计算机图形学编程 使用OpenGL和C++
第 1 章 入门.1
1.1 语言和库.1
1.1.1 C 2
1.1.2 OpenGL / GLSL 2
1.1.3 窗口管理.2
1.1.4 扩展库.3
1.1.5 数学库.3
1.1.6 纹理管理.3
1.1.7 可选库.4
1.2 安装和配置.4
查看完整
1.1 语言和库.1
1.1.1 C 2
1.1.2 OpenGL / GLSL 2
1.1.3 窗口管理.2
1.1.4 扩展库.3
1.1.5 数学库.3
1.1.6 纹理管理.3
1.1.7 可选库.4
1.2 安装和配置.4
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V.斯科特·戈登（V. Scott Gordon） 加州州立大学萨克拉门托分校教授，教授高级图形和游戏工程课程。他撰写及合著了30多部出版物，涉及人工智能、神经网络、进化计算、软件工程、视频和策略游戏编程，以及计算机科学教育等多个领域。戈登博士在科罗拉多州立大学获得博士学位。 约翰·克莱维吉（John Clevenger） 加州州立大学萨克拉门托分校教授，拥有40多年的教学经验，教学内容包括高级图形、游戏架构、操作系统、VLSI芯片设计、系统仿真和其他主题。他参与了多个用于图形和游戏架构教学的软件框架和工具的开发，其中包括本书Java版版中用到的graphicslib3D库。他是国际大学生程序设计竞赛（ICPC）的技术总监，负责监督PC2的持续开发，PC2是目前世界上使用较为广泛的编程竞赛支持系统。克莱维吉博士在加州大学戴维斯分校获得博士学位。
本书以C
和OpenGL 作为工具，教授计算机图形学编程。全书共14 章和3 个附录。 首先从图形编程的基础和准备工作开始，依次介绍了OpenGL 图像管线、图形编程数学基础、管理3D 图形数据、纹理贴图、3D 模型、光照、阴影、天空和背景、增强表面细节、参数曲面、曲面细分、几何着色器，以及其他相关的图形编程技术。附录分别介绍了Windows、macOS 平台上的安装设置，以及Nsight 图形调试器的应用。本书每章*后配备了不同形式的习题，供读者巩固所学知识。 本书适合作为高等院校计算机科学专业的计算机图形编程课程的教材或辅导书，也适合对计算机图形编程感兴趣的读者自学。
和OpenGL 作为工具，教授计算机图形学编程。全书共14 章和3 个附录。 首先从图形编程的基础和准备工作开始，依次介绍了OpenGL 图像管线、图形编程数学基础、管理3D 图形数据、纹理贴图、3D 模型、光照、阴影、天空和背景、增强表面细节、参数曲面、曲面细分、几何着色器，以及其他相关的图形编程技术。附录分别介绍了Windows、macOS 平台上的安装设置，以及Nsight 图形调试器的应用。本书每章*后配备了不同形式的习题，供读者巩固所学知识。 本书适合作为高等院校计算机科学专业的计算机图形编程课程的教材或辅导书，也适合对计算机图形编程感兴趣的读者自学。
第 1 章 入门.1
1.1 语言和库.1
1.1.1 C 2
1.1.2 OpenGL / GLSL 2
1.1.3 窗口管理.2
1.1.4 扩展库.3
1.1.5 数学库.3
1.1.6 纹理管理.3
1.1.7 可选库.4
1.2 安装和配置.4
参考资料4
第 2 章 OpenGL 图像管线.5
2.1 OpenGL 管线5
2.1.1 C /OpenGL 应用程序.6
2.1.2 顶点着色器和片段着色器.9
2.1.3 曲面细分着色器.12
2.1.4 几何着色器.13
2.1.5 光栅化.14
2.1.6 片段着色器.15
2.1.7 像素操作.16
2.2 检测OpenGL 和GLSL错误.17
2.3 从文件读取GLSL 源代码.19
2.4 从顶点构建对象.20
2.5 场景动画.21
2.6 C 代码文件结构23
补充说明.24
习题24
参考资料25
第3 章 数学基础. 26
3.1 3D 坐标系统. 26
3.2 点 26
3.3 矩阵 27
