DirectX 12 3D 游戲開發(fā)實戰(zhàn)

目錄
第　一部分 必備的數(shù)學(xué)知識
第　1章 向量代數(shù)　3
1．1　向量　3
1．1．1　向量與坐標系　4
1．1．2　左手坐標系與右手坐標系　5
1．1．3　向量的基本運算　6
1．2　長度和單位向量　8
1．3　點積　9
1．4　叉積　12
1．4．1　2D向量的偽叉積　13
1．4．2　通過叉積來進行正交化處理　13
1．5　點　14
1．6　利用DirectXMath庫進行向量運算　15
1．6．1　向量類型　16
1．6．2　加載方法和存儲方法　17
1．6．3　參數(shù)的傳遞　18
1．6．4　常向量　20
1．6．5　重載運算符　21
1．6．6　雜項　21
1．6．7　Setter函數(shù)　21
1．6．8　向量函數(shù)　23
1．6．9　浮點數(shù)誤差　26
1．7　小結(jié)　28
1．8　練習(xí)　29
第　2章 矩陣代數(shù)　34
2．1　矩陣的定義　34
2．2　矩陣乘法　36
2．2．1　定義　36
2．2．2　向量與矩陣的乘法　37
2．2．3　結(jié)合律　37
2．3　轉(zhuǎn)置矩陣　38
2．4　單位矩陣　38
2．5　矩陣的行列式　39
2．5．1　余子陣　40
2．5．2　行列式的定義　40
2．6　伴隨矩陣　41
2．7　逆矩陣　42
2．8　用DirectXMath庫處理矩陣　43
2．8．1　矩陣類型　44
2．8．2　矩陣函數(shù)　46
2．8．3　DirectXMath矩陣示例程序　47
2．9　小結(jié)　49
2．10　練習(xí)　49
第3章　變換　52
3．1　線性變換　52
3．1．1　定義　52
3．1．2　矩陣表示法　53
3．1．3　縮放　53
3．1．4　旋轉(zhuǎn)　55
3．2　仿射變換　58
3．2．1　齊次坐標　58
3．2．2　仿射變換的定義及其矩陣
表示　58
3．2．3　平移　59
3．2．4　縮放和旋轉(zhuǎn)的仿射矩陣　61
3．2．5　仿射變換矩陣的幾何意義　61
3．3　變換的復(fù)合　62
3．4　坐標變換　63
3．4．1　向量的坐標變換　64
3．4．2　點的坐標變換　65
3．4．3　坐標變換的矩陣表示　66
3．4．4　坐標變換矩陣及其結(jié)合律　66
3．4．5　坐標變換矩陣及其逆矩陣　67
3．5　變換矩陣與坐標變換矩陣　68
3．6　DirectXMath庫提供的變換函數(shù)　69
3．7　小結(jié)　70
3．8　練習(xí)　71
第二部分　Direct3D基礎(chǔ)
第4章　Direct3D的初始化　77
4．1　預(yù)備知識　77
4．1．1　Direct3D 12概述　77
4．1．2　組件對象模型　78
4．1．3　紋理格式　79
4．1．4　交換鏈和頁面翻轉(zhuǎn)　80
4．1．5　深度緩沖　81
4．1．6　資源與描述符　83
4．1．7　多重采樣技術(shù)的原理　85
4．1．8　利用Direct3D進行多重采樣　87
4．1．9　功能級別　88
4．1．10　DirectX圖形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)　89
4．1．11　功能支持的檢測　92
4．1．12　資源駐留　93
4．2　CPU與GPU間的交互　94
4．2．1　命令隊列和命令列表　94
4．2．2　CPU與GPU間的同步　98
4．2．3　資源轉(zhuǎn)換　100
4．2．4　命令與多線程　101
4．3　初始化Direct3D　102
4．3．1　創(chuàng)建設(shè)備　102
4．3．2　創(chuàng)建圍欄并獲取描述符的
大小　104
4．3．3　檢測對4X MSAA質(zhì)量級別的
支持　104
4．3．4　創(chuàng)建命令隊列和命令列表　105
4．3．5　描述并創(chuàng)建交換鏈　105
4．3．6　創(chuàng)建描述符堆　107
4．3．7　創(chuàng)建渲染目標視圖　108
