Vulkan開發(fā)實戰(zhàn)詳解

目 錄
第1章 初識Vulkan 1
1．1 Vulkan概覽 1
1．1．1 Vulkan簡介 1
1．1．2 支持Vulkan的游戲概覽 2
1．2 搭建開發(fā)環(huán)境 4
1．2．1 Android平臺開發(fā)環(huán)境的配置 4
1．2．2 Windows平臺開發(fā)環(huán)境的配置 8
1．3 第一個Vulkan程序 15
1．3．1 案例的運行效果 15
1．3．2 Vulkan應(yīng)用程序的基本架構(gòu) 15
1．3．3 3色三角形案例相關(guān)類的介紹 20
1．3．4 Vulkan中的常用方法 22
1．3．5 MyVulkanManager類的
基本結(jié)構(gòu) 28
1．3．6 創(chuàng)建Vulkan實例 31
1．3．7 獲取物理設(shè)備列表 32
1．3．8 創(chuàng)建邏輯設(shè)備 32
1．3．9 創(chuàng)建命令緩沖 33
1．3．10 獲取設(shè)備中支持圖形
工作的隊列 35
1．3．11 初始化交換鏈 35
1．3．12 創(chuàng)建深度緩沖 41
1．3．13 創(chuàng)建渲染通道 43
1．3．14 創(chuàng)建幀緩沖 46
1．3．15 創(chuàng)建繪制用物體 47
1．3．16 初始化渲染管線 51
1．3．17 創(chuàng)建柵欄和初始化呈現(xiàn)信息 62
1．3．18 初始化基本變換矩陣、
攝像機矩陣、投影矩陣 63
1．3．19 執(zhí)行繪制 63
1．3．20 銷毀相關(guān)對象 66
1．3．21 整體流程的執(zhí)行 67
1．3．22 頂點著色器和片元著色器 68
1．4 Vulkan中立體物體的構(gòu)建 70
1．5 本章小結(jié) 71
第2章 渲染管線和調(diào)試技術(shù) 72
2．1 渲染管線 72
2．2 著色器的預(yù)編譯 79
2．3 Vulkan調(diào)試技術(shù) 81
2．4 Vulkan GPU大PK 89
2．4．1 移動端GPU的4大家族 89
2．4．2 PC端GPU中3大家族 91
2．5 本章小結(jié) 92
第3章 著色器編程語言——GLSL 93
3．1 著色語言概述 93
3．2 著色語言基礎(chǔ) 94
3．2．1 數(shù)據(jù)類型概述 94
3．2．2 數(shù)據(jù)類型的基本使用 98
3．2．3 運算符 100
3．2．4 各個數(shù)據(jù)類型的構(gòu)造函數(shù) 102
3．2．5 類型轉(zhuǎn)換 104
3．2．6 存儲限定符 104
3．2．7 插值限定符 107
3．2．8 一致塊 108
3．2．9 layout限定符 109
3．2．10 流程控制 111
3．2．11 函數(shù)的聲明和使用 113
3．2．12 片元著色器中浮點及整型
變量精度的指定 114
3．2．13 程序的基本結(jié)構(gòu) 114
3．3 特殊的內(nèi)建變量 115
3．3．1 頂點著色器中的內(nèi)建變量 115
3．3．2 片元著色器中的內(nèi)建變量 116
3．3．3 內(nèi)建常量 117
3．4 著色語言的內(nèi)置函數(shù) 117
3．4．1 角度轉(zhuǎn)換與三角函數(shù) 118
3．4．2 指數(shù)函數(shù) 119
3．4．3 常見函數(shù) 120
3．4．4 幾何函數(shù) 123
3．4．5 矩陣函數(shù) 124
3．4．6 向量關(guān)系函數(shù) 125
3．4．7 紋理采樣函數(shù) 126
3．4．8 微分函數(shù) 129
3．4．9 浮點數(shù)打包與解包函數(shù) 129
3．5 用invariant修飾符避免值變
問題 130
3．6 預(yù)處理器 131
3．7 本章小結(jié) 132
第4章 投影與各種變換 133
4．1 矩陣相關(guān)類的介紹 133
4．1．1 矩陣數(shù)學(xué)計算類—Matrix 133
4．1．2 矩陣狀態(tài)管理
類—MatrixState3D 134
4．2 攝像機的設(shè)置 137
4．3 兩種投影方式 138
4．3．1 正交投影 138
