物理渲染 从理论到实现（第2版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] Matt Pharr，Greg Humphreys 著，李秋霞 译

图书标签:

• 物理渲染
• 渲染技术
• 光线追踪
• 渲染引擎
• 图形学
• 计算机图形学
• PBR
• 实时渲染
• 图像渲染
• 渲染原理

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302449812

版次：2

商品编码：12121840

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：892

字数：1500000

正文语种：中文

编辑推荐

　　本书曾获得软件界Jolt图书类大奖，在计算机图形学界鼎鼎大名！同时也是一本重量级巨著！

内容简介

　　本书详细阐述了与物理渲染相关的高效解决方案，主要包括几何形状和转换，图元和相交加速计算，颜色和辐射度，相机模型，采样和重构，反射模型，材质、纹理、体散射、光源、蒙特卡罗积分、光线传输等内容。此外，本书还提供了相应的算法、代码以及伪代码，以帮助读者进一步理解相关方案的实现过程。
　　本书适合作为高等院校计算机及相关专业的教材和教学参考书，也可作为相关开发人员的自学教材和参考手册。

内页插图

目录

第1章 概述 1
1.1 文学编程 1
1.2 照片级渲染和光线跟踪算法 3
1.3 pbrt系统概述 11
1.4 如何阅读本书 35
1.5 使用并理解程序代码 36
1.6 进一步阅读 38
1.7 本章练习 39
第2章 几何形状和转换 40
2.1 坐标系 40
2.2 向量 41
2.3 点 47
2.4 法线 49
2.5 射线 50
2.6 三维包围盒 53
2.7 转换操作 56
2.7.1 齐次坐标 57
2.7.2 基本操作 58
2.7.3 平移 59
2.7.4 缩放操作 61
2.7.5 x，y，z轴旋转 62
2.7.6 围绕任意轴的旋转行为 63
2.7.7 视见转换 65
2.8 转换应用 66
2.8.1 点 67
2.8.2 向量 67
2.8.3 法线 68
2.8.4 射线 68
2.8.5 包围盒 69
2.8.6 复合转换 69
2.8.7 转换和坐标系的左右手规则 70
2.9 动画转换 70
2.9.1 四元数 72
2.9.2 四元数插值 74
2.9.3 AnimatedTransform实现 75
2.10 微分几何 79
2.11 进一步阅读 82
2.12 本章练习 83
第3章 几何形状 84
3.1 基本的Shape接口 84
3.1.1 包围机制 85
3.1.2 细化操作 86
3.1.3 相交行为 87
3.1.4 避免自相交行为 88
3.1.5 几何体着色 88
3.1.6 表面积 89
3.1.7 多面性 89
3.2 球体 89
3.2.1 构建过程 91
3.2.2 包围体 91
3.2.3 相交 92
3.2.4 局部球体 94
*3.2.5 法线向量的偏导数 96
3.2.6 DifferentialGeometry的初始化操作 97
3.2.7 表面积 98
3.3 圆柱体 99
3.4 圆盘 103
3.5 其他二次表面 107
3.6 三角形和网格 109
3.6.4 着色几何体 118
*3.7 表面细分 120
3.8 进一步阅读 142
3.9 本章练习 143

第4章 图元和相交加速计算 148
4.1 图元接口和几何图元 148
4.1.1 几何图元 151
4.1.2 TransformedPrimitive：对象实例和动画图元 152
4.2 集合体 155
4.3 网格加速结构 158
4.3.1 构建过程 159
4.3.2 遍历操作 164
4.4 包围体层次结构 169
4.4.1 BVH构建过程 170
4.4.2 启发式表面积计算 176
4.4.3 遍历过程中的紧凑BVH 180
4.4.4 遍历 182
4.5 kd树加速结构 185
4.5.1 树形结构的表达方式 186
4.5.2 树形结构的构造方式 188
4.5.3 遍历操作 196
4.6 调试聚合体 200
4.6.1 寻找聚合体中的bug 201
4.6.2 修复几何体中的bug 204
4.6.3 聚合体性能问题 204
4.7 进一步阅读 205
4.7.1 网格 205
4.7.2 包围体层次结构 205
4.7.3 kd树 207
4.7.4 启发式表面积方案 207
4.7.5 其他加速结构 208
4.8 本章练习 209
第5章 颜色和辐射度 212
第6章 相机模型 243
第7章 采样和重构 260
第8章 反射模型 339
第9章 材质 380
第10章 纹理 399
第11章 体散射 459
第12章 光源 481
第13章 蒙特卡罗积分I：基本概念 504
第14章 蒙特卡罗积分II：效率改善 536
第15章 光线传输I：表面反射 583
*第16章 光线传输II：体渲染 688

