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交互式计算机图形学——基于WebGL 2.0的自顶向下方法（第八版）

作译者：张荣华等

出版时间：2024-01 千字数：1051 版次：01-01 页数：556

开本：16开装帧： I S B N ：9787121471186

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纸质书定价：￥149.0

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目    录
 
第1章  图形系统和模型	1
1.1  计算机图形学的应用	1
1.1.1  信息的显示	1
1.1.2  设计	2
1.1.3  仿真和动画	3
1.1.4  用户界面	4
1.2  图形系统	5
1.2.1  像素和帧缓存	6
1.2.2  CPU与GPU	7
1.2.3  输出设备	7
1.2.4  输入设备	9
1.3  物理图像与合成图像	9
1.3.1  对象与观察者	9
1.3.2  光和图像	10
1.3.3  成像模型	11
1.4  成像系统	12
1.4.1  针孔照相机	13
1.4.2  人类视觉系统	14
1.5  虚拟照相机模型	14
1.6  应用程序编程接口	16
1.6.1  笔式绘图仪模型	16
1.6.2  三维API	18
1.6.3  使用WebGL API绘制的一系列
      图像	20
1.6.4  建模-绘制模式	22
1.7  图形绘制系统体系结构	23
1.7.1  显示处理器	23
1.7.2  流水线体系结构	24
1.7.3  图形绘制流水线	24
1.7.4  顶点处理	24
1.7.5  裁剪和图元组装	25
1.7.6  光栅化	25
1.7.7  片元处理	25
1.8  可编程流水线	26
1.9  性能特征	26
1.10  OpenGL版本和WebGL	27
小结和注释	28
建议阅读资料	29
习题	29
第2章  图形学编程	31
2.1  Sierpinski镂垫	31
2.2  编写二维图形应用程序	33
2.3  WebGL应用程序编程接口	38
2.3.1  图形函数	38
2.3.2  图形绘制流水线和状态机	40
2.3.3  OpenGL和WebGL	40
2.3.4  WebGL接口	41
2.3.5  坐标系	42
2.4  图元和属性	43
2.4.1  多边形的基本概念	45
2.4.2  WebGL中的多边形	46
2.4.3  三角剖分	47
2.4.4  文本	48
2.4.5  顶点属性	49
2.5  颜色	50
2.5.1  RGB颜色	51
2.5.2  查色表	53
2.5.3  设置颜色属性	54
2.6  观察	55
2.6.1  正投影视图	55
2.6.2  二维观察	56
2.7  控制函数	57
2.7.1  HTML canvas元素	57
2.7.2  宽高比和视口	58
2.7.3  应用程序的执行	59
2.8  Sierpinski镂垫绘制程序	60
2.8.1  向GPU发送数据	62
2.8.2  绘制点数据	63
2.8.3  顶点着色器	63
2.8.4  片元着色器	64
2.8.5  组合各部分代码	65
2.8.6  initShaders函数	66
2.8.7  init函数	67
2.8.8  在应用程序中读取着色器	67
2.9  使用多边形和递归	68
2.10 三维Sierpinski镂垫	69
2.10.1  使用三维点	70
2.10.2  使用多边形的三维Sierpinski
       镂垫	73
2.10.3  隐藏面消除	75
小结和注释	76
代码示例	77
建议阅读资料	78
习题	78
第3章  交互和动画	82
3.1  动画	82
3.1.1  旋转的正方形	82
3.1.2  显示过程	84
3.1.3  双缓存	85
3.1.4  使用定时器	86
3.1.5  使用requestAnimationFrame
      函数	86
3.2  交互	87
3.3  输入设备	88
3.4  物理输入设备	88
3.4.1  键码	89
3.4.2  鼠标和追踪球	89
3.4.3  数据板、触摸板和触摸屏	90
3.4.4  多维输入设备	91
3.4.5  逻辑设备	91
3.4.6  输入模式	91
3.4.7  客户端和服务器	93
3.5  基于事件驱动输入的编程	93
3.5.1  事件和事件监听器	93
3.5.2  增加按钮	94
3.5.3  菜单	95
3.5.4  使用键码	96
3.5.5  滑动条	97
3.6  位置输入	97
3.7  窗口事件	99
3.8  手势和触摸	100
3.9  拾取	101
3.10 交互式建模	101
3.11 交互式程序的设计	105
小结和注释	106
代码示例	106
建议阅读资料	107
习题	107
第4章  几何对象和变换	110
4.1  标量、点和向量	110
4.1.1  几何对象	110
4.1.2  坐标无关的几何	112
4.1.3  数学的观点：向量空间和仿射
      空间	112
4.1.4  计算机科学的观点	113
4.1.5  几何ADT	114
4.1.6  直线	114
4.1.7  仿射加法	115
4.1.8  凸性	115
4.1.9  点积和叉积	116
4.1.10 平面	117
4.2  三维图元	118
4.3  坐标系和标架	120
4.3.1  向量的表示和n元组	121
4.3.2  坐标系的变换	122
4.3.3  举例：不同基下的表示之间的
      变换	124
4.3.4  齐次坐标	124
4.3.5  举例：标架变换	127
4.3.6  使用表示	128
4.4  WebGL中的标架	129
4.5  矩阵和向量类型	133
4.5.1  行主序和列主序矩阵表示	134
4.6  建模彩色立方体	134
4.6.1  建模立方体的面	135
4.6.2  向内和向外的面	135
4.6.3  表示对象的数据结构	136
4.6.4  彩色立方体	137
4.6.5  颜色插值	138
4.6.6  显示立方体	139
4.6.7  使用元素绘制网格	139
4.6.8  图元重启	140
4.7  仿射变换	141
4.8  平移、旋转和缩放	143
4.8.1  平移	143
4.8.2  旋转	143
4.8.3  缩放	145
4.9  变换的齐次坐标表示	146
4.9.1  平移	146
4.9.2  缩放	147
