3d游戏大师编程技巧

　　本书是游戏编程畅销书作者AndréLaMothe的扛鼎之作，从游戏编程和软件引擎的角度深入探讨了3D图形学的各个重要主题。全书共分5部分，包括16章的内容。第1～3章简要地介绍了Windows和DirectX编程，创建了一个Windows应用程序模板，让读者能够将精力放在游戏逻辑和图形实现中，而不用考虑Windows和DirectX方面的琐事；第4～5章简要地介绍了一些数学知识并实现了一个数学库，供以后编写演示程序时使用；第6章概述了3D图形学，让读者对之后即将介绍的内容有大致的了解；第7～11章分别介绍了光照、明暗处理、仿射纹理映射、3D裁剪和深度缓存等内容；第12～14章讨论了高级3D渲染技术，包括透视修正纹理映射、Alpha混合、1/z缓存、纹理滤波、空间划分和可见性算法、阴影、光照映射等；第15～16章讨论了动画、运动碰撞检测和优化技术。本书适合于有一定编程经验并想从事游戏编程工作或对3D图形学感兴趣的人员阅读。

　　AndréLaMothe有25年的计算行业从业经验，拥有数学、计算机科学和电子工程等学位，是20岁时就在NASA做研究工作的少数几人之一。在30岁之前，他在硅谷的众多公司中从事过咨询工作，了解了公司运作，获得了多种领域的知识，如电信、虚拟现实、机器人技术、编译器设计、3D引擎、人工智能以及计算和工程的其他领域的知识。他创办的公司Xtreme Game公司一直是自成一体的游戏开发商和发行商。后来他创办了Xtreme Games DeveloperConference（XGDC），为游戏开发人员提供了费用更低廉的GDC替代品。他参与了多个项目的开发工作，其中包括eGamezoneNetworks——一个公平、有趣、没有任何广告的网络游戏分发系统。他还创建了一家公司——NurveNetworks公司，为在乎价格的消费者和业余爱好者开发手持设备上的视频游戏系统。最后，他还是世界上最庞大的游戏开发系列丛书的编辑。

第三部分  基本3D渲染
第8章  基本光照和实体造型 478
8.1  计算机图形学的基本光照模型 478
8.1.1  颜色模型和材质 480
8.1.2  光源类型 487
8.2  三角形的光照计算和光栅化 493
8.2.1  为光照做准备 497
8.2.2  定义材质 498
8.2.3  定义光源 502
8.3  真实世界中的着色 507
8.3.1  16位着色 507
8.3.2  8位着色 507
8.3.3  一个健壮的用于8位模式的RGB模型 508
8.3.4  一个简化的用于8位模式的强度模型 511
8.3.5  固定着色 515
8.3.6  恒定着色 517
8.3.7  Gouraud着色概述 533
8.3.8  Phong着色概述 535
8.4  深度排序和画家算法 535
8.5  使用新的模型格式 540
8.5.1  分析器类 540
8.5.2  辅助函数 543
8.5.3  3D Studio MAX ASCII格式.ASC 546
8.5.4  TrueSpace ASCII.COB格式 548
8.5.5  Quake II二进制.MD2格式概述 557
8.6  3D建模工具简介 558
8.7  总结 561
第9章  插值着色技术和仿射纹理映射 562
9.1  新T3D引擎的特性 562
9.2  更新T3D数据结构和设计 563
9.2.1  新的#defines 564
9.2.2  新增的数学结构 566
9.2.3  实用宏 567
9.2.4  添加表示3D网格数据的特性 568
9.2.5  更新物体结构和渲染列表结构 574
9.2.6  函数清单和原型 577
9.3  重新编写物体加载函数 583
9.3.1  更新.PLG/PLX加载函数 584
9.3.2  更新3D Studio .ASC加载函数 595
9.3.3  更新Caligari .COB加载函数 596
9.4  回顾多边形的光栅化 601
9.4.1  三角形的光栅化 601
9.4.2  填充规则 604
9.4.3  裁剪 606
9.4.4  新的三角形渲染函数 607
9.4.5  优化 612
9.5  实现Gouraud着色处理 613
9.5.1  没有光照时的Gouraud着色 614
9.5.2  对使用Gouraud Shader的多边形执行光照计算 624
9.6  基本采样理论 632
9.6.1  一维空间中的采样 632
9.6.2  双线性插值 634