前言/序言

　　渲染可视为计算机图形学中的基础内容。在最高抽象层次上，渲染行为表示为三维场景描述与图像之间的转换。动画、集合建模、纹理机制以及其他计算机图形学领域的相关算法须通过某种渲染处理过程传递其结果，进而在图像中呈现。渲染操作的应用日趋广泛，包括影视业以及游戏等领域，并逐渐成为创意表达、娱乐以及视觉化的前沿阵地。
　　在该领域的早期，渲染研究主要集中于处理基本问题，例如确定相对于既定视点的可见对象。随着高效方法的不断涌现，以及图形学其他领域不断发展导致的更为丰富、逼真的场景描述，现代渲染操作扩展为更为广泛的学科领域，包括物理和天文物理、天文学、生物学、心理学、感知研究以及纯数学和应用数学。渲染操作的跨学科特征也使其成为一个令人着迷的科研领域。
　　本书通过完整渲染系统的文档资源代码，选取了相应的渲染算法，书中的全部图像均通过该系统加以渲染。pbrt系统通过文学编程（literateprogramming）这一程序设计方法加以编写，并将系统描述与其实现代码加以混合。在计算机图形学和通用计算机科学中，文学编程可视为引入相关概念的一种有效方法。某些时候，算法细节直至其实现完毕后方清晰呈现。因此，考察算法的真实实现过程则是深入理解算法细节的一种较好方法。实际上，针对计算机图形学的进一步研究，与粗浅的了解相比，通过这一方式可向读者提供更为坚实的基础知识。
　　除了了解算法的实际实现之外，在完整和较为重要的软件系统中表达算法还可处理中等规模渲染系统中的设计和实现问题。渲染系统的基本抽象和接口设计对于实现的优雅性以及后续扩展性均会产生较大的影响，而这一设计领域内的折中方案则较少讨论。
　　pbrt以及本书内容主要讨论照片级渲染，并可通过多种不同方式定义为图像生成任务，且与相机所拍摄的照片基本一致；或者对应图像生成任务具有与人眼相同的响应机制。除此之外，照片级图像对于影视特效工业也十分重要，其原因在于，计算机生成的图像须与真实世界环境实现无缝混合。在娱乐应用中，全部图像均为合成结果，真实感可视为一种效果工具，以使观众不会留意并不存在的场景环境。最后，针对渲染系统的输出质量，真实感还可作为一种定义良好的度量方案。
　　本书及其所描述的系统并不会涉及渲染过程中的全部技术，鉴于某些与真实感渲染相关的话题无法与软件系统体系结构实现较好的适配（例如有限元辐射度算法），因而相关内容并未出现于本书中；或者，算法的实现复杂度已超出了其教学价值。相关内容本书会在相应章节予以提示，并提供了相应的参考资源以供读者进一步阅读。另外，渲染机制的其他领域，例如交互式渲染、可视化机制以及渲染说明形式（例如笔墨风格）本书也并未涉及。无论如何，系统中的大多数算法和概念（例如纹理贴图抗锯齿算法）适用于多种不同类型的渲染集。

