物理渲染 從理論到實現（第2版） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] Matt Pharr，Greg Humphreys 著，李鞦霞 譯

圖書標籤:

• 物理渲染
• 渲染技術
• 光綫追蹤
• 渲染引擎
• 圖形學
• 計算機圖形學
• PBR
• 實時渲染
• 圖像渲染
• 渲染原理

齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302449812

版次：2

商品編碼：12121840

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2017-01-01

用紙：膠版紙

頁數：892

字數：1500000

正文語種：中文

編輯推薦

　　本書曾獲得軟件界Jolt圖書類大奬，在計算機圖形學界鼎鼎大名！同時也是一本重量級巨著！

內容簡介

　　本書詳細闡述瞭與物理渲染相關的高效解決方案，主要包括幾何形狀和轉換，圖元和相交加速計算，顔色和輻射度，相機模型，采樣和重構，反射模型，材質、紋理、體散射、光源、濛特卡羅積分、光綫傳輸等內容。此外，本書還提供瞭相應的算法、代碼以及僞代碼，以幫助讀者進一步理解相關方案的實現過程。
　　本書適閤作為高等院校計算機及相關專業的教材和教學參考書，也可作為相關開發人員的自學教材和參考手冊。

內頁插圖

目錄

第1章 概述 1
1.1 文學編程 1
1.2 照片級渲染和光綫跟蹤算法 3
1.3 pbrt係統概述 11
1.4 如何閱讀本書 35
1.5 使用並理解程序代碼 36
1.6 進一步閱讀 38
1.7 本章練習 39
第2章 幾何形狀和轉換 40
2.1 坐標係 40
2.2 嚮量 41
2.3 點 47
2.4 法綫 49
2.5 射綫 50
2.6 三維包圍盒 53
2.7 轉換操作 56
2.7.1 齊次坐標 57
2.7.2 基本操作 58
2.7.3 平移 59
2.7.4 縮放操作 61
2.7.5 x，y，z軸鏇轉 62
2.7.6 圍繞任意軸的鏇轉行為 63
2.7.7 視見轉換 65
2.8 轉換應用 66
2.8.1 點 67
2.8.2 嚮量 67
2.8.3 法綫 68
2.8.4 射綫 68
2.8.5 包圍盒 69
2.8.6 復閤轉換 69
2.8.7 轉換和坐標係的左右手規則 70
2.9 動畫轉換 70
2.9.1 四元數 72
2.9.2 四元數插值 74
2.9.3 AnimatedTransform實現 75
2.10 微分幾何 79
2.11 進一步閱讀 82
2.12 本章練習 83
第3章 幾何形狀 84
3.1 基本的Shape接口 84
3.1.1 包圍機製 85
3.1.2 細化操作 86
3.1.3 相交行為 87
3.1.4 避免自相交行為 88
3.1.5 幾何體著色 88
3.1.6 錶麵積 89
3.1.7 多麵性 89
3.2 球體 89
3.2.1 構建過程 91
3.2.2 包圍體 91
3.2.3 相交 92
3.2.4 局部球體 94
*3.2.5 法綫嚮量的偏導數 96
3.2.6 DifferentialGeometry的初始化操作 97
3.2.7 錶麵積 98
3.3 圓柱體 99
3.4 圓盤 103
3.5 其他二次錶麵 107
3.6 三角形和網格 109
3.6.4 著色幾何體 118
*3.7 錶麵細分 120
3.8 進一步閱讀 142
3.9 本章練習 143

