關於電腦圖形學的學習

關於電腦圖形學的學習
注意：
本文盡量避免理論化的描述，試圖用最通俗的語言介紹一下電腦圖形學的學習，以及一些參考書目和網路資源；
本文不涉及對概念的定義，以免陷入學術討論之中
本文是作者學習電腦圖形學的體會，如果有不同的意見，請不要攻擊和漫罵

本文合適的題目應當是:白話說學電腦圖形學？

1． 引言
什麼是電腦圖形學？ 本文盡量避免給它做嚴格的定義，但是通常來說，電腦圖形學是數字圖象處理的逆過程，這隻是一個不確切的定義，後面我們會看到，實際上，電腦圖形學、數字圖象處理和電腦視覺在很多地方的區別不是非常清晰的，很多概念是相通的。
電腦圖形學是用電腦來畫東西的學科，數字圖象處理是把外界獲得的圖象用電腦進行處理的學科。在法國，圖形圖象是一門課程。
如何學習電腦圖形學呢？除了電腦圖形學的基礎知識以外，你還需要有以下的知識，你懂的越多，當然做的越好。
* 英語， 你一定要把英語學好，如果你想學習電腦圖形學的話，盡量看英文的書籍和資料
  * 數學， 電腦圖形學裡面的數學用的比較多，，我們可以列舉一些常用的：
高等數學，數值分析，微分幾何，拓撲，機率， 插值理論，（偏）微分方程…
* 物理， 如果你要進行基於物理的建模，一些物理理論是要學習的：
        力學（運動學，動力學，流體力學…），光學，有限元…
* 程式設計語言： C或C++是電腦圖形學最通用的‘普通話’，
* 資料結構： 你需要資料結構來描述你的繪圖物件，除了通用的鏈表、樹等資料結構外，圖形學還有自己特殊的資料結構
* 其他類別： 有的時候你需要其他學科的知識，根據你的需要去學習吧

上面列舉的不是你必須學習的東西，而是電腦圖形學可能會用到的東西，一定要記住，不要指望通過一本教材就學會電腦圖形學，它比你想象的要複雜的多。

2． 圖形學的問題
每個學科都有自己學科的特定問題，圖形學要解決的是如何畫出圖來，得到需要的效果，當然這是圖形學最大的一個問題。

在開始學習電腦圖形學的時候，找一本簡單的書看，對電腦圖形學有個大概的認識，你就可以開始圖形學之旅了：

OpenGL Programming Guide: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 1.4, Fourth Edition
OpenGL SuperBible (3rd Edition) 

是比較好的學習電腦圖形學的入門教材，在練中去學，一開始就去啃

Foley的
Computer Graphics: Principles and Practice, Second Edition in C 
不是好主意，會看的一頭霧水，一本什麼都講的書的結果往往是什麼都沒講清楚。
當你把OpenGL的基本內容掌握之後，你對圖形學就有了大概的瞭解了

那麼下面你可以來學習一下電腦圖形學的資料結構和演算法，下面的書比較適合
Joseph O'Rourke 的Computational Geometry in C，書裡面有C的原始碼，講述簡單，清晰，適合程式員學習

總的來說，電腦圖形學涉及到2大部分：建模和渲染
2.1建模

你想畫一個東西，首先要有它的幾何模型，那麼這個幾何模型從什麼地方來呢？下面的書很不錯的：
Gerald Farin 的Curves and Surfaces for CAGD: A Practical Guide
這本書就有一點的難度了，呵呵，要努力看啊

這本書算是CAGD (電腦輔助幾何設計)的經典圖書，CAGD方面的全貌，還有2本很好的講述曲面的書Bezier和Nurbs的書

Les A. Piegl, Wayne Tiller 的The Nurbs Book 
書裡面有NURBS曲線、曲面的程式虛擬碼，很容易改成C的，書講的通俗、易懂，但是你要有耐心看的：）

