本書講述瞭三維圖形領域*重要的一個模塊:三維模型變形的算法,包括理論和實現。首先講述瞭工業軟件裏三維模型變形的使用,其次講述瞭FFD、MeanValue、拉普拉斯、骨骼動畫、濛皮等變形算法,囊括瞭目前所有變形算法。本書不僅僅是理論講述,而且包括算法步驟、代碼實現,以及實例展示。
顧險峰,師從國際著名微分幾何大師丘成桐院士,現於紐約州立大學石溪分校計算機科學係和應用數學係終身教授,清華大學丘成桐數學科學中心客座教授,大連理工大學海天學者,首都師範大學數字幾何和成像實驗室主任等。2005年獲得美國國傢自然科學基金CAREER奬,2006年獲得中國國傢自然科學基金海外傑齣青年學者奬,2013年第六屆世界華人數學傢大會晨興應用數學金奬等。
顧險峰教授和丘成桐先生及其閤作者共同創立瞭一門新興的跨領域學科:計算共形幾何。這門學科結閤瞭現代幾何和計算機科學,廣泛應用於計算機圖形學、計算機視覺、可視化、幾何建模、網絡和醫學圖像等領域。
趙輝,虛擬現實專傢、清華大學丘成桐數學科學中心訪問學者、哈佛大學訪問學者。主要研究計算微分幾何、拓撲、三維模型處理算法(三維模型簡化、細分、分割、變形、光滑、參數化、嚮量場、四邊形化等)、三維動畫算法(骨骼動畫、濛皮算法)、渲染算法(非真實感渲染、實時渲染、基於物理渲染),以及三維技術在3D打印、虛擬現實、增強現實、三維遊戲、手機遊戲、影視特效等的應用。
雷娜,大連理工大學軟件學院教授,博士生導師,北京市成像技術高精尖創新中心兼職研究員;中國工業與應用數學學會幾何設計與計算專業委員會委員;中國數學會計算機數學專業委員會委員;美國數學會 Mathematical Review評論員;清華大學數學科學中心訪問教授;紐約州立大學石溪分校計算機係訪問教授;德剋薩斯大學奧斯汀分校計算工程與科學研究所research fellow;中科院數學與係統科學研究院訪問學者。主要研究興趣是應用現代微分幾何和代數幾何的理論與方法解決工程及醫學領域的問題,聚焦於計算共形幾何、計算拓撲、符號計算及其在計算機圖形學、計算機視覺、幾何建模和醫學圖像中的應用。
第1章Blender軟件中的變形
1.1變形介紹
1.2外包框變形
1.2.1外包框變形步驟
1.2.2外包框變形效果和分析
1.2.3外包框變形實驗
1.3網格變形
1.3.1網格變形步驟
1.3.2網格變形方法效果和分析
1.3.3網格變形效果
1.4拉普拉斯變形
1.4.1拉普拉斯變形步驟
1.4.2拉普拉斯變形效果和分析
1.4.3拉普拉斯變形實驗
第2章FFD變形算法
2.1FFD介紹
2.2FFD算法數學推導
2.3FFD算法步驟
2.4實現代碼
第3章均值坐標變形算法
3.1均值坐標介紹
3.2重心坐標
3.3數學推導
3.4變形步驟
3.5效果分析
第4章格林坐標變形算法
4.1格林變形介紹
4.2算法步驟和代碼
4.3其他外包框變形坐標
第5章三維模型上的矩陣
5.1鄰接矩陣
5.2組閤拉普拉斯矩陣
5.2.1拉普拉斯矩陣介紹
5.2.2拉普拉斯矩陣構建
5.3餘切拉普拉斯矩陣
第6章拉普拉斯變形算法
6.1微分坐標
6.2變形算法基礎
6.2.1變形介紹
6.2.2數學模型構建
6.2.3拉普拉斯變形算法代碼
6.3拉普拉斯變形迭代算法
6.3.1迭代法介紹
6.3.2數學模型構建
6.3.3迭代法核心代碼
6.4ARAP變形算法
6.4.1算法思想
6.4.2數學模型構建
6.4.3ARAP核心代碼
第7章拉普拉斯模型處理算法
7.1三維模型近似算法
7.1.1三維模型近似概述
7.1.2數學係統構建和代碼
7.1.3近似模型算法效果圖
7.2拉普拉斯模型優化算法
7.2.1三維模型優化介紹
7.2.2數學模型構建
7.2.3優化算法核心代碼
7.2.4優化算法效果
7.3拉普拉斯光滑算法
7.3.1光滑算法介紹
7.3.2能量函數和數學係統
7.3.3光滑算法核心代碼
7.3.4光滑算法效果展示
7.4非奇異平均麯率流光滑算法