4．3．8　創(chuàng)建深度/模板緩沖區(qū)及其
視圖　110
4．3．9　設(shè)置視口　114
4．3．10　設(shè)置裁剪矩形　115
4．4　計時與動畫　116
4．4．1　性能計時器　116
4．4．2　游戲計時器類　117
4．4．3　幀與幀之間的時間間隔　118
4．4．4　總時間　120
4．5　應(yīng)用程序框架示例　123
4．5．1　D3DApp類　123
4．5．2　非框架方法　126
4．5．3　框架方法　127
4．5．4　幀的統(tǒng)計信息　128
4．5．5　消息處理函數(shù)　130
4．5．6　“初始化Direct3D演示”
程序　131
4．6　調(diào)試Direct3D應(yīng)用程序　135
4．7　小結(jié)　137
第5章　渲染流水線　139
5．1　3D視覺即錯覺？　140
5．2　模型的表示　141
5．3　計算機色彩基礎(chǔ)　142
5．3．1　顏色運算　143
5．3．2　128位顏色　143
5．3．3　32位顏色　144
5．4　渲染流水線概述　145
5．5　輸入裝配器階段　147
5．5．1　頂點　147
5．5．2　圖元拓撲　147
5．5．3　索引　151
5．6　頂點著色器階段　152
5．6．1　局部空間和世界空間　153
5．6．2　觀察空間　156
5．6．3　投影和齊次裁剪空間　158
5．7　曲面細分階段　164
5．8　幾何著色器階段　165
5．9　裁剪　165
5．10　光柵化階段　167
5．10．1　視口變換　167
5．10．2　背面剔除　167
5．10．3　頂點屬性插值　169
5．11　像素著色器階段　170
5．12　輸出合并階段　170
5．13　小結(jié)　171
5．14　練習(xí)　171
第6章　利用Direct3D繪制幾何體　175
6．1　頂點與輸入布局　175
6．2　頂點緩沖區(qū)　178
6．3　索引和索引緩沖區(qū)　183
6．4　頂點著色器示例　187
6．5　像素著色器示例　192
6．6　常量緩沖區(qū)　195
6．6．1　創(chuàng)建常量緩沖區(qū)　195
6．6．2　更新常量緩沖區(qū)　198
6．6．3　上傳緩沖區(qū)輔助函數(shù)　198
6．6．4　常量緩沖區(qū)描述符　201
6．6．5　根簽名和描述符表　202
6．7　編譯著色器　206
6．7．1　離線編譯　208
6．7．2　生成著色器匯編代碼　210
6．7．3　利用Visual Studio離線編譯
著色器　212
6．8　光柵器狀態(tài)　213
6．9　流水線狀態(tài)對象　214
6．10　幾何圖形輔助結(jié)構(gòu)體　217
6．11　立方體演示程序　219
6．12　小結(jié)　229
6．13　練習(xí)　230
第7章　利用Direct3D繪制幾何體（續(xù)）　235
7．1　幀資源　235
7．2　渲染項　238
7．3　渲染過程中所用到的常量數(shù)據(jù)　239
7．4　不同形狀的幾何體　242
7．4．1　生成柱體網(wǎng)格　244
7．4．2　生成球體網(wǎng)格　248
7．4．3　生成幾何球體網(wǎng)格　249
7．5　繪制多種幾何體演示程序　251
7．5．1　頂點緩沖區(qū)和索引緩沖區(qū)　252
7．5．2　渲染項　255
7．5．3　幀內(nèi)資源和常量緩沖區(qū)視圖　257
7．5．4　繪制場景　260
7．6　細探根簽名　262
7．6．1　根參數(shù)　263
7．6．2　描述符表　264
7．6．3　根描述符　266
7．6．4　根常量　267
7．6．5　更復(fù)雜的根簽名示例　269
7．6．6　根參數(shù)的版本控制　270
7．7　陸地與波浪演示程序　271
7．7．1　生成柵格頂點　273
7．7．2　生成柵格索引　274
7．7．3　應(yīng)用計算高度的函數(shù)　275
7．7．4　根常量緩沖區(qū)視圖　277