4．3．2 透視投影 144
4．3．3 推送常量 146
4．4 各種變換 148
4．4．1 基本變換的相關(guān)數(shù)學(xué)知識 148
4．4．2 平移變換 149
4．4．3 旋轉(zhuǎn)變換 150
4．4．4 縮放變換 151
4．4．5 基本變換的實質(zhì) 152
4．5 所有變換的完整流程 153
4．6 繪制方式 156
4．6．1 各種繪制方式概覽 156
4．6．2 點與線段繪制方式 158
4．6．3 三角形條帶與扇面繪制方式 161
4．6．4 索引法繪制 164
4．7 設(shè)置合理的視角 169
4．8 設(shè)置合理的投影參數(shù) 174
4．9 深度偏移 178
4．10 卷繞和背面剪裁 181
4．10．1 基本知識 181
4．10．2 一個簡單的案例 182
4．11 間接繪制 183
4．11．1 背景知識 184
4．11．2 頂點法間接繪制 184
4．11．3 索引法間接繪制 186
4．12 本章小結(jié) 188
第5章 光照 189
5．1 曲面物體的構(gòu)建 189
5．1．1 球體構(gòu)建的基本原理 189
5．1．2 案例效果概覽 190
5．1．3 開發(fā)步驟 190
5．2 基本光照效果 194
5．2．1 光照的基本模型 194
5．2．2 環(huán)境光 195
5．2．3 散射光 199
5．2．4 鏡面光 205
5．2．5 3種光照通道的合成 210
5．3 定位光與定向光 212
5．4 點法向量和面法向量 215
5．5 光照的每頂點計算與每片元計算 218
5．6 本章小結(jié) 223
第6章 紋理映射 224
6．1 初識紋理映射 224
6．2 一個簡單的案例 225
6．2．1 開發(fā)前的準備工作 225
6．2．2 紋理相關(guān)類 226
6．2．3 案例代碼的開發(fā) 241
6．2．4 圖像的瓦片組織方式 248
6．2．5 色彩通道的靈活組合 250
6．3 紋理拉伸 251
6．3．1 四種拉伸方式概覽 251
6．3．2 不同拉伸方式的案例 254
6．4 紋理采樣 259
6．4．1 紋理采樣概述 259
6．4．2 最近點采樣 259
6．4．3 線性紋理采樣 260
6．4．4 MIN與MAG采樣 261
6．4．5 不同紋理采樣方式的案例 262
6．5 Mipmap紋理 266
6．5．1 基本原理 266
6．5．2 一個簡單的案例 268
6．6 多重紋理與過程紋理 272
6．6．1 案例概覽 273
6．6．2 將2D紋理映射到球面上的
策略 273
6．6．3 案例的場景結(jié)構(gòu) 274
6．6．4 開發(fā)過程 275
6．7 壓縮紋理的使用 283
6．7．1 Android平臺下的壓縮紋理 284
6．7．2 PC中Windows平臺下的
壓縮紋理 286
6．8 點精靈 289
6．8．1 基本知識 289
6．8．2 一個簡單的案例 289
6．9 3D紋理 292
6．9．1 3D棋盤紋理的準備 293
6．9．2 3D棋盤紋理案例的開發(fā) 294
6．10 2D紋理數(shù)組 297
6．10．1 2D紋理數(shù)組的準備 297
6．10．2 2D紋理數(shù)組案例的開發(fā) 298
6．11 各向異性過濾 302
6．11．1 背景知識 303
6．11．2 一個簡單的案例 303
6．12 本章小結(jié) 305
第7章 更逼真的場景——3D模型的加載 306
7．1 obj模型文件概述 306
7．1．1 obj文件的格式 306
7．1．2 用3ds Max設(shè)計3D模型 307
7．2 加載obj文件 308
7．2．1 加載僅有頂點坐標數(shù)據(jù)與
面數(shù)據(jù)的obj文件 308
7．2．2 加載后自動計算面法向量 312
7．2．3 加載后自動計算平均法向量 315
7．2．4 加載紋理坐標 317
7．2．5 加載頂點法向量 320
7．3 雙面光照 321
7．4 本章小結(jié) 324
第8章 獨特的場景渲染技術(shù)——
混合與霧 325
8．1 混合技術(shù) 325
8．1．1 基本知識 325
8．1．2 源因子和目標因子 326
8．1．3 簡單混合效果的案例 328
8．2 地月系云層效果的實現(xiàn) 330
8．3 霧 333
