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第1章光线跟踪器和程序设计1

1.1通用解决方案1

1.2继承2

1.3语言2

1.4建立场景3

1.5用户接口3

1.6基础光线跟踪器4

1.7开发光线跟踪器4

1.8单精度浮点数和双精度浮点数5

1.9效率问题5

1.9.1简约之美5

1.9.2数据存储6

1.9.3按引用传递6

1.9.4避免返回引用6

1.9.5避免使用浮点型除法操作7

1.9.6使用内联函数7

1.9.7工具类7

1.10代码风格7

1.10.1标识符7

1.10.2实体数据类型8

1.10.3封装8

1.10.4函数签名8

1.10.5改变函数签名9

1.10.6纯虚函数和虚函数9

1.10.7文件结构9

1.10.8项目结构10

1.11调试10

1.11.1熟悉调试器10

1.11.2对单像素图像实施光线跟踪10

1.11.3跟踪像素坐标10

1.11.4使用cout语句10

1.11.5内存分配11

1.11.6简化操作11

1.11.7透明度11

1.11.8图像的使用11

进一步阅读11

第2章数学知识13

本章目标13

2.1集合13

2.1.1集合定义和集合符号13

2.1.2子集14

2.1.3有序偶和集合的笛卡儿积14

2.2区间14

2.3角度15

2.3.1度量方法15

2.3.2角度制和弧度制16

2.4三角学16

2.4.1定义16

2.4.2三角关系16

2.5坐标系统17

2.5.1 3D笛卡儿坐标17

2.5.2圆柱坐标系统18

2.5.3球体坐标18

2.6向量19

2.6.1向量的定义及其表示方法19

2.6.2向量计算20

2.7顶点21

2.8法线22

2.9数学表面23

2.9.1隐式表面23

2.9.2参数表面25

2.9.3切平面27

2.10立体角28

2.10.1定义28

2.10.2球体坐标中的立体角28

2.10.3半球体积分29

2.11随机数30

2.12正交基和正交坐标系统32

2.12.1定义32

2.12.2构造正交基32

2.12.3正交坐标系统33

2.12.4使用正交坐标系统34

2.1.3等比数列34

2.1.4?（）函数34

提示和讨论35

进一步阅读35

问题36

练习36

第3章光线跟踪器的基本要素37

本章目标37

3.1光线跟踪计算的工作原理38

3.2场景世界40

3.3光线40

3.4光线-对象相交测试41

3.4.1概述41

3.4.2光线和隐式表面42

3.4.3几何对象43

3.4.4平面44

3.4.5球体46

3.5颜色值49

3.6基本的光线跟踪器51

3.6.1工作类52

3.6.2主函数53

3.6.3视平面53

3.6.4像素和图像55

3.6.5build（）函数56

3.6.6渲染场景57

3.7跟踪器58

3.8颜色显示59

3.9对多个对象实施光线跟踪60

提示和讨论63

进一步阅读63

问题64

练习65

第4章抗锯齿技术66

本章目标66

4.1锯齿效果67

4.2解决方案68

4.2.1增加图像的分辨率68

4.2.2均匀采样68

4.2.3随机采样70

4.2.4抖动采样71

4.3细节抗锯齿技术71

4.4滤波72

进一步阅读73

问题73

练习73

第55章采样技术74

本章目标74

5.1采样框架75

5.2良好采样技术所具备的特征81

5.3采样模式82

5.3.1随机采样82

5.3.2抖动采样82

5.3.3n-Rooks采样83

5.3.4多重抖动采样84

5.3.5Hammersley采样85

5.4混混合索引87

5.5渲染结果89

提示和讨论93

进一步阅读94

问题94

练习95

第6章圆采样映射96

本章目标96

6.1选择性采样96

6.2同心映射97

进一步阅读100

问题100

练习100

第7章半球体采样映射101

本章目标101

7.1余弦分布101

7.2映射理论103

7.3实现104

7.4操作结果104

进一步阅读105

练习106

第8章投影视图107

本章目标107

8.1定义108

8.2透视投影的特征109

8.3轴对齐透视图113

8.4实现方法114

8.5处理结果115

8.6透视偏差117

进一步阅读118

问题118

练习119

第9章视见系统的应用121

本章目标121

9.1描述121

9.2用户接口122

9.3视见坐标系统123

9.4光线计算125

9.5实现126

9.6示例129

9.7缩放130

9.8倾斜角131

9.9异常131

进一步阅读132

问题132

练习133

第10章景深134

本章目标134

10.1薄透镜理论134

10.2模拟136

10.3实现139

10.4结果141

进一步阅读144

问题144

练习145

第11章非线性投影146

本章目标146

11.1鱼眼投影147

11.1.1理论概述147

11.1.2实现150

11.1.3结果152

11.2球体全景投影154

11.2.1理论概述154

11.2.2实现155

11.2.3结果156

进一步阅读158