9.6.3  u和v的插值 635
9.6.4  实现仿射纹理映射 637
9.7  更新光照/光栅化引擎以支持纹理 640
9.8  对8位和16位模式下优化策略的最后思考 645
9.8.1  查找表 645
9.8.2  网格的顶点结合性 646
9.8.3  存储计算结果 646
9.8.4  SIMD 647
9.9  最后的演示程序 647
Raider 3D II 648
9.10  总结 651
第10章  3D裁剪 652
10.1  裁剪简介 652
10.1.1  物体空间裁剪 652
10.1.2  图像空间裁剪 655
10.2  裁剪算法 656
10.2.1  有关裁剪的基本知识 657
10.2.2  Cohen-Sutherland裁剪算法 661
10.2.3  Cyrus-Beck/梁友栋-Barsky裁剪算法 662
10.2.4  Weiler-Atherton裁剪算法 665
10.2.5  深入学习裁剪算法 667
10.3  实现视景体裁剪 667
10.3.1  几何流水线和数据结构 669
10.3.2  在引擎中加入裁剪功能 670
10.4  地形小议 691
10.4.1  地形生成函数 692
10.4.2  生成地形数据 700
10.4.3  沙地汽车演示程序 700
10.5  总结 704
第11章  深度缓存和可见性 705
11.1  深度缓存和可见性简介 705
11.2  z缓存基础 708
11.2.1  z缓存存在的问题 709
11.2.2  z缓存范例 709
11.2.3  平面方程法 711
11.2.4  z坐标插值 713
11.2.5  z缓存中的问题和1/Z缓存 714
11.2.6  一个通过插值计算z和1/z的例子 715
11.3  创建z缓存系统 718
11.4  可能的z缓存优化 734
11.4.1  使用更少的内存 734
11.4.2  降低清空z缓存的频率 734
11.4.3  混合z缓存 736
11.5  z缓存存在的问题 736
11.6  软件和z缓存演示程序 736
11.6.1  演示程序I：z缓存可视化 737
11.6.2  演示程序II：Wave Raider 738
11.7  总结 743
第四部分　高级3D渲染
第12章  高级纹理映射技术 746
12.1  纹理映射——第二波 746
12.2  新的光栅化函数 754
12.2.1  最终决定使用定点数 754
12.2.2  不使用z缓存的新光栅化函数 755
12.2.3  支持z缓存的新光栅化函数 758
12.3  使用Gouruad着色的纹理映射 759
12.4  透明度和alpha混合 765
12.4.1  使用查找表来进行alpha混合 766
12.4.2  在物体级支持alpha混合功能 778
12.4.3  在地形生成函数中加入alpha支持 784
12.5  透视修正纹理映射和1/z缓存 786
12.5.1  透视纹理映射的数学基础 787
12.5.2  在光栅化函数中加入1/z缓存功能 793
12.5.3  实现完美透视修正纹理映射 799
12.5.4  实现线性分段透视修正纹理映射 803
12.5.5  透视修正纹理映射的二次近似 808
12.5.6  使用混合方法优化纹理映射 812
12.6  双线性纹理滤波 814
12.7  mipmapping和三线性纹理滤波 819
12.7.1  傅立叶分析和走样简介 819
12.7.2  创建mip纹理链 822
12.7.3  选择mip纹理 830
12.7.4  三线性滤波 836
12.8  多次渲染和纹理映射 837
12.9  使用单个函数来完成渲染工作 837
12.9.1  新的渲染场境 838
12.9.2  设置渲染场境 840
12.9.3  调用对渲染场境进行渲染的函数 842
12.10  总结 851
第13章  空间划分和可见性算法 852
13.1  新的游戏引擎模块 852
13.2  空间划分和可见面判定简介 852
13.3  二元空间划分 856
13.3.1  平行于坐标轴的二元空间划分 857
13.3.2  任意平面空间划分 858
13.3.3  使用多边形所在的平面来划分空间 858
13.3.4  显示/访问BSP树中的每个节点 861
13.3.5  BSP树数据结构和支持
函数 863
13.3.6  创建BSP树 865
13.3.7  分割策略 868
