射  426
 18.3  Whitted 光线跟踪  427
 18.4  辐射度方法  428
 18.5  RADIANCE  429
 18.6  总结  430
 参考文献  431
 索引  439
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