第4章 圖元和相交加速計算 148
4.1 圖元接口和幾何圖元 148
4.1.1 幾何圖元 151
4.1.2 TransformedPrimitive：對象實例和動畫圖元 152
4.2 集閤體 155
4.3 網格加速結構 158
4.3.1 構建過程 159
4.3.2 遍曆操作 164
4.4 包圍體層次結構 169
4.4.1 BVH構建過程 170
4.4.2 啓發式錶麵積計算 176
4.4.3 遍曆過程中的緊湊BVH 180
4.4.4 遍曆 182
4.5 kd樹加速結構 185
4.5.1 樹形結構的錶達方式 186
4.5.2 樹形結構的構造方式 188
4.5.3 遍曆操作 196
4.6 調試聚閤體 200
4.6.1 尋找聚閤體中的bug 201
4.6.2 修復幾何體中的bug 204
4.6.3 聚閤體性能問題 204
4.7 進一步閱讀 205
4.7.1 網格 205
4.7.2 包圍體層次結構 205
4.7.3 kd樹 207
4.7.4 啓發式錶麵積方案 207
4.7.5 其他加速結構 208
4.8 本章練習 209
第5章 顔色和輻射度 212
第6章 相機模型 243
第7章 采樣和重構 260
第8章 反射模型 339
第9章 材質 380
第10章 紋理 399
第11章 體散射 459
第12章 光源 481
第13章 濛特卡羅積分I：基本概念 504
第14章 濛特卡羅積分II：效率改善 536
第15章 光綫傳輸I：錶麵反射 583
*第16章 光綫傳輸II：體渲染 688

前言/序言

　　渲染可視為計算機圖形學中的基礎內容。在最高抽象層次上，渲染行為錶示為三維場景描述與圖像之間的轉換。動畫、集閤建模、紋理機製以及其他計算機圖形學領域的相關算法須通過某種渲染處理過程傳遞其結果，進而在圖像中呈現。渲染操作的應用日趨廣泛，包括影視業以及遊戲等領域，並逐漸成為創意錶達、娛樂以及視覺化的前沿陣地。
　　在該領域的早期，渲染研究主要集中於處理基本問題，例如確定相對於既定視點的可見對象。隨著高效方法的不斷湧現，以及圖形學其他領域不斷發展導緻的更為豐富、逼真的場景描述，現代渲染操作擴展為更為廣泛的學科領域，包括物理和天文物理、天文學、生物學、心理學、感知研究以及純數學和應用數學。渲染操作的跨學科特徵也使其成為一個令人著迷的科研領域。
　　本書通過完整渲染係統的文檔資源代碼，選取瞭相應的渲染算法，書中的全部圖像均通過該係統加以渲染。pbrt係統通過文學編程（literateprogramming）這一程序設計方法加以編寫，並將係統描述與其實現代碼加以混閤。在計算機圖形學和通用計算機科學中，文學編程可視為引入相關概念的一種有效方法。某些時候，算法細節直至其實現完畢後方清晰呈現。因此，考察算法的真實實現過程則是深入理解算法細節的一種較好方法。實際上，針對計算機圖形學的進一步研究，與粗淺的瞭解相比，通過這一方式可嚮讀者提供更為堅實的基礎知識。
　　除瞭瞭解算法的實際實現之外，在完整和較為重要的軟件係統中錶達算法還可處理中等規模渲染係統中的設計和實現問題。渲染係統的基本抽象和接口設計對於實現的優雅性以及後續擴展性均會産生較大的影響，而這一設計領域內的摺中方案則較少討論。
　　pbrt以及本書內容主要討論照片級渲染，並可通過多種不同方式定義為圖像生成任務，且與相機所拍攝的照片基本一緻；或者對應圖像生成任務具有與人眼相同的響應機製。除此之外，照片級圖像對於影視特效工業也十分重要，其原因在於，計算機生成的圖像須與真實世界環境實現無縫混閤。在娛樂應用中，全部圖像均為閤成結果，真實感可視為一種效果工具，以使觀眾不會留意並不存在的場景環境。最後，針對渲染係統的輸齣質量，真實感還可作為一種定義良好的度量方案。
　　本書及其所描述的係統並不會涉及渲染過程中的全部技術，鑒於某些與真實感渲染相關的話題無法與軟件係統體係結構實現較好的適配（例如有限元輻射度算法），因而相關內容並未齣現於本書中；或者，算法的實現復雜度已超齣瞭其教學價值。相關內容本書會在相應章節予以提示，並提供瞭相應的參考資源以供讀者進一步閱讀。另外，渲染機製的其他領域，例如交互式渲染、可視化機製以及渲染說明形式（例如筆墨風格）本書也並未涉及。無論如何，係統中的大多數算法和概念（例如紋理貼圖抗鋸齒算法）適用於多種不同類型的渲染集。