4.9.3  旋转	147
4.9.4  错切	149
4.10 变换的级联	149
4.10.1  不动点在任意位置的旋转	150
4.10.2  一般的旋转	151
4.10.3  实例变换	152
4.10.4  绕任意轴的旋转	153
4.11  WebGL中的变换矩阵	155
4.11.1  当前变换矩阵	155
4.11.2  基本矩阵函数	156
4.11.3  旋转、平移和缩放	157
4.11.4  绕任意不动点的旋转	157
4.11.5  变换的顺序	158
4.12 旋转立方体	158
4.12.1  uniform矩阵	160
4.13 平滑的旋转	162
4.13.1  增量式旋转	163
4.14 四元数	164
4.14.1  复数和四元数	164
4.14.2  四元数和旋转	165
4.14.3  四元数和万向节死锁	166
4.15 三维应用程序的接口	167
4.15.1  使用屏幕区域	167
4.15.2  虚拟追踪球	168
4.15.3  用四元数实现追踪球	169
小结和注释	171
代码示例	171
建议阅读资料	171
习题	172
第5章  观察	174
5.1  经典观察和计算机观察	174
5.1.1  经典观察	175
5.1.2  正投影	176
5.1.3  轴测投影	176
5.1.4  斜投影	177
5.1.5  透视观察	178
5.2  计算机观察	179
5.3  定位照相机	180
5.3.1  从对象标架到照相机标架	180
5.3.2  两个观察API	183
5.3.3  lookAt函数	186
5.4  平行投影	188
5.4.1  正投影	188
5.4.2  WebGL中的平行投影	189
5.4.3  投影的规范化	190
5.4.4  正投影变换矩阵	190
5.4.5  斜投影	192
5.4.6  交互式观察立方体	194
5.5  透视投影	196
5.5.1  简单的透视投影	196
5.6  WebGL中的透视投影	198
5.6.1  透视投影函数	199
5.7  透视投影变换矩阵	200
5.7.1  透视投影的规范化	200
5.7.2  WebGL中的透视投影变换	202
5.7.3  透视投影示例程序	204
5.8  隐藏面消除	204
5.8.1  背面剔除	206
5.9  显示网格	206
5.9.1  将网格显示为曲面	208
5.9.2  多边形偏移	210
5.9.3  在场景中漫游	211
5.10 投影和阴影	211
5.10.1  基于投影的阴影生成	211
5.11 阴影贴图	215
小结和注释	216
代码示例	216
建议阅读资料	217
习题	217
第6章  光照和着色	219
6.1  光线和材质	219
6.2  光源	221
6.2.1  彩色光源	222
6.2.2  环境光	222
6.2.3  点光源	222
6.2.4  聚光灯	223
6.2.5  远距离光源	224
6.3  Phong光照模型	224
6.3.1  环境光反射	226
6.3.2  漫反射	226
6.3.3  镜面反射	227
6.3.4  改进的Phong光照模型	229
6.4  计算向量	229
6.4.1  法向量	230
6.4.2  反射角	231
6.5  多边形的着色	232
6.5.1  均匀着色	233
6.5.2  平滑着色和Gouraud着色	234
6.5.3  Phong着色	235
6.6  通过递归细分生成近似球面	236
6.7  指定光照参数	237
6.7.1  光源	238
6.7.2  材质	239
6.8  实现光照模型	239
6.8.1  在WebGL应用程序代码中
      应用光照模型	239
6.8.2  绘制效率	242
6.8.3  在顶点着色器中实现光照
      计算	243
6.9  球面模型的着色	246
6.10 基于每个片元的光照计算	248
6.11 非真实感着色	249
6.12 全局光照	250
小结和注释	251
代码示例	252
建议阅读资料	252
习题	253
第7章  纹理映射	255
7.1  缓存	255
7.2  数字图像	256
7.3  映射方法	259
7.4  二维纹理映射	261
7.5  WebGL中的纹理映射	265
7.5.1  纹理对象	266
7.5.2  纹理图像数组	266
7.5.3  纹理坐标和纹理采样器	267
7.5.4  纹理采样	271
7.5.5  使用纹理坐标	273
7.5.6  三维纹理映射	274
7.5.7  多纹理映射	279
7.6  环境映射	281
7.7  反射映射示例程序	285
7.8  凹凸映射	288
7.8.1  计算凹凸贴图	289
7.8.2  凹凸映射示例程序	291
小结和注释	295
代码示例	295
建议阅读资料	296
习题	296
第8章  使用帧缓存	298
8.1  混合技术	298
8.1.1  不透明度与混合	298
8.1.2  图像混合	299
8.1.3  WebGL中的图像混合	299
8.1.4  重温反走样	301
8.1.5  从后向前或从前向后绘制
      多边形	302
8.1.6  场景反走样和多重采样	303
8.2  图像处理	303
8.2.1  其他多重绘制方法	304
8.3  GPGPU	305
8.4  帧缓存对象	308
8.5  多重绘制技术	313
8.5.1  环境光遮蔽	313
8.5.2  延迟光照	315
8.6  缓存交换	316
8.7  拾取	317
8.8  阴影贴图	321
8.9  投影纹理	324
小结和注释	326
代码示例	326
建议阅读资料	327
习题	327
第9章  层级建模方法	328
9.1  几何图形和实例	328
9.2  层级模型	330
9.3  机器人手臂	331
9.4  树与遍历	333
9.4.1  基于栈的遍历方法	335
9.5  使用树数据结构	337
9.6  动画	340
9.7  图形对象	341
9.7.1  方法、属性和消息	342
9.7.2  立方体对象	343
9.7.3  WebGL中的实例化	345
9.7.4  对象与层级结构	347
9.7.5  几何对象与非几何对象	348
9.8  场景图	348
9.9  实现场景图	350
9.9.1  three.js示例	351
9.10 其他树结构	354
9.10.1  CSG树	354
9.10.2  BSP树	355
9.10.3  四叉树和八叉树	357
小结和注释	358
代码示例	359
建议阅读资料	359
