3D游戏编程大师技巧（上、下册）

图书目录:

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**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**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　**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**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

目　录(下册)

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**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　**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　**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**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