3.4 变换矩阵 29
3.4.1 平移矩阵. 29
3.4.2 缩放矩阵. 29
3.4.3 旋转矩阵. 30
3.5 向量 31
3.5.1 点积的应用. 32
3.5.2 叉积的应用. 33
3.6 局部和世界空间 33
3.7 视觉空间和合成相机 34
3.8 投影矩阵 36
3.8.1 透视投影矩阵. 36
3.8.2 正射投影矩阵. 37
3.9 LookAt 矩阵. 38
3.10 用来构建矩阵变换的GLSL函数. 39
补充说明 40
习题. 40
参考资料. 41
第4 章 管理3D 图形数据. 42
4.1 缓冲区和顶点属性 42
4.2 统一变量 44
4.3 顶点属性插值 45
4.4 模型-视图和透视矩阵. 46
4.5 我们的第 一个3D 程序—— 一个3D 立方体 47
4.6 渲染一个对象的多个副本. 53
4.7 在同一个场景中渲染多个不同模型.57
4.8 矩阵堆栈.59
4.9 应对“Z 冲突”伪影64
4.10 图元的其他选项.65
4.11 性能优先的编程方法.66
4.11.1 尽量减少动态内存空间分配66
4.11.2 预先计算透视矩阵.67
4.11.3 背面剔除.68
补充说明.69
习题70
参考资料70
第5 章 纹理贴图71
5.1 加载纹理图像文件.71
5.2 纹理坐标.72
5.3 创建纹理对象.74
5.4 构建纹理坐标.74
5.5 将纹理坐标载入缓冲区.75
5.6 在着色器中使用纹理：采样器变量和纹理单元.76
5.7 纹理贴图：示例程序.77
5.8 多级渐远纹理贴图.79
5.9 各向异性过滤.83
5.10 环绕和平铺.84
5.11 透视变形.85
5.12 材质——更多OpenGL 细节.86
补充说明.86
习题87
参考资料87
第6 章 3D 模型88
6.1 程序构建模型——构建一个球体.88
6.2 OpenGL 索引——构建一个环面.94
6.2.1 环面.94
6.2.2 OpenGL 中的索引95
6.3 加载外部构建的模型.99
补充说明. 106
习题. 107
参考资料. 107
第7 章 光照 108
7.1 光照模型 108
7.2 光源 109
7.3 材质.111
7.4 ADS 光照计算. 112
7.5 实现ADS 光照 114
7.5.1 Gouraud 着色（双线性光强插值法） 115
7.5.2 Phong 着色. 120
7.6 结合光照与纹理 124
补充说明. 126
历史记录. 126
习题. 126
参考资料. 127
第8 章 阴影 128
8.1 阴影的重要性 128
8.2 投影阴影 129
8.3 阴影体 129
8.4 阴影贴图 130
8.4.1 阴影贴图（第 1 轮）——从光源位置“绘制”物体 131
8.4.2 阴影贴图（中间步骤）——将Z 缓冲区复制到纹理 132
8.4.3 阴影贴图（第 2 轮）——渲染带阴影的场景 132
8.5 阴影贴图示例 135
8.6 阴影贴图的伪影 139
8.7 柔和阴影 142
8.7.1 现实世界中的柔和阴影 142
8.7.2 生成柔和阴影——百分比邻近滤波（PCF） . 143
8.7.3 柔和阴影/PCF 程序146
补充说明.148
习题148
参考资料149
第9 章 天空和背景.150
9.1 天空盒.150
9.2 天空穹顶.152
9.3 实现天空盒.153
9.3.1 从头开始构建天空盒.153
9.3.2 使用OpenGL 立方体贴图.156
9.4 环境贴图.158
补充说明.161
习题162
参考资料163
第 10 章 增强表面细节.164
10.1 凹凸贴图.164
10.2 法线贴图.166
10.3 高度贴图.172
补充说明.174
习题175
参考资料175
第 11 章 参数曲面.176
11.1 二次贝塞尔曲线.176
11.2 三次贝塞尔曲线.177
11.3 二次贝塞尔曲面.180
11.4 三次贝塞尔曲面.181
补充说明.183
习题183