7．7．5　動態(tài)頂點緩沖區(qū)　279
7．8　小結(jié)　281
7．9　練習(xí)　282
第8章　光照　283
8．1　光照與材質(zhì)的交互　283
8．2　法向量　285
8．2．1　計算法向量　286
8．2．2　變換法向量　288
8．3　參與光照計算的一些關(guān)鍵向量　289
8．4　朗伯余弦定律　290
8．5　漫反射光照　292
8．6　環(huán)境光照　292
8．7　鏡面光照　293
8．7．1　菲涅耳效應(yīng)　294
8．7．2　表面粗糙度　296
8．8　光照模型的概述　298
8．9　材質(zhì)的實現(xiàn)　299
8．10　平行光源　304
8．11　點光源　304
8．12　聚光燈光源　306
8．13　光照的具體實現(xiàn)　306
8．13．1　Light結(jié)構(gòu)體　307
8．13．2　常用輔助函數(shù)　308
8．13．3　實現(xiàn)方向光源　310
8．13．4　實現(xiàn)點光源　310
8．13．5　實現(xiàn)聚光燈光源　311
8．13．6　多種光照的疊加　312
8．13．7　HLSL主文件　313
8．14　光照演示程序　316
8．14．1　頂點格式　317
8．14．2　計算法線　317
8．14．3　更新光照的方向　319
8．14．4　更新根簽名　320
8．15　小結(jié)　320
8．16　練習(xí)　321
第9章　紋理貼圖　323
9．1　紋理與資源的回顧　324
9．2　紋理坐標　325
9．3　紋理數(shù)據(jù)源　328
9．3．1　DDS格式概述　328
9．3．2　創(chuàng)建DDS文件　329
9．4　創(chuàng)建以及啟用紋理　330
9．4．1　加載DDS文件　330
9．4．2　著色器資源視圖堆　331
9．4．3　創(chuàng)建著色器資源視圖描述符　331
9．4．4　將紋理綁定到流水線　333
9．5　過濾器　335
9．5．1　放大　335
9．5．2　縮小　337
9．5．3　各向異性過濾　338
9．6　尋址模式　339
9．7　采樣器對象　341
9．7．1　創(chuàng)建采樣器　341
9．7．2　靜態(tài)采樣器　344
9．8　在著色器中對紋理進行采樣　346
9．9　板條箱演示程序　347
9．9．1　指定紋理坐標　347
9．9．2　創(chuàng)建紋理　348
9．9．3　設(shè)置紋理　349
9．9．4　更新HLSL部分代碼　349
9．10　紋理變換　352
9．11　附有紋理的山川演示程序　353
9．11．1　生成柵格紋理坐標　353
9．11．2　鋪設(shè)紋理　355
9．11．3　紋理動畫　355
9．12　小結(jié)　356
9．13　練習(xí)　356
第　10章 混合　359
10．1　混合方程　360
10．2　混合運算　360
10．3　混合因子　362
10．4　混合狀態(tài)　363
10．5　混合示例　365
10．5．1　禁止顏色的寫操作　365
10．5．2　加法混合與減法混合　366
10．5．3　乘法混合　366
10．5．4　透明混合　367
10．5．5　混合與深度緩沖區(qū)　368
10．6　alpha通道　368
10．7　裁剪像素　369
10．8　霧　371
10．9　小結(jié)　377
10．10　練習(xí)　377
第　11章 模板　379
11．1　深度/模板緩沖區(qū)的格式及其資源
數(shù)據(jù)的清理　380
11．2　模板測試　381
11．3　描述深度/模板狀態(tài)　382
11．3．1　深度信息的相關(guān)設(shè)置　382
11．3．2　模板信息的相關(guān)設(shè)置　383
11．3．3　創(chuàng)建和綁定深度/模板狀態(tài)　384
11．4　實現(xiàn)平面鏡效果　385
11．4．1　鏡像概述　385
11．4．2　定義鏡像的深度/模板狀態(tài)　387
11．4．3　繪制場景　389