8．3．1 霧的原理與優(yōu)勢 333
8．3．2 霧的簡單實現(xiàn) 334
8．4 本章小結(jié) 336
第9章 常用3D開發(fā)小技巧 337
9．1 標志板 337
9．1．1 案例效果與基本原理 337
9．1．2 開發(fā)步驟 338
9．2 灰度圖地形 341
9．2．1 基本原理 341
9．2．2 開發(fā)前的準備工作 342
9．2．3 普通灰度圖地形 342
9．2．4 過程紋理地形 344
9．2．5 Mipmap地形 347
9．2．6 頂點著色器采樣紋理地形 351
9．3 高真實感地形 353
9．3．1 基本思路 353
9．3．2 地形設(shè)計工具EarthSculptor的
使用 354
9．3．3 一個簡單的案例 356
9．4 天空盒與天空穹 358
9．4．1 天空盒 358
9．4．2 天空穹 359
9．4．3 天空盒與天空穹的使用技巧 361
9．5 簡單鏡像效果 361
9．5．1 基本原理 361
9．5．2 基本效果案例 362
9．5．3 升級效果案例 364
9．6 非真實感繪制 366
9．6．1 基本原理與案例效果 366
9．6．2 具體開發(fā)步驟 368
9．7 描邊效果的實現(xiàn) 370
9．7．1 沿法線擠出輪廓 370
9．7．2 視空間中擠出 373
9．8 本章小結(jié) 374
第10章 兩種測試及片元丟棄 375
10．1 剪裁測試 375
10．1．1 基本原理與核心代碼 375
10．1．2 一個簡單的案例 375
10．2 模板測試 377
10．2．1 基本原理 377
10．2．2 一個簡單的案例 380
10．3 片元丟棄操作 383
10．4 任意剪裁平面 385
10．4．1 基本原理 385
10．4．2 茶壺被任意平面剪裁的
案例 386
10．5 本章小結(jié) 387
第11章 頂點著色器的妙用 388
11．1 飄揚的旗幟 388
11．1．1 基本原理 388
11．1．2 開發(fā)步驟 389
11．2 扭動的軟糖 392
11．2．1 基本原理 392
11．2．2 開發(fā)步驟 393
11．3 風吹椰林場景的開發(fā) 394
11．3．1 椰子樹隨風搖擺的
基本原理 395
11．3．2 開發(fā)步驟 396
11．4 展翅飛翔的雄鷹 400
11．4．1 基本原理 400
11．4．2 開發(fā)步驟 400
11．5 二維扭曲 402
11．5．1 基本原理 403
11．5．2 開發(fā)步驟 403
11．6 吹氣膨脹特效 406
11．6．1 基本原理 406
11．6．2 開發(fā)步驟 406
11．7 本章小結(jié) 407
第12章 片元著色器的妙用 408
12．1 程序紋理技術(shù) 408
12．1．1 磚塊著色器 408
12．1．2 沙灘球著色器 410
12．2 數(shù)字圖像處理 411
12．2．1 卷積的基本知識 411
12．2．2 平滑過濾 412
12．2．3 邊緣檢測 413
12．2．4 銳化處理 414
12．2．5 浮雕效果 414
12．2．6 圖像漸變 415
12．2．7 卡通渲染 416
12．3 分形著色器 418
12．3．1 曼德布羅集簡介 418
12．3．2 曼德布羅集著色器的實現(xiàn) 419
12．3．3 將曼德布羅集紋理應(yīng)用到
實際物體上 421
12．3．4 茱莉亞集著色器的實現(xiàn) 421
12．4 3D紋理的妙用 423
12．4．1 噪聲函數(shù)的基礎(chǔ)知識 423
12．4．2 柏林噪聲生成工具 426
12．4．3 3D噪聲木紋理茶壺的
開發(fā) 427
12．5 體積霧 429
12．5．1 基本原理 429
12．5．2 開發(fā)步驟 430
12．6 粒子系統(tǒng)火焰的開發(fā) 431
12．6．1 火焰的基本原理 431
12．6．2 普通版火焰 433
12．6．3 點精靈版火焰 441
12．7 本章小結(jié) 444
第13章 真實光學(xué)環(huán)境的模擬 445
13．1 反射環(huán)境模擬 445
13．1．1 案例效果與基本原理 445
13．1．2 開發(fā)前的準備工作 446
13．1．3 開發(fā)步驟 447
13．2 折射環(huán)境模擬 449
