三维模型变形算法：理论和实践（C#版本）_赵辉_9787121316784

三维模型变形算法：理论和实践（C#版本）

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本书讲述了三维图形领域*重要的一个模块：三维模型变形的算法，包括理论和实现。首先讲述了工业软件里三维模型变形的使用，其次讲述了FFD、MeanValue、拉普拉斯、骨骼动画、蒙皮等变形算法，囊括了目前所有变形算法。本书不仅仅是理论讲述，而且包括算法步骤、代码实现，以及实例展示。

　　序
　　2015年以来，虚拟现实技术的应用在国际国内发展很快。教育、医疗、娱乐、影视、游戏、安全、交通等各行各业都对虚拟现实技术进行了大量的应用。虚拟现实技术的基础和核心是三维计算机图形学，分为四大模块：建模、渲染、动画、交互。目前国内大量的虚拟现实应用都局限于在西方开发的虚拟现实引擎的技术上进行开发的上层应用。我们这套丛书着重底层核心技术的讲解。三维计算机图形学在知识结构上来说需要数学、物理、工程、计算机编程、艺术五个方面。设计建模、渲染等算法需要微分几何、线性代数、概率统计等数学知识的理解和掌握；动画模拟需要流体、刚体等物理知识的理解和掌握；把这些数学、物理理论变为程序需要极强的编码能力，也就是从理论到实践的工程能力；三维图形学的最终表现形式是视觉上可看得到的，因此也需要良好的艺术修养和审美。虚拟现实和它所依赖的三维计算机图形学特别适合锻炼并能够融会贯通学生的数学、物理、工程、编程和艺术能力。三维计算机图形学是一个跨学科的领域，三维图形学处理的是三维模型数据，学生在这个领域中学到的数学建模、工程等能力，也可以用到其他行业，如人工智能等，对其他行业的大数据进行分析和处理。
　　2008年以来，全国各个高等院校纷纷在各自软件工程学科专业的基础上开设了数字媒体技术专业。数字媒体技术专业和计算机科学专业的区别是，前者主要是着重学习二维图像和三维图形相关的算法和应用开发，而后者还需要学习其他计算机科学相关的知识。由于开设和建立时间短，各学校的数字媒体技术专业的教学工作都还处在摸索阶段，也没有形成统一、成熟的教材体系。根据在数字媒体技术专业多年的教学实践经验，我们总结出本专业要以计算机三维图形学的理论和算法为基础，以三维应用开发为导向进行建设。
　　根据多年一线教学经验与反馈，以及当前的三维图形学研究成果，我们编写了本套丛书。本套丛书涵盖了三维图形学算法的三个方面：建模、动画和渲染。内容根据数字媒体技术专业的教学特点分散到5本计算机图形学系列书中。通过本系列专业基础教材，再加上已有的成熟的计算机基础编程教材，以及三维软件使用的教材，就可以完整地覆盖数字媒体技术专业的所有课程。
　　书里的代码采用C#编程语言。C#编程语言是一种结合了C++和Java优点的编程语言。C#语言相对于其他编程语言来说比较容易学习和掌握，但是本套丛书里讲述的原理和算法不仅限于C#语言。读者可以通过示例中的代码，采用自己熟悉的编程语言来进行编程。本套丛书包含了很多计算机图形学会议Siggraph论文里最新的、核心的、关键突破和进展的图形学算法讲解、实现和分析。
　　前言
　　虚拟现实技术里面最核心的基础是计算机三维图形学技术。其中一个重要的模块是三维模型的变形技术。这个技术涉及如何光滑地改变一个现有模型的形状，从而使该模型的整体姿势发生变化，但是保持局部细节不变。例如，把一个杯子拉伸等。变形算法从20世纪80年代开始，到现在已经30多年的历程。有各种各样的类别和方法，在商业软件，如Maya等已经进行应用。
　　本书不仅讲述了这些商业系统中成熟的应用，而且还讲述了最新的、还没有集成到商业软件中的变形算法。虽然现在大部分虚拟现实的应用都是基于商业软件进行三维模型的功能实现，但是针对特定的需求，需要掌握具体底层的技术，从而进行开发。这本书针对变形算法提供了系统的讲解和实例，从而使读者能够对变形算法有全面的了解、学习和掌握，并且可以直接进行应用。
　　三维模型变形算法的设计也需要用到微分几何、物理等知识。但是它们是作为我们设计算法的基石和指导，在算法设计过程中，我们针对特定的需求，需要通过近似、简化等方法建立灵活的新的数学模型。也就是三维图形学的算法不仅仅是数学、物理的纯粹计算。
　　《三维模型变形算法：理论和实现（C#版本）》介绍了三维模型变形算法和线条抽取算法。本书分为14章，详细讲述了Blender软件中的变形、网格变形算法、外包框变形算法、均值坐标变形算法、格林变形算法、拉普拉斯变形算法、拉普拉斯矩阵在三维模型近似、光滑、优化、骨骼抽取、顶点之间最短距离算法上的应用；还有三维模型的频谱分析、骨骼动画算法、蒙皮算法、三维曲线生成算法、三维模型特征曲线的抽取算法。本书包含了三维模型处理的各种核心算法。
　　本书不仅可以作为数字媒体技术专业的专业基础课，还可以作为计算机学科和软件工程学科“数据结构和算法”、“计算机图形学”等课程的教材和参考书。

顾险峰，师从国际著名微分几何大师丘成桐院士，现于纽约州立大学石溪分校计算机科学系和应用数学系终身教授，清华大学丘成桐数学科学中心客座教授，大连理工大学海天学者，首都师范大学数字几何和成像实验室主任等。2005年获得美国国家自然科学基金CAREER奖，2006年获得中国国家自然科学基金海外杰出青年学者奖，2013年第六届世界华人数学家大会晨兴应用数学金奖等。
顾险峰教授和丘成桐先生及其合作者共同创立了一门新兴的跨领域学科：计算共形几何。这门学科结合了现代几何和计算机科学，广泛应用于计算机图形学、计算机视觉、可视化、几何建模、网络和医学图像等领域。
赵辉，虚拟现实专家、清华大学丘成桐数学科学中心访问学者、哈佛大学访问学者。主要研究计算微分几何、拓扑、三维模型处理算法(三维模型简化、细分、分割、变形、光滑、参数化、向量场、四边形化等)、三维动画算法（骨骼动画、蒙皮算法）、渲染算法（非真实感渲染、实时渲染、基于物理渲染），以及三维技术在3D打印、虚拟现实、增强现实、三维游戏、手机游戏、影视特效等的应用。
雷娜，大连理工大学软件学院教授，博士生导师，北京市成像技术高精尖创新中心兼职研究员；中国工业与应用数学学会几何设计与计算专业委员会委员；中国数学会计算机数学专业委员会委员；美国数学会 Mathematical Review评论员；清华大学数学科学中心访问教授；纽约州立大学石溪分校计算机系访问教授；德克萨斯大学奥斯汀分校计算工程与科学研究所research fellow；中科院数学与系统科学研究院访问学者。主要研究兴趣是应用现代微分几何和代数几何的理论与方法解决工程及医学领域的问题，聚焦于计算共形几何、计算拓扑、符号计算及其在计算机图形学、计算机视觉、几何建模和医学图像中的应用。

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