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內容簡介

　　本書以OpenGL和C作為工具，介紹計算機圖形學編程的相關內容。全書從圖形編程的基礎和準備工作講起，介紹了OpenGL圖像管線、3D模型、紋理貼圖、光照、陰影、天空和背景、增強表面細節(jié)、曲面細分、幾何著色器、水面模擬、光線追蹤等計算機圖形學編程技術。本書各章配備了不同形式的習題，供讀者鞏固所學知識。本書適合作為高等院校計算機科學專業(yè)的計算機圖形編程課程的教材或輔導書，也適合對計算機圖形編程感興趣的讀者自學。

作者簡介

　　V.斯科特·戈登（V. Scott Gordon），加利福尼亞州立大學薩克拉門托分校教授，撰寫及合著出版物30多部，涉及人工智能、神經網絡、進化計算、計算機圖形學、軟件工程、視頻和策略游戲編程，以及計算機科學教育等多個領域。戈登博士在科羅拉多州立大學獲得博士學位。約翰·克萊維吉（John Clevenger ），加利福尼亞州立大學薩克拉門托分校教授，擁有超過40年的教學經驗，教學內容包括高級圖形學、游戲架構、操作系統、VLSI芯片設計、系統仿真等主題。他是國際大學生程序設計競賽（ICPC）的技術總監(jiān)，負責監(jiān)督編程競賽支持系統PC^2的持續(xù)開發(fā)。克萊維吉博士在加州大學戴維斯分校獲得博士學位。