《计算机图形学：从基础概念到前沿技术》 简介 本书全面深入地探讨了计算机图形学的核心概念、基础理论及其在现代数字媒体和视觉计算领域的广泛应用。它旨在为读者构建一个坚实而全面的知识体系，涵盖从经典的光栅化技术到最新的基于物理的渲染方法，以及三维场景的建模、动画和交互技术。 第一部分：图形学基础与数学原理 本部分奠定了理解计算机图形学所需的数学和几何基础。 第1章：图形学导论与历史 本章首先介绍了计算机图形学的定义、发展历程及其在娱乐、工程、科学可视化等领域的关键作用。探讨了人眼视觉系统的基本原理，以及图形学如何模拟真实世界的视觉感知。讨论了图形学管道（Graphics Pipeline）的整体架构，为后续章节的学习做好铺垫。 第2章：线性代数与几何变换 深入讲解了计算机图形学中不可或缺的数学工具。重点阐述了向量、矩阵、仿射变换（平移、旋转、缩放）的数学表示及其在三维空间中的应用。详细介绍了齐次坐标系，及其在处理透视投影和简化变换组合方面的优势。通过大量实例，展示了如何利用矩阵运算高效地进行模型变换和视图变换。 第3章：坐标系统与投影 本章专注于描述三维物体在二维屏幕上成像的过程。系统地介绍了世界坐标系、观察者坐标系、规范化设备坐标系（NDC）和屏幕坐标系之间的转换。详尽讲解了正交投影和透视投影的区别与数学推导，特别是如何使用投影矩阵实现透视收缩效果，这是创建逼真三维场景的关键步骤。 第二部分：光栅化与实时渲染 本部分侧重于现代实时渲染技术的基础——光栅化过程的实现细节。 第4章：扫描转换算法 聚焦于将几何原语（点、线、多边形）转换为屏幕像素的过程。详细分析了数字微分分析器（DDA）算法、中点画线算法和Bresenham线算法，并探讨了如何高效地填充多边形，包括边函数法和扫描线填充算法。 第5章：消隐技术 处理三维场景中物体遮挡关系的问题。介绍了早期的画家算法，并重点分析了深度缓冲（Z-buffer）算法的原理、实现效率和局限性。此外，还探讨了基于轮廓的消隐技术，以及在复杂场景中处理半透明物体的混合问题。 第6章：纹理映射与参数化 本章讲解了如何通过纹理映射为几何表面增加细节和视觉丰富度。涵盖了纹理坐标的生成、纹理的过滤（最近邻采样、双线性插值、三线性插值）以及纹理的地址模式（重复、裁剪、镜像）。深入讨论了纹理坐标的参数化方法及其在复杂曲面上的应用。 第7章：多边形光照模型 这是实时渲染中关于表面颜色的核心章节。详细介绍并对比了环境光、漫反射光（如Lambert模型）和镜面反射光（如Phong模型、Blinn-Phong模型）的计算方法。讨论了如何将这些光照模型集成到图形硬件的流水线中，以实现快速的着色效果。 第三部分：高级渲染技术与全局光照 本部分深入探讨了超越实时光栅化的、用于生成高度逼真图像的技术，特别是全局光照的模拟。 第8章：高级着色模型与计算着色器 介绍了可编程管线（Programmable Pipeline）的概念，重点讲解了顶点着色器（Vertex Shader）和片段着色器（Fragment Shader）的功能与编程接口。深入分析了更先进的局部光照模型，如各向异性反射模型和基于物理的BRDF（双向反射分布函数）基础概念。 第9章：辐射度与光线追踪入门 系统介绍了全局光照（Global Illumination, GI）的必要性。详细阐述了辐射度（Radiosity）算法，它擅长处理柔和的间接光照，并讨论了其在离散网格上的实现。同时，引入了光线追踪（Ray Tracing）的基础理论，包括光线生成、与场景几何体的相交测试以及反射和折射的递归计算。 第10章：蒙特卡洛方法与路径追踪 本章聚焦于现代离线渲染的核心技术——基于蒙特卡洛积分的路径追踪。解释了如何利用概率密度函数（PDF）和重要性采样来高效估计积分方程（如渲染方程）。详细分析了简单的单次反弹路径追踪，以及如何通过多重重要性采样（MIS）等技术，平衡直接光照和间接光照的采样效率，从而实现收敛速度更快的逼真图像。 第四部分：三维几何建模与动画 本部分侧重于场景的构建、数据结构和动态模拟。 第11章：几何建模技术 探讨了不同的三维模型表示方法，包括多边形网格、参数曲面（如Bézier曲线和NURBS）和隐式曲面。详细讲解了如何构建和编辑这些几何数据结构，以及如何处理网格的简化和细分，以适应不同级别的细节需求。 第12章：场景数据结构与加速结构 在处理包含大量几何体的复杂场景时，高效的相交测试至关重要。本章详细介绍了空间划分数据结构，如BSP树、四叉树（Quadtree）和八叉树（Octree）。重点阐述了层次包围盒（Bounding Volume Hierarchy, BVH）的构建算法及其在加速光线追踪查询中的巨大优势。 第13章：三维动画原理 介绍了计算机动画的基本原理和实现方法。涵盖了关键帧动画、插值技术（如线性、样条插值）和运动控制。探讨了骨骼系统（Skeletal Animation）在角色绑定和形变中的应用，以及时间参数对动画流畅性的影响。 第五部分：可视化与应用 第14章：体绘制与数据可视化 本章关注非表面数据（如医学扫描数据、流体模拟结果）的显示技术。介绍了体绘制（Volume Rendering）的基本思想，包括投影法和切片法，以及如何通过设置不透明度和颜色梯度来揭示内部结构。 第15章：抗锯齿与图像处理 讨论了最终图像质量的提升技术。详细解释了空间域抗锯齿技术（如超采样SSAA、多重采样MSAA）的工作原理。最后，简要介绍了后处理效果，如景深（Depth of Field）、运动模糊（Motion Blur）的模拟方法，以增强最终图像的视觉真实感。 本书内容组织严谨，理论与实践紧密结合，适合作为高等院校计算机图形学专业本科生和研究生的教材，也为从事游戏开发、影视特效制作及相关领域的专业人士提供了深入的技术参考。