习题	359
第10章  过程建模方法	361
10.1  基于算法的建模	361
10.2  基于物理的建模和粒子系统	362
10.3  牛顿粒子	363
10.3.1  独立的粒子	364
10.3.2  弹簧力	365
10.3.3  吸引力和排斥力	366
10.4  求解粒子系统	367
10.5  约束条件	369
10.5.1  碰撞	369
10.5.2  软约束	371
10.6  一个简单的粒子系统	371
10.6.1  绘制粒子	372
10.6.2  更新粒子的位置	372
10.6.3  碰撞	372
10.6.4  作用力	373
10.6.5  群集行为	374
10.7  基于agent的建模	374
10.8  使用点精灵	377
10.9  基于语言的建模	380
10.10 递归方法和分形	383
10.10.1  标尺和长度	383
10.10.2  分形维数	384
10.10.3  中点划分及布朗运动	385
10.10.4  分形山脉	386
10.10.5  Mandelbrot集	386
10.10.6  Mandelbrot片元着色器	389
10.11 过程噪声	390
小结和注释	392
代码示例	392
建议阅读资料	393
习题	393
第11章  曲线和曲面	395
11.1  曲线和曲面的表示	395
11.1.1  显式表示形式	395
11.1.2  隐式表示形式	396
11.1.3  参数表示形式	397
11.1.4  参数多项式曲线	398
11.1.5  参数多项式曲面	398
11.2  设计准则	399
11.3  三次参数多项式曲线	400
11.4  插值	401
11.4.1  调和函数	402
11.4.2  三次插值曲面片	403
11.5  Hermite曲线和曲面	405
11.5.1  Hermite形式	405
11.5.2  几何与参数连续性	406
11.6  Bézier曲线和曲面	407
11.6.1  Bézier曲线	407
11.6.2  Bézier曲面片	409
11.7  三次B样条	410
11.7.1  三次B样条曲线	410
11.7.2  B样条和基函数	412
11.7.3  样条曲面	413
11.8  通用B样条	413
11.8.1  B样条的递归定义	414
11.8.2  均匀样条	415
11.8.3  非均匀B样条	415
11.8.4  NURBS	415
11.8.5  Catmull-Rom样条	416
11.9  绘制曲线和曲面	417
11.9.1  多项式求值方法	418
11.9.2  递归细分Bézier多项式	419
11.9.3  基于细分算法的其他多项式
       曲线的绘制	420
11.9.4  细分Bézier曲面	421
11.10  Utah茶壶	422
11.11 代数曲面	424
11.11.1  二次曲面	424
11.11.2  使用光线投射绘制曲面	424
11.12 曲线和曲面细分	425
11.12.1  网格细分	426
11.13 从数据生成网格	428
11.13.1  回顾高度场	428
11.13.2  Delaunay三角剖分	428
11.13.3  点云	430
11.14 支持曲线和曲面的图形API	431
11.14.1  曲面细分着色	431
11.14.2  几何着色	432
小结和注释	432
代码示例	432
建议阅读资料	433
习题	433
第12章  从几何到像素	435
12.1  基本的绘制策略	435
12.2  绘制流水线	437
12.2.1  建模	438
12.2.2  几何处理	438
12.2.3  光栅化	439
12.2.4  片元处理	439
12.3  裁剪	440
12.3.1  裁剪简介	440
12.3.2  包围盒与包围体	441
12.3.3  使用平面裁剪对象	442
12.4  光栅化	443
12.5  多边形光栅化算法	445
12.5.1  内外测试法	445
12.5.2  WebGL与凹多边形	446
12.6  隐藏面消除	448
12.6.1  对象空间和图像空间消隐
       算法	448
12.6.2  排序与隐藏面消除	449
12.6.3  扫描线填充算法	449
12.6.4  背面剔除	450
12.6.5  z缓存算法	451
12.6.6  深度排序和画家算法	453
12.7  硬件实现	455
12.8  反走样	457
12.9  显示方面的问题	459
12.9.1  颜色系统	459
12.9.2  颜色矩阵	462
12.9.3  ? 校正	462
12.9.4  抖动与半色调	463
小结和注释	463
建议阅读资料	465
习题	465
第13章  高级绘制	468
13.1  超越流水线绘制结构	468
13.2  光线跟踪	468
13.3  构建一个简单的光线跟踪器	471
13.3.1  光线跟踪递归算法	471
13.3.2  计算交点	472
13.3.3  其他不同形式的光线跟踪	474
13.4  绘制方程	475
13.5  全局光照和路径跟踪	477
13.6  RenderMan	478
13.7  并行绘制	479
13.7.1  sort-middle绘制方法	480
13.7.2  sort-last绘制方法	480
13.7.3  sort-first绘制方法	483
13.8  隐函数和等高线图	483
13.8.1  步进方格	483
13.8.2  步进三角形	487
13.9  体绘制	487
13.9.1  体数据集	487
13.9.2  隐函数的可视化	488
13.10 等值面与步进立方体	489
13.11 步进四面体	491
13.12 网格简化	492
13.13 直接体绘制	492
13.13.1  指定颜色和透明度	493
13.13.2  抛雪球算法	493
13.13.3  体光线跟踪	494
13.13.4  基于纹理映射的体绘制	495
13.14 基于图像的绘制	495
13.14.1  到立体像对的距离	496
13.14.2  基础矩阵	497
13.15  虚拟现实、增强现实和混合
       现实	498
13.16  最后一个示例	499
小结和注释	500
建议阅读资料	501
习题	501
附录A  初始化着色器	503
附录B  空间	507
附录C  矩阵	513
附录D  采样与走样	521
参考文献	527

译  者  序