圖書目錄

第 1 章入門 1
1.1　語言和庫　1
1.1.1　C 　1
1.1.2　OpenGL / GLSL　2
1.1.3　窗口管理庫　2
1.1.4　擴展庫　2
1.1.5　數學庫　3
1.1.6　紋理圖像加載庫　3
1.1.7　可選庫　3
1.2　安裝和配置　3
參考資料　4
第　2 章 OpenGL 圖像管線　5
2.1　OpenGL 管線　5
2.1.1　C /OpenGL 應用程序　6
2.1.2　頂點著色器和片段著色器　8
2.1.3　曲面細分著色器　11
2.1.4　幾何著色器　11
2.1.5　柵格化　12
2.1.6　片段著色器　13
2.1.7　像素操作　13
2.2　檢測 OpenGL 和 GLSL 錯誤　14
2.3　從文件中讀取 GLSL 源代碼　16
2.4　從頂點構建對象　17
2.5　場景動畫　18
2.6　C 代碼文件結構　19
補充說明　20
習題　21
參考資料　21
第　3 章數學基礎　22
3.1　3D 坐標系統　22
3.2　點　22
3.3　矩陣　22
3.4　變換矩陣　24
3.4.1　平移矩陣　24
3.4.2　縮放矩陣　25
3.4.3　旋轉矩陣　25
3.5　向量　26
3.5.1　點積的應用　27
3.5.2　叉積的應用　28
3.6　局部和世界空間　28
3.7　視覺空間和合成相機　28
3.8　投影矩陣　30
3.8.1　透視投影矩陣　30
3.8.2　正射投影矩陣　31
3.9　LookAt 矩陣　32
3.10　用來構建矩陣變換的 GLSL
函數　32
補充說明　33
習題　34
參考資料　34
第　4 章管理 3D 圖形數據　35
4.1　緩沖區(qū)和頂點屬性　35
4.2　統一變量　37
4.3　頂點屬性插值　37
4.4　模型-視圖和透視矩陣　38
4.5　我們的第一個3D程序—— 一個3D立方體　39
4.6　渲染一個對象的多個副本　45
實例化　45
4.7　在同一個場景中渲染多個不同模型　47
4.8　矩陣棧　49
4.9　應對“Z 沖突”偽影　53
4.10　圖元的其他選項　54
4.11　性能優(yōu)先的編程方法　55
4.11.1　盡量減少動態(tài)內存空間分配　55
4.11.2　預先計算透視矩陣　55
4.11.3　背面剔除　56
補充說明　58
習題　58
參考資料　59
第　5 章紋理貼圖　60
5.1　加載紋理圖像文件　60
5.2　紋理坐標　61
5.3　創(chuàng)建紋理對象　62
5.4　構建紋理坐標　62
5.5　將紋理坐標載入緩沖區(qū)　63
5.6　在著色器中使用紋理：采樣器變量和紋理單元　64
5.7　紋理貼圖：示例程序　64
5.8　多級漸遠紋理貼圖　66
5.9　各向異性過濾　69
5.10　環(huán)繞和平鋪　69
5.11　透視變形　70
5.12　材質—更多OpenGL細節(jié)　71
補充說明　72
習題　72
參考資料　72
第　6 章 3D 模型　74
6.1　程序構建模型—構建一個球體　74
6.2　OpenGL 索引—構建一個環(huán)面　79
6.2.1　環(huán)面　79
6.2.2　OpenGL 中的索引　79
6.3　加載外部構建的模型　84
補充說明　90
習題　90
參考資料　90
第　7 章光照　91
7.1　光照模型　91
7.2　光源　91
7.3　材質　93
7.4　ADS 光照計算　95
7.5　實現 ADS 光照　96
7.5.1　Gouraud 著色（雙線性光強插值法）　97
7.5.2　Phong 著色　101
7.6　結合光照與紋理　105
補充說明　106
歷史記錄　106
習題　107
參考資料　107
第　8 章陰影　108
8.1　陰影的重要性　108
8.2　投影陰影　108
8.3　陰影體　109
8.4　陰影貼圖　109
8.4.1　陰影貼圖（第 1 輪）—— 從光源位置“繪制”物體　110
8.4.2　陰影貼圖（中間步驟）——將 Z 緩沖區(qū)復制到紋理　111
8.4.3　陰影貼圖（第 2 輪）—— 渲染帶陰影的場景　111
8.5　陰影貼圖示例　113
8.6　陰影貼圖的偽影　117
8.7　柔和陰影　119
8.7.1　現實世界中的柔和陰影　119
8.7.2　生成柔和陰影——百分比鄰近濾波（PCF）　120
8.7.3　柔和陰影/PCF 程序　122
補充說明　124
習題　124
參考資料　125
第　9 章天空和背景　126
9.1　天空盒　126
9.2　穹頂　127
9.3　實現天空盒　128
9.3.1　從頭開始構建天空盒　128
9.3.2　使用 OpenGL 立方體貼圖　131
9.4　環(huán)境貼圖　133
補充說明　136
習題　137
參考資料　137
第　10 章增強表面細節(jié)　138
10.1　凹凸貼圖　138
10.2　法線貼圖　139
10.3　高度貼圖　145
補充說明　146
習題　147
參考資料　147
第　11 章參數曲面　148
11.1　二次貝塞爾曲線　148
11.2　三次貝塞爾曲線　149
11.3　二次貝塞爾曲面　151
11.4　三次貝塞爾曲面　152
補充說明　153
習題　153
參考資料　153
第　12 章曲面細分　154
12.1　OpenGL 中的曲面細分　154
12.2　貝塞爾曲面細分　158
12.3　地形、高度圖的細分　162
12.4　控制細節(jié)級別　166
補充說明　168
習題　168
參考資料　168
第　13 章幾何著色器　169
13.1　OpenGL 中的逐個圖元處理　169
13.2　修改圖元　170
13.3　刪除圖元　172
13.4　添加圖元　173
13.5　更改圖元類型　175
補充說明　176
習題　176
參考資料　176
第　14 章其他技術　177
14.1　霧　177
14.2　復合、混合、透明度　178
14.3　用戶定義剪裁平面　182
14.4　3D 紋理　183
14.5　噪聲　187
14.6　噪聲應用——大理石　190
14.7　噪聲應用——木材　193
14.8　噪聲應用——云　195
14.9　噪聲應用——特殊效果　198
補充說明　199
習題　200
參考資料　200
第　15 章模擬水面　202
15.1　游泳池表面和底部的幾何設定　202
15.2　添加水面反射和折射　205
15.3　添加水面波浪　212
15.4　更多修正　213
15.5　為水的流動添加動畫　216
15.6　水下焦散　218
補充說明　219
習題　220
參考資料　220
第　16 章光線追蹤和計算著色器　221
16.1　計算著色器　222
16.1.1　編譯及使用計算著色器　222
16.1.2　計算著色器中的并行計算　222
16.1.3　工作組　225
16.1.4　工作組詳解　225
16.1.5　工作組的限制　227
16.2　光線投射　227
16.2.1　定義 2D 紋理圖像　228
16.2.2　構建和顯示光線投射圖像　228
16.2.3　光線與球面的交點　233
16.2.4　軸對齊的光線與立方體的交點　234
16.2.5　無光照的簡單光線投射的輸出　235
16.2.6　添加 ADS 光照　235
16.2.7　添加陰影　237
16.2.8　非軸對齊的光線與立方體的交點　238
16.2.9　確定紋理坐標　239
16.2.10　平面交點和過程紋理　244
16.3　光線追蹤　246
16.3.1　反射　246
16.3.2　折射　247
16.3.3　結合反射、折射和紋理　249
16.3.4　增加光線數　250
16.3.5　通用解決方案　254
16.3.6　更多示例　257
16.3.7　透明對象的顏色混合　260
補充說明　264
習題　265
參考資料　265
第　17 章 3D 眼鏡和 VR 頭顯的立體視覺　267
17.1　雙目視圖和投影矩陣　268
17.2　色差式渲染　269
17.3　并排式渲染　270
17.4　修正頭顯的鏡頭畸變　271
17.5　簡單的測試硬件配置　276
補充說明　277
習題　277
參考資料　277
附錄　A PC（Windows）上的安裝與設置　279
A.1　安裝庫和開發(fā)環(huán)境　279
A.1.1　安裝開發(fā)環(huán)境　279
A.1.2　安裝 OpenGL/GLSL　279
A.1.3　準備 GLFW　279
A.1.4　準備 GLEW　280
A.1.5　準備 GLM　280
A.1.6　準備 SOIL2　280
A.1.7　準備共享的 lib 和include 文件夾　280
A.2　在 MS Visual Studio 中開發(fā)和部署 OpenGL 項目　281
創(chuàng)建　Visual Studio 自定義項目模板　281
參考資料　282
附錄　B Mac（macOS）平臺上的安裝與設置　283
B.1　安裝庫和開發(fā)環(huán)境　283
B.1.1　準備并安裝依賴庫　283
B.1.2　準備開發(fā)環(huán)境　284
B.2　修改 Mac 的 C /OpenGL/ GLSL 應用程序代碼　285
B.2.1　修改 C 代碼　285
B.2.2　修改 GLSL 代碼　286
參考資料　287
附錄　C 使用 Nsight 圖形調試器　288
C.1　關于 NVIDIA Nsight　288
C.2　設置 Nsight　288
C.3　在 Nsight 中運行 C /OpenGL
應用程序　289
參考資料　291