曲線與曲面的數學
這本書是法國人寫的中文翻譯版，裡面還有Bezie本人寫的序J，翻譯的很不錯的，看了你就掌握Bezier曲面技術了

 //另外一些你想知道的事情：其他的造型方式-開始
注意：在後面會有這樣的章節，標明
  //另外一些你想知道的事情：其他的造型方式-開始
  //另外一些你想知道的事情：其他的造型方式-結束
裡面是我認為的一些進階話題，跳過他們不影響你學習電腦圖形學，但是要學好就要注意了，呵呵
還有其他的一些造型技術，比如：
隱式曲面(Implicit Surface)的造型：
   就是用函數形式為F( x ,y ,z ) = 0的曲面進行造型，這樣的造型技術適合描述動物器官一樣的肉乎乎的東西，有2本書推薦大家
Jules Bloomenthal編輯的Introduction to Implicit Surfaces，是一本專著，講述了Implicit Surface建模型(Modeling)，面片化(Polygonization)，渲染(Rendering)的問題
Luiz Velho 的 Implicit Objects Computer Graphics 也是一本專著，講述個更新的一些進展

      細分曲面（Subdivision Surface）造型
      當用NURBS做造型的時候，曲面拼接是複雜的問題，在動畫的時候，可能產生撕裂或者褶皺，Subdivision Surface用來解決這個問題
Joe Warren的Subdivision Methods for Geometric Design: A Constructive Approach就是這方面的專著
    
    從實際物體中得到造型，現在的技術可以用三維掃描器得到物體表面的點，然後根據這些點把物體的表面計算出來，稱為重建(Reconstruction)，因為這些技術之在文章中論述，所以我們省略對它的描述

//另外一些你想知道的事情：其他的造型方式-結束

下面還是一個進階話題：）

//另外一些你想知道的事情：光有造型是不夠的！-開始
  在你的幾何模型做好之後，有一些問題需要對這個模型進一步處理，得到適合的模型，當面片很多的時候，或者模型很複雜的時候，需要對幾何模型進行簡化，才可以滿足一些即時繪製的需要，這個技術叫做層次細節（LOD-Level of Detail）。下面的書就是講這個的：
        David Luebke編著的 Level of Detail for 3D Graphics
//另外一些你想知道的事情：光有造型是不夠的！-結束
2.2渲染
有了模型，怎麼把這個幾何模型畫出來呢？這個步驟就是渲染啦
如果你看了上面的OpenGL的書，那麼你就知道一些渲染的知識了，但是別高興的太早，OpenGL使用的是局部光照模型（Local Illumination Model），不要被這個詞嚇住了

Local illumination Model指的是在做渲染的時候只考慮光源和物體之間的相互作用，不考慮物體和物體之間的影響，所以OpenGL不支援陰影，一個（半）透明物體的效果..，這些需要考慮物體之間的影響才可以實現。

//另外一些你想知道的事情：OpenGL可以實現陰影-開始
OpenGL本身不支援，但是通過一些方法可以實現的：），用Google搜尋一下
   Shadow Volume, OpenGL就找到答案啦
//另外一些你想知道的事情：OpenGL可以實現陰影-結束

Global Illumination Model 這類模型考慮的就比較全啦。現在關於Global Illumination的技術有3大類，具體的技術就不在這裡介紹了，如果想瞭解，可以聯絡我，大家一起討論：

光線追蹤(Ray Tracing)
關於Ray Tracing的好書有2本：

Andrew Glassner 的An Introduction to Ray tracing 
Glasser是圖形界的名人，這本書也是Ray Tracing的經典

R. Keith Morley, Peter Shirley 的Realistic Ray Tracing, Second Edition
這本書第一版是虛擬碼，第二版是C代碼。它的結構不是很清楚，虎頭蛇尾的感覺。

輻射度(Radiosity)
關於Radiosity的好書有4本：
Michael Cohen 的Radiosity and Realistic Image Synthesis ， Cohen獲得SIGGRAPH 1998電腦圖形學成就獎，他把Radiosity變成實際可用，現在Cohen在MSR圖形<img align=absmiddle src=images/url.gif><a target=_blank href=http://research.microsoft.com/~cohen/CohenSmallBW2.jpg>http://research.microsoft.com/~cohen/CohenSmallBW2.jpg</a>

Francois X. Sillion的Radiosity and Global Illumination ， Sillion是法國人，他的主要研究方向是Radiosity，這本書寫的很不錯的，非常清晰

Philip Dutre 的新書Advanced Global Illumination ，看起來還不錯，剛拿到手，還沒看，呵呵，所以不好評價

Ian Ashdown的Radiosity: A Programmer's Perspective 
有原始碼的書啊！！ 就憑這個，得給5*****

Photon mapping
這個我也不知道怎麼翻譯，呵呵。這個技術出現的比較晚，一本好書！
     Henrik Wann Jensen的Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping
Henrik Wann Jensen是Photon mapping技術的發明者