3D計算機圖形學（原書第3版）

第1章  計算機圖形學的數(shù)學基礎  1
 1.1  處理三維結構  1
 1.1.1  計算機圖形學中的三維仿射變換  1
 1.1.2  改變坐標系的變換  6
 1.2  結構變形變換  7
 1.3  向量和計算機圖形學  9
 1.3.1  向量的加法  9
 1.3.2  向量的長度  10
 1.3.3  法向量和叉積  10
 1.3.4  法向量和點積  11
 1.3.5  與法向量反射相關的向量  12
 1.4  光線和計算機圖形學  13
 1.4.1  光線幾何—相交  14
 1.4.2  相交—光線與球  14
 1.4.3  相交—光線與凸多邊形  15
 1.4.4  相交—光線與包圍盒  16
 1.4.5  相交—光線與二次形  18
 1.4.6  光線跟蹤幾何—反射和折射  18
 1.5  圖像平面中的插值性質(zhì)  20
 第2章  三維物體的表示和建模（1）  21
 引言  21
 2.1  三維物體的多邊形表示  25
 2.1.1  創(chuàng)建多邊形物體  28
 2.1.2  多邊形物體的手工建模  29
 2.1.3  多邊形物體的自動產(chǎn)生  29
 2.1.4  多邊形物體的數(shù)學產(chǎn)生  30
 2.1.5  程序化的多邊形網(wǎng)格物體—分形物體  34
 2.2  物體的構造實體幾何表示  36
 2.3  物體表示的空間細分技術  38
 2.3.1  八叉樹和多邊形  40
 2.3.2  BSP樹  41
 2.3.3  創(chuàng)建體素實體  42
 2.4  用隱函數(shù)表示物體  43
 2.5  場景管理和物體表示  44
 2.6  總結  48
 第3章  三維物體的表示和建模（2）  51
 引言  51
 3.1  Bezier曲線  53
 3.1.1  連接Bezier曲線段  58
 3.1.2  Bezier曲線性質(zhì)總結  59
 3.2  B樣條表示  60
 3.2.1  B樣條曲線  60
 3.2.2  均勻B樣條  61
 3.2.3  非均勻B樣條  64
 3.2.4  B樣條曲線性質(zhì)總結  70
 3.3  有理曲線  70
 3.3.1  有理Bezier曲線  70
 3.3.2  NURBS  72
 3.4  從曲線到表面  73
 3.4.1  連續(xù)性和Bezier曲面片  76
 3.4.2  一個Bezier曲面片物體—Utah茶壺  78
 3.5  B樣條表面的曲面片  79
 3.6  建立曲面片表面  82
 3.6.1  截面或線性軸設計實例  84
 3.6.2  控制多面體設計—基本技術  87
 3.6.3  用表面擬合來創(chuàng)建曲面片物體  90
 3.7  從曲面片到物體  94
 第4章  表示和繪制  97
 引言  97
 4.1  繪制多邊形網(wǎng)格—簡單綜述  97
 4.2  繪制參數(shù)化表面  98
 4.2.1  直接由曲面片描述進行繪制  99
 4.2.2  曲面片向多邊形轉換  100
 4.2.3  物體空間細分  101
 4.2.4  圖像空間細分  106
 4.3  繪制構造實體幾何表示  108
 4.4  繪制體素表示  110
 4.5  繪制隱函數(shù)  110
 第5章  繪圖流程（1）：幾何操作  113
 引言  113
 5.1  繪圖流程中的坐標空間  113
 5.1.1  局部坐標系或建模坐標系  113
 5.1.2  世界坐標系  114
 5.1.3  攝像機/眼睛/觀察坐標系  114
 5.2  在觀察空間中進行的操作  116
 5.2.1  消隱或背面清除  116
 5.2.2  視見體  116
 5.2.3  三維屏幕空間  118
 5.2.4  視見體和深度  120
 5.3  先進的觀察系統(tǒng)（PHIGS和GKS）  123
 5.3.1  PHIGS觀察系統(tǒng)概述  124
 5.3.2  觀察方向參數(shù)  125
 5.3.3  觀察映射參數(shù)  126
 5.3.4  觀察平面的更詳細討論  127
 5.3.5  實現(xiàn)一個PHIGS型觀察系統(tǒng)  128
 第6章  繪圖流程（2）：繪制或算法過程  131
 引言  131
 6.1  在視見體上裁剪多邊形  131
 6.2  對像素明暗處理  134
 6.2.1  局部反射模型  135
 6.2.2  局部反射模型—實際問題  139
 6.2.3  局部反射模型—關于光源的考慮  140
 6.3  插值明暗處理技術  140
 6.3.1  插值明暗處理技術—Gouraud明暗處理  140
 6.3.2  插值明暗處理技術—Phong明暗處理  141
 6.3.3  繪制程序的明暗處理選項  142
 6.3.4  Gouraud明暗處理和Phong明暗處理的比較  143
 6.4  光柵化  143
 6.4.1  光柵化邊  143
 6.4.2  光柵化多邊形  145
 6.5  繪制的順序  146
 6.6  隱藏面消除  147