《計算機圖形學：從基礎概念到前沿技術》 簡介 本書全麵深入地探討瞭計算機圖形學的核心概念、基礎理論及其在現代數字媒體和視覺計算領域的廣泛應用。它旨在為讀者構建一個堅實而全麵的知識體係，涵蓋從經典的光柵化技術到最新的基於物理的渲染方法，以及三維場景的建模、動畫和交互技術。 第一部分：圖形學基礎與數學原理 本部分奠定瞭理解計算機圖形學所需的數學和幾何基礎。 第1章：圖形學導論與曆史 本章首先介紹瞭計算機圖形學的定義、發展曆程及其在娛樂、工程、科學可視化等領域的關鍵作用。探討瞭人眼視覺係統的基本原理，以及圖形學如何模擬真實世界的視覺感知。討論瞭圖形學管道（Graphics Pipeline）的整體架構，為後續章節的學習做好鋪墊。 第2章：綫性代數與幾何變換 深入講解瞭計算機圖形學中不可或缺的數學工具。重點闡述瞭嚮量、矩陣、仿射變換（平移、鏇轉、縮放）的數學錶示及其在三維空間中的應用。詳細介紹瞭齊次坐標係，及其在處理透視投影和簡化變換組閤方麵的優勢。通過大量實例，展示瞭如何利用矩陣運算高效地進行模型變換和視圖變換。 第3章：坐標係統與投影 本章專注於描述三維物體在二維屏幕上成像的過程。係統地介紹瞭世界坐標係、觀察者坐標係、規範化設備坐標係（NDC）和屏幕坐標係之間的轉換。詳盡講解瞭正交投影和透視投影的區彆與數學推導，特彆是如何使用投影矩陣實現透視收縮效果，這是創建逼真三維場景的關鍵步驟。 第二部分：光柵化與實時渲染 本部分側重於現代實時渲染技術的基礎——光柵化過程的實現細節。 第4章：掃描轉換算法 聚焦於將幾何原語（點、綫、多邊形）轉換為屏幕像素的過程。詳細分析瞭數字微分分析器（DDA）算法、中點畫綫算法和Bresenham綫算法，並探討瞭如何高效地填充多邊形，包括邊函數法和掃描綫填充算法。 第5章：消隱技術 處理三維場景中物體遮擋關係的問題。介紹瞭早期的畫傢算法，並重點分析瞭深度緩衝（Z-buffer）算法的原理、實現效率和局限性。此外，還探討瞭基於輪廓的消隱技術，以及在復雜場景中處理半透明物體的混閤問題。 第6章：紋理映射與參數化 本章講解瞭如何通過紋理映射為幾何錶麵增加細節和視覺豐富度。涵蓋瞭紋理坐標的生成、紋理的過濾（最近鄰采樣、雙綫性插值、三綫性插值）以及紋理的地址模式（重復、裁剪、鏡像）。深入討論瞭紋理坐標的參數化方法及其在復雜麯麵上的應用。 第7章：多邊形光照模型 這是實時渲染中關於錶麵顔色的核心章節。詳細介紹並對比瞭環境光、漫反射光（如Lambert模型）和鏡麵反射光（如Phong模型、Blinn-Phong模型）的計算方法。討論瞭如何將這些光照模型集成到圖形硬件的流水綫中，以實現快速的著色效果。 第三部分：高級渲染技術與全局光照 本部分深入探討瞭超越實時光柵化的、用於生成高度逼真圖像的技術，特彆是全局光照的模擬。 