参考资料183
第 12 章 曲面细分.184
12.1 OpenGL 中的曲面细分184
12.2 贝塞尔曲面细分.188
12.3 地形、高度图的细分.193
12.4 控制细节级别（LOD）.198
补充说明. 200
习题. 201
参考资料. 201
第 13 章 几何着色器 202
13.1 OpenGL 中的逐个图元处理. 202
13.2 修改图元 203
13.3 删除图元 206
13.4 添加图元 207
13.5 更改图元类型 209
补充说明. 211
习题. 211
参考资料. 211
第 14 章 其他技术 212
14.1 雾 212
14.2 复合、混合、透明度. 213
14.3 用户定义剪裁平面 218
14.4 3D 纹理 219
14.5 噪声 223
14.6 噪声应用——大理石. 227
14.7 噪声应用——木材. 230
14.8 噪声应用——云. 233
14.9 噪声应用——特殊效果. 236
补充说明. 238
习题. 238
参考资料. 239
附录A PC（Windows）上的安装与设置 240
A.1 安装库和开发环境 240
A.1.1 安装开发环境. 240
A.1.2 安装OpenGL /
GLSL. 240
A.1.3 准备GLFW 240
A.1.4 准备GLEW 241
A.1.5 准备GLM. 241
A.1.6 准备SOIL2. 241
A.1.7 准备共享的“lib”和“include”文件夹241
A.2 在MS Visual Studio 中开发和部署OpenGL 项目242
参考资料243
附录B Macintosh（macOS）平台上的安装与设置.244
B.1 安装库和开发环境244
B.1.1 准备并安装依赖库.244
B.1.2 准备开发环境.245
B.2 修改Mac 的C / OpenGL /GLSL 应用程序代码.246
B.2.1 修改C 代码 247
B.2.2 修改GLSL 代码. 247
B.2.3 补充说明. 248
参考资料. 248
附录C 使用Nsight 图形调试器. 249
C.1 关于NVIDIANsight 249
C.2 设置Nsight 249
C.3 在Nsight 中运行C /OpenGL应用程序. 250
参考资料. 252
^ 收 起
1.1 语言和库.1
1.1.1 C 2
1.1.2 OpenGL / GLSL 2
1.1.3 窗口管理.2
1.1.4 扩展库.3
1.1.5 数学库.3
1.1.6 纹理管理.3
1.1.7 可选库.4
1.2 安装和配置.4
参考资料4
第 2 章 OpenGL 图像管线.5
2.1 OpenGL 管线5
2.1.1 C /OpenGL 应用程序.6
2.1.2 顶点着色器和片段着色器.9
2.1.3 曲面细分着色器.12
2.1.4 几何着色器.13
2.1.5 光栅化.14
2.1.6 片段着色器.15
2.1.7 像素操作.16
2.2 检测OpenGL 和GLSL错误.17
2.3 从文件读取GLSL 源代码.19
2.4 从顶点构建对象.20
2.5 场景动画.21
2.6 C 代码文件结构23
补充说明.24
习题24
参考资料25
第3 章 数学基础. 26
3.1 3D 坐标系统. 26
3.2 点 26
3.3 矩阵 27
3.4 变换矩阵 29
3.4.1 平移矩阵. 29
3.4.2 缩放矩阵. 29
3.4.3 旋转矩阵. 30
3.5 向量 31
3.5.1 点积的应用. 32
3.5.2 叉积的应用. 33
3.6 局部和世界空间 33
3.7 视觉空间和合成相机 34
3.8 投影矩阵 36
3.8.1 透视投影矩阵. 36
3.8.2 正射投影矩阵. 37
3.9 LookAt 矩阵. 38
3.10 用来构建矩阵变换的GLSL函数. 39
补充说明 40
习题. 40
参考资料. 41
第4 章 管理3D 图形数据. 42
4.1 缓冲区和顶点属性 42
4.2 统一变量 44