 6.6.1  Z緩沖器算法  148
 6.6.2  Z緩沖器和CSG表示  148
 6.6.3  Z緩沖器與合成  149
 6.6.4  Z緩沖器和繪制  150
 6.6.5  掃描線Z緩沖器  151
 6.6.6  跨躍式隱藏面消除  151
 6.6.7  一個跨躍式掃描線算法  151
 6.6.8  Z緩沖器和復雜場景  153
 6.6.9  Z緩沖器總結  154
 6.6.10  BSP樹和隱藏面消除  155
 6.7  多路繪制和累加緩沖器  157
 第7章  模擬光線—物體相交：局部反射模型  161
 引言  161
 7.1  來自完全表面的反射  162
 7.2  來自不完全表面的反射  163
 7.3  雙向反射分布函數(shù)  163
 7.4  漫反射分量和鏡面反射分量  165
 7.5  完全漫反射—經(jīng)驗型散布鏡面反射  166
 7.6  基于物理的鏡面反射  166
 7.6.1  建模表面的微觀幾何  167
 7.6.2  陰影和屏蔽效果  167
 7.6.3  觀察幾何學  169
 7.6.4  Fresnel項  169
 7.7  預計算BRDF  171
 7.8  基于物理的漫反射分量  172
 第8章  映射技術  175
 引言  175
 8.1  二維紋理映射到多邊形網(wǎng)格物體  179
 8.1.1  用雙線性插值進行反向映射  179
 8.1.2  用中間表面進行反向映射  180
 8.2  二維紋理域到雙三次參數(shù)曲面片物體  182
 8.3  廣告牌  184
 8.4  凹凸映射  184
 8.4.1  用于凹凸映射的多路技術  186
 8.4.2  用于凹凸映射的預計算技術  187
 8.5  光線圖  187
 8.6  環(huán)境映射或反射映射  189
 8.6.1  立方體映射  190
 8.6.2  球映射  192
 8.6.3  環(huán)境映射：比較點  193
 8.6.4  表面性質(zhì)和環(huán)境映射  193
 8.7  三維紋理域技術  194
 8.7.1  三維噪聲  195
 8.7.2  模擬擾動  196
 8.7.3  三維紋理和動畫  197
 8.7.4  三維光線圖  198
 8.8  反走樣和紋理映射  199
 8.9  紋理映射中的交互式技術  201
 第9章  幾何陰影  205
 引言  205
 9.1  計算機圖形學中陰影的性質(zhì)  205
 9.2  地平面上的簡單陰影  207
 9.3  陰影算法  207
 9.3.1  陰影算法：投影多邊形/掃描線  207
 9.3.2  陰影算法：陰影體  209
 9.3.3  陰影算法：從光源變換導出陰影多邊形  211
 9.3.4  陰影算法：陰影Z緩沖器  211
 第10章  全局照明  215
 引言  215
 10.1  全局照明模型  216
 10.1.1  繪制方程  216
 10.1.2  輻射光亮度. 輻照度和輻射光亮度方程  217
 10.1.3  路徑的標注  219
 10.2  全局照明算法的發(fā)展  221
 10.3  已建立的算法—光線跟蹤和輻射度  221
 10.3.1  Whitted 光線跟蹤方法  221
 10.3.2  輻射度方法  223
 10.4  全局照明中的蒙特卡羅技術  225
 10.5  路徑跟蹤  228
 10.6  分布式光線跟蹤  229
 10.7  二路光線跟蹤  232
 10.8  依賴于觀察/獨立于觀察和多路方法  234
 10.9  存儲照明  236
 10.10  光線體  238
 10.11  粒子跟蹤和密度估計  238
 第11章  輻射度方法  241
 引言  241
 11.1  輻射度理論  242
 11.2  形狀因子的確定  243
 11.3  Gauss-Seidel方法  247
 11.4  觀察部分解—漸進式細化  248
 11.5  輻射度方法存在的問題  250
 11.6  輻射度圖像中的人工痕跡  251
 11.6.1  半立方體人工痕跡  251
 11.6.2  重建人工痕跡  253
 11.6.3  網(wǎng)格化人工痕跡  254
 11.7  網(wǎng)格化策略  255
 11.7.1  自適應或后網(wǎng)格化  256
 11.7.2  預網(wǎng)格化  260
 第12章  光線跟蹤策略  271
 引言—Whitted光線跟蹤  271
 12.1  基本算法  272
 12.1.1  跟蹤光線—初始的考慮  272
 12.1.2  照明模型分量  272
 12.1.3  陰影  273
 12.1.4  隱藏面消除  274
 12.2  用遞歸方法實現(xiàn)光線跟蹤  275
 12.3  七條光線的旅程—一個光線跟蹤研究  277
 12.4  光線跟蹤多邊形物體—多邊形交點處的法向插值  279
 12.5  光線跟蹤方法的效率問題  280
 12.5.1  自適應深度控制  280
 12.5.2  第一次碰撞加速  281
 12.5.3  具有簡單形狀的限定物體  281