13．2．1 案例效果與基本原理 449
13．2．2 開發(fā)步驟 450
13．3 色散效果模擬 452
13．3．1 案例效果與基本原理 452
13．3．2 開發(fā)步驟 452
13．4 菲涅爾效果的模擬 453
13．4．1 案例效果與基本原理 453
13．4．2 開發(fā)步驟 454
13．5 凹凸映射 455
13．5．1 案例效果與基本原理 455
13．5．2 法向量紋理圖的生成 456
13．5．3 切向量的計算 458
13．5．4 案例的開發(fā) 459
13．6 鏡頭光暈 464
13．6．1 案例效果與基本原理 464
13．6．2 鏡頭光暈案例 465
13．7 投影貼圖 468
13．7．1 案例效果與基本原理 468
13．7．2 開發(fā)步驟 470
13．8 繪制到紋理 472
13．8．1 案例效果與基本原理 472
13．8．2 開發(fā)步驟 473
13．9 高級鏡像 476
13．9．1 案例效果與基本原理 476
13．9．2 開發(fā)步驟 477
13．10 高真實感水面倒影 480
13．10．1 案例效果與基本原理 480
13．10．2 開發(fā)步驟 481
13．11 本章小結(jié) 484
第14章 陰影及高級光照 485
14．1 多重渲染目標 485
14．1．1 基本知識 485
14．1．2 一個簡單的案例 486
14．2 陰影的重要性 491
14．3 平面陰影 493
14．3．1 案例效果與基本原理 493
14．3．2 開發(fā)步驟 494
14．4 陰影映射 497
14．4．1 案例效果與基本原理 497
14．4．2 距離紋理的生成 498
14．4．3 陰影場景的繪制 501
14．5 陰影貼圖 506
14．5．1 案例效果與基本原理 506
14．5．2 開發(fā)步驟 507
14．6 靜態(tài)光照貼圖 508
14．6．1 案例效果與基本原理 508
14．6．2 使用3ds Max制作靜態(tài)
光照貼圖 509
14．6．3 案例的開發(fā) 510
14．7 聚光燈高級光源 512
14．7．1 第一種實現(xiàn)的案例效果與
基本原理 513
14．7．2 第一種實現(xiàn)案例的開發(fā)
步驟 514
14．7．3 第二種實現(xiàn)的案例效果與
基本原理 515
14．7．4 第二種實現(xiàn)案例的開發(fā)
步驟 516
14．8 延遲渲染 517
14．8．1 案例效果與基本原理 517
14．8．2 開發(fā)步驟 518
14．9 環(huán)境光遮擋 522
14．9．1 基本原理 522
14．9．2 一個簡單的案例 524
14．9．3 效率的提升 526
14．9．4 平滑處理 528
14．10 本章小結(jié) 529
第15章 幾種高級著色器特效 530
15．1 運動模糊 530
15．1．1 普通運動模糊 530
15．1．2 高級運動模糊 533
15．2 遮擋透視效果 536
15．2．1 案例效果與基本原理 536
15．2．2 開發(fā)步驟 538
15．3 積雪效果 541
15．3．1 案例效果與基本原理 541
15．3．2 開發(fā)步驟 541
15．4 背景虛化 542
15．4．1 案例效果與基本原理 542
15．4．2 開發(fā)步驟 543
15．5 泛光效果 545
15．5．1 案例效果與基本原理 545
15．5．2 開發(fā)步驟 546
15．6 色調(diào)映射 548
15．6．1 案例效果與背景知識 548
15．6．2 開發(fā)步驟 549
15．7 體繪制 550
15．7．1 案例效果與基本原理 550
15．7．2 開發(fā)步驟 551
15．8 本章小結(jié) 553
第16章 骨骼動畫 554
16．1 開發(fā)骨骼動畫 554
16．1．1 骨骼動畫的基本原理 554
16．1．2 開發(fā)步驟 557
16．1．3 機器人模型在地面上運動時的
問題 563
16．2 ms3d骨骼動畫文件的加載 566
16．2．1 ms3d文件的格式 566
16．2．2 將3ds Max動畫文件轉(zhuǎn)換為
ms3d文件 570
16．2．3 加載ms3d文件案例的
開發(fā) 574
16．3 自定義格式骨骼動畫的加載 591
16．3．1 bnggdh文件的格式 591