7.4.1光滑算法分析
7.4.2數學推導和核心代碼
7.4.3CMCF光滑算法效果展示
7.5骨骼抽取
7.5.1骨骼抽取概述
7.5.2數學模型構建和核心代碼
7.5.3骨骼抽取效果
第8章三維模型頻譜分析
8.1矩陣的頻譜
8.2菲德爾嚮量
8.3節點域
8.4連通體和特徵符
8.5特徵嚮量近似
8.5.1數學原理
8.5.2近似算法步驟
8.5.3效果分析
第9章頂點間最短距離算法
9.1最短距離概念
9.2Diffusion距離算法
9.3Commute Time距離算法
9.4雙和諧距離
第10章Blender中的濛皮技術
10.1兩個關節的簡單濛皮
10.2仙人掌濛皮
10.3馬匹濛皮
第11章骨骼動畫算法
11.1動作捕捉
11.2BVH文件格式
11.2.1BVH格式定義
11.2.2文件實例
11.2.3加載BVH文件代碼
11.3骨骼結構算法
11.3.1骨骼結構
11.3.2算法原理
第12章濛皮算法
12.1概述
12.2SMD濛皮文件
12.2.1文件格式定義
12.2.2文件加載
12.3綫性混閤算法
12.4對偶四元素數算法
12.4.1數學概念
12.4.2算法原理
12.5DQS和LBS對比
12.5.1優劣性
12.5.2測試模型生成
12.6濛皮顯示
第13章麯綫
13.1參數化麯綫
13.2貝塞爾麯綫
13.2.1概述
13.2.2貝塞爾麯綫公式
13.2.3度數升級
13.2.4貝塞爾麯綫代碼
13.2.5貝塞爾麯麵
13.3B-Spline麯綫
13.3.1B樣條麯綫特點
13.3.2B-Spline麯綫公式
13.3.3B樣條麯綫代碼
13.4NURBS麯綫
13.4.1定義和屬性
13.4.2NURBS麯綫公式
13.4.3NURBS麯綫代碼
第14章三維模型特徵綫條抽取算法
14.1Blender FreeStyle
14.2特徵綫條分類
14.3剪影綫
14.4輪廓綫
14.5脊榖綫
14.6主觀輪廓綫
14.7視脊綫
14.8高光綫條
14.9其他綫條
參考文獻
序
2015年以來,虛擬現實技術的應用在國際國內發展很快。教育、醫療、娛樂、影視、遊戲、安全、交通等各行各業都對虛擬現實技術進行瞭大量的應用。虛擬現實技術的基礎和核心是三維計算機圖形學,分為四大模塊:建模、渲染、動畫、交互。目前國內大量的虛擬現實應用都局限於在西方開發的虛擬現實引擎的技術上進行開發的上層應用。我們這套叢書著重底層核心技術的講解。三維計算機圖形學在知識結構上來說需要數學、物理、工程、計算機編程、藝術五個方麵。設計建模、渲染等算法需要微分幾何、綫性代數、概率統計等數學知識的理解和掌握;動畫模擬需要流體、剛體等物理知識的理解和掌握;把這些數學、物理理論變為程序需要極強的編碼能力,也就是從理論到實踐的工程能力;三維圖形學的最終錶現形式是視覺上可看得到的,因此也需要良好的藝術修養和審美。虛擬現實和它所依賴的三維計算機圖形學特彆適閤鍛煉並能夠融會貫通學生的數學、物理、工程、編程和藝術能力。三維計算機圖形學是一個跨學科的領域,三維圖形學處理的是三維模型數據,學生在這個領域中學到的數學建模、工程等能力,也可以用到其他行業,如人工智能等,對其他行業的大數據進行分析和處理。
2008年以來,全國各個高等院校紛紛在各自軟件工程學科專業的基礎上開設瞭數字媒體技術專業。數字媒體技術專業和計算機科學專業的區彆是,前者主要是著重學習二維圖像和三維圖形相關的算法和應用開發,而後者還需要學習其他計算機科學相關的知識。由於開設和建立時間短,各學校的數字媒體技術專業的教學工作都還處在摸索階段,也沒有形成統一、成熟的教材體係。根據在數字媒體技術專業多年的教學實踐經驗,我們總結齣本專業要以計算機三維圖形學的理論和算法為基礎,以三維應用開發為導嚮進行建設。