计算机图形学(computer graphics)产生于20世纪60年代，是研究图形的计算机生成、处理和显示的一门学科。目前，计算机图形学已经渗透到工业生产和社会活动的各个领域，从飞机、汽车的计算机辅助设计到近几年持续升温的数字孪生、元宇宙，从视频游戏到数字电影，从天气预报到地质勘探，无一不应用计算机图形生成技术。因此，以图形人机接口和可视化技术为代表的计算机图形学已成为计算机学科中最活跃的分支之一。
当回顾计算机图形学的发展历史时，我们发现人们希望创建更具真实感图形的愿望总是超过了计算机硬件的发展。虽然在现有的商用图形硬件上能够每秒绘制数以亿计的三角形，但是像飞行模拟、虚拟现实和计算机游戏等应用可能需要超过每秒数十亿个三角形的绘制速度。而且，当绘制速度提高以后，存储的数据也急剧增加，单个数据集包含的三角形可能超过十亿个。在过去十几年，GPU得到了迅速发展，目前它已经与CPU同样复杂，甚至比CPU要复杂得多。GPU不仅具有用于图形处理的专用模块，而且还具有高度的并行性。目前，GPU内部包含的处理单元已超过1000个，其中的每一个处理单元都是用户可编程的，现代GPU的功能如此之强大，以至于可以把它作为小型超级计算机用于通用计算。此外，图形处理器也增加了许多新的特性，图形硬件的进步势必导致图形应用程序开发的重大变化，三维图形程序也经历了从运行速度的提高到拥有高质量图形表现力的转变，图形绘制系统性能的增长速度远远超过了摩尔定律的定义，并且GPU的可编程性也不断增强。
对于现代的OpenGL应用程序，新的可编程结构通过着色器控制绘制流水线特定的阶段，比如顶点着色器、细分曲面着色器、几何着色器和片元着色器。GPU的最新进展为应用程序开发人员提供了许多基于可编程着色器的新的可能性和灵活性。例如，片元着色器的可编程性使得许多新的实时纹理处理技术成为可能；GPU内置了大量的内存，从而消除了离散方法的主要瓶颈之一，即在处理器内存与GPU之间需要频繁地传送图像数据；通过为片元处理提供高度并行的机制，新设计的GPU结构能够快速地处理离散数据；现代GPU使用浮点类型的帧缓存，从而消除了许多困扰图像数据处理技术的精度问题；等等。本书采用的所有方法都是基于这种新的可编程绘制流水线结构的。目前，桌面版OpenGL的最新版本为OpenGL 4.6。OpenGL 2.0的出现是OpenGL的重大进步，因为它引入了OpenGL着色语言，允许应用程序编程人员编写自己的着色器程序，从而充分利用GPU的强大能力。随着移动终端和因特网的广泛应用，OpenGL的变体 —— OpenGL ES (“ES”是嵌入式系统的缩写)和WebGL陆续衍生出来。例如，OpenGL ES 2.0基于OpenGL 2.0，而OpenGL ES 3.0基于OpenGL 4.x，它们在嵌入式设备 (如智能手机、平板电脑和游戏机等) 的应用中都获得了良好的图形表现。但是，桌面版OpenGL和简化版的OpenGL ES都被设计成在本地运行，不能充分利用现代Web浏览器的优势。2011年，Khronos Group发布的第一个WebGL版本(WebGL 1.0)源自OpenGL ES 2.0。WebGL 1.0是运行在当前大多数Web浏览器上的OpenGL ES 2.0的JavaScript接口，可以为HTML5 canvas元素提供硬件3D加速绘制，因此可以借助本地的图形硬件在几乎所有最新的浏览器上流畅地展示3D场景和模型，而不需要额外的专用插件或库。随着GPU和JavaScript引擎的速度与复杂性的日益增加，用户希望更多的图形应用程序都可以使用WebGL开发或者移植到WebGL中。例如，three.js已成为Web应用程序(尤其是CAD社区)的标准场景图，它建立在WebGL之上，并利用了许多强大的JavaScript库。最新版本的WebGL 2.0是OpenGL ES 3.0的JavaScript实现。
目前，国外许多大学都已经将基于可编程GPU的高级着色语言融入计算机图形学的教学与实践中，如美国MIT、哈佛大学、普度大学、布朗大学、新墨西哥大学等。因此，随着目前可编程GPU和图形绘制API的快速发展，为了切实提高计算机图形学课程的教学质量与教学水平，更好地与国际最新计算机图形学教育及科研实践接轨，逐渐在我国高校的计算机图形学课程与实验中引入基于可编程GPU绘制流水线及面向着色器编程的最新教学内容已是当务之急。译者多年从事计算机图形学的教学与研究，深知选择这样一本“基础性与先进性、理论性与应用性、科学性与通俗性”相结合且能满足目前计算机图形学新型教学模式的与时俱进的教材的重要性。目前，国内鲜有这种基于新型教学模式且反映最新教学内容的计算机图形学书籍，本书第八版基于最新版本的WebGL 2.0，反映了计算机图形学在图形硬件设备和图形绘制标准等方面的最新发展现状。相比之前的版本，第八版基于可编程GPU的WebGL 2.0着色器编程来介绍计算机图形学的相关原理、方法和技术，书中编写的三维图形示例代码更加清晰，能运行于最新的Web浏览器且不需要任何额外的插件或库。本书第八版能很好地满足计算机图形学新型教学模式和最新教学内容的需求。在开发图形应用程序方面，OpenGL已经成为一个被广泛接受的标准，而WebGL则是OpenGL的版本之一。与桌面版OpenGL相比，WebGL 2.0被当前大多数浏览器所支持，不仅易于学习，而且具备桌面版OpenGL和其他流行的图形系统的大多数特征，更适合作为计算机图形学的入门工具。正如作者所述，本书在使用OpenGL/WebGL和自顶向下的方法上多多少少是一场革命，大多数计算机图形学入门课程以及几乎所有与之竞争的教材都采用了本书的方法。因此，本书是培养学生基于现代GPU的可编程计算思维的一本非常难得的优秀教材。
本书的主要特色如下。
内容丰富且不乏系统性，基础性内容和拓展性主题相结合。本书涉及了现代计算机图形学课程几乎所有的主要内容，涵盖了交互式图形编程、三维可编程绘制流水线、变换与观察、光照与明暗绘制、曲线曲面建模等基本的计算机图形学内容，以及离散技术、层级建模、过程建模、光线跟踪、并行绘制、体绘制和基于图像的绘制等高级内容。
内容编排和组织独具特色，综合了知识性和实用性。本书采用了“自顶向下”和面向着色器编程的方法，使学生既能使用WebGL 2.0和JavaScript快速编写自己的交互式三维Web图形应用程序，又能系统地掌握计算机图形学的基本原理、方法和技术。
本书作者结合自己在计算机图形学领域多年的教学和科研成果，为本书提供了大量的经典示例程序、丰富而精美的插图和习题，并在每章后面提供了拓展性的建议阅读资料，为进一步加深读者对有关内容的理解提供了有力支持。
本书既不乏经典理论，又侧重近几年计算机图形学发展的最新成果。本书第八版中新增的某些技术是最近的文献中出现的新技术。为了及时反映计算机图形学的发展现状，本书对第七版中的某些章节进行了调整和更新，并增删了相关内容(参见本书前言)。