13.3.8  遍历和显示BSP树 876
13.3.9  将BSP树集成到图形流水线中 886
13.3.10  BSP关卡编辑器 887
13.3.11  BSP的局限性 897
13.3.12  使用BSP树的零重绘策略 897
13.3.13  将BSP树用于剔除 899
13.3.14  将BSP树用于碰撞检测 906
13.3.15  集成BSP树和标准渲染 907
13.4  潜在可见集 912
13.4.1  使用潜在可见集 913
13.4.2  潜在可见集的其他编码方法 914
13.4.3  流行的PVS计算方法 915
13.5  入口 917
13.6  包围体层次结构和八叉树 919
13.6.1  使用BHV树 921
13.6.2  运行性能 922
13.6.3  选择策略 923
13.6.4  实现BHV 924
13.6.5  八叉树 931
13.7  遮掩剔除 932
13.7.1  遮掩体 933
13.7.2  选择遮掩物 934
13.7.3  混合型遮掩物选择方法 934
13.8  总结 934
第14章  阴影和光照映射 935
14.1  新的游戏引擎模块 935
14.2  概述 935
14.3  简化的阴影物理学 936
14.4  使用透视图像和广告牌来模拟阴影 939
14.4.1  编写支持透明功能的光栅化函数 941
14.4.2  新的库模块 944
14.4.3  简单阴影 945
14.4.4  缩放阴影 947
14.4.5  跟踪光源 950
14.4.6  有关模拟阴影的最后思考 953
14.5  平面网格阴影映射 954
14.5.1  计算投影变换 954
14.5.2  优化平面阴影 957
14.6  光照映射和面缓存技术简介 958
14.6.1  面缓存技术 960
14.6.2  生成光照图 960
14.6.3  实现光照映射函数 961
14.6.4  暗映射（dark mapping） 963
14.6.5  光照图特效 964
14.6.6  优化光照映射代码 964
14.7  整理思路 965
14.8  总结 965
第五部分　高级动画、物理建模和优化
第15章  3D角色动画、运动和碰撞检测 968
15.1  新的游戏引擎模块 968
15.2  3D动画简介 968
15.3  Quake II .MD2文件格式 969
15.3.1  .MD2文件头 971
15.3.2  加载Quake II .MD2文件 979
15.3.3  使用.MD2文件实现动画 987
15.3.4  .MD2演示程序 995
15.4  不基于角色的简单动画 996
15.4.1  旋转运动和平移运动 997
15.4.2  复杂的参数化曲线移动 998
15.4.3  使用脚本来实现运动 999
15.5  3D碰撞检测 1001
15.5.1  包围球和包围圆柱 1001
15.5.2  使用数据结构来提高碰撞检测的速度 1003
15.5.3  地形跟踪技术 1003
15.6  总结 1004
第16章  优化技术 1005
16.1  优化技术简介 1005
16.2  使用Microsoft Visual C++和Intel VTune剖析代码 1006
16.2.1  使用Visual C++进行剖析 1006
16.2.2  分析剖析数据 1008
16.2.3  使用VTune进行优化 1009
16.3  使用Intel C++编译器 1015
16.3.1  下载Intel的优化编译器 1015
16.3.2  使用Intel编译器 1015
16.3.3  使用编译器选项 1016
16.3.4  手工为源文件选择编译器 1017
16.3.5  优化策略 1017
16.4  SIMD编程初步 1017
16.4.1  SIMD基本体系结构 1019
16.4.2  使用SIMD 1019
16.4.3  一个SIMD 3D向量类 1030
16.5  通用优化技巧 1036
16.5.1  技巧1：消除_ftol() 1036
16.5.2  技巧2：设置FPU控制字 1036
16.5.3  技巧3：快速将浮点变量设置为零 1037
16.5.4  技巧4：快速计算平方根 1038
16.5.5  技巧5：分段线性反正切 1038
16.5.6  技巧6：指针递增运算 1039
16.5.7  技巧7：尽可能将if语句放在循环外面 1039
16.5.8  技巧8：支化（branching）流水线 1040
