[计算机图形学] 图形学系列 -- 关于计算机图形学的学习

萧闫子 · 发表于 2014-1-9 13:50:28

引言

什么是计算机图形学？本文尽量避免给它做严格的定义，但是通常来说，计算机图形学是数字图象处理的逆过程，这只是一个不确切的定义，后面我们会看到，实际上，计算机图形学、数字图象处理和计算机视觉在很多地方的区别不是非常清晰的，很多概念是相通的。

计算机图形学是用计算机来画东西的学科，数字图象处理是把外界获得的图象用计算机进行处理的学科。在法国，图形图象是一门课程。

如何学习计算机图形学呢？除了计算机图形学的基础知识以外，你还需要有以下的知识，你懂的越多，当然做的越好。

英语，你一定要把英语学好，如果你想学习计算机图形学的话，尽量看英文的书籍和资料；
数学，计算机图形学里面的数学用的比较多，，我们可以列举一些常用的：高等数学，数值分析，微分几何，拓扑，概率，插值理论，（偏）微分方程…
物理，如果你要进行基于物理的建模，一些物理理论是要学习的：力学（运动学，动力学，流体力学…），光学，有限元…
编程语言：C或C++是计算机图形学最通用的‘普通话’；
数据结构：你需要数据结构来描述你的图形对象，除了通用的链表、树等数据结构外，图形学还有自己特殊的数据结构
其他类别：有的时候你需要其他学科的知识，根据你的需要去学习吧

上面列举的不是你必须学习的东西，而是计算机图形学可能会用到的东西，一定要记住，不要指望通过一本教材就学会计算机图形学，它比你想象的要复杂的多。

图形学的问题

每个学科都有自己学科的特定问题，图形学要解决的是如何画出图来，得到需要的效果，当然这是图形学最大的一个问题。

入门

在开始学习计算机图形学的时候，找一本简单的书看，对计算机图形学有个大概的认识，你就可以开始图形学之旅了：

OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 1.4, Fourth EditionOpenGL SuperBible (3rd Edition)

是比较好的学习计算机图形学的入门教材，在练中去学，一开始就去啃。

Foley的

Computer Graphics: Principles and Practice, Second Edition in C

不是好主意，会看的一头雾水，一本什么都讲的书的结果往往是什么都没讲清楚。当你把OpenGL的基本内容掌握之后，你对图形学就有了大概的了解了。

那么下面你可以来学习一下计算机图形学的数据结构和算法，下面的书比较适合，Joseph O'Rourke 的

Computational Geometry in C

书里面有C的源代码，讲述简单，清晰，适合程序员学习。

建模与渲染

总的来说，计算机图形学涉及到2大部分：建模和渲染。

建模

你想画一个东西，首先要有它的几何模型，那么这个几何模型从什么地方来呢？下面的书很不错的,

Curves and Surfaces for CAGD: A Practical Guide. Gerald Farin

这本书就有一点的难度了，呵呵，要努力看啊。它是 CAGD (计算机辅助几何设计)的经典图书，CAGD 方面的全貌，还有两本很好的讲述曲面的书 Bezier 和 Nurbs 的书：

The Nurbs Book, Les A. Piegl, Wayne Tiller

书里面有 NURBS 曲线、曲面的程序伪代码，很容易改成C的，书讲的通俗、易懂，但是你要有耐心看的：）

曲线与曲面的数学

这本书是法国人写的中文翻译版，里面还有Bezie本人写的序J，翻译的很不错的，看了你就掌握 Bezier 曲面技术了。

还有其他的一些造型技术，比如：

隐式曲面(Implicit Surface)的造型：就是用函数形式为 F( x ,y ,z ) = 0 的曲面进行造型，这样的造型技术适合描述动物器官一样的肉乎乎的东西，有2 本书推荐大家：

Introduction to Implicit Surfaces. Jules Bloomenthal

是一本专著，讲述了 Implicit Surface 建模型(Modeling)，面片化 (Polygonization)，渲染(Rendering)的问题。

Implicit Objects Computer Graphics. Luiz Velho

也是一本专著，讲述个更新的一些进展。

细分曲面（Subdivision Surface）造型：当用 NURBS 做造型的时候，曲面拼接是复杂的问题，在动画的时候，可能产生撕裂或者褶皱，Subdivision Surface 用来解决这个问题。

