計算機圖形學導論：實用學習指南(WebGL版)（簡體書）

本書是作者多年來教學與科研工作的總結，采用WebGL圖形編程接口循序漸進開發一個賽車游戲的方式對計算機圖形學基礎知識和真實感渲染的物理原理進行講解，涵蓋了圖形學基本概念、WebGL圖形編程接口、3D圖形表示、幾何變換、光柵化、光照和陰影技術、紋理映射等基本的計算機圖形學內容，以及粒子系統、光線跟蹤、光子跟蹤、基于圖像的繪制和全局光照等高級內容。并為讀者進一步深入學習和研究，在每章里都給出了相關的程序實例。

Fabio Ganovelli于1995年畢業于意大利比薩大學，2001年獲得博士學位，目前是意大利國家研究委員會可視計算研究室的研究員。Fabio目前的研究領域包括變形模擬、多分辨率模擬、真實感繪制和幾何處理。Massimiliano Corsini 于2000年畢業于意大利佛羅倫薩大學的信息工程學院，2005年獲得信息通訊學院博士學位，目前是意大利國家研究委員會可視計算研究室的研究員。Massimiliano目前主要研究表面獲取和建模、2D/3D注冊技術和基于圖像的重光照技術
邵緒強，博士，畢業于北京航空航天大學，華北電力大學計算機學院教師，主要專業方向為計算機圖形學，虛擬現實。