4.3 顶点属性插值 45
4.4 模型-视图和透视矩阵. 46
4.5 我们的第 一个3D 程序—— 一个3D 立方体 47
4.6 渲染一个对象的多个副本. 53
4.7 在同一个场景中渲染多个不同模型.57
4.8 矩阵堆栈.59
4.9 应对“Z 冲突”伪影64
4.10 图元的其他选项.65
4.11 性能优先的编程方法.66
4.11.1 尽量减少动态内存空间分配66
4.11.2 预先计算透视矩阵.67
4.11.3 背面剔除.68
补充说明.69
习题70
参考资料70
第5 章 纹理贴图71
5.1 加载纹理图像文件.71
5.2 纹理坐标.72
5.3 创建纹理对象.74
5.4 构建纹理坐标.74
5.5 将纹理坐标载入缓冲区.75
5.6 在着色器中使用纹理：采样器变量和纹理单元.76
5.7 纹理贴图：示例程序.77
5.8 多级渐远纹理贴图.79
5.9 各向异性过滤.83
5.10 环绕和平铺.84
5.11 透视变形.85
5.12 材质——更多OpenGL 细节.86
补充说明.86
习题87
参考资料87
第6 章 3D 模型88
6.1 程序构建模型——构建一个球体.88
6.2 OpenGL 索引——构建一个环面.94
6.2.1 环面.94
6.2.2 OpenGL 中的索引95
6.3 加载外部构建的模型.99
补充说明. 106
习题. 107
参考资料. 107
第7 章 光照 108
7.1 光照模型 108
7.2 光源 109
7.3 材质.111
7.4 ADS 光照计算. 112
7.5 实现ADS 光照 114
7.5.1 Gouraud 着色（双线性光强插值法） 115
7.5.2 Phong 着色. 120
7.6 结合光照与纹理 124
补充说明. 126
历史记录. 126
习题. 126
参考资料. 127
第8 章 阴影 128
8.1 阴影的重要性 128
8.2 投影阴影 129
8.3 阴影体 129
8.4 阴影贴图 130
8.4.1 阴影贴图（第 1 轮）——从光源位置“绘制”物体 131
8.4.2 阴影贴图（中间步骤）——将Z 缓冲区复制到纹理 132
8.4.3 阴影贴图（第 2 轮）——渲染带阴影的场景 132
8.5 阴影贴图示例 135
8.6 阴影贴图的伪影 139
8.7 柔和阴影 142
8.7.1 现实世界中的柔和阴影 142
8.7.2 生成柔和阴影——百分比邻近滤波（PCF） . 143
8.7.3 柔和阴影/PCF 程序146
补充说明.148
习题148
参考资料149
第9 章 天空和背景.150
9.1 天空盒.150
9.2 天空穹顶.152
9.3 实现天空盒.153
9.3.1 从头开始构建天空盒.153
9.3.2 使用OpenGL 立方体贴图.156
9.4 环境贴图.158
补充说明.161
习题162
参考资料163
第 10 章 增强表面细节.164
10.1 凹凸贴图.164
10.2 法线贴图.166
10.3 高度贴图.172
补充说明.174
习题175
参考资料175
第 11 章 参数曲面.176
11.1 二次贝塞尔曲线.176
11.2 三次贝塞尔曲线.177
11.3 二次贝塞尔曲面.180
11.4 三次贝塞尔曲面.181
补充说明.183
习题183
参考资料183
第 12 章 曲面细分.184
12.1 OpenGL 中的曲面细分184
12.2 贝塞尔曲面细分.188
12.3 地形、高度图的细分.193
12.4 控制细节级别（LOD）.198
补充说明. 200
习题. 201
参考资料. 201
第 13 章 几何着色器 202
13.1 OpenGL 中的逐个图元处理. 202
13.2 修改图元 203
13.3 删除图元 206
13.4 添加图元 207
13.5 更改图元类型 209
补充说明. 211
习题. 211
参考资料. 211
第 14 章 其他技术 212
14.1 雾 212