问题158

练习158

第12章立体视觉161

本章目标161

12.1视差问题162

12.2相机的布局164

12.3立体相机166

12.4立体图像对的显示和观察167

12.5实现168

12.6结果171

提示和讨论174

进一步阅读174

问题174

练习175

第13章理论基础176

本章目标176

13.1辐射量177

13.2入射辐射度的角度依赖性178

13.3光线方向及其标记符号179

13.4辐射度和入射辐射度180

13.5光谱表示法180

13.6BRDFs181

13.6.1定义181

13.6.2反射辐射度182

13.6.3BRDFs的特征182

13.7反射率182

13.8完全漫反射BRDF183

13.9BRDF类184

13.9.1类的组织方式以及成员函数184

13.9.2Lambertian类的实现186

13.10光照渲染模型187

13.10.1半球模型187

13.10.2面积模型188

13.10.3解决方案190

13.11MonteCarlo积分191

131.1.1基础知识概述191

131.1.2方差193

131.1.3重要性采样193

进一步阅读195

练习196

第14章光照和材质197

本章目标197

14.1光照和反射198

14.2光照200

14.2.1环境光照201

14.2.2方向性光照201

14.2.3点光源203

14.3光照类206

14.4World类和ShadeRec类208

14.4.1World类208

14.4.2ShadeRec类209

14.5光线跟踪器类211

14.6漫反射着色213

14.6.1基本公式213

14.6.2双面着色214

14.7Material类216

14.8示例218

14.9溢色处理220

进一步阅读222

问题222

练习224

第15章镜面反射225

本章目标225

15.1光照模型225

15.2实现228

15.3视角依赖性231

15.4有色高光231

15.5高光和颜色上溢232

15.6其他反射模型233

进一步阅读234

问题234

练习235

第16章阴影237

本章目标237

16.1阴影的重要性237

16.2阴影的定义238

16.3实现240

16.4？系数243

16.5示例245

16.6计算开销246

16.7阴影选项246

提示和讨论247

进一步阅读247

问题247

练习248

第17章环境遮挡250

本章目标250

17.1建模过程251

17.2实现252

17.3一个简单的场景254

17.4双面对象259

17.5其他场景260

提示和讨论261

进一步阅读261

问题262

练习263

第18章区域光照264

本章目标264

18.1区域光源体系结构265

18.2直接渲染266

18.3直接光照计算267

18.4区域光照跟踪器267

18.5自发光材质268

18.6其他类型的材质269

18.7几何对象类270

18.8AreaLight类271

18.9示例图像274

18.10环境光照276

提示和讨论281

进一步阅读282

问题282

练习283

第19章光线与对象间的相交计算286

本章目标286

19.1包围盒287

19.2轴对齐盒体291

19.3三角形293

19.3.1三角形的定义293

19.3.2相交测试294

19.4其他对象298

19.4.1圆形对象298

19.4.2矩形对象298

19.5通用对象300

19.5.1目的300

19.5.2通用球体、圆形以及矩形对象301

19.5.3通用开放式圆柱体301

19.5.4通用圆环体302

19.5.5通用对象和默认对象307

19.6着色问题307

19.7局部对象307

19.7.1基本理论307

19.7.2局部圆柱体308

19.7.3局部球体308

19.7.4局部圆环体310

19.7.5角度范围311

19.8组合对象312

19.8.1组合对象的优势312

19.8.2实现312

19.8.3实体圆柱体314

进一步阅读316

问题316

练习316

第20章仿射变换321

本章目标321

20.1 2D变换322

20.1.1缩放操作322

20.1.2旋转操作323

20.1.3剪切操作324

20.1.4镜像变换325

20.1.5平移变换325

20.2 3D齐次坐标325

20.3 3D变换326

20.3.1平移变换326

20.3.2缩放变换327

20.3.3旋转变换328

20.3.4镜像变换328

20.3.5剪切变换329

20.4组合变换329

20.5逆变换332

20.5.1独特的逆变换332

20.5.2组合逆变换333

20.6任意直线的旋转变换333

进一步阅读335

问题336

练习336

第21章对象变换337

本章目标337

21.1变换对象的相交计算337

21.1.1理论概述337

21.1.2顶点和向量的变换操作339

21.1.3程序设计339

21.1.4光线与转换对象间的相交计算340

21.1.5变换矩阵的逆矩阵340

21.1.6示例341

21.2法线变换341