 12.5.4  二次數(shù)據(jù)結構  283
 12.5.5  光線空間細分  287
 12.6  利用光線的連貫性  288
 12.7  一個歷史話題—彩虹的光學問題  291
 第13章  體繪制  293
 引言  293
 13.1  體繪制和體數(shù)據(jù)的可視化  295
 13.2  “半透明膠質(zhì)”選項  298
 13.2.1  體素分類  299
 13.2.2  變換到觀察方向  299
 13.2.3  沿著光線合成像素  300
 13.3  半透明膠質(zhì)和表面  301
 13.4  體繪制算法中關于結構的考慮  304
 13.4.1  光線投射（未經(jīng)變換的數(shù)據(jù)）  305
 13.4.2  光線投射（變換后的數(shù)據(jù)）  306
 13.4.3  體素投影方法  307
 13.5  體繪制過程中的透視投影  309
 13.6  三維紋理和體繪制  309
 第14章  反走樣理論及實踐  311
 引言  311
 14.1  走樣和采樣  311
 14.2  鋸齒形邊  315
 14.3  計算機圖形學中的采樣與真實采樣之間的比較  316
 14.4  采樣和重建  317
 14.5  一個簡單的比較  318
 14.6  預過濾方法  319
 14.7  超采樣或后過濾  320
 14.8  非均勻采樣—一些理論概念  322
 14.9  圖像的傅里葉變換  326
 第15章  顏色和計算機圖形學  333
 引言  333
 15.1  計算機成像中的顏色集  334
 15.2  顏色和三維空間  335
 15.2.1  RGB空間  337
 15.2.2  HSV單六面體模型  338
 15.2.3  YIQ空間  340
 15.3  顏色. 信息和感知空間  340
 15.3.1  CIE XYZ空間  341
 15.3.2  CIE xyY空間  344
 15.4  繪制和顏色空間  346
 15.5  關于監(jiān)視器的考慮  347
 15.5.1  RGB監(jiān)視器和其他監(jiān)視器的考慮  347
 15.5.2  關于監(jiān)視器的考慮—不同的監(jiān)視器和相同的顏色  347
 15.5.3  關于監(jiān)視器的考慮—顏色顯示范圍的映射  349
 15.5.4  關于監(jiān)視器的考慮—g校正  350
 第16章  基于圖像的繪制和照片建模  353
 引言  353
 16.1  以前繪制的圖像的復用—二維技術  353
 16.1.1  平面“冒名頂替者”或小畫面  354
 16.1.2  計算平面小畫面的有效性  355
 16.2  改變繪制的資源  356
 16.2.1  優(yōu)先繪制  356
 16.2.2  圖像分層  357
 16.3  運用深度信息  359
 16.3.1  三維扭曲  359
 16.3.2  分層深度圖像  363
 16.4  觀察插值  365
 16.5  四維技術—照明繪圖或光線場繪制方法  368
 16.6  照片建模和IBR  370
 16.6.1  利用照片全景圖進行基圖像的繪制  373
 16.6.2  合成全景圖  373
 16.6.3  基于圖像繪制的照片建模  374
 第17章  計算機動畫  377
 引言  377
 17.1  計算機動畫技術的分類和描述  379
 17.2  剛體動畫  380
 17.2.1  插值或關鍵幀  380
 17.2.2  明確的腳本  382
 17.2.3  旋轉的插值  384
 17.2.4  用四元方法表示旋轉  386
 17.2.5  對四元式插值  388
 17.2.6  作為動畫物體的攝像機  392
 17.3  連接結構和層次化運動  392
 17.4  計算機動畫中的動力學  400
 17.4.1  剛體的基本理論—粒子  401
 17.4.2  力的性質(zhì)  402
 17.4.3  剛體—有翼展的物質(zhì)  403
 17.4.4  在計算機動畫中運用動力學  405
 17.4.5  模擬成塊物質(zhì)的動力學  406
 17.4.6  空間-時間限制  409
 17.5  碰撞檢測  411
 17.5.1  非限制性階段/限制性階段算法  411
 17.5.2  用OBB進行非限制性階段的碰撞檢測  412
 17.5.3  限制性階段：凸多面體對—準確的碰撞檢測  414
 17.5.4  單階段算法—物體的層次結構  415
 17.6  碰撞響應  417
 17.7  粒子動畫  419
 17.8  行為動畫  421
 17.9  總結  423
 第18章  比較圖像研究  425
 引言  425
 18.1  局部反射模型  425
 18.2  紋理映射和陰影映射  426
 18.3  Whitted 光線跟蹤  427
 18.4  輻射度方法  428
 18.5  RADIANCE  429
 18.6  總結  430
 參考文獻  431
 索引  439
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