16.5.9  技巧9：数据对齐 1040
16.5.10  技巧10：将所有简短函数都声明为内联的 1040
16.5.11  参考文献 1040
16.6  总结 1040
第六部分　附　　录
附录A  光盘内容简介 1042
附录B  安装DirectX和使用Visual C/C++ 1044
B.1  安装DirectX 1044
B.2  使用Visual C/C++编译器 1044
B.3  编译提示 1045
附录C  三角学和向量参考 1047
C.1  三角学 1047
C.2  向量 1049
C.2.1  向量长度 1050
C.2.2  归一化 1050
C.2.3  标量乘法 1051
C.2.4  向量加法 1052
C.2.5  向量减法 1052
C.2.6  点积 1053
C.2.7  叉积 1054
C.2.8  零向量 1055
C.2.9  位置向量 1055
C.2.10  向量的线性组合 1056
附录D  C++入门 1057
D.1  C++是什么 1057
D.2  必须掌握的C++知识 1059
D.3  新的类型、关键字和约定 1059
D.3.1  注释符 1059
D.3.2  常量 1060
D.3.3  引用型变量 1060
D.3.4  即时创建变量 1061
D.4  内存管理 1062
D.5  流式输入/输出 1062
D.6  类 1064
D.6.1  新结构 1064
D.6.2  一个简单的类 1065
D.6.3  公有和私有 1065
D.6.4  类的成员函数（方法） 1066
D.6.5  构造函数和析构函数 1067
D.6.6  编写构造函数 1068
D.6.7  编写析构函数 1070
D.7  域运算符 1071
在类外部定义成员函数 1071
D.8  函数和运算符重载 1072
D.9  基本模板 1074
D.10  异常处理简介 1075
异常处理的组成部分 1076
D.11  总结 1078
附录E  游戏编程资源 1079
E.1  游戏编程和新闻网站 1079
E.2  下载站点 1079
E.3  2D/3D引擎 1080
E.4  游戏编程书籍 1080
E.5  微软公司的Direct X 多媒体展示 1081
E.6  新闻组 1081
E.7  跟上行业的步伐 1081
E.8  游戏开发杂志 1081
E.9  Quake资料 1082
E.10  免费模型和纹理 1082
E.11  游戏网站开发者 1082
附录F  ASCII码表 1083  目    录（上册）
第一部分  3D游戏编程简介
第1章  3D游戏编程入门 2
1.1  简介 2
1.2  2D/3D游戏的元素 3
1.2.1  初始化 4
1.2.2  进入游戏循环 4
1.2.3  读取玩家输入 4
1.2.4  执行AI和游戏逻辑 4
1.2.5  渲染下一帧 4
1.2.6  同步显示 5
1.2.7  循环 5
1.2.8  关闭 5
1.3  通用游戏编程指南 7
1.4  使用工具 11
1.4.1  3D关卡编辑器 14
1.4.2  使用编译器 15
1.5  一个3D游戏范例：Raiders 3D 17
1.5.1  事件循环 37
1.5.2  核心3D游戏逻辑 38
1.5.3  3D投影 39
1.5.4  星空 41
1.5.5  激光炮和碰撞检测 41
1.5.6  爆炸 41
1.5.7  玩Raiders3D 41
1.6  总结 41
第2章  Windows和DirectX 简明教程 43
2.1  Win32编程模型 43
2.2  Windows程序的最小需求 44
2.3  一个基本的Windows应用程序 48
2.3.1  Windows类 49
2.3.2  注册Windows类 53
2.3.3  创建窗口 53
2.3.4  事件处理程序 55
2.3.5  主事件循环 59
2.3.6  构建实时事件循环 63
2.4  DirectX和COM简明教程 64
2.4.1  HEL和HAL 65
2.4.2  DirectX基本类 66
2.5  COM简介 67
2.5.1  什么是COM对象 68
2.5.2  创建和使用DirectX COM接口 70
2.5.3  查询接口 70
2.6  总结 72
第3章  使用虚拟计算机进行3D游戏编程 73
3.1  虚拟计算机接口简介 73
3.2  建立虚拟计算机接口 75