11．4．4　繞序與鏡像　390
11．5　實現(xiàn)平面陰影　391
11．5．1　平行光陰影　391
11．5．2　點光陰影　393
11．5．3　通用陰影矩陣　394
11．5．4　使用模板緩沖區(qū)防止雙重
混合　394
11．5．5　編寫陰影部分的代碼　395
11．6　小結(jié)　396
11．7　練習(xí)　397
第　12章 幾何著色器　402
12．1　編寫幾何著色器　402
12．2　以公告牌技術(shù)實現(xiàn)森林效果　408
12．2．1　概述　408
12．2．2　頂點結(jié)構(gòu)體　410
12．2．3　HLSL文件　411
12．2．4　SV_PrimitiveID語義　416
12．3　紋理數(shù)組　417
12．3．1　概述　417
12．3．2　對紋理數(shù)組進行采樣　417
12．3．3　加載紋理數(shù)組　418
12．3．4　紋理子資源　418
12．4　alpha-to-coverage技術(shù)　419
12．5　小結(jié)　421
12．6　練習(xí)　422
第　13章 計算著色器　425
13．1　線程與線程組　427
13．2　一個簡單的計算著色器　428
13．3　數(shù)據(jù)的輸入與輸出資源　430
13．3．1　紋理輸入　430
13．3．2　紋理輸出與無序訪問視圖　430
13．3．3　利用索引對紋理進行采樣　433
13．3．4　結(jié)構(gòu)化緩沖區(qū)資源　435
13．3．5　將計算著色器的執(zhí)行結(jié)果
復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)存　437
13．4　線程標識的系統(tǒng)值　441
13．5　追加緩沖區(qū)與消費緩沖區(qū)　442
13．6　共享內(nèi)存與線程同步　443
13．7　圖像模糊演示程序　445
13．7．1　圖像模糊理論　445
13．7．2　渲染到紋理技術(shù)　448
13．7．3　圖像模糊的實現(xiàn)概述　450
13．7．4　計算著色器程序　456
13．8　拓展資料　461
13．9　小結(jié)　461
13．10　練習(xí)　463
第　14章 曲面細分階段　468
14．1　曲面細分的圖元類型　469
14．2　外殼著色器　470
14．2．1　常量外殼著色器　470
14．2．2　控制點外殼著色器　473
14．3　鑲嵌器階段　474
14．3．1　四邊形面片的曲面細分
示例　475
14．3．2　三角形面片的曲面細分
示例　475
14．4　域著色器　476
14．5　對四邊形進行鑲嵌化處理　477
14．6　三次貝塞爾四邊形面片　481
14．6．1　貝塞爾曲線　482
14．6．2　三次貝塞爾曲面　484
14．6．3　計算三次貝塞爾曲面的
相關(guān)代碼　485
14．6．4　定義面片的幾何形狀　487
14．7　小結(jié)　489
14．8　練習(xí)　490
第三部分　主 題 篇
第　15章 構(gòu)建第 一人稱視角的攝像機與
動態(tài)索引　493
15．1　重溫取景變換　493
15．2　攝像機類　494
15．3　攝像機類中的方法實現(xiàn)選講　496
15．3．1　返回XMVECTOR類型
變量的方法　496
15．3．2　SetLens方法　497
15．3．3　推導(dǎo)視錐體信息　497
15．3．4　與攝像機相關(guān)的變換
操作　498
15．3．5　構(gòu)建觀察矩陣　499
15．4　攝像機演示程序的若干注解　500
15．5　動態(tài)索引　502
15．6　小結(jié)　509
15．7　練習(xí)　509
第　16章 實例化與視錐體剔除　511
16．1　硬件實例化　511
16．1．1　繪制實例數(shù)據(jù)　512
16．1．2　實例數(shù)據(jù)　512
16．1．3　創(chuàng)建實例緩沖區(qū)　517
16．2　包圍體與視錐體　519
