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张航，严金华 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030488640

商品编码：10501105157

包装：平装

开本：5

出版时间：2016-06-01

页数：186

字数：300

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非成像光学设计
	定价	68.00
	出版社	科学出版社
	版次	第1版
	出版时间	2016年06月
	开本	5
	作者	张航，严金华
	装帧	平装
	页数	186
	字数	300
	ISBN编码	9787030488640

内容介绍
《非成像光学设计》较为系统地介绍非成像光学理论与设计方法，共5章。第*章介绍几何光学的基本理论，接着简单介绍成像光学理论，然后介绍非成像光学的发展历史、现状、基本理论以及设计方法。第2章介绍构建光学表面所需的曲线和曲面理论，包括微分几何的基础理论及NURBS曲线和曲面构造方法。第3章介绍非成像光学的基本概念和基础理论，主要包括光展、光展守恒原理、流线、哈密顿光学和边光原理等内容。第4章介绍较为传统的非成像光学设计方法，包括CPC方法、菲涅尔透镜、流矢法、同步多表面法等。第5章重点介绍基于自由曲面的非成像光学设计法，主要包括Monge-Ampere方程法、网格映射曲面构造法、二次曲面包络法和混合方法等。
《非成像光学设计》可作为照明工程、光学工程和太阳能(光伏)等专业的光学设计课程的本科生或研究生教材，也可作为相关领域从事科研、工程设计的广大科技工作者的参考书。

目录
前言
第1章 概论
1．1 几何光学
1．1．1 基本原理
1．1．2 基本定律
1．1．3 光迹方程
1．1．4 成像光学
1．2 非成像光学
1．2．1 非成像光学的发展
1．2．2 非成像光学系统
1．2．3 非成像光学理论框架
1．2．4 非成像光学设计方法
1．3 数学工具与光学软件

第2章 曲线与曲面的基本理论
2．1 曲线
2．1．1 参数化曲线
2．1．2 曲率与Frenet．标架
2．1．3 曲线的挠率和Frenet公式
2．2 曲面
2．2．1 参数化曲面
2．2．2 切平面、法矢量与自然标架
2．2．3 曲面的基本形式
2．2．4 曲面的曲率
2．2．5 曲面论的基本方程
2．3 NURBS曲线和曲面
2．3．1 NURBS曲线
2．3．2 NURBS曲面

第3章 非成像光学理论基础
3．1 光展理论
3．1．1 光展
3．1．2 光展守恒原理
3．1．3 光展的其他表达
3．2 哈密顿光学
3．2．1 费马原理
3．2．2 一般情形的拉格朗日量和哈密顿量
3．2．3 几何光学的拉格朗日量和哈密顿量
3．2．4 哈密顿量的另一种形式
3．2．5 哈密顿方程的坐标系变换
3．3 边光原理
3．3．1 边光定义
3．3．2 边光原理
3．3．3 两个例子

第4章 非成像光学设计方法
4．1 CPC设计
4．1．1 简介
4．1．2 集光率
4．1．3 zui大集光能力
4．2 菲涅尔配光设计
4．2．1 菲涅尔透镜简介
4．2．2 几何光学原理
4．2．3 菲涅尔透镜设计
4．2．4 菲涅尔透镜阵列的设计
4．3 流矢设计方法
4．3．1 简介
4．3．2 流矢的定义
4．3．3 基于边缘光线的流矢计算
4．3．4 流矢和光展
4．3．5 圆盘状光源的流矢
4．3．6 集光器的流矢设计方法
4．4 同步多表面设计法
4．4．1 SMS简介
4．4．2 SMS光学结构
4．4．3 LED准直器设计
4．4．4 SMS设计方法

第5章 基于自由曲面的配光设计方法
5．1 简介
5．1．1 问题解析
5．1．2 背景应用
5．1．3 现有基础
5．1．4 本章安排
5．2 Monge-Ampere方程自由曲面设计方法
5．2．1 Monge-Ampere方程数学推导
5．2．2 设计案例
5．3 网格映射曲面构造法
5．3．1 ODE方法及其优化方法
5．3．2 PDE方法
5．3．3 配焦椭流线法与优化
5．3．4 配焦椭流面法与优化
5．4 二次曲面包络法
5．4．1 SP方法
5．4．2 SE方法
5．4．3 SO方法
5．4．4 案例实现
5．5 混合设计方法
5．5．1 思路与方法
5．5．2 两个案例
参考文献

