3D游戏编程大师技巧

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　3

1.2.2　进入游戏循环　3

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　4

1.2.7　循环　4

1.2.8　关闭　5

1.3　通用游戏编程指南　7

1.4　使用工具　9

1.4.1　3D关卡编辑器　12

1.4.2　使用编译器　13

1.5　一个3D游戏范例：Raiders 3D　15

1.5.1　事件循环　33

1.5.2　核心3D游戏逻辑　34

1.5.3　3D投影　35

1.5.4　星空　36

1.5.5　激光炮和碰撞检测　37

1.5.6　爆炸　37

1.5.7　玩Raiders3D　37

1.6　总结　37

第2章　Windows和DirectX简明教程　38

2.1　Win32编程模型　38

2.2　Windows程序的最小需求　39

2.3　一个基本的Windows应用程序　43

2.3.1　Windows类　43

2.3.2　注册Windows类　47

2.3.3　创建窗口　47

2.3.4　事件处理程序　48

2.3.5　主事件循环　52

2.3.6　构建实时事件循环　55

2.4　DirectX和COM简明教程　56

2.4.1　HEL和HAL　57

2.4.2　DirectX基本类　58

2.5　COM简介　59

2.5.1　什么是COM对象　60

2.5.2　创建和使用DirectX COM接口　61

2.5.3　查询接口　62

2.6　总结　64

第3章　使用虚拟计算机进行3D游戏编程　65

3.1　虚拟计算机接口简介　65

3.2　建立虚拟计算机接口　66

3.2.1　帧缓存和视频系统　66

3.2.2　使用颜色　70

3.2.3　缓存交换　71

3.2.4　完整的虚拟图形系统　73

3.2.5　I/O、声音和音乐　73

3.3　T3DLIB游戏控制台　74

3.3.1　T3DLIB系统概述　74

3.3.2　基本游戏控制台　74

3.4　T3DLIB1库　79

3.4.1　DirectX图形引擎体系结构　79

3.4.2　基本常量　79

3.4.3　工作宏　81

3.4.4　数据类型和结构　81

3.4.5　函数原型　84

3.4.6　全局变量　88

3.4.7　DirectDraw接口　89

3.4.8　2D多边形函数　92

3.4.9　数学函数和错误函数　97

3.4.10　位图函数　99

3.4.11　8位调色板函数　102

3.4.12　实用函数　104

3.4.13　BOB(Blitter对象)引擎　106

3.5　T3DLIB2 DirectX输入系统　112

3.6　T3DLIB3声音和音乐库　116

3.6.1　头文件　117

3.6.2　类型　117

3.6.3　全局变量　117

3.6.4　DirectSound API封装函数　118

3.6.5　DirectMusic API封装函数　121

3.7　建立最终的T3D游戏控制台　124

3.7.1　映射真实图形到虚拟接口的非真实图形　124

3.7.2　最终的T3DLIB游戏控制台　126

3.8　范例T3LIB应用程序　134

3.8.1　窗口应用程序　134

3.8.2　全屏应用程序　135

3.8.3　声音和音乐　136

3.8.4　处理输入　136

3.9　总结　139

第二部分　3D数学和变换

第4章　三角学、向量、矩阵和四元数　142

4.1　数学表示法　142

4.2　2D坐标系　143

4.2.1　2D笛卡尔坐标　143

4.2.2　2D极坐标　144

4.3　3D坐标系　147

4.3.1　3D笛卡尔坐标　147

4.3.2　3D柱面坐标　149

4.3.3　3D球面坐标　150

4.4　三角学　151

4.4.1　直角三角形　151

4.4.2　反三角函数　153

4.4.3　三角恒等式　153

4.5　向量　154

4.5.1　向量长度　155

4.5.2　归一化　155

4.5.3　向量和标量的乘法　155

4.5.4　向量加法　156

4.5.5　向量减法　157

4.5.6　点积　157

4.5.7　叉积　159

4.5.8　零向量　160

4.5.9　位置和位移向量　160

4.5.10　用线性组合表示的向量　161

4.6　矩阵和线性代数　161

4.6.1　单位矩阵　162

4.6.2　矩阵加法　163

4.6.3　矩阵的转置　163

4.6.4　矩阵乘法　164

4.6.5　矩阵运算满足的定律　165

4.7　逆矩阵和方程组求解　165

4.7.1　克来姆法则　167

4.7.2　使用矩阵进行变换　168

4.7.3　齐次坐标　169

4.7.4　应用矩阵变换　170

4.8　基本几何实体　176