21.2.1理论概述341

21.2.2程序设计342

21.3对象的直接变换342

21.4对象的实例化343

21.5圆角对象348

提示和讨论351

进一步阅读351

问题352

练习353

第22章规则栅格356

本章目标356

22.1理论概述357

22.2构建栅格358

22.3遍历365

22.4测试369

22.4.1测试建议369

22.4.2 8盒体测试369

22.4.3随机球体370

22.4.4其他问题373

22.5栅格对象和变换对象373

22.6与BVHs进行比较376

进一步阅读376

问题377

练习378

第23章三角形网格380

本章目标380

23.1球体的嵌格操作381

23.1.1固定着色381

23.1.2平滑着色382

23.2网格数据结构383

23.3PLY文件386

23.4示例388

23.4.1两个三角形388

23.4.2计算法线389

23.4.3多重网格对象391

23.5层次实例化栅格对象392

进一步阅读394

问题394

练习394

第24章镜面反射396

本章目标396

24.1光照模型397

24.2算法实现399

24.2.1实现目标399

24.2.2Whied跟踪器类400

24.2.3完全镜面BRDF401

24.2.4反射材质401

24.3反射对象402

24.4不一致性404

24.5有色反射404

24.6实像和虚像405

24.7示例407

24.7.1球体反射407

24.7.2镜面墙408

24.7.3自反射409

24.7.4 4球体渲染409

24.7.5球体内部反射411

24.7.6生成悬浮的幻影412

24.7.7圆角对象414

24.7.8三角形网格415

进一步阅读417

问题417

练习422

第25章光泽反射425

本章目标425

25.1光泽反射模型426

25.2实现429

25.3计算结果432

进一步阅读434

问题434

练习435

第26章全局光照437

本章目标437

26.1光线传输437

26.2路径跟踪438

26.2.1描述438

26.2.2实现440

26.3结果442

26.3.1环境光源442

26.3.2Comell盒体444

26.3.3反射表面以及腐蚀效果445

26.4光源采样446

提示和讨论449

进一步阅读450

问题450

练习451

第27章透明度452

本章目标452

27.1折射率454

27.2对象表面的物理特征及其折射率454

27.3全内反射456

27.4光照模型457

27.5具体应用459

27.6实现460

27.7透明球体463

27.7.1概述463

27.7.2？？1情形464

27.7.3？＜1情形466

27.7.4球体内部光线466

27.8透明组合对象468

27.9忽略？值470

进一步阅读470

问题471

练习474

第28章真实透明度计算478

本章目标478

28.1Fresnel方程479

28.1.1垂直入射479

28.1.2切线入射480

28.1.3全内反射480

28.2颜色过滤481

28.3实现482

28.4图像486

28.4.1Fresnel效果486

28.4.2颜色过滤488

28.4.3三角形网格490

28.4.4嵌套球体492

28.4.5区域光493

28.5透明盒体493

28.5.1理论概述494

28.5.2玻璃中的光线透射497

28.6透明球体499

28.6.1反射来源499

28.6.2透明球体中的球体500

28.6.3透明球体内部的相机501

28.7水杯505

28.8鱼缸507

28.9腐蚀效果508

进一步阅读509

问题510

练习514

第29章纹理映射518

本章目标518

29.1简介518

29.2纹理实现520

29.3映射技术523

29.3.1一般实现过程523

29.3.2矩形映射524

29.3.3柱状映射524

29.3.4球体映射525

29.3.5Mercator投影527

29.3.6光探针映射528

29.4实现530

29.5抗锯齿533

29.6三角形网格534

进一步阅读538

问题539

练习539

第30章过程纹理542

本章目标542

30.1简介542

30.2棋盘纹理543

30.2.1 3D棋盘纹理543

30.2.2 2D棋盘纹理545

30.3纹理和纹理变换547

30.3.1内部纹理变换548

30.3.2对象变换和纹理551

30.3.3消除对象变换552

进一步阅读554

问题554

练习554

第31章噪声纹理557

本章目标557

31.1噪声函数557

31.1.1期望特征557

31.1.2栅格噪声函数558

31.2插值计算561

31.2.1线性插值561

31.2.2三线性插值565

31.2.3过冲现象569

31.3噪声函数和570

31.3.1分形求和计算571

31.3.2扰动函数574

31.3.3分形布朗运动575

31.4基本噪声纹理578

31.5环绕噪声纹理580

31.6大理石纹理581

31.7沙岩纹理585

进一步阅读587

问题587

练习587