14.2 复合、混合、透明度. 213
14.3 用户定义剪裁平面 218
14.4 3D 纹理 219
14.5 噪声 223
14.6 噪声应用——大理石. 227
14.7 噪声应用——木材. 230
14.8 噪声应用——云. 233
14.9 噪声应用——特殊效果. 236
补充说明. 238
习题. 238
参考资料. 239
附录A PC（Windows）上的安装与设置 240
A.1 安装库和开发环境 240
A.1.1 安装开发环境. 240
A.1.2 安装OpenGL /
GLSL. 240
A.1.3 准备GLFW 240
A.1.4 准备GLEW 241
A.1.5 准备GLM. 241
A.1.6 准备SOIL2. 241
A.1.7 准备共享的“lib”和“include”文件夹241
A.2 在MS Visual Studio 中开发和部署OpenGL 项目242
参考资料243
附录B Macintosh（macOS）平台上的安装与设置.244
B.1 安装库和开发环境244
B.1.1 准备并安装依赖库.244
B.1.2 准备开发环境.245
B.2 修改Mac 的C / OpenGL /GLSL 应用程序代码.246
B.2.1 修改C 代码 247
B.2.2 修改GLSL 代码. 247
B.2.3 补充说明. 248
参考资料. 248
附录C 使用Nsight 图形调试器. 249
C.1 关于NVIDIANsight 249
C.2 设置Nsight 249
C.3 在Nsight 中运行C /OpenGL应用程序. 250
参考资料. 252
^ 收 起
V.斯科特·戈登（V. Scott Gordon） 加州州立大学萨克拉门托分校教授，教授高级图形和游戏工程课程。他撰写及合著了30多部出版物，涉及人工智能、神经网络、进化计算、软件工程、视频和策略游戏编程，以及计算机科学教育等多个领域。戈登博士在科罗拉多州立大学获得博士学位。 约翰·克莱维吉（John Clevenger） 加州州立大学萨克拉门托分校教授，拥有40多年的教学经验，教学内容包括高级图形、游戏架构、操作系统、VLSI芯片设计、系统仿真和其他主题。他参与了多个用于图形和游戏架构教学的软件框架和工具的开发，其中包括本书Java版版中用到的graphicslib3D库。他是国际大学生程序设计竞赛（ICPC）的技术总监，负责监督PC2的持续开发，PC2是目前世界上使用较为广泛的编程竞赛支持系统。克莱维吉博士在加州大学戴维斯分校获得博士学位。
本书以C
和OpenGL 作为工具，教授计算机图形学编程。全书共14 章和3 个附录。 首先从图形编程的基础和准备工作开始，依次介绍了OpenGL 图像管线、图形编程数学基础、管理3D 图形数据、纹理贴图、3D 模型、光照、阴影、天空和背景、增强表面细节、参数曲面、曲面细分、几何着色器，以及其他相关的图形编程技术。附录分别介绍了Windows、macOS 平台上的安装设置，以及Nsight 图形调试器的应用。本书每章*后配备了不同形式的习题，供读者巩固所学知识。 本书适合作为高等院校计算机科学专业的计算机图形编程课程的教材或辅导书，也适合对计算机图形编程感兴趣的读者自学。
和OpenGL 作为工具，教授计算机图形学编程。全书共14 章和3 个附录。 首先从图形编程的基础和准备工作开始，依次介绍了OpenGL 图像管线、图形编程数学基础、管理3D 图形数据、纹理贴图、3D 模型、光照、阴影、天空和背景、增强表面细节、参数曲面、曲面细分、几何着色器，以及其他相关的图形编程技术。附录分别介绍了Windows、macOS 平台上的安装设置，以及Nsight 图形调试器的应用。本书每章*后配备了不同形式的习题，供读者巩固所学知识。 本书适合作为高等院校计算机科学专业的计算机图形编程课程的教材或辅导书，也适合对计算机图形编程感兴趣的读者自学。
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