评分☆☆☆☆☆

第二段评价 对于我这样一个对计算机图形学充满好奇，但又常常被各种理论吓退的“小白”来说，《物理渲染 从理论到实现（第2版）》的出现，无疑是一道曙光。我一直在寻找一本能够将深奥的物理渲染概念，以一种易于理解、循序渐进的方式讲解清楚的书籍。第一版我虽然没有拜读过，但听闻其口碑极佳，所以第二版的发布让我心动不已。我期望这本书能够不仅仅停留在理论的堆砌，更重要的是能提供清晰的逻辑脉络，让我们能够一步步理解渲染管线的运作原理，从最基础的光线追踪到复杂的光照计算。对于那些像我一样，对“为什么”和“如何做”感到困惑的读者，能够有详尽的解答。如果书中能够包含一些图解，帮助我们直观地理解复杂的数学公式和算法，那将是极大的福音。我希望第二版能像一位和蔼的老师，耐心引导，让我们这些初学者也能领略到物理渲染的魅力，而不是望而却步。

评分☆☆☆☆☆

第三段评价 作为一名资深的CG艺术家，我一直在寻求能够提升我作品真实感的技法。《物理渲染 从理论到实现（第2版）》这本厚重的书籍，从书名上就透露出一种专业和深度，这正是我所需要的。虽然我更侧重于艺术表现，但理解其背后的科学原理，对于我更好地运用工具、创造更具说服力的视觉效果至关重要。我希望第二版能够深入探讨材质属性的物理意义，例如各种微表面细节、反射率、折射率等如何影响最终的光照效果。我尤其关注书中对于不同材质（金属、塑料、玻璃、皮肤等）的PBR参数设置的详细指导，以及如何根据实际纹理数据来反推或调整这些参数。如果书中能提供一些关于如何模拟全局光照（GI）的实用技巧，比如基于图像的光照（IBL）或者探针（probes）的使用，那对我的工作将有莫大的帮助。我渴望这本书能成为我艺术创作的“技术指南针”，帮助我将脑海中的奇思妙想，转化为令人惊叹的视觉现实。