16．3．2 Bnggdh類 594
16．3．3 加載bnggdh文件的案例 594
16．4 本章小結(jié) 606
第17章 讓應(yīng)用運行得更流暢——
性能優(yōu)化 607
17．1 著色器的優(yōu)化 607
17．1．1 計算量及計算頻率的
相關(guān)問題 607
17．1．2 其他需要注意的問題 608
17．2 紋理圖的優(yōu)化 609
17．3 3D圖形繪制的優(yōu)化 610
17．3．1 CPU階段的優(yōu)化 610
17．3．2 幾何階段的優(yōu)化 611
17．3．3 光柵化階段的優(yōu)化 612
17．4 圖元重啟 612
17．4．1 基本原理 612
17．4．2 一個簡單的案例 613
17．5 幾何體實例渲染 614
17．5．1 基本原理 614
17．5．2 基于實例渲染的土星光環(huán)
案例 615
17．6 視錐體剪裁 620
17．6．1 AABB包圍盒的基本原理 620
17．6．2 AABB包圍盒的計算 621
17．6．3 視錐體剪裁的基本思路及
實現(xiàn)策略 622
17．6．4 一個簡單的案例 623
17．7 遮擋查詢 626
17．7．1 相關(guān)方法 626
17．7．2 基本原理和實現(xiàn)策略 626
17．7．3 一個簡單的案例 627
17．8 計算著色器的使用 630
17．8．1 基礎(chǔ)知識 630
17．8．2 動態(tài)法向量光照水面案例 633
17．9 多線程并發(fā)渲染 640
17．9．1 基本原理 641
17．9．2 飛船案例的開發(fā) 641
17．10 多子通道渲染 646
17．10．1 基本原理 646
17．10．2 一個簡單的案例 647
17．11 細節(jié)級別LOD 652
17．12 本章小結(jié) 653
第18章 雜項 654
18．1 四元數(shù)旋轉(zhuǎn) 654
18．1．1 基本原理與案例效果 654
18．1．2 開發(fā)步驟 656
18．2 3D拾取技術(shù) 662
18．2．1 案例效果與基本原理 662
18．2．2 開發(fā)步驟 665
18．3 多重采樣抗鋸齒 670
18．3．1 基本知識與案例效果 670
18．3．2 一個簡單的案例 671
18．4 保存屏幕截圖 674
18．5 Windows系統(tǒng)窗口縮放 676
18．6 曲面細分著色器 677
18．6．1 基本知識 677
18．6．2 一個簡單的案例 680
18．7 幾何著色器 685
18．8 macOS、iOS與Linux平臺下Vulkan
應(yīng)用的開發(fā) 688
18．8．1 macOS與iOS平臺下Vulkan
應(yīng)用程序的開發(fā) 688
18．8．2 Linux平臺下Vulkan圖形應(yīng)用
程序的開發(fā) 692
18．9 本章小結(jié) 700
第19章 基于Vulkan的3D休閑游戲——
方塊歷險記 701
19．1 游戲背景及功能概述 701
19．1．1 游戲開發(fā)背景概述 701
19．1．2 游戲功能簡介 701
19．2 游戲的策劃及準備工作 702
19．2．1 游戲的策劃 703
19．2．2 游戲的開發(fā)準備工作 703
19．3 游戲的架構(gòu) 705
19．3．1 各類的簡要介紹 705
19．3．2 游戲框架簡介 706
19．4 布景相關(guān)類 707
19．4．1 3D布景類——My3Dlayer 707
19．4．2 總繪制類——MyDraw 712
19．4．3 攝像機管理類——
CameraUtil 716
19．4．4 3D物體創(chuàng)建類——
Square3D 717
19．5 機關(guān)與方塊相關(guān)類 718
19．5．1 方塊管理類——
ZFTManager 718
19．5．2 地刺機關(guān)管理類——
DiCiBox 721
19．5．3 掉落塊機關(guān)管理類——
DiaoLuoManager 722
19．6 游戲入口及輔助工具類 724
19．6．1 游戲入口類——main 724
19．6．2 觸控監(jiān)聽類——Touch2D 726
19．7 著色器的開發(fā) 728
19．8 游戲的優(yōu)化及改進 730