根據多年一綫教學經驗與反饋,以及當前的三維圖形學研究成果,我們編寫瞭本套叢書。本套叢書涵蓋瞭三維圖形學算法的三個方麵:建模、動畫和渲染。內容根據數字媒體技術專業的教學特點分散到5本計算機圖形學係列書中。通過本係列專業基礎教材,再加上已有的成熟的計算機基礎編程教材,以及三維軟件使用的教材,就可以完整地覆蓋數字媒體技術專業的所有課程。
書裏的代碼采用C#編程語言。C#編程語言是一種結閤瞭C++和Java優點的編程語言。C#語言相對於其他編程語言來說比較容易學習和掌握,但是本套叢書裏講述的原理和算法不僅限於C#語言。讀者可以通過示例中的代碼,采用自己熟悉的編程語言來進行編程。本套叢書包含瞭很多計算機圖形學會議Siggraph論文裏最新的、核心的、關鍵突破和進展的圖形學算法講解、實現和分析。
前言
虛擬現實技術裏麵最核心的基礎是計算機三維圖形學技術。其中一個重要的模塊是三維模型的變形技術。這個技術涉及如何光滑地改變一個現有模型的形狀,從而使該模型的整體姿勢發生變化,但是保持局部細節不變。例如,把一個杯子拉伸等。變形算法從20世紀80年代開始,到現在已經30多年的曆程。有各種各樣的類彆和方法,在商業軟件,如Maya等已經進行應用。
本書不僅講述瞭這些商業係統中成熟的應用,而且還講述瞭最新的、還沒有集成到商業軟件中的變形算法。雖然現在大部分虛擬現實的應用都是基於商業軟件進行三維模型的功能實現,但是針對特定的需求,需要掌握具體底層的技術,從而進行開發。這本書針對變形算法提供瞭係統的講解和實例,從而使讀者能夠對變形算法有全麵的瞭解、學習和掌握,並且可以直接進行應用。
三維模型變形算法的設計也需要用到微分幾何、物理等知識。但是它們是作為我們設計算法的基石和指導,在算法設計過程中,我們針對特定的需求,需要通過近似、簡化等方法建立靈活的新的數學模型。也就是三維圖形學的算法不僅僅是數學、物理的純粹計算。
《三維模型變形算法:理論和實現(C#版本)》介紹瞭三維模型變形算法和綫條抽取算法。本書分為14章,詳細講述瞭Blender軟件中的變形、網格變形算法、外包框變形算法、均值坐標變形算法、格林變形算法、拉普拉斯變形算法、拉普拉斯矩陣在三維模型近似、光滑、優化、骨骼抽取、頂點之間最短距離算法上的應用;還有三維模型的頻譜分析、骨骼動畫算法、濛皮算法、三維麯綫生成算法、三維模型特徵麯綫的抽取算法。本書包含瞭三維模型處理的各種核心算法。
本書不僅可以作為數字媒體技術專業的專業基礎課,還可以作為計算機學科和軟件工程學科“數據結構和算法”、“計算機圖形學”等課程的教材和參考書。
這本書的標題“三維模型變形算法:理論和實踐(C版本)”直擊瞭我一直以來在3D圖形處理領域遇到的痛點。長久以來,我一直在思考如何纔能讓靜態的模型動起來,如何纔能賦予它們生命力,而“變形”無疑是實現這一目標的關鍵。我一直對計算機圖形學中的各種變形技術非常感興趣,比如如何在不改變模型拓撲結構的情況下實現平滑的形變,如何通過引入關鍵幀動畫來控製模型的姿態變化,甚至是如何處理復雜的拓撲變形,比如布料模擬或流體動畫。雖然市麵上有一些關於3D圖形學的書籍,但專門針對“變形算法”並結閤“C”這個實用語言進行講解的書籍卻非常罕見。我希望這本書能夠係統地梳理和介紹各種主流的三維模型變形算法,從基礎的剛體變換、仿射變換,到更復雜的非綫性變形,如自由形態變形(FFD)、拉普拉斯變形等。尤其重要的是,我期待書中能夠提供詳盡的C代碼示例,能夠一步步地演示如何將這些算法轉化為可執行的代碼,並展示如何在Unity或Godot等3D引擎中進行集成和應用。這種理論與實踐相結閤的方式,能夠極大地提高學習效率,讓我能夠更快地將所學知識應用到實際的3D項目開發中,創造齣更加生動逼真的虛擬世界。
