描述
开 本: 128开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787121343728
自然界中的烟雾、水等流体的飘逸灵动十分令人着迷，如何用计算机去表现流体动画？流体动画背后的物理、数学和计算原理深奥莫测，令人望而却步。怎么解决？
《流体动画的计算艺术》将为你揭开流体计算的神秘面纱，带领你进入美轮美奂的流体动画领域。《流体动画的计算艺术》展现了计算机、数学、物理和艺术是如何巧妙地融合在一起，*后绘制出绚丽动人的流体动画效果的。
这是一本对大众读者来说十分难得的科技读物，而且对于该领域的专业读者来说也是难得的好书。全书并未追求数学的严谨与系统，却将流体动画的生成原理与物理/数学基础描述得相当清楚。
《流体动画的计算艺术》适合从事如下工作的读者阅读：计算机仿真、计算机辅助设计、计算机动画、电影、广告、游戏、虚拟现实和增强现实等。
电影里引人入胜的风暴、海浪、烟雾、爆炸十有八九是用计算机模拟的，而这些很有可能和这本书里传授的技术有关。
流体模拟是在现代计算机游戏开发中生成逼真流体动画的计算机图形技术。本书解读了并不需要高深物理或数学知识就能开发丰富视觉特效的流体动画技术，讲述了如何通过计算机代码以有趣的方式创建如水、烟雾、火焰和爆炸等效果的流体动画。
书中介绍了驱动流体动画技术发展的众多概念，以及流体计算的历史背景，涵盖了许多研究领域，包括稳定的流体模拟、曲面流和流的控制。对有抱负的程序员来说，本书非常适合作为学习流体动画程序开发的起点。
第2章 观察、方程和数 …………………………………………… 9
2.1 河狸、穴居人和火 …………….. 9
2.2 从洞穴到古希腊：阿基米德、金冠和奖牌 ………. 10
2.3 长卷发的数学家、深渊和喷枪 ……………………….. 13
第3章 牛顿-欧拉方程和纳维-斯托克斯方程 …………… 27
3.1 列昂纳多 …………………………. 27
3.2 欧拉和连续性 ………………….. 28
3.3 不可压缩性、连续性、亥姆霍兹和霍吉理论 …… 35
3.4 欧拉和流体运动 ………………. 38
3.5 牛顿和黏度 ……………………… 43
3.6 纳维和斯托克斯以及他们的方程…………………….. 51
3.7 边界、边界、边界、边界还是边界…………………. 55
第4章 早期的计算流体动力学 …. 63
第5章 柯尔莫戈洛夫和湍流 ……. 71
第6章 流体动画导论 ……………… 76
6.1 虫子 ….. 77
6.2 栅格 ….. 81
6.3 沿栅格移动的虫子 …………… 84
6.4 半拉格朗日法 ………………….. 85
6.5 质点栅格法（PIC） …………. 89
第７章 插曲 …………………………… 91
7.1 插曲一：线性方程组 ……….. 92
7.2 插曲二：线性方程组的通解 …………………………… 97
7.3 插曲三：循环矩阵与傅里叶变换…………………… 103
7.4 插曲四：线性方程组的数值解 ……………………… 110
第8章 一个简单的流体求解器 .. 122
8.1 数学恐怖片：算子分裂 ….. 125
8.2 请给代码 ……………………….. 126
8.2.1 移动的密度 …………. 129
8.2.2 改变自身运动的流体：非线性 …………… 135
8.3 在甜甜圈上爬行的虫子、傅里叶变换和约60行的C代码 ………………. 140
8.4 四维湍流向量场和湍流 ….. 151
8.5 装饰流体 ……………………….. 153
第9章 能处理流体的微小计算机 ………………………….. 158
第10章 能处理流体的智能手机 162
第11章 Fluid FX: Autodesk Fluid的2.0版本 ………… 166
第12章 展示时间！MAYA流体的特效 …………………. 168
第13章 任意曲面上的流体 ……. 174
第14章 控制狂！如何使流体听我们指挥 ………………. 178
14.1 二维炮弹射击 …………….. 180
14.2 计算机优化器 …………….. 182
14.3 自动微分、伴随和返回优化器的路径 ……….. 190