所有的应用程序都采用WebGL 2.0技术标准，并且包含三种语言：HTML5、JavaScript和OpenGL着色语言(GLSL，这里特指OpenGL ES着色语言，它基于OpenGL ES 3.0)。书中更新了所有代码以使用WebGL 2.0，新版GLSL使得编写的着色器代码更加清晰。
本书原版是国外诸多大学采用的一本经典的计算机图形学教材，译者甚感荣幸再次承接了本书最新版本的翻译工作。为了确保译文的质量，译者花费了大量时间对译文进行了认真的校对，对于原文中显而易见的错误，译者在译文中直接进行了更正；而对于原文中可能有误的地方，译文中均以“译者注”的形式做了标注，以供读者参照。
本书的翻译得到了很多人的帮助与支持，在此衷心感谢为本书的翻译付出努力的每一个人！也一并感谢参与之前版本翻译的每一位译者！参与本书第八版翻译的人员有：张荣华、赵阳(广东能源集团科学技术研究院有限公司)、张铭泉、徐伟峰。
译者在翻译过程中虽然力求准确地反映原书内容，但由于自身的知识局限性，译文中难免有不妥之处，谨向本书作者和读者表示歉意，并敬请读者批评指正。

华北电力大学计算机系    
张荣华           
      

 
 
前    言 
本书是计算机图形学的入门教材，重点介绍应用程序的编写。本书于1997年首次出版，第一版使用了OpenGL和自顶向下方法，这多多少少算是一场“革命”。在接下来的22年中，本书一共发行了八个版本。到目前为止，大多数计算机图形学的入门课程以及各种与本书类似的教材都采用了本书的方法。
自顶向下方法
图形学的新进展以及本书前七个版本的成功，一直驱使着我们坚持采用自顶向下、面向编程的方法来介绍计算机图形学。虽然许多计算机科学与工程系现在开设了多门计算机图形学课程，但是大多数学生只选修一门。通常在学生学习了编程、数据结构、算法、软件工程和基础数学之后，再给他们安排这样一门图形学课程。因此，教师应以内容充实并且有趣的方式按上述已学内容来组织计算机图形学课程。我们希望这些学生在学习这门课程时尽可能早地编写出三维图形应用程序。底层的算法，例如绘制线段或者填充多边形，可以在学生编写了三维图形应用程序之后再考虑。
当被问到“为什么讲授编程”这个问题时，计算机教育的先驱John Kemeny曾经把自顶向下、面向编程的方法与我们熟悉的汽车进行类比：你没有必要知道汽车发动机罩下面是什么，但是如果知道汽车的驾驶方法，就能够驾驶汽车而不是坐在汽车后座上。同样的类比适用于讲授计算机图形学的方法。第一种方法(算法的方法)是把汽车工作原理的方方面面都交代清楚，例如发动机、变速器、燃烧过程等。第二种方法(概览的方法)是雇一名司机，自己则坐在后座上。第三种方法(本书采用的编程方法)是教会你如何驾驶汽车并到达你的目的地。正如一句过时的广告词所说：“让我们把你放在驾驶员的位子上。”
本书第六版和第七版反映了由于图形硬件的进步而导致的图形应用程序开发的重大变化。特别是第六版完全基于着色器，使读者能够创建可以充分利用现代GPU性能的应用程序。我们注意到，这些改变也包含在OpenGL ES 2.0中，后者用于开发嵌入式系统和手持设备(例如手机和平板电脑)以及使用JavaScript语言实现的WebGL应用程序。当初，通过HTML5支持WebGL的Web浏览器出现的时候，我们并没有预料到大家会对WebGL产生如此大的兴趣。从第七版开始，我们从桌面版OpenGL切换到了WebGL。
正如我们在第七版中指出的那样，WebGL应用程序无处不在，包括运行在一些最新的智能手机上。虽然WebGL缺少最新桌面版OpenGL的某些高级功能，但是其与HTML5的整合，开辟了大量新的应用领域。另外一个好处是，我们发现它比桌面版OpenGL更适合讲授计算机图形学。我们在第七版中实现了这个愿望。无论是教学还是开发可在所有平台上运行的实际应用程序，WebGL已被证明是一种出色的应用程序编程接口(API)。
第七版具有如下特征：
?  所有的示例和程序均使用WebGL 1.0。
?  所有的代码均使用JavaScript编写。
?  所有的代码均可以在最新的Web浏览器中运行。
?  增加了一章关于交互的内容。
?  增加了关于绘制到纹理的内容。
?  增加了关于显示网格的内容。
?  包含了一个高效的矩阵-向量工具包。
?  增加了基于agent的建模的介绍。
第八版在成功使用WebGL的基础上，包含如下变动：
?  将所有示例和程序更新为WebGL 2.0。
?  增加了许多新的示例。
?  绘制到纹理的内容扩展成单独的一章，其中包括新的主题，如阴影贴图和投影纹理。
?  增加了三维纹理映射的内容。
?  更新了关于建模的章节，其中包括对three.js(一种流行的高级JavaScript场景图API)的介绍。
?  增加了使用点精灵进行模拟的内容。
?  扩展并更新了有关绘制的内容。
?  加强了对硬件实现和GPU体系结构的讨论。
使用WebGL和JavaScript编程
当本书的第一作者Edward Angel在30多年前开始讲授计算机图形学的时候，以面向编程的方式讲授这门课程并编写相应教材的最大障碍是，缺乏一个被广泛接受的图形库或者 API。当时遇到的困难包括：高成本、可用性受限、缺乏通用性以及高度复杂性。OpenGL的开发解决了我们在使用其他API以及使用自己编写的软件作为替代方案时所遇到的大多数困难。如今的OpenGL在所有的平台上都得到了支持，并被普遍认为是跨平台的标准。WebGL建立在OpenGL被广泛接受(实际上它们是相同的API)的基础上，但是使用Web技术提供了更易于访问的开发平台。
一门计算机图形学课程不能仅讲授如何使用一种特定的API，而一种好的API应使讲授图形学中的一些关键内容变得更加易于理解，这些内容包括三维变换、光照和着色、客户/服务器图形系统、建模以及实现算法。我们相信，OpenGL的扩展功能以及良好定义的结构，可以为讲授图形学理论和实践这两方面都提供更好的基础，而且OpenGL同样也可以为讲授包括纹理映射、合成以及可编程着色器在内的一些高级概念提供更好的基础。
20多年前，Edward Angel就开始在授课时使用OpenGL，结果令他欣喜若狂。到了学期中间，每个学生都能够编写一个中等复杂程度的三维图形应用程序，而编写这样的程序需要理解三维观察和事件驱动的输入。在以往的计算机图形学教学中，Edward Angel从未获得如此好的教学效果，那次课程孕育出本书的第一版。
本书是关于计算机图形学的教材，而不是OpenGL或者WebGL使用手册。因此，它并不涵盖WebGL API的所有方面，而仅说明了掌握本书内容所必需的那部分。本书在介绍WebGL时的定位是允许使用其他API的用户可以毫无困难地阅读本书。