4.8.1　点　176

4.8.2　直线　176

4.8.3　平面　179

4.9　使用参数化方程　182

4.9.1　2D参数化直线　182

4.9.2　3D参数化直线　184

4.10　四元数简介　189

4.10.1　复数理论　189

4.10.2　超复数　193

4.10.3　四元数的应用　197

4.11　总结　200

第5章　建立数学引擎　201

5.1　数学引擎概述　201

5.1.1　数学引擎的文件结构　201

5.1.2　命名规则　202

5.1.3　错误处理　203

5.1.4　关于C++的最后说明　203

5.2　数据结构和类型　203

5.2.1　向量和点　203

5.2.2　参数化直线　204

5.2.3　3D平面　206

5.2.4　矩阵　206

5.2.5　四元数　209

5.2.6　角坐标系支持　210

5.2.7　2D极坐标　210

5.2.8　3D柱面坐标　211

5.2.9　3D球面坐标　211

5.2.10　定点数　212

5.3　数学常量　213

5.4　宏和内联函数　214

5.4.1　通用宏　218

5.4.2　点和向量宏　218

5.4.3　矩阵宏　219

5.4.4　四元数　220

5.4.5　定点数宏　221

5.5　函数原型　221

5.6　全局变量　224

5.7　数学引擎API清单　225

5.7.1　三角函数　225

5.7.2　坐标系支持函数　226

5.7.3　向量支持函数　228

5.7.4　矩阵支持函数　235

5.7.5　2D和3D参数化直线支持函数　245

5.7.6　3D平面支持函数　248

5.7.7　四元数支持函数　252

5.7.8　定点数支持函数　259

5.7.9　方程求解支持函数　263

5.8　浮点单元运算初步　265

5.8.1　FPU体系结构　266

5.8.2　FPU堆栈　266

5.8.3　FPU指令集　268

5.8.4　经典指令格式　270

5.8.5　内存指令格式　271

5.8.6　寄存器指令格式　271

5.8.7　寄存器弹出指令格式　271

5.8.8　FPU范例　271

5.8.9　FLD范例　272

5.8.10　FST范例　272

5.8.11　FADD范例　273

5.8.12　FSUB范例　275

5.8.13　FMUL范例　276

5.8.14　FDIV范例　278

5.9　数学引擎使用说明　279

5.10　关于数学优化的说明　280

5.11　总结　280

第6章　3D图形学简介　282

6.1　3D引擎原理　282

6.2　3D游戏引擎的结构　282

6.2.1　3D引擎　283

6.2.2　游戏引擎　283

6.2.3　输入系统和网络　284

6.2.4　动画系统　284

6.2.5　碰撞检测和导航系统　287

6.2.6　物理引擎　288

6.2.7　人工智能系统　289

6.2.8　3D模型和图像数据库　289

6.3　3D坐标系　291

6.3.1　模型(局部)坐标　291

6.3.2　世界坐标　293

6.3.3　相机坐标　296

6.3.4　有关相机坐标的说明　302

6.3.5　隐藏物体(面)消除和裁剪　303

6.3.6　透视坐标　308

6.3.7　流水线终点：屏幕坐标　315

6.4　基本的3D数据结构　321

6.4.1　表示3D多边形数据时需要考虑的问题　322

6.4.2　定义多边形　323

6.4.3　定义物体　327

6.4.4　表示世界　330

6.5　3D工具　331

6.6　从外部加载数据　332

6.6.1　PLG文件　333

6.6.2　NFF文件　335

6.6.3　3D Studio文件　338

6.6.4　Caligari COB文件　343

6.6.5　Microsoft DirectX .X文件　345

6.6.6　3D文件格式小结　345

6.7　基本刚性变换和动画　345

6.7.1　3D平移　345

6.7.2　3D旋转　346

6.7.3　3D变形　347

6.8　再看观察流水线　348

6.9　3D引擎类型　349

6.9.1　太空引擎　349

6.9.2　地形引擎　350

6.9.3　FPS室内引擎　351

6.9.4　光线投射和体素引擎　352

6.9.5　混合引擎　353

6.10　将各种功能集成到引擎中　353

6.11　总结　353

第7章　渲染3D线框世界　354

7.1　线框引擎的总体体系结构　354

7.1.1　数据结构和3D流水线　355

7.1.2　主多边形列表　357

7.1.3　新的软件模块　359

7.2　编写3D文件加载器　359

7.3　构建3D流水线　367

7.3.1　通用变换函数　367

7.3.2　局部坐标到世界坐标变换　372

7.3.3　欧拉相机模型　375

7.3.4　UVN相机模型　377