第15章 真实实验、计算机实验和验证 ………………….. 195
15.1 球体产生的阻力 …………. 195
15.2 球体后面的涡旋流动、管内波状流动、平板间的羽状湍流 ………. 197
15.2.1 实验一：球体后面的涡旋流动 ……… 198
15.2.2 实验二：管内波状流动 ………………… 199
15.2.3 实验三：平板间的羽状湍流 …………. 200
第16章 后记（让我们停止吧） 202
译者序一
一提到“计算流体力学”这个词，即使是理工科专业背景的人，首先想到的往往是含混晦涩的偏微分方程，或者一尘不染的超算中心，这看似很高的门槛曾让很多技术爱好者虽有热情也只能望而却步、敬而远之。然而不管你是否注意到，计算流体力学已经走进了我们的日常生活，大到投巨资制作的电影，小到手机中的视频游戏，逼真的流体特效越来越常见。这很大程度上得益于的流体动画生成技术，而在这方面，Jos Stam博士做了开拓性工作。Stam博士将自己的这段科研经历整理成The Art of Fluid Animation一书，我们将这不可多得的入门级教程的英文原著翻译成中文，取名《流体动画的计算艺术》，以飨读者。
Stam博士是一个身高超过两米的大个子，即使在有数万人参会的SIGGRAPH会场你也无法忽视他的存在；而更令人无法忽视的是他在计算机图形学领域的成就，他是图形学发展史上的一座丰碑。由于在细分曲面和流体模拟方面的贡献，他曾获SIGGRAPH计算机图形学成就奖及两度奥斯卡技术成就奖。他在十几年前播下的那颗流体动画的种子已经成长为参天大树，如今有成千上万的人在从事流体动画相关工作，创造出了电影中炫酷吸睛的流体特效。除了上述两项成就之外，Jos（/j.:s/，对，发音听起来像“钥匙”）后来又攻坚另一个难题——布料模拟，他为MAYA软件研发的Nucleus求解器被众多电影工作室用来生成服装动画特效（我认为这项成就应该为他赢取第三尊奥斯卡小金人）。Jos在全球有众多粉丝，他也曾数次来到中国，除了参加学术会议和与Autodesk（中国）进行工作沟通外，还曾作为SIGGRAPH的特使在深圳与多家当地动漫公司进行互动交流。他对中国文化和文字有着浓厚的兴趣，还为自己起了中文名字叫“尤士丹”。
本书用通俗易懂的语言讲解了流体力学的本质，并试图教会程序员写出个流体模拟的程序。Stam著书时坚持的一条原则就是“以非数学的语言来描述数学原理”。本书的前半部分更像是一部简要数学史，很多读者耳熟能详的数学家依次出场，述说着他们对流体计算的直接或间接贡献。透过历史的画卷，流体动画技术中的众多概念被深入浅出地做了解释。读过之后你会发现掌握流体动画技术其实并不需要高深的物理或数学技能。本书后半部分主要阐述了如何通过计算机代码以有趣的方式创建流体动画，如水、烟、火和爆炸效果等。书中的很多内容是Stam在世界各地做报告时针对听众所提问题的解答、阐述以及后续思考。本书包含了计算机代码，除了供读者运行外，更是为了鼓励读者对书中描述的流体技术做进一步扩展。对有抱负的程序员来说，这些代码只是创建自己的流体动画程序的一个起点。本书的定位是普及型读物而不是学术型专著，我们希望更多对计算机动画技术感兴趣的大学生甚至中学生成为本书的读者。当然，对于专业从事流体模拟的研究人员来说，阅读本书可以带你体验作者当年完成这项开拓性工作的心路历程。
2015年秋天，Pacific Graphics会议在清华大学举行，Stam是程序委员会的主席。那时The Art of Fluid Animation一书刚刚定稿但尚未开印，他身穿一件胸前印有本书封面图案的黑色T恤为自己的新书做宣传。2016年夏天，我借到加拿大旅行之机顺便访问了在多伦多的Autodesk公司分部，获得Jos的赠书，期间谈到中国有众多流体动画的爱好者，应该使他们能以更低的成本获得本书。在我就引进影印版版权的事宜跟国内出版社咨询后，得知目前存在诸多障碍，无奈之下只好考虑翻译这条路。由于该书语言优美，轻松幽默，口语化风格犹如Jos在娓娓道来，我认为翻译后的效果恐怕要打折扣，因此迟迟未下决心。上海交通大学的杨旭波教授得知此事后表示愿意参与翻译工作，这是我求之不得的。杨老师在流体动画领域深耕多年颇有建树，有他坐镇把关我便不再忐忑。在翻译过程中，译者跟Jos进行了多次邮件往来，力求精确翻译每个微妙的表达，也发现并更正了原文的几处错误。鉴于原文中众多的口语化英语和夹杂的法语与意大利语、中外文化差异以及译者的理解水平，恐难原汁原味地传递原文的本意，不足之处敬请广大读者批评指正。