与早期版本不同，这一版使用WebGL和JavaScript来编写所有的示例。WebGL 2.0是OpenGL ES 3.0的JavaScript实现，可在最新的浏览器中运行。由于HTML5的支持，WebGL不但提供了和其他应用程序的兼容性，而且不依赖于特定的平台。WebGL在浏览器中运行，并且可以充分利用本地图形硬件。虽然JavaScript不是我们讲授编程课程时常用的语言，但它是一种Web语言。在过去的几年中，JavaScript变得越来越强大。经验告诉我们，那些熟悉Java、Python、C或者C++语言的学生在使用JavaScript编程时几乎没有遇到困难。为了使本书能够继续支持具有不同背景的广泛读者，我们保留了仅需ES5的JavaScript基本内容。对JavaScript有更多经验的学生可以毫不费力地更新我们的示例和库，从而利用ES6中包含的强大的JavaScript新特性 。
包括WebGL在内的所有现代OpenGL版本都要求每个应用程序提供两个着色器，这两个着色器用OpenGL着色语言(OpenGL Shading Language，GLSL)编写。GLSL类似于C语言，但增加了向量和矩阵作为基本类型，并含有一些C++语言特性(例如运算符重载)。我们提供了一个JavaScript库MV.js，不仅支持我们使用的图形函数表示，还支持GLSL中的类型和操作。这个库还包含许多函数，这些函数执行的操作等效于OpenGL早期固定功能版本中不推荐使用的那些函数。
适用的读者
本书适用于计算机科学与工程专业的高年级本科生和一年级研究生，以及具有良好编程能力的其他专业的学生。本书对于许多专业人员也具有参考价值。我们已经成功地为专业人员讲授了100多次短期课程(包括在SIGGRAPH年会上介绍的许多课程，另外YouTube上的SIGGRAPH University频道也提供了其中的两门课程)，甚至还有Coursera提供的大型在线开放课程(MOOC)。从这些非传统意义的学生身上获得的经验极大地影响了本书的内容。
在阅读本书之前，读者应该具备JavaScript、Python、C、C++或Java语言的良好编程能力，理解基本的数据结构(数组、链表和树)，并具有线性代数和三角学的基础知识。我们发现，计算机科学专业学生的数学背景差异很大，不管是本科生还是研究生都是如此。因此，本书包含了很多计算机图形学基础所需的线性代数和几何学知识。
本书的组织
本书内容组织如下：
?  第1章概述了计算机图形学，并介绍了光学设备的成像方法，这样我们从一开始就引入了三维的概念。
?  第2章介绍了WebGL编程。虽然编写的第一个示例程序是二维的(每一章都有一个或者多个完整的编程示例)，但这个程序是嵌入在三维设置下编写的，可以扩展到三维。
?  第3章介绍了交互式图形，并在浏览器环境中开发了基于事件驱动的图形程序。
?  第4章和第5章着重讨论了三维图形学的相关概念。第4章讨论了如何定义和处理三维对象，而第5章讨论了如何观察它们。
?  第6章介绍了光线与材质之间的相互作用和着色。
?  第7章和第8章介绍了如今被图形硬件和WebGL所支持的许多新的离散技术。所有这些技术都涉及各种缓存的使用。第7章将重点放在具有单个纹理的经典纹理映射上，而第8章则将重点放在使用离屏缓存(off-screen buffer)的纹理映射上。
上述这些章应按顺序讲授，在一个总共15周的学期里，大约10周可以讲完这些内容。
后面的5章可以按照任意顺序阅读。这5个主题或多或少是开放性的，读者可以概览，也可以深入探讨其中的一些主题。
?  第9章包含层级建模主题中的若干内容，涉及从层级模型(封装了模型各部分之间的关系)的构造到因特网图形绘制的高级方法。这一章还包含对场景图的介绍。
?  第10章介绍了许多过程方法，包括粒子系统、分形和过程噪声。
?  第11章讨论了曲线与曲面，包括细分曲面。
?  第12章讨论了实现。对三维图形绘制流水线中的每个基本步骤(包括裁剪、线段生成和多边形填充)都给出了一种或两种主要算法。
?  最后，第13章介绍了一些其他的高级绘制方法。进一步讨论了光线跟踪和辐射度方法，并介绍了基于图像的绘制、并行绘制以及虚拟现实和增强现实的概念。
本书包含几个附录，以提供额外参考：
?  附录A提供了读取、编译和链接应用程序与着色器所需的WebGL函数的详细信息。
?  附录B和附录C包含了对数学背景知识的回顾。
?  附录D从奈奎斯特定理开始讨论采样和混叠，并将这些结果应用于计算机图形学。
相比第七版的变化
读者对本书前七个版本的绝大多数评价都是肯定的，特别是对于采用OpenGL/WebGL和自顶向下方法更是如此。在第六版中，我们放弃了固定功能绘制流水线，转而采用完全基于着色器的OpenGL。在第七版中，我们使用了WebGL。WebGL不仅完全基于着色器(每个应用程序必须提供一个顶点着色器和一个片元着色器)，而且是一个能在最新的Web浏览器中使用的版本。
在本书第八版中，我们更新了所有的代码以使用WebGL 2.0。尽管我们引入了其他一些WebGL 2.0的特性(三维纹理映射是一个例外)，但是新版GLSL使得编写的着色器代码更加清晰。对于不使用新特性的示例，我们会将WebGL 1.0版本的代码保留在本书的配套网站上 。
书中所有的应用程序采用JavaScript编写。虽然JavaScript具有其自身的特性，并且可能不是学生编程课程中使用的语言，但我们并未发现学生在使用JavaScript时有任何问题。JavaScript有许多变体，学生和教师可能更喜欢使用。另外，有许多方法可以使用其他语言开发的代码，然后通过语言转换编译器(transpiler)将它转换为JavaScript代码。各种转换程序并不稳定，因此我们坚持使用在所有地方都可以运行的JavaScript程序。
我们对离屏绘制和绘制到纹理增加了其他内容，包括投影纹理和阴影贴图等技术。我们还增加了有关将GPU用于各种计算密集型应用(例如图像处理和仿真)的内容。此外，书中还增加了三维纹理映射(WebGL 2.0中新增的特性)及其在体可视化上的应用。由于增加了很多内容，我们将上一版本的第7章分成了两章(第八版的第7章和第8章)。
读者对之前版本中第1～6章的核心内容反响很好，除了将代码更新为WebGL 2.0，我们对这些   章节内容几乎没有做什么变动。我们将第1~8章视为计算机图形学入门课程的核心内容，第9~13章可以按任意顺序使用，既可以作为一学期的概论课，也可以作为两学期课程的基础内容。
第9章已更新，使其与three.js场景图更加一致，并且包含了three.js API的简介。第10章增加了在粒子模拟中使用点精灵的内容。