16．2．1　DirectXMath碰撞檢測庫　520
16．2．2　包圍盒　520
16．2．3　包圍球　523
16．2．4　視錐體　524
16．3　視錐體剔除　529
16．4　小結(jié)　532
16．5　練習(xí)　533
第　17章 拾取　535
17．1　屏幕空間到投影窗口的變換　536
17．2　位于世界空間與局部空間中的
拾取射線　539
17．3　射線與網(wǎng)格的相交檢測　540
17．3．1　射線與軸對齊包圍盒的
相交檢測　542
17．3．2　射線與球體的相交檢測　542
17．3．3　射線與三角形的相交檢測　543
17．4　應(yīng)用例程　545
17．5　小結(jié)　546
17．6　練習(xí)　547
第　18章 立方體貼圖　548
18．1　什么是立方體貼圖　548
18．2　環(huán)境貼圖　549
18．3　繪制天空紋理　552
18．4　模擬反射　556
18．5　動態(tài)立方體圖　559
18．5．1　動態(tài)立方體圖輔助類　561
18．5．2　構(gòu)建立方體圖資源　562
18．5．3　分配額外的描述符堆空間　562
18．5．4　構(gòu)建描述符　564
18．5．5　構(gòu)建深度緩沖區(qū)　565
18．5．6　立方體圖的視口與裁剪矩形　566
18．5．7　設(shè)置立方體圖攝像機　566
18．5．8　對立方體圖進行繪制　568
18．6　用幾何著色器繪制動態(tài)
立方體圖　571
18．7　小結(jié)　574
18．8　練習(xí)　574
第　19章 法線貼圖　577
19．1　使用法線貼圖的動機　577
19．2　什么是法線貼圖　578
19．3　紋理空間/切線空間　580
19．4　頂點切線空間　582
19．5　在切線空間與物體空間之間進行
轉(zhuǎn)換　583
19．6　法線貼圖的著色器代碼　584
19．7　小結(jié)　588
19．8　練習(xí)　589
第　20章 陰影貼圖　591
20．1　渲染場景深度　591
20．2　正交投影　594
20．3　投影紋理坐標　595
20．3．1　代碼實現(xiàn)　597
20．3．2　視錐體之外的點　598
20．3．3　正交投影　598
20．4　什么是陰影貼圖　599
20．4．1　算法描述　599
20．4．2　偏移與走樣　600
20．4．3　百分比漸近過濾　603
20．4．4　構(gòu)建陰影圖　607
20．4．5　陰影因子　612
20．4．6　陰影圖檢測　614
20．4．7　渲染陰影圖　614
20．5　過大的PCF核　615
20．5．1　ddx函數(shù)與ddy函數(shù)　616
20．5．2　較大PCF核問題的解決
方案　616
20．5．3　較大PCF核問題的另一種
解決方案　618
20．6　小結(jié)　619
20．7　練習(xí)　620
第　21章 環(huán)境光遮蔽　622
21．1　通過投射光線實現(xiàn)環(huán)境光遮蔽　623
21．2　屏幕空間環(huán)境光遮蔽　626
21．2．1　法線與深度值的渲染過程　626
21．2．2　環(huán)境光遮蔽的渲染過程　628
21．2．3　模糊過程　637
21．2．4　使用環(huán)境光遮蔽圖　641
21．3　小結(jié)　642
21．4　練習(xí)　642
第　22章 四元數(shù)　644
22．1　復(fù)數(shù)回顧　644
22．1．1　定義　645
22．1．2　復(fù)數(shù)的幾何意義　645
22．1．3　極坐標表示法與旋轉(zhuǎn)操作　646
22．2　四元數(shù)代數(shù)　647
22．2．1　定義與基本運算　647
22．2．2　特殊乘積　648
22．2．3　性質(zhì)　648
22．2．4　轉(zhuǎn)換　649
22．2．5　共軛與范數(shù)　649
22．2．6　四元數(shù)的逆　650
22．2．7　極坐標表示法　651
22．3　單位四元數(shù)及其旋轉(zhuǎn)操作　652