中国科学院自动化研究所的研究生陈岚和上海交通大学的研究生张锐参与了本书的翻译工作。马颂德研究员、吴恩华教授、陈宝权教授为本书倾情作序，傅红波教授、李维博士和许铭俊先生等人鼎力推荐，使本书增色不少。在此对他们表示衷心感谢。后要感谢电子工业出版社，在行业普遍追求经济效益的大气候下，牢记自己的社会责任，为传播知识而支持了本书的出版。
叶军涛
2018年5月2日于北京
译者序二
2016年12月初，我在澳门参加ACM SIGGRAPH Asia大会，带了两名博士生去听流体动画论文报告，见到了两米高的分会主席Jos Stam。和他的身高一样，Jos的技术成就也令人难以望其项背。Jos是ACM SIGGRAPH计算机图形学成就奖得主，并两次获得奥斯卡技术成就奖，他是流体动画的开拓者和大师级先驱，他1999年在SIGGRAPH上发表的Stable Fluids一文，是流体动画研究者的经典开山之作。
在主持报告结束之后，巨人Jos手持小小的平板电脑，热切地向我推荐了他呕心沥血写成的一本新书The Art of Fluid Animation，希望有更多中国读者能读到他的书。中国科学院自动化所的叶军涛老师也在场，邀请我一起将这本书翻译成中文。我翻看了一下这本书的英文原著，欲罢不能，遂欣然应允。于是，前后花了一年时间，和叶老师共同负责并由张锐等同学协助，完成了这本书的中文翻译，并定名为《流体动画的计算艺术》。
烟雾、水等流体的飘逸灵动是自然界十分令人着迷的现象，也是很多科学家和艺术家所青睐的研究对象，如何用计算机去表现流体动画是人们孜孜以求的目标之一，但流体动画背后的物理、数学和计算原理又常让人感觉深奥莫测、望而却步。
Jos的书揭开了这一神秘面纱，从其个人视角写了一本引领读者进入流体动画领域的科普作品和技术史话。在书中，Jos以诙谐幽默的口吻，对流体动画的相关人物、历史和技术发展娓娓道来，如数家珍，向我们展现了计算机、数学、物理和艺术是如何巧妙地融合在一起，后绘制出绚丽动人的流体动画效果的。这本书很适合因被流体艺术所吸引登堂入室，且对数学、物理、计算、编程有浓厚兴趣的读者阅读。本书围绕着流体动画的计算艺术，讲述了一个个让人难忘的故事。
希望这本书能给大家带来一段愉悦的科学和艺术之旅，领略到流体动画的计算之美和编程之美。
是为序。
杨旭波
2018年1月1日于上海
Jos Stam的工作既基于他对流体动力学的深入理解，又根据艺术再现的需要对模型做出了恰当的简化，从而能方便地真实再现一大批灵动飘逸的流体运动。本书对他多年来在流体仿真方面的工作做了系统的阐述，避免了过于理论化的数学描述，把一个在图形学中难以实现的、原创的流体动画技术通俗完整地呈现给读者。
——马颂德
中国科学院自动化所研究员，科技部原副部长
Jos Stam博士的流体动画艺术将物理/数学计算生成的艺术变成可交互控制的具有高度真实感的视觉享受，是工业应用的典范。该书对大众读者来说是难得的读物，对专业读者来说也是难得的好书。全书并未追求数学的严谨与系统，却将流体动画的生成原理与物理/数学基础描述得相当清楚。初学者在学习那些满是公式的数理教科书之前首先来读一读该书，一定会受益匪浅。
——吴恩华
中国科学院软件所研究员，澳门大学教授
Jos Stam把高深莫测的流体计算拉下“神坛”，让其返璞归真，这源于他对数学方法的透彻理解。针对计算机动画的现实需求，他能如此有创意地设计出轻便的求解方案，甚至能在苹果手机上实现实时流体模拟计算。这本书不但在描述和解释问题时充满了这样的创意，也有不少充满哲理和体现Jos特有幽默的语句。
——陈宝权
北京大学教授，杰青、长江学者，ACM Siggraph Asia 2014大会主席
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