7.3.5　世界坐标到相机坐标变换　387

7.3.6　物体剔除　390

7.3.7　背面消除　393

7.3.8　相机坐标到透视坐标变换　395

7.3.9　透视坐标到屏幕(视口)坐标变换　399

7.3.10　合并透视变换和屏幕变换　403

7.4　渲染3D世界　405

7.5　3D演示程序　408

7.5.1　单个3D三角形　408

7.5.2　3D线框立方体　411

7.5.3　消除了背面的3D线框立方体　413

7.5.4　3D坦克演示程序　414

7.5.5　相机移动的3D坦克演示程序　416

7.5.6　战区漫步演示程序　418

7.6　总结　421

第三部分　基本3D渲染

第8章　基本光照和实体造型　424

8.1　计算机图形学的基本光照模型　424

8.1.1　颜色模型和材质　426

8.1.2　光源类型　432

8.2　三角形的光照计算和光栅化　437

8.2.1　为光照做准备　441

8.2.2　定义材质　442

8.2.3　定义光源　445

8.3　真实世界中的着色　449

8.3.1　16位着色　449

8.3.2　8位着色　450

8.3.3　一个健壮的用于8位模式的RGB模型　450

8.3.4　一个简化的用于8位模式的强度模型　453

8.3.5　固定着色　457

8.3.6　恒定着色　459

8.3.7　Gouraud着色概述　472

8.3.8　Phong着色概述　474

8.4　深度排序和画家算法　475

8.5　使用新的模型格式　479

8.5.1　分析器类　479

8.5.2　辅助函数　482

8.5.3　3D Studio MAX ASCII格式.ASC　484

8.5.4　TrueSpace ASCII.COB格式　486

8.5.5　Quake II二进制.MD2格式概述　494

8.6　3D建模工具简介　495

8.7　总结　497

第9章　插值着色技术和仿射纹理映射　498

9.1　新T3D引擎的特性　498

9.2　更新T3D数据结构和设计　499

9.2.1　新的#defines　499

9.2.2　新增的数学结构　501

9.2.3　实用宏　502

9.2.4　添加表示3D网格数据的特性　503

9.2.5　更新物体结构和渲染列表结构　508

9.2.6　函数清单和原型　511

9.3　重新编写物体加载函数　517

9.3.1　更新.PLG/PLX加载函数　517

9.3.2　更新3D Studio .ASC加载函数　527

9.3.3　更新Caligari .COB加载函数　528

9.4　回顾多边形的光栅化　532

9.4.1　三角形的光栅化　532

9.4.2　填充规则　535

9.4.3　裁剪　537

9.4.4　新的三角形渲染函数　538

9.4.5　优化　542

9.5　实现Gouraud着色处理　543

9.5.1　没有光照时的Gouraud着色　544

9.5.2　对使用Gouraud Shader的多边形执行光照计算　553

9.6　基本采样理论　560

9.6.1　一维空间中的采样　560

9.6.2　双线性插值　561

9.6.3　u和v的插值　563

9.6.4　实现仿射纹理映射　564

9.7　更新光照/光栅化引擎以支持纹理　566

9.8　对8位和16位模式下优化策略的最后思考　571

9.8.1　查找表　571

9.8.2　网格的顶点结合性　572

9.8.3　存储计算结果　572

9.8.4　SIMD　573

9.9　最后的演示程序　573

9.10　总结　576

第10章　3D裁剪　577

10.1　裁剪简介　577

10.1.1　物体空间裁剪　577

10.1.2　图像空间裁剪　580

10.2　裁剪算法　581

10.2.1　有关裁剪的基本知识　581

10.2.2　Cohen-Sutherland裁剪算法　585

10.2.3　Cyrus-Beck/梁友栋-Barsky裁剪算法　586

10.2.4　Weiler-Atherton裁剪算法　588

10.2.5　深入学习裁剪算法　590

10.3　实现视景体裁剪　591

10.3.1　几何流水线和数据结构　592

10.3.2　在引擎中加入裁剪功能　593

10.4　地形小议　611

10.4.1　地形生成函数　612

10.4.2　生成地形数据　619

10.4.3　沙地汽车演示程序　619

10.5　总结　623

第11章　深度缓存和可见性　624

11.1　深度缓存和可见性简介　624

11.2　z缓存基础　626

11.2.1　z缓存存在的问题　627

11.2.2　z缓存范例　627

11.2.3　平面方程法　630

11.2.4　z坐标插值　631

11.2.5　z缓存中的问题和1/z缓存　632

11.2.6　一个通过插值计算z和1/z的例子　633

11.3　创建z缓存系统　635