《光线追踪算法与实践》 简介 本书深入剖析了计算机图形学中核心的光线追踪（Ray Tracing）技术。从基础的光照模型、几何体的求交测试，到高级的加速结构构建与渲染优化，全面涵盖了现代光线追踪器的设计与实现所需的理论知识和实践技能。内容侧重于构建一个高效、物理真实感渲染引擎的完整流程，旨在帮助读者掌握从零开始设计和优化复杂光学场景渲染系统的能力。 第一章 绪论与基础概念 1.1 计算机图形学的历史与演进 本章首先回顾了计算机图形学的发展脉络，重点探讨了从早期的扫描线算法到基于物理的渲染（Physically Based Rendering, PBR）的范式转变。对比了栅格化（Rasterization）和光线追踪在不同应用场景下的优劣势，明确了光线追踪在追求照片级真实感方面的不可替代性。 1.2 光线追踪的基本原理 详细阐述了光线追踪的核心思想：模拟光线从相机（或眼睛）发出，与场景中的物体相交，并根据反射、折射定律递归追踪光线路径的过程。引入了基本的数学工具，如向量代数、坐标系变换以及参数方程在描述几何体中的应用。 1.3 场景描述与数据结构 高效的场景管理是光线追踪性能的关键。本章讲解如何使用场景图（Scene Graph）组织复杂的几何数据。重点讨论了构建场景描述文件（如OBJ、PLY或自定义格式）的方法，以及如何将几何信息有效地存储于内存中，为后续的求交测试做准备。 第二章 几何体的表示与光线求交测试 2.1 基本几何体的数学建模 系统地介绍了光线追踪中最常处理的三种基本几何体：平面、球面和三角形网格。对于每一种体，推导出光线与该几何体相交的精确数学公式，并分析求解过程中的特异点和数值稳定性问题。 2.2 三角形网格的优化求交 鉴于大多数复杂物体都由三角形网格表示，本章深入探讨了高效计算光线与三角形交点的算法。详细介绍了 Möller–Trumbore 算法，分析其无需预先计算平面方程的优势，并讨论了点积和叉积在判断光线是否穿过三角形内部的几何意义。 2.3 统计学与数值误差处理 在浮点数运算环境下，边界条件的判断至关重要。本章讨论了引入“Epsilon”值来处理浮点精度误差的必要性，并指导读者如何在计算交点距离时，区分真正的交点与因数值误差产生的伪交点。 第三章 加速结构的设计与实现 3.1 加速结构的重要性与分类 阐明了当场景包含数百万个三角形时，暴力（Brute-Force）逐一测试光线与物体交点的不可行性。分类介绍了空间划分技术，包括基于体素的划分（如 Voxel Grids）和基于边界框的划分（如 Bounding Volume Hierarchy, BVH）。 3.2 边界体积层次结构（BVH）的构建 BVH是现代高性能光线追踪器的基石。本章详细讲解了构建 BVH 的策略，包括自顶向下（Top-Down）和自底向上（Bottom-Up）的构建方法。重点分析了如何选择合适的分割标准（如SAH——表面积启发式），以最小化平均求交成本。 3.3 BVH 的遍历与优化 描述了光线如何高效地“遍历”BVH 树，以快速排除大量不相交的几何体。讨论了构建平衡树和优化树结构的技术，例如使用线性化 BVH 来提高内存访问的局部性，从而更好地适应现代 CPU 和 GPU 的缓存机制。 3.4 其他空间划分结构简介 简要介绍了其他加速结构，如 k-d 树（k-d Tree）和八叉树（Octree），并对比了它们在不同场景复杂度下的性能表现。 第四章 渲染方程与光照模型 4.1 渲染方程的推导与意义 系统地介绍了全局照明的核心——渲染方程（The Rendering Equation）。