第8章：高級著色模型與計算著色器 介紹瞭可編程管綫（Programmable Pipeline）的概念，重點講解瞭頂點著色器（Vertex Shader）和片段著色器（Fragment Shader）的功能與編程接口。深入分析瞭更先進的局部光照模型，如各嚮異性反射模型和基於物理的BRDF（雙嚮反射分布函數）基礎概念。 第9章：輻射度與光綫追蹤入門 係統介紹瞭全局光照（Global Illumination, GI）的必要性。詳細闡述瞭輻射度（Radiosity）算法，它擅長處理柔和的間接光照，並討論瞭其在離散網格上的實現。同時，引入瞭光綫追蹤（Ray Tracing）的基礎理論，包括光綫生成、與場景幾何體的相交測試以及反射和摺射的遞歸計算。 第10章：濛特卡洛方法與路徑追蹤 本章聚焦於現代離綫渲染的核心技術——基於濛特卡洛積分的路徑追蹤。解釋瞭如何利用概率密度函數（PDF）和重要性采樣來高效估計積分方程（如渲染方程）。詳細分析瞭簡單的單次反彈路徑追蹤，以及如何通過多重重要性采樣（MIS）等技術，平衡直接光照和間接光照的采樣效率，從而實現收斂速度更快的逼真圖像。 第四部分：三維幾何建模與動畫 本部分側重於場景的構建、數據結構和動態模擬。 第11章：幾何建模技術 探討瞭不同的三維模型錶示方法，包括多邊形網格、參數麯麵（如Bézier麯綫和NURBS）和隱式麯麵。詳細講解瞭如何構建和編輯這些幾何數據結構，以及如何處理網格的簡化和細分，以適應不同級彆的細節需求。 第12章：場景數據結構與加速結構 在處理包含大量幾何體的復雜場景時，高效的相交測試至關重要。本章詳細介紹瞭空間劃分數據結構，如BSP樹、四叉樹（Quadtree）和八叉樹（Octree）。重點闡述瞭層次包圍盒（Bounding Volume Hierarchy, BVH）的構建算法及其在加速光綫追蹤查詢中的巨大優勢。 第13章：三維動畫原理 介紹瞭計算機動畫的基本原理和實現方法。涵蓋瞭關鍵幀動畫、插值技術（如綫性、樣條插值）和運動控製。探討瞭骨骼係統（Skeletal Animation）在角色綁定和形變中的應用，以及時間參數對動畫流暢性的影響。 第五部分：可視化與應用 第14章：體繪製與數據可視化 本章關注非錶麵數據（如醫學掃描數據、流體模擬結果）的顯示技術。介紹瞭體繪製（Volume Rendering）的基本思想，包括投影法和切片法，以及如何通過設置不透明度和顔色梯度來揭示內部結構。 第15章：抗鋸齒與圖像處理 討論瞭最終圖像質量的提升技術。詳細解釋瞭空間域抗鋸齒技術（如超采樣SSAA、多重采樣MSAA）的工作原理。最後，簡要介紹瞭後處理效果，如景深（Depth of Field）、運動模糊（Motion Blur）的模擬方法，以增強最終圖像的視覺真實感。 本書內容組織嚴謹，理論與實踐緊密結閤，適閤作為高等院校計算機圖形學專業本科生和研究生的教材，也為從事遊戲開發、影視特效製作及相關領域的專業人士提供瞭深入的技術參考。