Subdivision Methods for Geometric Design: A Constructive Approach. Joe Warren

就是这方面的专著。

从实际物体中得到造型：现在的技术可以用三维扫描仪得到物体表面的点，然后根据这些点把物体的表面计算出来，称为重建(Reconstruction)，因为这些技术之在文章中论述，所以我们省略对它的描述。

在你的几何模型做好之后，有一些问题需要对这个模型进一步处理，得到适合的模型，当面片很多的时候，或者模型很复杂的时候，需要对几何模型进行简化，才可以满足一些实时绘制的需要，这个技术叫做层次细节（LOD-Level of Detail）。下面的书就是讲这个的：

Level of Detail for 3D Graphics. David Luebke渲染

有了模型，怎么把这个几何模型画出来呢？这个步骤就是渲染啦。

如果你看了上面的 OpenGL 的书，那么你就知道一些渲染的知识了，但是别高兴的太早，OpenGL 使用的是局部光照模型（Local Illumination Model），不要被这个词吓住了。

Local illumination Model 指的是在做渲染的时候只考虑光源和物体之间的相互作用，不考虑物体和物体之间的影响，所以 OpenGL 不支持阴影，一个（半）透明物体的效果..，这些需要考虑物体之间的影响才可以实现。

虽然 OpenGL 本身不支持，但是通过一些方法可以实现的：），用 Google 搜索一下 Shadow Volume, OpenGL 就找到答案啦。

Global Illumination Model 这类模型考虑的就比较全啦。现在关于 Global Illumination 的技术有 3 大类，具体的技术就不在这里介绍了，如果想了解，可以联系我，大家一起讨论。

光线追踪(Ray Tracing)

关于Ray Tracing的好书有2本：

An Introduction to Ray tracing. Andrew Glassner

Glasser 是图形界的名人，这本书也是 Ray Tracing 的经典。

Realistic Ray Tracing, Second Edition. R. Keith Morley, Peter Shirley

这本书第一版是伪代码，第二版是C代码。它的结构不是很清楚，虎头蛇尾的感觉。

辐射度(Radiosity)

关于Radiosity的好书有4本：

Radiosity and Realistic Image Synthesis. Michael Cohen

Cohen获得 SIGGRAPH 1998 计算机图形学成就奖，他把 Radiosity 变成实际可用，现在 Cohen 在 MSR 图形组。

Radiosity and Global Illumination. Francois X. Sillion

Sillion 是法国人，他的主要研究方向是 Radiosity，这本书写的很不错的，非常清晰。

Philip Dutre 的新书

Advanced Global Illumination

看起来还不错，刚拿到手，还没看，呵呵，所以不好评价。

Radiosity: A Programmer's Perspective. Ian Ashdown

有源代码的书啊！！就凭这个，得给5*****。

Photon mapping

这个我也不知道怎么翻译，呵呵。这个技术出现的比较晚，一本好书！

Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping. Henrik Wann Jensen

Henrik Wann Jensen是Photon mapping技术的发明者

这些也是图形学吗非真实性图形学（Non-Photorealistic Graphics）

真实性不是计算机图形学的唯一要求，比如：你给我画一个卡通效果的图出来，或者我要用计算机画水彩画怎么办？或者：把图象用文字拼出来怎么做？，解决这些问题要用到非真实性图形学，好书继续推荐！！！

Non-Photorealistic Rendering. Bruce Gooch, Amy Ashurst Gooch体图形学(Volume Graphics)