第11章基本上没有变化。有关实现的内容(第七版的第8章)已移至第12章。有趣的是，我们发现与许多经典算法(例如线段生成和裁剪之类的任务)相关的内容已不再是大多数计算机图形学入门课程的核心部分。我们保留了本章仍然与计算机图形学高度相关的部分内容，并删除了不再用于现代GPU的内容。第13章(第七版的第12章)已更新，以涵盖一些其他的绘制方法，例如延迟着色。
致谢
在过去的几年中，Edward Angel有幸在美国新墨西哥大学遇到了许多优秀的学生，是这些学生最早使他对OpenGL产生了兴趣，并从他们那里学到了很多东西。这些学生包括：Ye Cong，Pat Crossno，Tommie Daniel，Chris Davis，Lisa Desjarlais，Kim Edlund，Lee Ann Fisk，Maria Gallegos，Brian Jones，Christopher Jordan，Takeshi Hakamata，Max Hazelrigg，Sheryl Hurley，Thomas Keller，Ge Li，Pat McCormick，Al McPherson，Ken Moreland，Martin Muller，David Munich，Jim Pinkerton，Jim Prewett，Dave Rogers，Hal Smyer，Dave Vick，Hue(Bumgarner-Kirby)Walker，Brian Wylie，Jin Xiong。
书中的许多插图都出自这些学生之手。
本书第一版是Edward Angel在休假期间撰写的，他在5个不同的国家访学时完成了这本书。如果没有若干人士以及若干大学、研究机构给他提供帮助，这本书是不可能完成的，他们给Edward Angel提供了很多便利。衷心感谢委内瑞拉安第斯大学(Universidad de los Andes)的Jonas Montilva和Chris Birkbeck，厄瓜多尔天球赤道理工大学(Universidad Tecnologica Equinoccial)的Rodrigo Gallegos和Aristides Novoa，中国台湾“清华大学”的Long Wen Chang，中国香港中文大学的Kim Hong Wong和Pheng Ann Heng。Edward Angel在许多地方的参观访问都得益于国际超导技术中心(ISTEC)和新墨西哥大学的Ramiro Jordan的帮助。无论Edward Angel何时有问题，新墨西哥大学的John Brayer和Jason Stewart以及Addison-Wesley出版社的Helen Goldstein 都设法帮他解决。Edward Angel的网站上描述了他写作本书第一版的经历。
NVIDIA的David Kirk和Mark Kilgard慷慨地为很多算法的测试提供了显卡。还有许多人士给予了极大帮助，他们是：Ben Bederson，Gonzalo Cartagenova，Tom Caudell，Kathi Collins，Kathleen Danielson，Roger Ehrich，Robert Geist，Chuck Hansen，Mark Henne，Bernard Moret，Dick Nordhaus，Helena Saona，Vicki Shreiner，Gwen Sylvan，Mason Woo。OpenGL社区的Mark Kilgard、Brian Paul和Nate Robins给予了很多帮助，他们编写了让程序员在各种平台上都能开发OpenGL代码的软件。我们的许多SIGGRAPH课程都为我们提供了展现想法和进行演示的舞台。NVIDIA的Eric Haines和Analytic Graphics的Patrick Cozzi作为审稿人，他们提供的帮助尤为重要。
新墨西哥大学的艺术、研究、技术和科学实验室(ARTS Lab)以及高性能计算中心对Edward Angel的许多项目提供了支持。新墨西哥大学计算机科学系、新墨西哥大学美术学院的艺术技术中心、美国国家科学基金、美国Sandia国家实验室和Los Alamos国家实验室资助了Edward Angel的许多学生与研究项目，本书的部分内容就来自这些研究项目。曾在Lodestar Astronomy Center工作，如今在ARTS Lab的David Beining为Fulldome项目提供了极大的支持。Sheryl Hurley、Christopher Jordan、Laurel Ladwig、Jon Strawn和Hue(Bumgarner-Kirby)Walker通过Fulldome项目提供了本书插图中的一些图像。Hue Walker为以前的版本创作了出色的封面并提供了一些示例。
Edward Angel还要感谢始创于Santa Fe Complex的非正式团体，他们一直与Redfish和Simtable合作，其中包括：Jeff Bowles，Ruth Chabay，Emma Gould，Stephen Guerin，Kaz Manavi，Bruce Sherwood，Scott Wittenberg。尤其是JavaScript的推广者Owen Densmore，他说服Edward Angel在Santa Fe讲授计算机图形学课程以深入研究JavaScript。我们都从这次经历中获益良多。
Dave Shreiner首先要感谢Edward Angel邀请他参与该项目。多年来，我们就有关OpenGL以及如何讲授OpenGL的知识交换了意见，很高兴将这些概念推广给新的读者。Dave Shreiner还要感谢那些创建OpenGL并在Silicon Graphics Computer Systems从事开发的人们，他们是那个时代的领路人。Dave Shreiner乐于认识Khronos的各个工作组，他们不断发展API并将图形带到意想不到的地方。最后，正如Edward Angel所言，SIGGRAPH在这些材料的开发中发挥了突出作用，对于那些为探索我们的想法而积极提供测试主题的人士，我们深表感谢。
