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編輯推薦：
本书基于作者长期的教学和科研实践编写而成，既涵盖计算机图形学的基本原理、算法实现，也涵盖计算机图形学技术的新进展，适合作为高校计算机及相关专业作为本科生教材。本书特点：·不仅介绍了深度学习的有关原理和框架，还融入了深度学习在计算机图形学领域的前沿应用，有助于读者了解计算机图形学领域的研究动向。·详细介绍了现有计算机图形学教材中鲜少涉及的声音相关内容，包括声音模拟的原理、声音合成、声音传播和声音渲染的常用技术。·以图形绘制流水线为主线，各章围绕图形绘制流水线依次展开介绍，便于读者循序渐进地学习。·每章内容中包含相关算法的代码，并附有习题，有利于读者更好地理解知识点并进行实践。
內容簡介：
本书全面介绍了计算机图形学的基础概念、技术和方法，按照计算机图形绘制流水线，循序渐进地介绍基本图形算法、物体建模、几何变换、光照绘制、计算机动画技术、声音模拟技术和基于深度学习的图形技术。书中融入了计算机图形学领域的前沿研究成果，特别是深度学习在计算机图形学领域中的前沿应用，每章内容中包含相关算法的程序代码，并附有习题，有利于读者更好地理解知识点并进行动手实践。本书可作为高校计算机、软件工程、人工智能、应用数学、电子工程、数字媒体等相关专业本科生或研究生的教材，也可作为计算机游戏设计、动画、影视制作、计算机仿真、虚拟现实等领域的研究人员和技术人员的参考书。
關於作者：
刘世光，天津大学智能与计算学部教授、博士生导师。2007年毕业于浙江大学计算机辅助设计与图形系统全国重点实验室，获博士学位。主要研究方向为计算图形学、图像/视频处理、声音合成与处理、虚拟现实等，在相关领域的国内外知名期刊和会议发表学术论文100余篇。获国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目等的研究资助，研究成果荣获“中国计算机学会科技成果奖”自然科学二等奖、陆增镛CAD&CG高科技奖等。担任IEEE Transactions on Audio， Speech and Language Processing、IEEE Transactions on Consumer Electronics、Computer Animation and Virtual Worlds、Journal of the Audio Engineering Society 等期刊的编委。
目錄
目 录前言第1章 绪论1 1.1 计算机图形学的概念与发展历史1 1.2 图形绘制流水线1 1.3 OpenGL3 1.3.1 OpenGL的特性3 1.3.2 OpenGL的函数库3 1.3.3 OpenGL示例程序3 1.4 计算机图形学的应用5 1.5 参考文献6 1.6 本章习题6第2章 基本图形算法7 2.1 直线绘制7 2.1.1 直线绘制的基本概念8 2.1.2 直线绘制算法9 2.1.3 直线绘制算法的比较与优化13 2.2 图形裁剪14 2.2.1 图形裁剪的基本概念14 2.2.2 直线裁剪算法16 2.2.3 多边形裁剪算法21 2.3 填充24 2.3.1 扫描线填充算法24 2.3.2 种子填充算法25 2.4 消隐26 2.4.1 消隐的分类与基本方法27 2.4.2 画家算法27 2.4.3 Z-Buffer算法28 2.4.4 扫描线消隐算法29 2.4.5 光线投射算法30 2.4.6 消隐算法的分析与比较30 2.5 本章习题31第3章 物体建模33 3.1 概述33 3.2 多边形网格建模34 3.2.1 基本概念34 3.2.2 多边形网格35 3.2.3 三角形网格38 3.2.4 网格化算法40 3.2.5 多边形网格的数据结构45 3.2.6 多边形网格建模的优势和劣势46 3.3 参数曲线和曲面建模47 3.3.1 参数曲线和参数曲面47 3.3.2 Bezier曲线50 3.3.3 Bezier曲面56 3.3.4 B样条曲线58 3.3.5 B样条曲面63 3.3.6 参数曲面建模的优势和劣势65 3.4 隐式曲面建模65 3.5 体素建模66 3.6 构造实体几何67 3.7 高级建模技术68 3.7.1 基于图像的建模68 3.7.2 三维激光扫描建模69 3.8 建模软件与工具69 3.8.1 工业设计建模软件69 3.8.2 影视动画类建模软件71 3.9 参考文献73 3.10 本章习题73第4章 几何变换74 4.1 基本的二维几何变换74 4.1.1 二维平移74 4.1.2 二维缩放76 4.1.3 二维旋转77 4.2 二维几何变换的矩阵表示和齐次坐标79 4.3 二维逆变换80 4.4 二维复合变换81 4.4.1 二维基本复合变换82 4.4.2 非原点的旋转变换84 4.4.3 非原点的缩放变换85 4.5 其他的二维几何变换86 4.5.1 剪切变换86 4.5.2 镜像变换87 4.6 基本的三维变换90 4.6.1 三维平移90 4.6.2 三维缩放91 4.6.3 三维旋转93 4.7 三维复合旋转变换95 4.7.1 复合平移变换96 4.7.2 基于原点的复合旋转变换97 4.7.3 基于原点的复合缩放变换99 4.7.4 非原点的旋转变换100 4.7.5 非原点的缩放变换100 4.8 其他的三维变换101 4.9 本章习题102第5章 光照绘制104 5.1 光照的基本原理104 5.1.1 光的性质104 5.1.2 几何光学105 5.2 光照模型106 5.2.1 简单光照模型106 5.2.2 明暗处理及阴影生成107 5.3 