用CT机做很多切片（比如头骨），那么能通过这些切片得到3D的头骨吗？Volume Graphics就是解决这样的问题的

Volume Graphics. Min Chen

上面的2个图形学技术就和图象的界限不明显了，实际上他们是图形图象的综合。

CMU 图形学开设课程简介

关于实时渲染和 Shader 的书2Essential Mathematics for Games and Interactive Applications, Jim Van Verth and Lars Bishop, ISBN 1-55860-863-XGPU Gems, edited by Randima Fernando.Collision Detection, by Gino van den Bergen (table of contents)Game Physics, by Dave Eberly (companion web site)ShaderX2: Introductions and Tutorials with DirectX 9, edited by Wolfgang F. Engel (table of contents)ShaderX2: Shader Programming Tips and Tricks with DirectX 9, edited by Wolfgang F. EngelEssential Mathematics for Games and Interactive Applications, by Jim Van Verth and Lars Bishop, Sept. 2003Graphics Programming Methods, edited by Jeff Lander, July 2003Real-Time 3D Terrain Engines Using C++ and DirectX 9 , by Greg Snook, June 20033D Computer Graphics: A Mathematical Introduction with OpenGL, by Samuel R. Buss, June 2003 (sample code, etc.)Advanced 3D Game Programming with DirectX 9.0, by Peter Walsh and Adrian Perez, April 2003.The Cg Tutorial: The Definitive Guide to Programmable Real-Time Graphics,by Randima Fernando and Mark J. Kilgard, February 2003(Sample chapters and more, Gamasutra excerpt)Game Programming Tricks of the Trade, by Lorenzo Phillips, Sept. 2002Direct3D ShaderX: Vertex and Pixel Shader Tips and Tricks, by Wolfgang F. Engel(Table of Contents and more; Introduction; Samples 1 & 2),2002The OpenGL Extensions Guide, by Eric Lengyel (table of contents and sample, in-depth table of contents)3D Games, Volume 2: Animation and Advanced Real-Time Rendering, by Alan Watt and Fabio Policarpo(their Fly3D SDK is online), 2003Game Programming Gems 3, edited by Dante Treglia and Mark DeLoura,2002 (see the series web site for upcoming volumes)Geometric Tools for Computer Graphics, by Philip Schneider and David Eberly, Sept. 2002 (companion web site)Focus On 3D Terrain Programming, by Trent Polack, Dec. 2002 (comes with CD; Publisher's description)Vector Game Math Processors, by James C. Leiterman, Dec. 2002.3D Math Primer for Graphics and Game Development, by Fletcher Dunn and Ian Parberry, Dec. 2002.(more information at their site)Fundamentals of Computer Graphics, by Peter Shirley, July 2002Real-Time Shading, by Marc Olano et al., July 2002Level of Detail for 3D Graphics, by David Luebke et al., July 2002 (companion web site)Advanced 3D Game Development with OpenGL, by David Byttow and Ryan Parker, 2002Real-Time Shader Programming, by Ron Fosner, Dec. 2002Jim Blinn's Corner: Notation, Notation, Notation, by Jim Blinn, July 2002Software Optimization Cookbook, by Richard Gerber, March 2002Real Time Rendering Tricks and Techniques in DirectX, by Kelly Dempski, 2002Texturing & Modeling: A Procedural Approach, 3rd Edition, by David Ebert et al., 2002 (companion web site)Special Effects Game Programming with DirectX 8.0, by Mason McCuskey, 2002Non-Photorealisting Computer Graphics, by Thomas Strothotte and Stefan Schlechtweg, June 2002 (companion web site)Mathematics for 3D Game Programming & Computer Graphics, by Eric Lengyel, 2001Game Programming Gems 2, edited by Mark DeLoura (Table of Contents and introduction), 2001OpenGL Game Programming, by Kevin Hawkins and Dave Astle (source code), 2001Subdivision Methods for Geometric Design: A Constructive Approach, by Joe Warren and Henrik Weimer, 2001(companion web site and publisher's web site)Non-Photorealistic Rendering, by Gooch and Gooch, 2001Computer Animation: Algorithms and Techniques, by Richard Parent, 2001Practical Algorithms for 3d Computer Graphics, by R. Stuart Ferguson, 2001Game Programming Gems, edited by Mark DeLoura (Table of Contents and code updates), 2000Game Engine Design: A Practical Approach to Real-Time Computer Graphics, by Dave Eberly (his code is online), 20003D Games, Volume 1: Real-time Rendering and Software Technology, by Alan Watt and Fabio Policarpo(their Fly3D SDK is online), 20003D Graphics Programming: Games and Beyond, by Sergei Savchenko, 2000Computational Geometry: Algorithms and Applications, by deBerg, Van Kreveld, Overmars, and Schwarzkopf, 2000Computer Graphics Using OpenGL by F.S. Hill, Jr., 2000 (Table of Contents and sample chapter)3D Game Engine Design, by David Eberly, Jan. 2001 (companion web site)Essential Mathematics for Computer Graphics Fast, by John Vince,Oct. 2001Computer Graphics Through Key Mathematics, by Huw Jones, May 2001Mathematics for Computer Graphics Applications, by Michael Mortenson, 1999SIGGRAPH: 图形学研究人员的圣地