3.2.1  帧缓存和视频系统 75
3.2.2  使用颜色 78
3.2.3  缓存交换 80
3.2.4  完整的虚拟图形系统 82
3.2.5  I/O、声音和音乐 82
3.3  T3DLIB游戏控制台 83
3.3.1  T3DLIB系统概述 83
3.3.2  基本游戏控制台 83
3.4  T3DLIB1库 89
3.4.1  DirectX图形引擎体系结构 89
3.4.2  基本常量 89
3.4.3  工作宏 91
3.4.4  数据类型和结构 92
3.4.5  函数原型 95
3.4.6  全局变量 99
3.4.7  DirectDraw接口 100
3.4.8  2D多边形函数 103
3.4.9  数学函数和错误函数 110
3.4.10  位图函数 111
3.4.11  8位调色板函数 115
3.4.12  实用函数 118
3.4.13  BOB（Blitter对象）引擎 119
3.5  T3DLIB2 DirectX输入系统 126
3.6  T3DLIB3声音和音乐库 131
3.6.1  头文件 132
3.6.2  类型 132
3.6.3  全局变量 133
3.6.4  DirectSound API封装函数 133
3.6.5  DirectMusic API封装函数 138
3.7  建立最终的T3D游戏控制台 140
3.7.1  映射真实图形到虚拟接口的非真实图形 141
3.7.2  最终的T3DLIB游戏控制台 143
3.8  范例T3LIB应用程序 152
3.8.1  窗口应用程序 152
3.8.2  全屏应用程序 153
3.8.3  声音和音乐 154
3.8.4  处理输入 154
3.9  总结 157
第二部分  3D数学和变换
第4章  三角学、向量、矩阵和四元数 160
4.1  数学表示法 160
4.2  2D坐标系 161
4.2.1  2D笛卡尔坐标 161
4.2.2  2D极坐标 163
4.3  3D坐标系 165
4.3.1  3D笛卡尔坐标 165
4.3.2  3D柱面坐标 168
4.3.3  3D球面坐标 168
4.4  三角学 170
4.4.1  直角三角形 171
4.4.2  反三角函数 172
4.4.3  三角恒等式 173
4.5  向量 173
4.5.1  向量长度 174
4.5.2  归一化 174
4.5.3  向量和标量的乘法 175
4.5.4  向量加法 176
4.5.5  向量减法 176
4.5.6  点积 177
4.5.7  叉积 179
4.5.8  零向量 180
4.5.9  位置和位移向量 180
4.5.10  用线性组合表示的向量 181
4.6  矩阵和线性代数 182
4.6.1  单位矩阵 183
4.6.2  矩阵加法 184
4.6.3  矩阵的转置 184
4.6.4  矩阵乘法 184
4.6.5  矩阵运算满足的定律 186
4.7  逆矩阵和方程组求解 186
4.7.1  克来姆法则 188
4.7.2  使用矩阵进行变换 190
4.7.3  齐次坐标 191
4.7.4  应用矩阵变换 192
4.8  基本几何实体 198
4.8.1  点 198
4.8.2  直线 199
4.8.3  平面 202
4.9  使用参数化方程 206
4.9.1  2D参数化直线 206
4.9.2  3D参数化直线 208
4.10  四元数简介 213
4.10.1  复数理论 213
4.10.2  超复数 218
4.10.3  四元数的应用 223
4.11  总结 226
第5章  建立数学引擎 227
5.1  数学引擎概述 227
5.1.1  数学引擎的文件结构 228
5.1.2  命名规则 228
5.1.3  错误处理 229
5.1.4  关于C++的最后说明 229
5.2  数据结构和类型 229
5.2.1  向量和点 230
5.2.2  参数化直线 231
5.2.3  3D平面 232
5.2.4  矩阵 233
5.2.5  四元数 236
5.2.6  角坐标系支持 237
5.2.7  2D极坐标 237
5.2.8  3D柱面坐标 238
5.2.9  3D球面坐标 239
5.2.10  定点数 239
5.3  数学常量 240
5.4  宏和内联函数 242
5.4.1  通用宏 246
5.4.2  点和向量宏 246
5.4.3  矩阵宏 247
5.4.4  四元数 249