该方程描述了场景中任一点的辐射度如何被所有方向的光线贡献所决定，并从数学上确立了照片级真实感的理论基础。 4.2 表面反射的物理基础 深入探讨了描述材料表面的光学特性。详细定义了双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF），解释了理想反射（Specular）、漫反射（Diffuse）和次表面散射（Subsurface Scattering）的BRDF模型（如 Lambertian, Phong/Blinn-Phong, Cook-Torrance）。 4.3 蒙特卡洛积分方法 由于渲染方程通常无法解析求解，本章重点介绍了蒙特卡洛积分（Monte Carlo Integration）作为求解全局光照的主要方法。解释了重要性采样（Importance Sampling）和多重重要性采样（Multiple Importance Sampling, MIS）技术，它们如何高效地从BRDF和光源方向采样，以减少渲染噪声。 第五章 路径追踪（Path Tracing）的实现 5.1 路径追踪算法详解 将蒙特卡洛方法应用于渲染方程，推导出路径追踪算法。详细步骤包括光线生成、光线与场景求交、生成新的散射光线，以及如何利用俄罗斯轮盘赌（Russian Roulette）终止递归路径。 5.2 摄像机模型与透视投影 讲解如何实现精确的摄像机模型，包括焦距、视场角（FOV）的设置，以及如何将三维世界坐标精确地投影到二维屏幕空间。讨论了畸变和运动模糊的实现方法。 5.3 材质与纹理的着色实现 指导读者如何将纹理映射（如漫反射贴图、法线贴图）集成到BRDF计算中。展示如何使用过程纹理（Procedural Textures）生成复杂细节，如大理石或木纹。 第六章 高级渲染技术与性能优化 6.1 阴影与软阴影的实现 除了硬阴影，本章探讨了如何通过阴影射线（Shadow Rays）和采样光源面积来生成逼真的软阴影（Penumbra）。讨论了光子映射（Photon Mapping）作为全局间接光照和复杂阴影的替代方案。 6.2 折射与焦散（Caustics） 详细分析了光线穿过透明介质（如水、玻璃）时的菲涅耳效应（Fresnel Effect）和斯涅尔定律（Snell's Law）。指导读者如何正确处理光线在不同折射率介质间的传播，并计算出由聚焦光线形成的焦散图案。 6.3 性能调优与并行化 专注于如何将光线追踪计算转移到高性能硬件上。详细介绍CUDA/OpenCL等并行计算框架在光线追踪加速中的应用，包括如何有效地在GPU上管理BVH结构和光线队列，实现大规模场景的实时或近实时渲染。 第七章 噪声处理与图像后处理 7.1 蒙特卡洛噪声的分析 分析路径追踪结果中出现的随机噪声的来源，以及噪声的统计学特性。 7.2 去噪技术（Denoising） 介绍了常用的去噪方法，包括空间域滤波（如双边滤波）和基于学习的去噪技术。强调了如何平衡渲染速度与最终图像质量。 7.3 曝光控制与色彩空间 讲解如何处理HDR（高动态范围）渲染结果，将其映射到LDR（低动态范围）显示器上，包括曝光调整和色彩空间转换，以确保最终图像的视觉效果符合人眼感知。 --- 本书特色： 本书结合了扎实的数学基础与工程实践，所有关键算法均提供伪代码和实现思路，鼓励读者动手构建一个功能完备、性能优越的路径追踪渲染器。内容聚焦于物理模拟的准确性而非特定硬件的快速渲染技巧。