SIGGRAPH(the ACM—Association for Computer Machinery—Special Interest Group on Computer Graphics)，国内学术界一般都简称为国际图形学年会，至今已有三十多年的历史了。它被公认为是全球计算机图形学研究领域最负盛名的会议，每年参加会议的人数超过4万人，入选的40-50篇论文是从300-400篇优秀论文中精选出来的。

在 Siggraph 上发表自己的论文，是每一个从事图形图像学研究的人所梦寐以求的荣誉，因为只有在图形图像研究方面做出最尖端、最新锐、最令人激动的新发明、新创造的人，才有机会在 Siggraph 大会上作报告。

浙江大学彭群生教授在 1988 年，与研究生邵敏之合作撰写的有关光能辐射度新方法的论文被美国 SIGGRAPH'88 录用，从而实现了中国学者在这一国际最权威的图形学学术会议上"零"的突破。

SIGGRAPH 历年论文情况如下所示：

Michael F. Cohen 及其论文

Michael F. Cohen 是微软研究院的高级研究员，他在 Siggraph 1998 上赢得了计算机图形成就奖，他的主要贡献是把辐射度(Radiosity)变成实际可用。

http://research.microsoft.com/en-us/um/people/cohen/

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Hugues Hoppe 及其论文

Hugues Hoppe 是微软研究院的高级研究员，他在 Siggraph 2004 上赢得了计算机图形成就奖，他赢得该成就奖是因为其在表面重建(surface reconstruction)、渐进网格(progressive meshes)、几何纹理和几何图像方面进行了先驱性的工作。他就渐进网格所发表的研讨论文在计算机图形领域最广泛被引用，影响也最为深远。网格参数化对于映射纹理图像到表面上至关重要，极大地增强了可视细节和质量。

他的绝大多数论文都可在其个人网站上下载，另外很有很多 demo, talks 等。

http://research.microsoft.com/en-us/um/people/hoppe/

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还有其它书吗

一个讲学习 3D 的理念性教程：To Those Learning 3D，内容包括 First Things First, Be an Artist 等。

http://glenmoyes.com/articles/to_those_learning_3d.shtml

还有一些好书啊，呵呵，好书看不完的：），继续放送：

Graphics Gems I ~ V

一大帮子人写的书，包括研究人员，程序员…，有计算机图形学的各种数据结构，编程技巧。

Tomas Akenine-Moller 等人编著的

Real-Time Rendering (2nd Edition)

许多最新的计算机图形学进展。

David Ebert 等人的

Texturing & Modeling: A Procedural Approach, Third Edition

讲述如何通过程序实现纹理、山、地形等图形学要素。

F. Kenton Musgrave 号称分形狂(Fractal Mania)，Ken Perlin 就是 Perlin 噪声的发明者，用过 3d 软件的人对 Perlin Noise 不会陌生的。

关于图形学的特定对象，有特定的专题图书：

Evan Pipho Focus On 3D Models

对于图形学的常用模型格式，进行了讲解；

Trent Polack的 Focus On 3D Terrain Programming 讲地形的；
Donald H. House 的 Cloth Modeling and Animation 讲布料的；
Nik Lever 的 Real-time 3D Character Animation with Visual C++ ，讲角色动画的。
Richard Parent的 Computer Animation: Algorithms and Techniques，当然是讲动画的啦，呵呵；
David H. Eberly 的 3D Game Engine Design : A Practical Approach to Real-Time Computer Graphics ，有代码的啊！呵呵：）

最后，没事情的时候，看看下面的书吧：

Alan H. Watt， 3D Computer Graphics (3rd Edition)

James D. Foley等人的 Computer Graphics: Principles and Practice in C (2nd Edition) ，这本圣经没事的时候再看吧，呵呵

从哪里找到这些书啊

我保证，上面的书在 www.amazon.com 都可以买到：）别打我。

那好，大部分的书在国家图书馆可以复印到，北京的兄弟有福啦，3年前的书借出来复印，1角/页，但是新书要早图书馆里复印，5~6角/页，还是比 Amazon 便宜啊，呵呵。

不行大家就到国外买，合买吧，还负担的起。

我对 DirectX 不了解，所以没有涉及关于 DirectX 的内容：）