评分☆☆☆☆☆

第一段评价 终于等到《物理渲染 从理论到实现（第2版）》的出版，实在是太令人兴奋了！作为一名在游戏开发领域摸爬滚打多年的老兵，我对图形渲染的追求从未停止。第一版早已被我翻烂，其中的经典理论和实践方法至今仍是我的案头必备。而第二版，听闻在原有基础上进行了大幅度的更新和深化，这对于我们这些渴望紧跟行业前沿的开发者来说，简直是及时雨。我特别期待书中能够对PBR（基于物理的渲染）的最新发展、光照模型、着色器编写以及性能优化等方面进行更深入的剖析。毕竟，在如今竞争激烈的市场中，逼真的画面效果是吸引玩家、留住玩家的关键。我希望第二版能够提供更多实用的代码示例、更详细的算法讲解，甚至是一些在实际项目中遇到的疑难杂症的解决方案。当然，如果书中能涉及到一些跨平台渲染技术，或者对不同硬件架构下的渲染优化策略有所提及，那就更加完美了。总而言之，我已经迫不及待想要一探究竟，相信这本书一定会为我的技术栈再添一笔浓墨重彩。

评分☆☆☆☆☆

第四段评价 我是一名独立游戏开发者，资源有限，但对游戏画面有着极高的追求。在这个领域，《物理渲染 从理论到实现（第2版）》的出现，对我来说绝对是一个利器。在资源有限的情况下，如何高效地实现高质量的渲染，是我一直在思考的问题。我期待第二版能够提供更多关于性能优化的实用建议，比如如何在保证视觉效果的前提下，降低渲染成本。我希望书中能讲解一些实时渲染的先进技术，例如延迟渲染（Deferred Rendering）、延迟光照（Deferred Lighting）或者体渲染（Volumetric Rendering）等。同时，对于如何在主流的游戏引擎（如Unity或Unreal Engine）中实现这些技术，能有更具体的指导和案例分析。我希望这本书不仅仅是理论的阐述，更能提供一些实际可操作的方案，帮助我这样的开发者，用有限的资源，做出令人印象深刻的游戏画面。

评分☆☆☆☆☆

第五段评价 我是一名高校图形学专业的教师，经常需要为学生们传授图形渲染的相关知识。《物理渲染 从理论到实现（第2版）》的出版，对我而言，是教学资源上的一个重要补充。在第一版的基础上，我一直期待第二版能够更加贴近当前的学术前沿和行业发展。我希望书中能够包含对最新渲染技术，如光线追踪（Ray Tracing）和路径追踪（Path Tracing）的更深入的理论阐述，以及它们在实际应用中的进展。同时，如果书中能够对GPU并行计算、着色器语言（如HLSL或GLSL）的高级特性，以及如何利用现代图形API（如Vulkan或DirectX 12）来构建高效渲染管线进行更详尽的介绍，那将对我教学的深度和广度都有极大的提升。我期待第二版能够为我的学生们提供一个扎实的理论基础和前沿的实践视野，帮助他们更好地理解和掌握计算机图形学的核心内容，并为他们未来的职业发展打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

6楼，快递小哥辛苦了！

评分☆☆☆☆☆

物流速度挺快，物品质量不错。

评分☆☆☆☆☆

实用

评分☆☆☆☆☆

nice

评分☆☆☆☆☆

好厚的一本，大部头，学完了肯定很屌

评分☆☆☆☆☆

非常经典的书，中文的看着可能会省市点

评分☆☆☆☆☆

很好的书，送货快！

评分☆☆☆☆☆

服务很好，东西也很好

评分☆☆☆☆☆

看了一点，感觉翻译的行，就是没有包装，看着纸质也不是很好，大概是因为太厚了吧。