现代计算机图形学基础

　　计算机图形学是研究真实或虚拟物体在计算机中的图形表示及交互的一门学科，在计算机辅助设计与制造、计算机动画、计算机游戏、计算机仿真、虚拟现实、科学计算可视化等领域有着广泛的应用。随着数字媒体、虚拟/增强/混合现实、大数据、人工智能、可视分析等技术的发展，计算机图形学的理论和方法不断地充实与更新，已经广泛应用到大量的科学和工程领域，成为现代计算机应用中不可缺少的重要分支。 本书涵盖了计算机图形学的众多基础内容，不仅介绍了几何建模、真实感绘制、计算机动画等传统图形学的内容，还着重阐述了数字几何处理、非真实感绘制、基于图形的影像处理、计算摄像、GPU图形计算等图形学的新进展。其中，不少章节的内容都取自近二十年内计算机图形学领域的高水平学术论文和产业技术。此外，本书还给出了很多重要概念和方法的实例，并提供了一些代表性算法的关键实现步骤的代码。 本书不仅可以作为高等院校计算机相关专业的“计算机图形学”课程教材，也可以作为计算机图形学科研工作者和产业界技术人员的参考用书。

　　黄华，北京理工大学计算机学院教授，国家杰出青年基金和中国青年科技奖获得者，万人计划科技创新领军人才入选者。分别于1996、2001、2006年在西安交通大学获得工学学士、硕士、博士学位。主要研究图像与视频处理、计算机图形学。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等。