光线追踪技术110 5.4 大气光学现象的绘制111 5.4.1 大气散射引起的光学现象的绘制111 5.4.2 大粒子引起的大气光象的绘制113 5.4.3 大气折射引起的光学现象的绘制114 5.5 参考文献114 5.6 本章习题116第6章 计算机动画技术117 6.1 计算机动画的分类117 6.2 基于物理的流体模拟118 6.2.1 欧拉法119 6.2.2 拉格朗日法120 6.2.3 晶格玻尔兹曼法127 6.2.4 几种流体模拟方法的比较128 6.3 基于粒子系统的动画129 6.4 参考文献129 6.5 本章习题130第7章 声音模拟技术131 7.1 声音的基础131 7.1.1 声音的产生到感知132 7.1.2 声音波动方程133 7.1.3 声音感知特性135 7.2 声音合成135 7.2.1 基于信号的声音合成方法136 7.2.2 基于物理模拟的声音合成方法137 7.2.3 基于物理模拟的声音合成实践139 7.3 声音传播146 7.3.1 几何方法146 7.3.2 数值方法147 7.4 声音渲染148 7.4.1 双耳声渲染149 7.4.2 Ambisonics150 7.5 参考文献151 7.6 本章习题152第8章 基于深度学习的图形技术153 8.1 深度学习的原理与经典模型153 8.1.1 深度学习的原理153 8.1.2 深度学习的经典模型155 8.1.3 深度学习框架158 8.1.4 Jittor在图形生成中的应用与实践164 8.2 深度学习在计算机图形学中的前沿应用168 8.2.1 基于深度学习的人体动画生成168 8.2.2 神经渲染168 8.3 参考文献170 8.4 本章习题171
內容試閱
前 言计算机图形学是计算机科学领域中发展迅速、应用广泛的一门新兴学科，主要研究在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。计算机图形学技术已经广泛应用在影视特效、游戏制作、科学计算可视化、虚拟现实、多媒体技术、计算机动画、计算机辅助设计等领域。近年来，随着深度学习的出现，计算机图形学更是如虎添翼，快速发展。作者从2011年起为天津大学计算机科学与技术专业的本科生讲授“计算机图形学”课程，本书正是在总结课程讲义及课题组研究成果的基础上编写完成的，并且充分借鉴、吸收了计算机图形学领域的一些最新研究成果。和现有的计算机图形学教材相比，本书有以下特点：1）本书引入了近年来发展迅速的深度学习的有关原理和框架，介绍了深度学习在计算机图形学领域中的前沿应用，有助于读者快速了解最新的研究动向。2）现有的计算机图形学教材很少涉及声音相关内容，本书则较为详细地介绍了声音模拟的基本原理，以及声音合成、声音传播和声音渲染的常用技术。3）本书在第1章中介绍了图形绘制流水线，之后的各章围绕图形绘制流水线依次展开介绍，最后讨论计算机图形学技术的高级应用，方便读者循序渐进地学习。4）每章内容中包含相关算法的代码，并附有习题，有利于读者更好地理解知识点并进行动手实践。本书共有8章。第1章是绪论，介绍计算机图形学的概念和发展历史、图形绘制流水线、OpenGL及程序示例，最后介绍计算机图形学的应用。第2章重点讨论计算机图形学中的基本图形算法，包括直线绘制、图形裁剪、填充和消隐等，其中，给出了不同算法的定义、算法步骤和流程、伪代码，并分析了不同算法的优缺点。第3章对物体建模进行全面介绍，涵盖基于面、体表示的方法，多边形网格建模和参数曲线与曲面建模的基本原理与技术，以及隐式曲面建模、体素建模、构造实体几何、高级建模技术、建模软件与工具，为读者提供物体建模领域的深入理解和实践指导。第4章主要探讨二维和三维空间中的几何变换，包括基本的变换类型、矩阵表示、逆变换以及复合变换等多个方面；此外，还简要介绍了其他类型的二维和三维变换，如剪切变换、镜像变换等。第5章介绍光照绘制，主要包括光照绘制的基本知识和经典方法，包括光照的基本原理、常用的光照模型、经典的光线追踪技术等，并且讨论了光线追踪技术在大气光象绘制中的应用实践。第6章讨论计算机动画技术，主要涵盖计算机动画的基本知识和常用方法，包括计算机动画的分类、基于物理的流体模拟（欧拉法、拉格朗日法及晶格玻尔兹曼法）、基于粒子系统的动画。第7章介绍声音模拟技术，首先介绍声音的基础知识；然后讨论声音合成技术，包括基于信号的声音合成方法和基于物理模拟的声音合成方法，并以火焰声音合成为例，给出基于物理模拟的声音合成方法的具体实践；此外，分析了两种常用的声音在环境中的传播模拟方法，即几何方法和数值方法；最后，讨论了三维音频技术中的声音渲染方法，包括双耳声渲染方法和Ambisonics方法。第8章介绍基于深度学习的图形技术，介绍深度学习的发展、原理与经典模型，包括卷积神经网络、自动编码器、生成对抗网络及其衍生的系列方法和模型，并且分析了深度学习在计算机图形学中的前沿应用。本书可作为高等学校计算机、软件工程、人工智能、应用数学、电子工程、数字媒体等相关专业本科生或研究生的教材，对计算机游戏设计、动画、影视制作、计算机仿真、虚拟现实等领域从事研究、应用和开发的人员也有较大的参考价值。本书得到了天津大学“十四五”规划教材建设项目的支持。课题组的李思佳、林堃、杨旭、曹雨、席佳璐、李博、王欣艺参与了本书初稿的资料收集和整理工作，在此表示衷心的感谢！由于作者水平有限，书中错误与疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。作者2025年1月
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