目 錄
第1章 計算機圖形學概述 1
1．1 計算機圖形學的應用范圍和研究領域 1
1．1．1 應用范圍 1
1．1．2 研究領域 2
1．2 顏色和圖像 3
1．2．1 人類視覺系統 3
1．2．2 顏色空間 4
1．2．3 光源 9
1．2．4 伽馬值 9
1．2．5 圖像表示 9
1．3 三維場景的光柵圖像生成算法 12
1．3．1 光線跟蹤 12
1．3．2 光柵化流水線 14
1．3．3 光線跟蹤與光柵化流水線 15
第2章 基本步驟 17
2．1 應用程序接口 17
2．2 WebGL光柵化流水線 18
2．3 渲染流水線算法：初步渲染 20
2．4 WebGL的支持庫 29
2．5 NVMC簡介 29
2．5．1 架構 30
2．5．2 NVMC類用于描述世界 30
2．5．3 基本客戶端 31
2．5．4 代碼的組織方式 35
第3章 三維模型表示方式 37
3．1 概述 37
3．1．1 現實世界數字化 37
3．1．2 幾何建模 38
3．1．3 過程建模 38
3．1．4 仿真 38
3．2 多邊形網格 38
3．2．1 三角形扇和三角形帶 39
3．2．2 流形 39
3．2．3 朝向 40
3．2．4 多邊形網格的優勢和劣勢 40
3．3 隱式曲面 41
3．4 參數曲面 42
3．4．1 參數曲線 42
3．4．2 貝塞爾曲線 43
3．4．3 B樣條曲線 45
3．4．4 參數曲線擴展為參數曲面 47
3．4．5 貝塞爾曲面 47
3．4．6 NURBS曲面 48
3．4．7 參數曲面的優勢和劣勢 48
3．5 體素 49
3．5．1 體素渲染 49
3．5．2 體素表示的優勢和劣勢 50
3．6 構造實體幾何 50
3．7 細分曲面 51
3．7．1 Chaikin算法 51
3．7．2 4點算法 52
3．7．3 曲面的細分方法 52
3．7．4 細分方法分類 52
3．7．5 細分模式 53
3．7．6 細分曲面的優勢和劣勢 55
3．8 多邊形網格的數據結構 55
3．8．1 索引數據結構 56
3．8．2 翼邊 57
3．8．3 半邊 57
3．9 第一個代碼：創建和顯示簡單圖元 58
3．9．1 立方體 58
3．9．2 錐體 59
3．9．3 柱體 61
3．10 自測題 63
第4章 幾何變換 65
4．1 幾何實體 65
4．2 基本幾何變換 66
4．2．1 平移 66
4．2．2 縮放 66
4．2．3 旋轉 67
4．2．4 用矩陣符號表示變換 67
4．3 仿射變換 69
4．3．1 幾何變換組合 69
4．3．2 繞任意點旋轉和縮放 70
4．3．3 剪切 71
4．3．4 逆變換和交換律 71
4．4 框架 72
4．4．1 一般框架和仿射變換 73
4．4．2 框架的層次 73
4．4．3 第三維 74
4．5 三維空間中的旋轉 75
4．5．1 軸-角旋轉 75
4．5．2 歐拉角旋轉 77
4．5．3 用四元數旋轉 78
4．6 觀察變換 79
4．6．1 設置觀察參考框架 79
4．6．2 投影 80
4．6．3 視見體 82
4．6．4 從規范化設備坐標到窗口坐標 83
4．6．5 小結 85
4．7 圖形繪制流水線中的變換 85
4．8 升級客戶端：第一個3D客戶端 86
4．8．1 組裝樹和汽車 87
4．8．2 定位樹和汽車 88
4．8．3 觀察場景 88
4．9 編碼 88
4．10 用矩陣堆棧操作變換矩陣 89
4．10．1 升級客戶端：增加從上面和后面的觀察 91
4．11 操縱視圖和對象 92
4．11．1 用鍵盤和鼠標控制觀察 93
4．11．2 升級客戶端：增加攝影師觀察 94
4．11．3 用鍵盤和鼠標操縱場景：虛擬跟蹤球 95
4．12 升級客戶端：創建觀察者相機 97
4．13 自我練習 98
第5章 頂點轉化為像素 100
5．1 光柵化 100
5．1．1 直線 100
5．1．2 多邊形(三角形) 103
5．1．3 屬性插值：質心坐標 105
5．1．4 小結 107
5．2 隱藏面消除 108
5．2．1 深度排序 108
5．2．2 掃描線 109
5．2．3 深度緩存 109
5．2．4 深度緩存精度和深度沖突 110
5．3 從片元到像素 111
5．3．1 丟棄測試 112
5．3．2 融合 112
5．3．3 走樣和反走樣 113
5．3．4 升級客戶端：從駕駛員角度進行觀察 114
5．4 裁剪 117
5．4．1 裁剪線段 117
5．4．2 裁剪多邊形 119
5．5 剔除 119
5．5．1 背面剔除 119
5．5．2 視見體剔除 120
5．5．3 遮擋剔除 122
第6章 光照和著色 123
6．1 光與物質之間的交互 123
6．2 輻射度量學簡介 127
6．3 反射率和雙向反射分布函數(BRDF) 129
6．4 繪制方程 131
6．5 評估繪制方程 132
6．6 計算表面法向量 133
6．6．1 折痕角 135
6．6．2 表面法向量變換 136
6．7 光源類型 136
6．7．1 方向光 137
6．7．2 升級客戶端：添加太陽光源 138
6．7．3 點光源 141
6．7．4 升級客戶端：添加路燈光源 142
6．7．5 聚光燈光源 143
6．7．6 面光源 144
6．7．7 升級客戶端：添加汽車的前燈和隧道的指示燈 145
6．8 Phong光照模型 146
6．8．1 概述和動機 146
6．8．2 漫反射光分量 147
6．8．3 鏡面反射光分量 147
6．8．4 環境光分量 148
6．8．5 完整模型 148
6．9 著色技術 149
6．9．1 平面著色和Gouraud著色 149
6．9．2 Phong著色 150
6．9．3 升級客戶端：使用Phong光照 150
6．10 高級反射模型 151
6．10．1 Cook-Torrance模型 151
6．10．2 Oren-Nayar模型 152
6．10．3 Minnaert模型 153
6．11 自測題 153
第7章 紋理 155
7．1 引言：是否需要紋理映射 155
7．2 基本概念 155
7．3 紋理過濾：從片元紋理坐標到片元顏色 157
7．3．1 紋理放大效應 157
7．3．2 多重映射的紋理縮小效應 158
7．4 透視校正插值：從頂點紋理坐標到片元紋理坐標 160
7．5 升級客戶端：為地面、街道和建筑物增加紋理 162
7．6 升級客戶端：添加后視鏡 165
7．7 紋理坐標生成以及環境映射 167
7．7．1 球體映射 167
7．7．2 立方體映射 169
7．7．3 升級客戶端：為視域增加一個天空盒子 169
7．7．4 升級客戶端：為賽車增加反射效果 171
7．7．5 投影紋理映射 173
7．8 利用紋理映射為幾何模型增加細節 173
7．8．1 位移貼圖 173
7．8．2 法線貼圖 174
7．8．3 升級客戶端：添加瀝青 175
7．8．4 切空間法線貼圖 176
7．9 網格參數化 178
7．9．1 接縫 179
7．9．2 參數化的質量 180
7．10 三維紋理及其用途 181
7．11 自測題 181
第8章 陰影 182
8．1 陰影現象 182
8．2 陰影貼圖 183
8．3 升級客戶端程序：增加陰影 185
8．4 陰影貼圖的偽影和局限 188
8．4．1 有限的數值精度：表面缺陷 188
8．4．2 有限的陰影圖分辨率：走樣 190
8．5 陰影體 191
8．5．1 構建陰影體 192
8．5．2 算法 193
8．6 自測題 193
第9章 基于圖像的Impostor技術 195
9．1 圖像 195
9．2 布告板 196
9．2．1 靜態布告板 196
9．2．2 屏幕對齊布告板 197
9．2．3 升級客戶端：添加屏幕位置固定小工具 197
9．2．4 升級客戶端：添加鏡頭光斑效果 198
9．2．5 軸對齊布告板 201
9．2．6 動態布告板 204
9．2．7 球形布告板 204
9．2．8 布告板云 204
9．3 光線跟蹤Impostor 206
9．4 自測題 207
第10章 高級技術 208
10．1 圖像處理 208
10．1．1 模糊 209
10．1．2 升級客戶端：一個具有景深的更好的攝像機 211
10．1．3 邊緣檢測 216
10．1．4 升級客戶端：卡通渲染 217
10．1．5 升級客戶端：一個更好的平移攝像機 219
10．1．6 銳化 223
10．2 環境光遮蔽 223
10．3 延遲著色 226
10．4 粒子系統 227
10．4．1 粒子系統的運動 227
10．4．2 粒子系統的渲染 228
10．5 自測題 228
第11章 全局光照 229
11．1 光線跟蹤 229
11．1．1 光線-代數表面相交 230
11．1．2 光線-參數表面相交 231
11．1．3 光線?場景相交 231
11．1．4 基于光線跟蹤的繪制 238
11．1．5 經典光線跟蹤 238
11．1．6 路徑跟蹤 239
11．2 多通道算法 242
11．2．1 光子追蹤 242
11．2．2 輻射度 243
11．2．3 形狀因子 243
11．2．4 通量傳輸方程和輻射度傳輸方程 244
11．2．5 輻射度方程組求解 247
附錄A NVMC類 250
附錄B 向量積的特性 253
參考文獻 256