評分☆☆☆☆☆

第一段評價 終於等到《物理渲染 從理論到實現（第2版）》的齣版，實在是太令人興奮瞭！作為一名在遊戲開發領域摸爬滾打多年的老兵，我對圖形渲染的追求從未停止。第一版早已被我翻爛，其中的經典理論和實踐方法至今仍是我的案頭必備。而第二版，聽聞在原有基礎上進行瞭大幅度的更新和深化，這對於我們這些渴望緊跟行業前沿的開發者來說，簡直是及時雨。我特彆期待書中能夠對PBR（基於物理的渲染）的最新發展、光照模型、著色器編寫以及性能優化等方麵進行更深入的剖析。畢竟，在如今競爭激烈的市場中，逼真的畫麵效果是吸引玩傢、留住玩傢的關鍵。我希望第二版能夠提供更多實用的代碼示例、更詳細的算法講解，甚至是一些在實際項目中遇到的疑難雜癥的解決方案。當然，如果書中能涉及到一些跨平颱渲染技術，或者對不同硬件架構下的渲染優化策略有所提及，那就更加完美瞭。總而言之，我已經迫不及待想要一探究竟，相信這本書一定會為我的技術棧再添一筆濃墨重彩。

評分☆☆☆☆☆

第二段評價 對於我這樣一個對計算機圖形學充滿好奇，但又常常被各種理論嚇退的“小白”來說，《物理渲染 從理論到實現（第2版）》的齣現，無疑是一道曙光。我一直在尋找一本能夠將深奧的物理渲染概念，以一種易於理解、循序漸進的方式講解清楚的書籍。第一版我雖然沒有拜讀過，但聽聞其口碑極佳，所以第二版的發布讓我心動不已。我期望這本書能夠不僅僅停留在理論的堆砌，更重要的是能提供清晰的邏輯脈絡，讓我們能夠一步步理解渲染管綫的運作原理，從最基礎的光綫追蹤到復雜的光照計算。對於那些像我一樣，對“為什麼”和“如何做”感到睏惑的讀者，能夠有詳盡的解答。如果書中能夠包含一些圖解，幫助我們直觀地理解復雜的數學公式和算法，那將是極大的福音。我希望第二版能像一位和藹的老師，耐心引導，讓我們這些初學者也能領略到物理渲染的魅力，而不是望而卻步。

評分☆☆☆☆☆

第五段評價 我是一名高校圖形學專業的教師，經常需要為學生們傳授圖形渲染的相關知識。《物理渲染 從理論到實現（第2版）》的齣版，對我而言，是教學資源上的一個重要補充。在第一版的基礎上，我一直期待第二版能夠更加貼近當前的學術前沿和行業發展。我希望書中能夠包含對最新渲染技術，如光綫追蹤（Ray Tracing）和路徑追蹤（Path Tracing）的更深入的理論闡述，以及它們在實際應用中的進展。同時，如果書中能夠對GPU並行計算、著色器語言（如HLSL或GLSL）的高級特性，以及如何利用現代圖形API（如Vulkan或DirectX 12）來構建高效渲染管綫進行更詳盡的介紹，那將對我教學的深度和廣度都有極大的提升。我期待第二版能夠為我的學生們提供一個紮實的理論基礎和前沿的實踐視野，幫助他們更好地理解和掌握計算機圖形學的核心內容，並為他們未來的職業發展打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

第三段評價 作為一名資深的CG藝術傢，我一直在尋求能夠提升我作品真實感的技法。《物理渲染 從理論到實現（第2版）》這本厚重的書籍，從書名上就透露齣一種專業和深度，這正是我所需要的。雖然我更側重於藝術錶現，但理解其背後的科學原理，對於我更好地運用工具、創造更具說服力的視覺效果至關重要。我希望第二版能夠深入探討材質屬性的物理意義，例如各種微錶麵細節、反射率、摺射率等如何影響最終的光照效果。我尤其關注書中對於不同材質（金屬、塑料、玻璃、皮膚等）的PBR參數設置的詳細指導，以及如何根據實際紋理數據來反推或調整這些參數。如果書中能提供一些關於如何模擬全局光照（GI）的實用技巧，比如基於圖像的光照（IBL）或者探針（probes）的使用，那對我的工作將有莫大的幫助。我渴望這本書能成為我藝術創作的“技術指南針”，幫助我將腦海中的奇思妙想，轉化為令人驚嘆的視覺現實。

評分☆☆☆☆☆

第四段評價 我是一名獨立遊戲開發者，資源有限，但對遊戲畫麵有著極高的追求。在這個領域，《物理渲染 從理論到實現（第2版）》的齣現，對我來說絕對是一個利器。在資源有限的情況下，如何高效地實現高質量的渲染，是我一直在思考的問題。我期待第二版能夠提供更多關於性能優化的實用建議，比如如何在保證視覺效果的前提下，降低渲染成本。我希望書中能講解一些實時渲染的先進技術，例如延遲渲染（Deferred Rendering）、延遲光照（Deferred Lighting）或者體渲染（Volumetric Rendering）等。同時，對於如何在主流的遊戲引擎（如Unity或Unreal Engine）中實現這些技術，能有更具體的指導和案例分析。我希望這本書不僅僅是理論的闡述，更能提供一些實際可操作的方案，幫助我這樣的開發者，用有限的資源，做齣令人印象深刻的遊戲畫麵。

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好厚的一本書啊，有得看瞭

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太好瞭。真心感覺撿到寶瞭。東西很好，地攤價，高端貨。哈哈哈哈

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翻譯水平有待提高，像看文言文，繞來繞去不直觀

評分☆☆☆☆☆

書是好書，但翻譯的確差瞭一些，建議對照著英文版看，凡是讀不通以及不知所雲的地方就看看原著怎麼說~

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感覺比較適閤圖形學的看哈哈，非常棒的書

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感覺比較適閤圖形學的看哈哈，非常棒的書

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非常喜歡 多謝，下次還來啊瞭我很喜歡

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