第1章引言/1
1.1计算机图形学的概念1
1.2计算机图形学的发展2
1.2.120世纪60年代3
1.2.220世纪70年代4
1.2.320世纪80年代5
1.2.420世纪90年代6
1.2.521世纪7
1.3计算机图形学与其他学科的关系7
1.4计算机图形学的应用9
1.5小结11
思考题11
第2章基础知识/12
2.1图形的显示12
2.2几何变换14
2.2.1模型变换15
2.2.2视点变换17
2.2.3投影变换19
2.2.4窗口变换21
2.3光栅化处理22
2.3.1简单图元生成22
2.3.2多边形填充24
2.3.3剔除25
2.3.4可见性判断26
2.4图形硬件28
2.5小结29
思考题29
第3章几何建模/30
3.1数学基础303.1.1几何形状的数学形式30
3.1.2几何性质32
3.1.3建模工具34
3.2自由曲线/曲面建模35
3.2.1平面三次多项式曲线35
3.2.2Bézier曲线/曲面36
3.2.3B样条曲线/曲面38
3.3细分曲面建模41
3.3.1CatmullClark细分曲面41
3.3.2DooSabin细分曲面43
3.3.3Loop细分曲面44
3.3.4Butterfly细分曲面45
3.4三维重建46
3.4.1被动式与主动式建模46
3.4.2基于图像的三维重建47
3.4.3基于视频的三维重建50
3.4.4基于激光测距的三维重建51
3.4.5基于Kinect的三维重建53
3.5其他建模方法54
3.5.1分形54
3.5.2基于粒子系统的建模55
3.5.3基于语言学的建模55
3.6几何数据结构56
3.6.1构造实体几何模型56
3.6.2边界模型57
3.7小结59
思考题59
〖1〗现代计算机图形学基础目录〖3〗〖3〗第4章数字几何处理/60
4.1几何基础60
4.1.1几何模型60
4.1.2几何性质62
4.2网格去噪64
4.2.1基本方法64
4.2.2Laplacian平滑65
4.3网格简化67
4.3.1顶点聚类68
4.3.2渐进式网格69
4.4网格参数化70
4.4.1数学模型71
4.4.2平面参数化72
4.4.3球面参数化76
4.4.4基域参数化77
4.5重新网格化77
4.5.1网格质量78
4.5.2渐进式重新网格化78
4.5.3重心Voronoi图填充重新网格化79
4.5.4基于参数化的重新网格化80
4.6网格编辑81
4.6.1自由编辑81
4.6.2带约束的编辑83
4.6.3编辑迁移84
4.7网格形变84
4.7.1基于参数化的网格形变84
4.7.2基于微分坐标的网格形变85
4.8小结86
思考题86
第5章真实感绘制/88
5.1光照88
5.2BRDF和着色91
5.2.1BRDF92
5.2.2着色94
5.3纹理映射99
5.3.1简单的纹理映射99
5.3.2环境映射102
5.3.3凹凸映射102
5.4光线跟踪绘制104
5.4.1基本原理104
5.4.2光线投射模型105
5.4.3光线跟踪模型105
5.4.4光线跟踪加速108
5.4.5光线跟踪的其他改进110
5.5辐射度绘制110
5.5.1基本原理111
5.5.2辐射度绘制模型111
5.5.3辐射度方程的数值计算112
5.6特殊效果绘制113
5.7小结115
思考题115
第6章非真实感绘制/116
6.1概述116
6.2基于笔画建模的绘制118
6.2.1笔画模型118
6.2.2油画风格化绘制119
6.2.3水彩画风格化绘制126
6.2.4素描风格化绘制126
6.3基于纹理合成的绘制127
6.3.1基于风格类比的纹理合成绘制方法128
6.3.2基于笔画的纹理合成绘制方法129
6.4基于图像滤波的绘制131
6.4.1基于流体场的双边滤波绘制131
6.4.2基于亮度的双边滤波绘制132
6.4.3基于纹理/结构分层的滤波绘制133
6.5视频非真实感绘制134
6.5.1基于帧间光流的笔画绘制135
6.5.2基于视频体的笔画绘制136
6.6基于深度学习的绘制137
6.6.1基于卷积神经网络的风格迁移137
6.6.2基于生成对抗网络的风格迁移139
6.7小结140
思考题140
第7章基于图形的影像处理/142
7.1影像抠图142
7.1.1蓝屏抠图144
7.1.2基于三色图的自然图像抠图145
7.1.3基于笔画的自然图像抠图147
7.1.4基于闪光的自然图像抠图149
7.1.5视频抠图149
7.2影像缩放150
7.2.1图像缝隙增删151
7.2.2图像网格变形153
7.2.3视频缩放方法154
7.3影像融合155
7.3.1泊松图像融合156
7.3.2基于均值坐标插值的图像融合156
7.3.3视频融合方法158
7.4影像拼接158
7.4.1尽可能单应变换的图像拼接159
7.4.2形状保持的半单应变换图像拼接160
7.4.3自适应混合变换图像拼接162
7.4.4视频拼接162
7.5影像编辑163
7.5.1颜色迁移164
7.5.2图像变形165
7.5.3编辑传播166
7.5.4视频去抖168
7.6小结170
思考题170
第8章计算摄像/171
8.1摄像学的发展171
8.1.1成像设备171
8.1.2成像原理174
8.1.3相机成像176
8.2数字摄像177
8.2.1去马赛克177
8.2.2白平衡179
8.2.3色调映射181
8.2.43A调整182
8.3计算摄像183
8.3.1计算成像编/解码184
8.3.2性能分析187
8.4计算光场成像187
8.4.1基于光场的重对焦成像188
8.4.2基于光圈编码的去散焦成像189
8.5计算光谱成像190
8.5.1传统光谱成像190
8.5.2基于掩膜分光镜的计算光谱成像191
8.5.3基于双相机压缩感知的计算光谱成像192
8.5.4基于成像机理的计算光谱复原194
8.6小结196
思考题196
第9章计算机动画/197
9.1动画制作197
9.1.1传统动画197
9.1.2计算机动画概述198
9.1.3动画制作流程199
9.2关键帧插值200
9.2.1形状保持的图像形变插值201
9.2.2形状保持的三维网格形变插值203
9.3物理模拟204
9.4运动捕捉206
9.4.1主动式运动捕捉207
9.4.2被动式运动捕捉208
9.4.3运动重定向208
9.5群体动画209
9.5.1FlockandBoid模型211
9.5.2社会力模型212
9.6小结213
思考题213
第10章基于GPU的图形计算/215
10.1GPU简介215
10.1.1组成结构215
10.1.2并行处理216
10.1.3GPU的发展217
10.2数值计算218
10.2.1计算模式218
10.2.2通用数值计算220
10.3GPU快速建模221
10.3.1GPU加速的NURBS建模221
10.3.2GPU加速的泊松三维重建223
10.4GPU快速绘制224
10.4.1GPU加速的光线跟踪绘制224
10.4.2GPU加速的辐射度绘制224
10.5GPU计算光谱成像226
10.6小结227
思考题228
参考文献/229