11.4　可能的z缓存优化　649

11.4.1　使用更少的内存　649

11.4.2　降低清空z缓存的频率　650

11.4.3　混合z缓存　651

11.5　z缓存存在的问题　651

11.6　软件和z缓存演示程序　652

11.6.1　演示程序I：z缓存可视化　652

11.6.2　演示程序II：Wave Raider　653

11.7　总结　658

第四部分　高级3D渲染

第12章　高级纹理映射技术　660

12.1　纹理映射——第二波　660

12.2　新的光栅化函数　667

12.2.1　最终决定使用定点数　667

12.2.2　不使用z缓存的新光栅化函数　668

12.2.3　支持z缓存的新光栅化函数　670

12.3　使用Gouruad着色的纹理映射　671

12.4　透明度和alpha混合　677

12.4.1　使用查找表来进行alpha混合　678

12.4.2　在物体级支持alpha混合功能　688

12.4.3　在地形生成函数中加入

alpha支持　694

12.5　透视修正纹理映射和1/z缓存　696

12.5.1　透视纹理映射的数学基础　696

12.5.2　在光栅化函数中加入1/z缓存功能　702

12.5.3　实现完美透视修正纹理映射　707

12.5.4　实现线性分段透视修正纹理映射　710

12.5.5　透视修正纹理映射的二次近似　714

12.5.6　使用混合方法优化纹理映射　718

12.6　双线性纹理滤波　719

12.7　Mipmapping和三线性纹理滤波　724

12.7.1　傅立叶分析和走样简介　725

12.7.2　创建Mip纹理链　727

12.7.3　选择mip纹理　734

12.7.4　三线性滤波　739

12.8　多次渲染和纹理映射　740

12.9　使用单个函数来完成渲染工作　741

12.9.1　新的渲染场境　741

12.9.2　设置渲染场境　743

12.9.3　调用对渲染场境进行渲染的函数　745

12.10　总结　753

第13章　空间划分和可见性算法　754

13.1　新的游戏引擎模块　754

13.2　空间划分和可见面判定简介　754

13.3　二元空间划分　757

13.3.1　平行于坐标轴的二元空间划分　758

13.3.2　任意平面空间划分　759

13.3.3　使用多边形所在的平面来划分空间　760

13.3.4　显示/访问BSP树中的每个节点　762

13.3.5　BSP树数据结构和支持函数　763

13.3.6　创建BSP树　765

13.3.7　分割策略　767

13.3.8　遍历和显示BSP树　775

13.3.9　将BSP树集成到图形流水线中　784

13.3.10　BSP关卡编辑器　785

13.3.11　BSP的局限性　793

13.3.12　使用BSP树的零重绘策略　794

13.3.13　将BSP树用于剔除　795

13.3.14　将BSP树用于碰撞检测　802

13.3.15　集成BSP树和标准渲染　802

13.4　潜在可见集　807

13.4.1　使用潜在可见集　808

13.4.2　潜在可见集的其他编码方法　809

13.4.3　流行的PVS计算方法　810

13.5　入口　811

13.6　包围体层次结构和八叉树　813

13.6.1　使用BHV树　815

13.6.2　运行性能　816

13.6.3　选择策略　817

13.6.4　实现BHV　818

13.6.5　八叉树　825

13.7　遮掩剔除　825

13.7.1　遮掩体　826

13.7.2　选择遮掩物　826

13.7.3　混合型遮掩物选择方法　827

13.8　总结　827

第14章　阴影和光照映射　828

14.1　新的游戏引擎模块　828

14.2　概述　828

14.3　简化的阴影物理学　829

14.4　使用透视图像和广告牌来模拟阴影　832

14.4.1　编写支持透明功能的光栅化函数　833

14.4.2　新的库模块　835

14.4.3　简单阴影　837

14.4.4　缩放阴影　839

14.4.5　跟踪光源　841

14.4.6　有关模拟阴影的最后思考　844

14.5　平面网格阴影映射　845

14.5.1　计算投影变换　845

14.5.2　优化平面阴影　848

14.6　光照映射和面缓存技术简介　848

14.6.1　面缓存技术　850

14.6.2　生成光照图　850

14.6.3　实现光照映射函数　851

14.6.4　暗映射(dark mapping)　853

14.6.5　光照图特效　854

14.6.6　优化光照映射代码　854

14.7　整理思路　854

14.8　总结　854

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　858

15.1　新的游戏引擎模块　858