評分對於長期在遊戲開發領域摸爬滾打的開發者來說,實現逼真且高效的模型變形是提升用戶體驗的關鍵。我一直在尋找一本能夠係統地講解三維模型變形算法,並且能夠提供實際C代碼實現的權威著作。很多時候,我們在網絡上找到的零散資料,要麼理論過於抽象,要麼代碼實現不夠規範,難以直接應用到實際項目中。這本書的標題“三維模型變形算法:理論和實踐(C版本)”恰好滿足瞭我的需求。我非常期待書中能夠涵蓋當前主流的模型變形技術,例如,從基礎的頂點置換、基於物理的形變,到更復雜的非剛性形變、卡通風格的卡通渲染變形等。我尤其關注書中在C方麵的實現細節,希望能夠看到如何利用C語言來高效地處理大量的頂點數據,如何優化變形算法的性能,以及如何在Unity等主流遊戲引擎中集成這些算法,以實現流暢的角色動畫、環境互動效果,甚至是一些特殊的視覺錶現。這本書的齣現,無疑會成為我工具箱裏一件不可或缺的利器,幫助我解決在3D項目中遇到的實際問題,並創造齣更具吸引力的遊戲體驗。
評分在三維圖形學的廣闊領域中,模型變形始終是一個充滿挑戰但又極具魅力的課題。我一直對如何賦予靜態模型生命力,如何實現流暢自然的形變效果充滿好奇。許多時候,我們在文獻中看到各種高級的變形算法,但要將其轉化為實際可運行的代碼,往往需要大量的嘗試和摸索。這本書的標題“三維模型變形算法:理論和實踐(C版本)”讓我看到瞭希望。我期待這本書能夠深入淺齣地講解各種經典和前沿的三維模型變形算法,例如,如何利用參數化麯麵進行形變,如何實現基於網格的局部和全局形變,以及如何處理拓撲結構發生改變的復雜變形。更重要的是,我希望書中能夠提供紮實的C代碼實現,能夠將抽象的算法邏輯轉化為具體的代碼,並配以清晰的解釋,讓讀者能夠理解每一行代碼的作用以及它們是如何協同工作的。此外,我還希望書中能夠探討一些與變形算法相關的性能優化技巧,以及如何在實際的3D應用場景中(例如,實時渲染、虛擬現實)有效地運用這些算法。這本書的齣版,對於想要深入理解和掌握三維模型變形技術的開發者來說,無疑是一個寶貴的資源。
評分這本書真是讓我大開眼界!作為一名對3D建模和遊戲開發充滿熱情但又相對初級的讀者,我一直對“變形”這個概念感到既好奇又畏懼。通常,提到“變形”,腦海中浮現的都是一些復雜的數學公式和難以捉摸的算法,讓人望而卻步。但這本書的齣現,就像一盞明燈,照亮瞭我前進的道路。它不僅僅是理論的堆砌,更重要的是“C版本”這個標簽,讓我看到瞭實操的可能性。我一直覺得,光有理論是紙上談兵,隻有結閤實際的編程語言,纔能真正將抽象的概念轉化為看得見摸得著的成果。我非常期待書中能夠詳盡地介紹各種主流的三維模型變形算法,例如基於網格的變形、骨骼動畫的變形、甚至是更前沿的基於物理的變形。更重要的是,我希望它能深入淺齣地講解這些算法背後的數學原理,但又不會過於晦澀,而是能夠巧妙地將其與C的實現方式相結閤。例如,對於如何用C代碼來錶示和操作頂點、法綫、UV等模型信息,如何實現頂點動畫、濛皮動畫、甚至是更復雜的形狀鍵(Blend Shapes)等,我都充滿期待。這本書的齣現,讓我相信,即使是像我這樣的小白,也能通過學習它,掌握3D模型變形的核心技術,並將其應用到自己的項目中。
評分作為一名業餘的3D愛好者,我經常在思考如何纔能讓我的模型變得更加靈活和動態。我接觸過一些3D建模軟件,能夠創建齣精美的靜態模型,但當我嘗試讓它們動起來,比如讓一個角色做齣流暢的奔跑動作,或者讓一個物體在受到外力時産生自然的形變時,就感到力不從心。我深知這背後涉及到復雜的算法和精妙的數學原理,但卻缺乏一個清晰的學習路徑。這本書的齣現,正是我所需要的。我特彆看重“理論和實踐”這幾個字,這意味著它不會僅僅停留在枯燥的理論層麵,而是會提供實際可操作的代碼。而“C版本”更是讓我眼前一亮,因為C是我最熟悉的編程語言之一,我一直希望能夠用它來實現一些3D圖形學的酷炫效果。我期待書中能夠深入剖析各種常用的三維模型變形算法,例如,如何實現基於骨骼的濛皮變形,如何利用頂點動畫來模擬諸如火焰、水流等動態效果,以及如何通過形狀鍵來創建錶情和姿態變化。更重要的是,我希望書中能夠提供清晰的C代碼片段,並配以詳細的解釋,幫助我理解算法的實現細節,以及如何在自己的3D項目中調用和集成這些算法。這本書的齣現,無疑為我打開瞭一扇通往更高級3D編程領域的大門。
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