5.4.5  定点数宏 249
5.5  函数原型 250
5.6  全局变量 253
5.7  数学引擎API清单 253
5.7.1  三角函数 254
5.7.2  坐标系支持函数 255
5.7.3  向量支持函数 258
5.7.4  矩阵支持函数 266
5.7.5  2D和3D参数化直线支持函数 277
5.7.6  3D平面支持函数 281
5.7.7  四元数支持函数 285
5.7.8  定点数支持函数 293
5.7.9  方程求解支持函数 298
5.8  浮点单元运算初步 300
5.8.1  FPU体系结构 301
5.8.2  FPU堆栈 302
5.8.3  FPU指令集 303
5.8.4  经典指令格式 306
5.8.5  内存指令格式 306
5.8.6  寄存器指令格式 307
5.8.7  寄存器弹出指令格式 307
5.8.8  FPU范例 307
5.8.9  FLD范例 308
5.8.10  FST范例 308
5.8.11  FADD范例 310
5.8.12  FSUB范例 312
5.8.13  FMUL范例 313
5.8.14  FDIV范例 314
5.9  数学引擎使用说明 315
游戏控制台 317
5.10  关于数学优化的说明 317
5.11  总结 317
第6章  3D图形学简介 318
6.1  3D引擎原理 318
6.2  3D游戏引擎的结构 319
6.2.1  3D引擎 319
6.2.2  游戏引擎 320
6.2.3  输入系统和网络 320
6.2.4  动画系统 321
6.2.5  碰撞检测和导航系统 324
6.2.6  物理引擎 325
6.2.7  人工智能系统 326
6.2.8  3D模型和图像数据库 327
6.3  3D坐标系 328
6.3.1  模型（局部）坐标 328
6.3.2  世界坐标 331
6.3.3  相机坐标 334
6.3.4  有关相机坐标的说明 341
6.3.5  隐藏物体（面）消除和裁剪 342
6.3.6  透视坐标 347
6.3.7  流水线终点：屏幕坐标 356
6.4  基本的3D数据结构 363
6.4.1  表示3D多边形数据时需要考虑的问题 363
6.4.2  定义多边形 365
6.4.3  定义物体 369
6.4.4  表示世界 373
6.5  3D工具 374
动画数据和运动数据 375
6.6  从外部加载数据 375
6.6.1  PLG文件 375
6.6.2  NFF文件 378
6.6.3  3D Studio文件 381
6.6.4  Caligari COB文件 387
6.6.5  Microsoft DirectX .X文件 389
6.6.6  3D文件格式小结 389
6.7  基本刚性变换和动画 389
6.7.1  3D平移 389
6.7.2  3D旋转 390
6.7.3  3D变形 392
6.8  再看观察流水线 393
6.9  3D引擎类型 394
6.9.1  太空引擎 394
6.9.2  地形引擎 395
6.9.3  FPS室内引擎 396
6.9.4  光线投射和体素引擎 397
6.9.5  混合引擎 398
6.10  将各种功能集成到引擎中 399
6.11  总结 399
第7章  渲染3D线框世界 400
7.1  线框引擎的总体体系结构 400
7.1.1  数据结构和3D流水线 401
7.1.2  主多边形列表 403
7.1.3  新的软件模块 406
7.2  编写3D文件加载器 406
7.3  构建3D流水线 414
7.3.1  通用变换函数 414
7.3.2  局部坐标到世界坐标变换 420
7.3.3  欧拉相机模型 423
7.3.4  UVN相机模型 426
7.3.5  世界坐标到相机坐标变换 437
7.3.6  物体剔除 440
7.3.7  背面消除 444
7.3.8  相机坐标到透视坐标变换 446
7.3.9  透视坐标到屏幕（视口）坐标变换 451
7.3.10  合并透视变换和屏幕变换 455
7.4  渲染3D世界 457
7.5  3D演示程序 461
7.5.1  单个3D三角形 461
7.5.2  3D线框立方体 464
7.5.3  消除了背面的3D线框立方体 466
7.5.4  3D坦克演示程序 467
7.5.5  相机移动的3D坦克演示程序 470
7.5.6  战区漫步演示程序 472
7.6  总结 476