计算机图形学入门 3D渲染指南

　　如今，计算机图形学无处不在，它为视频、游戏等增添了令人瞩目的细节，为大型电影、动画等增添了逼真的特效。本书围绕计算机图形学这一主题展开，是作者讲授计算机图形学课程多年经验的结晶。本书着重介绍光线追踪渲染器和光栅化渲染器这两大主流渲染器的基本实现过程，以渲染器的需求背景和实现原理作为出发点，辅以必要的简单数学推导过程，从光到阴影与反射，从直线到着色与纹理，逐渐引导出实现渲染器的伪代码，力求使没有丰富编程经验和深厚数学功底的读者也能够完全读懂。本书是计算机图形学入门的学习教材，特别适合渴望进入计算机图形学世界的“零基础”读者阅读，也适合对计算机图形学开发感兴趣的爱好者以及相关从业人员使用。

　　加布里埃尔· 甘贝塔（Gabriel Gambetta）从5岁开始编写游戏程序。在获得计算机科学的学位后，他创办了一家游戏开发公司，在那里工作了10 多年，同时在当地一所大学教授计算机图形学。他目前在苏黎世，担任谷歌的高级软件工程师。

第 1章 基础入门概念 1
1.1 画布 1
1.2 颜色模型 4
1.2.1 减色法模型 4
1.2.2 加色法模型 6
1.2.3 忽略细节 7
1.3 颜色深度和颜色表示法 8
1.4 颜色的处理方法 9
1.5 场景 10
1.6 总结 11

第 一部分 光线追踪
第 2章 基础光线追踪知识 14
2.1 渲染一幅瑞士风景图 14
2.2 基本假设 17
2.3 画布空间到视口空间 18
2.4 追踪射线 19
2.4.1 射线方程 20
2.4.2 球体方程 21
2.4.3 射线与球体相交 22
2.5 渲染我们的第 一组球体 24
2.6 总结 29

第3章 光 30
3.1 简化的假设 31
3.2 光源 31
3.2.1 点光 31
3.2.2 方向光 32
3.2.3 环境光 33
3.3 单点光照 34
3.4 漫反射 34
3.4.1 对漫反射的建模 35
3.4.2 漫反射方程 38
3.4.3 球体的法线 38
3.4.4 漫反射的渲染 39
3.5 镜面反射 41
3.5.1 对镜面反射的建模 44
3.5.2 镜面反射的计算项 46
3.5.3 完整的光照方程 46
3.5.4 镜面反射的渲染 47
3.6 总结 50

第4章 阴影和反射 52
4.1 阴影 52
4.1.1 理解阴影 52
4.1.2 包含阴影的渲染 55
4.2 反射 58
4.2.1 镜子和反射 58
4.2.2 包含反射的渲染 61
4.3 总结 64

第5章 扩展光线追踪渲染器 65
5.1 任意相机定位 65
5.2 性能优化 67
5.2.1 并行运算 67
5.2.2 缓存不变值 68
5.2.3 阴影的优化 69
5.2.4 空间结构 70
5.2.5 子采样 70
5.3 支持其他图元 71
5.4 体素构造表示法 71
5.5 透明度 73
5.6 超采样 75
5.7 总结 75

第二部分 光栅化
第6章 直线 78
6.1 描述直线 79
6.2 绘制直线 80
6.3 绘制任意斜率的直线 84
6.4 线性插值函数 85
6.5 总结 88

第7章 填充三角形 89
7.1 绘制线框三角形 89
7.2 绘制填充三角形 90
7.3 总结 94

第8章 着色三角形 95
8.1 定义问题 95
8.2 计算边缘着色 96
8.3 计算内部着色 98
8.4 总结 101

第9章 透视投影 102
9.1 基本假设 102
9.2 查找P'点 103
9.3 透视投影方程 104
9.4 透视投影方程的性质 105
9.5 投影我们的第 一个3D物体 106
9.6 总结 108

第 10章 场景的描述和渲染 109
10.1 表示一个立方体 109
10.2 模型和模型实例 113
10.3 模型变换 116
10.4 相机变换 118
10.5 变换矩阵 121
10.6 齐次坐标 122
10.6.1 齐次旋转矩阵 123
10.6.2 齐次缩放矩阵 124
10.6.3 齐次平移矩阵 124
10.6.4 齐次投影矩阵 125
10.6.5 齐次视口-画布变换矩阵 126
10.7 回顾变换矩阵 126
10.8 总结 128

第 11章 裁剪 130
11.1 裁剪过程概述 131
11.2 裁剪体 131
11.3 使用平面裁剪场景 133
11.4 定义裁剪平面 135
11.5 裁剪整个物体 137
11.6 裁剪三角形 139
11.7 裁剪过程的伪代码 142
11.8 渲染管线中的裁剪过程 145
11.9 总结 145

第 12章 移除隐藏表面 146
12.1 渲染实体物体 146
12.2 画家算法 147
12.3 深度缓冲 149
12.4 背面剔除 154
12.5 总结 158

第 13章 着色 159
13.1 着色与光照 159
13.2 扁平化着色 160
13.3 高洛德着色 161
13.4 冯氏着色 166
13.5 总结 169

第 14章 纹理 171
14.1 绘制木条箱 171
14.2 双线性滤波 176
14.3 贴图分级细化 179
14.4 三线性滤波 182
14.5 总结 182

第 15章 扩展光栅化渲染器 183
15.1 法线映射 183
15.2 环境映射 185
15.3 阴影 187
15.3.1 模板阴影 187
15.3.2 阴影映射 193
15.4 总结 194

编后记 195

附录 线性代数 197
1．点 197
2．向量 198
（1）表示向量 198
（2）向量的模 199
3．点运算和向量运算 199
（1）点的减法 199
（2）点和向量的加法 200
（3）向量加法 200
（4）向量和数的乘法 201
（5）向量乘法 201
4．矩阵 203
5．矩阵运算 203
（1）矩阵加法 203
（2）矩阵和数的乘法 203
（3）矩阵乘法 204
（4）矩阵和向量的乘法 205