22．3．1　旋轉(zhuǎn)算子　652
22．3．2　將四元數(shù)旋轉(zhuǎn)算子轉(zhuǎn)換為
矩陣形式　654
22．3．3　將旋轉(zhuǎn)矩陣變換為四元數(shù)
旋轉(zhuǎn)算子　655
22．3．4　復(fù)合　657
22．4　四元數(shù)插值　657
22．5　DirectX數(shù)學(xué)庫中與四元數(shù)有關(guān)的
函數(shù)　661
22．6　旋轉(zhuǎn)演示程序　662
22．7　小結(jié)　667
22．8　練習(xí)　667
第　23章 角色動畫　670
23．1　框架層次　670
23．2　蒙皮網(wǎng)格　674
23．2．1　定義　674
23．2．2　重新推導(dǎo)將骨骼變換至根
坐標系的公式　674
23．2．3　偏移變換　675
23．2．4　驅(qū)動骨架運動　675
23．2．5　計算最終變換　677
23．3　頂點混合　679
23．4　從文件中加載動畫數(shù)據(jù)　682
23．4．1　文件頭　682
23．4．2　材質(zhì)　683
23．4．3　子集　683
23．4．4　頂點數(shù)據(jù)與三角形　684
23．4．5　骨骼偏移變換　685
23．4．6　層次結(jié)構(gòu)　685
23．4．7　動畫數(shù)據(jù)　686
23．4．8　M3DLoader類　688
23．5　角色動畫演示程序　689
23．6　小結(jié)　692
23．7　練習(xí)　694
附錄A　Windows編程入門　695
A．1　概述　696
A．1．1　資源　696
A．1．2　事件、消息隊列、消息以及
消息循環(huán)　696
A．1．3　圖形用戶界面　698
A．1．4　Unicode　698
A．2　基本的Windows應(yīng)用程序　699
A．3　講解基本W(wǎng)indows應(yīng)用程序的
工作流程　702
A．3．1　程序中的頭文件、全局變量
以及函數(shù)聲明　702
A．3．2　WinMain　703
A．3．3　WNDCLASS結(jié)構(gòu)體與
實例注冊　704
A．3．4　創(chuàng)建并顯示窗口　705
A．3．5　消息循環(huán)　707
A．3．6　窗口過程　708
A．3．7　消息框函數(shù)　710
A．4　一種更靈活的消息循環(huán)　710
A．5　小結(jié)　711
A．6　練習(xí)　711
附錄B　高級著色器語言參考　713
B．1　變量類型　713
B．1．1　標量類型　713
B．1．2　向量類型　713
B．1．3　矩陣類型　714
B．1．4　數(shù)組　716
B．1．5　結(jié)構(gòu)體　716
B．1．6　typedef關(guān)鍵字　716
B．1．7　變量的修飾符　717
B．1．8　強制類型轉(zhuǎn)換　717
B．2　關(guān)鍵字與運算符　718
B．2．1　關(guān)鍵字　718
B．2．2　運算符　718
B．3　程序中的控制流　720
B．4　函數(shù)　721
B．4．1　用戶自定義函數(shù)　721
B．4．2　內(nèi)置函數(shù)　722
B．4．3　常量緩沖區(qū)的封裝規(guī)則　725
附錄C　解析幾何學(xué)選講　728
C．1　射線、直線以及線段　728
C．2　平行四邊形　729
C．3　三角形　729
C．4　平面　730
C．4．1　DirectX數(shù)學(xué)庫中平面的表示　731
C．4．2　空間點與平面的位置關(guān)系　731
C．4．3　構(gòu)建平面　732
C．4．4　對平面進行規(guī)范化處理　733
C．4．5　對平面進行變換　733
C．4．6　平面內(nèi)離指定點最近的點　734
C．4．7　射線與平面的相交檢測　734
C．4．8　反射向量　735
C．4．9　反射點　735
C．4．10　反射矩陣　736
C．5　練習(xí)　737
附錄D　參考資料　739