15.2　3D动画简介　858

15.3　Quake II .MD2文件格式　859

15.3.1　.MD2文件头　861

15.3.2　加载Quake II .MD2文件　868

15.3.3　使用.MD2文件实现动画　874

15.3.4　.MD2演示程序　882

15.4　不基于角色的简单动画　883

15.4.1　旋转运动和平移运动　883

15.4.2　复杂的参数化曲线移动　885

15.4.3　使用脚本来实现运动　885

15.5　3D碰撞检测　887

15.5.1　包围球和包围圆柱　887

15.5.2　使用数据结构来提高碰撞检测的速度　888

15.5.3　地形跟踪技术　889

15.6　总结　890

第16章　优化技术　891

16.1　优化技术简介　891

16.2　使用Microsoft Visual C++和Intel VTune剖析代码　892

16.2.1　使用Visual C++进行剖析　892

16.2.2　分析剖析数据　893

16.2.3　使用VTune进行优化　894

16.3　使用Intel C++编译器　899

16.3.1　下载Intel的优化编译器　900

16.3.2　使用Intel编译器　900

16.3.3　使用编译器选项　901

16.3.4　手工为源文件选择编译器　901

16.3.5　优化策略　902

16.4　SIMD编程初步　902

16.4.1　SIMD基本体系结构　903

16.4.2　使用SIMD　903

16.4.3　一个SIMD 3D向量类　912

16.5　通用优化技巧　918

16.5.1　技巧1：消除_ftol()　918

16.5.2　技巧2：设置FPU控制字　918

16.5.3　技巧3：快速将浮点变量设置为零　919

16.5.4　技巧4：快速计算平方根　919

16.5.5　技巧5：分段线性反正切　920

16.5.6　技巧6：指针递增运算　920

16.5.7　技巧7：尽可能将if语句放在循环外面　921

16.5.8　技巧8：支化(branching)流水线　921

16.5.9　技巧9：数据对齐　921

16.5.10　技巧10：将所有简短函数都声明为内联的　922

16.5.11　参考文献　922

16.6　总结　922

第六部分　附录

附录A　光盘内容简介　CD: 924

附录B　安装DirectX和使用Visual C/C++　CD: 925

B.1　安装DirectX　CD: 925

B.2　使用Visual C/C++编译器　CD: 925

B.3　编译提示　CD: 926

附录C　三角学和向量参考　CD: 927

C.1　三角学　CD: 927

C.2　向量　CD: 929

C.2.1　向量长度　CD: 930

C.2.2　归一化　CD: 930

C.2.3　标量乘法　CD: 930

C.2.4　向量加法　CD: 931

C.2.5　向量减法　CD: 931

C.2.6　点积　CD: 932

C.2.7　叉积　CD: 933

C.2.8　零向量　CD: 934

C.2.9　位置向量　CD: 934

C.2.10　向量的线性组合　CD: 934

附录D　C++入门　CD: 935

D.1　C++是什么　CD: 935

D.2　必须掌握的C++知识　CD: 937

D.3　新的类型、关键字和约定　CD: 937

D.3.1　注释符　CD: 937

D.3.2　常量　CD: 937

D.3.3　引用型变量　CD: 938

D.3.4　即时创建变量　CD: 938

D.4　内存管理　CD: 939

D.5　流式输入/输出　CD: 939

D.6　类　CD: 941

D.6.1　新结构　CD: 941

D.6.2　一个简单的类　CD: 942

D.6.3　公有和私有　CD: 942

D.6.4　类的成员函数(方法)　CD: 943

D.6.5　构造函数和析构函数　CD: 944

D.6.6　编写构造函数　CD: 945

D.6.7　编写析构函数　CD: 946

D.7　域运算符　CD: 947

D.8　函数和运算符重载　CD: 948

D.9　基本模板　CD: 950

D.10　异常处理简介　CD: 951

D.11　总结　CD: 954

附录E　游戏编程资源　CD: 955

E.1　游戏编程和新闻网站　CD: 955

E.2　下载站点　CD: 955

E.3　2D/3D引擎　CD: 956

E.4　游戏编程书籍　CD: 956

E.5　微软公司的Direct X 多媒体展示　CD: 956

E.6　新闻组　CD: 957

E.7　跟上行业的步伐　CD: 957

E.8　游戏开发杂志　CD: 957

E.9　Quake资料　CD: 957

E.10　免费模型和纹理　CD: 957

E.11　游戏网站开发者　CD: 957

附录F　ASCII码表　CD: 959

......(更多)