评分☆☆☆☆☆

如果说有什么遗憾，那就是这本书的某些高级章节需要读者具备相当扎实的数学背景，初学者可能需要配合其他基础读物才能完全领会其中的精髓。不过，即便如此，它对于拓宽视野的价值也无可替代。我尤其喜欢书中对“照明均匀性”这一抽象概念的量化处理。作者引入了一套非常实用的指标体系，帮助读者在设计初期就能够对最终效果做出相对准确的预测，而不是等到样机出来才发现均匀性严重不达标。这种前瞻性的设计方法论是这本书最核心的价值所在。它教人如何构建一个“无影”或“均匀高光”的系统，这在很多检测设备和显示技术中都是核心痛点。总而言之，这本书提供了一个成熟的光学设计哲学，它告诉我们，在“非成像”的战场上，光线不一定是追求清晰的信使，更可能是高效的能量搬运工或者均匀的涂抹剂，而这本书，就是教你如何成为这些“光之建筑师”的必备工具箱。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，这本书的门槛不低，但绝对是物有所值的投资。它给我的感觉是，作者似乎在每一个章节的末尾都留了一扇通往更高阶问题的门。我特别留意了关于“自由曲面”的章节，书中对如何通过迭代计算来逼近一个理想的光度分布函数进行了深入的讲解，虽然涉及到一些复杂的偏微分方程的求解过程，但作者的引导性描述使得即使是概念上的理解也变得顺畅了许多。它没有给出可以直接套用的公式集，而是赋予了读者一种“解题思路”。这本书的优点在于其体系的完整性，从基础的黎涅-谢弗尔光学（L-S）理论，到实际的系统集成，涵盖了一个完整的项目周期。不同于那些只关注某一特定应用（如LED照明或太阳能收集）的专著，这本书的通用性和基础性更强，它教会你的是“为什么”和“如何设计”，而不是“照着做”。对于希望从“光学工程师”进阶到“光学系统架构师”的人来说，这本书提供了不可或缺的顶层设计视角。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我最大的感受是它彻底颠覆了我对“光学设计”这个词的传统认知。我原以为这会是一本专注于像差校正或衍射极限分析的深度专业书，结果大相径庭，它更像是一部关于光线“管理学”的教科书。书中对几何光学和物理光学在非成像环境下的应用边界划分得非常精妙。我尤其欣赏作者在描述系统优化算法时的那种务实态度，没有过度鼓吹任何单一的“银弹”解决方案。比如，在讨论如何设计高效的冷凝器时，作者细致地对比了椭球体、抛物面以及复合曲面之间的优劣，并给出了一套基于实际公差的评估流程。这不仅仅是理论探讨，更是手把手的实战指导。对于我们这些长期在光学领域打滚的人来说，这种将数学模型与制造约束紧密结合的叙述方式，是极其宝贵的。它让我意识到，许多我们视为理所当然的光学现象，在特定的非成像需求下，其设计目标是完全不同的，需要一套完全不同的思维工具来驾驭。

评分☆☆☆☆☆

收到您的要求，我将以一个普通读者的口吻，为您创作五段关于一本名为《非成像光学设计》的书籍的“虚构”评价，每段评价约300字，风格迥异，避免重复，且不提及提问中的具体要求。 --- 这本书，老实说，我抱持着极大的好奇心翻开的，毕竟“非成像”这三个字本身就带着一种反直觉的魅力。我期待看到的是如何跳脱出传统透镜成像的束缚，去构想那些专门为收集、导光、照明而非图像构建的系统。阅读体验颇为扎实，作者的行文不像某些技术书籍那样冷冰冰的公式堆砌，而是更倾向于用一种工程学的视角去剖析问题。比如书中关于如何用复杂的曲面来最大化光能的收集效率，那几章的阐述非常清晰，我尤其对其中关于朗伯体散射源的描述印象深刻，它不再是把散射当作损失，而是作为一种可控的输入。书中似乎花了大量篇幅去探讨如何平衡系统的体积、重量与性能指标，这对于实际的工业应用设计者来说，简直是宝典级别的参考。它没有纠结于如何把一个物体清晰地拍下来，而是告诉你如何高效地把光从A点送达B点，或者如何让整个空间的光照均匀度达到一个全新的高度。对于初次接触这个领域的工程师来说，这本书提供了一个非常好的起点，它搭建了一个清晰的逻辑框架，让你明白“不成像”的设计哲学是如何指导实际的光学布局的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和插图质量非常精良，这在技术书籍中是难能可贵的。我注意到书中大量的示意图并非简单的二维投影，而是尝试用更直观的三维或剖面图来展示光线的传输路径，特别是对于那些涉及到复杂内部反射和全内反射的结构，这一点至关重要。我感觉作者对教学的热情溢于言表。最让我感到惊喜的是，它似乎不仅仅关注光线如何被塑形，还深入探讨了材料的特性——比如不同折射率材料在宽波段应用下的影响，以及对散射材料的微观结构进行合理选择的原则。这使得整个设计过程更加贴近物理现实。我记得其中有一节专门讨论了如何通过增加表面粗糙度来控制半高角（FWHM）的变化，这种细节的把控，远超出了许多同类书籍的深度。它鼓励读者不仅要会计算，更要会“看”光，这才是区分匠人和专家的关键。