使用过之前版本原稿的评审人和教师在本书内容的广度与深度方面提出了各种各样的看法。这些评审人和教师包括：Gur Saran Adhar(University of North Carolina at Wilmington)，Mario Agrular(Jacksonville State University)，Michael Anderson(University of Hartford)，Norman I. Badler(University of Pennsylvania)，Mike Bailey(Oregon State University)，Marty Barrett(East Tennessee State University)，C. S. Bauer(University of Central Florida)，Bedrich Benes(Purdue University)，Kabekode V. Bhat(The Pennsylvania State University)，Isabelle Bichindaritz(University of Washington，Tacoma)，Cory D. Boatright(University of Pennsylvania)，Eric Brown，Robert P. Burton(Brigham Young University)，Sam Buss(University of California，San Diego)，Kai H. Chang(Auburn University)，Patrick Cozzi(University of Pennsylvania and Analytic Graphics，Inc)，James Cremer(University of Iowa)，Ron DiNapoli(Cornell University)，John David N. Dionisio(Loyola Marymount University)，Eric Alan Durant(Milwaukee School of Engineering)，David S. Ebert(Purdue University)，Richard R. Eckert(Binghamton University)，W. Randolph Franklin(Rensselaer Polytechnic Institute)，Natacha Gueorguieva(City University of New York/College of Staten Island)，Jianchao(Jack) Han(California State University，Dominguez Hills)，Chenyi Hu(University of Central Arkansas)，George Kamberov(Stevens Institute of Technology)，Mark Kilgard(NVIDIA Corporation)，Lisa B. Lancor(Southern Connecticut State University)，Chung Lee(California State Polytechnic University，Pomona)，John L. Lowther(Michigan Technological University)，R. Marshall(Boston University and Bridgewater State College)，Hugh C. Masterman(University of Massachusetts，Lowell)，Bruce A. Maxwell(Swathmore College)，Tim McGraw(West Virginia University)，James R. Miller(University of Kansas)，Rodrigo Obando(Columbus State University)，Jeff Parker(Harvard University)，Jon A. Preston(Southern Polytechnic State University)，Harald Saleim(Bergen University College)，Andrea Salgian(The College of New Jersey)，Lori L. Scarlatos(Brooklyn College，CUNY)，Han-Wei Shen(The Ohio State University)，Oliver Staadt(University of California，Davis)，Stephen L. Stepoway(Southern Methodist University)，Bill Toll(Taylor University)，Michael Wainer(Southern Illinois University，Carbondale)，Yang Wang(Southern Methodist State University)，Steve Warren(Kansas State University)，Mike Way(Florida Southern College)，George Wolberg(City College of New York)，Xiaoyu Zhang(California State University San Marcos)，Ye Zhao(Kent State University)，Ying Zhu(Georgia State University)。虽然最后的定稿可能没有反映出他们的意见(因为有些意见彼此相左)，但每位评审人的意见都鞭策着我们反思书稿的每一页内容。
我们同样感谢Addison-Wesley出版社的出版团队。在本书的八个版本和OpenGL primer的出版过程中，Edward Angel与Peter Gordon、Maite Suarez-Rivas和Matt Goldstein三位编辑合作得非常愉快。对于这个版本，Pearson Education的Carole Snyder提供了很大的帮助。从第二版开始，Paul Anagnostopoulos一直帮助解决使用Windfall Software工具时的排版问题，其帮助之大无法用语言表达。Edward Angel要特别感谢编辑Lyn Dupré，如果读者看到过第一版的原稿，就会惊叹于Lyn Dupré的妙笔神功。
Edward Angel在此要特别感谢妻子Rose Mary，她为本书第一版制作了插图，其中许多插图构成了本书插图的基础。也许只有经历过图书出版过程并撰写过许多文稿的人以及为出版工作做出过贡献的人才能充分理解写书过程的艰辛。真诚地把本书献给Rose Mary，尽管这仍不足以表达Edward Angel对妻子所做贡献的感激之情。
Dave Shreiner感激妻子Vicki的支持和鼓励，没有她，本书的创造性成果就无法展现给读者，她不仅给予Dave Shreiner温暖，陪伴左右，而且对本书的叙述和素材提出了宝贵意见。在Dave Shreiner对OpenGL的所有研究中，她都称得上是一个不可多得的搭档。

Edward Angel     
Dave Shreiner

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