《DirectX 12 3D 游戏开发实战》配套资源

内容简介

Direct3D是微软公司DirectX SDK集成开发包中的重要组成部分，是编写高性能3D图形应用程序的渲染库，适用于多媒体、娱乐、即时3D动画等广泛和实用的3D图形计算领域。

本书围绕交互式计算机图形学这一主题展开，着重介绍Direct3D的基础知识和着色器编程的方法，并介绍了如何利用Direct3D来实现各种有趣的技术与特效，旨在为读者学习图形技术奠定坚实的基础。本书包括3部分内容。第一部分介绍数学知识，涵盖向量代数、矩阵代数和变换等内容。这是贯穿全书的数学工具，是读者需要掌握的基础内容。第二部分重点介绍Direct3D的基础知识，展示用Direct3D来实现绘图任务的基本概念与技术，如渲染流水线、纹理贴图、混合、曲面细分等。第三部分则利用Direct3D来实现各种有趣的特效，如实例化与视锥体剔除、阴影贴图、环境光遮蔽等。

本书适合希望通过Direct3D来学习3D编程的C++中级程序员阅读，也可供已对Direct3D有一定了解或具有非DirectX API使用经验的3D程序员参考。

作者简介

弗兰克·D·卢娜（Frank D. Luna），毕业于加利福尼亚大学欧文分校，获得数学学士学位，具备着超过15年的DirectX交互式图形学编程经验，著有3本DirectX畅销书，曾从事3D医疗可视化、3D建筑设计软件以及游戏相关工作。

目录

• 第　一部分 必备的数学知识
• 第　1章 向量代数　3
• 1．1　向量　3
• 1．1．1　向量与坐标系　4
• 1．1．2　左手坐标系与右手坐标系　5
• 1．1．3　向量的基本运算　6
• 1．2　长度和单位向量　8
• 1．3　点积　9
• 1．4　叉积　12
• 1．4．1　2D向量的伪叉积　13
• 1．4．2　通过叉积来进行正交化处理　13
• 1．5　点　14
• 1．6　利用DirectXMath库进行向量运算　15
• 1．6．1　向量类型　16
• 1．6．2　加载方法和存储方法　17
• 1．6．3　参数的传递　18
• 1．6．4　常向量　20
• 1．6．5　重载运算符　21
• 1．6．6　杂项　21
• 1．6．7　Setter函数　21
• 1．6．8　向量函数　23
• 1．6．9　浮点数误差　26
• 1．7　小结　28
• 1．8　练习　29
• 第　2章 矩阵代数　34
• 2．1　矩阵的定义　34
• 2．2　矩阵乘法　36
• 2．2．1　定义　36
• 2．2．2　向量与矩阵的乘法　37
• 2．2．3　结合律　37
• 2．3　转置矩阵　38
• 2．4　单位矩阵　38
• 2．5　矩阵的行列式　39
• 2．5．1　余子阵　40
• 2．5．2　行列式的定义　40
• 2．6　伴随矩阵　41
• 2．7　逆矩阵　42
• 2．8　用DirectXMath库处理矩阵　43
• 2．8．1　矩阵类型　44
• 2．8．2　矩阵函数　46
• 2．8．3　DirectXMath矩阵示例程序　47
• 2．9　小结　49
• 2．10　练习　49
• 第3章　变换　52
• 3．1　线性变换　52
• 3．1．1　定义　52
• 3．1．2　矩阵表示法　53
• 3．1．3　缩放　53
• 3．1．4　旋转　55
• 3．2　仿射变换　58
• 3．2．1　齐次坐标　58
• 3．2．2　仿射变换的定义及其矩阵表示　58
• 3．2．3　平移　59
• 3．2．4　缩放和旋转的仿射矩阵　61
• 3．2．5　仿射变换矩阵的几何意义　61
• 3．3　变换的复合　62
• 3．4　坐标变换　63
• 3．4．1　向量的坐标变换　64
• 3．4．2　点的坐标变换　65
• 3．4．3　坐标变换的矩阵表示　66
• 3．4．4　坐标变换矩阵及其结合律　66
• 3．4．5　坐标变换矩阵及其逆矩阵　67
• 3．5　变换矩阵与坐标变换矩阵　68
• 3．6　DirectXMath库提供的变换函数　69
• 3．7　小结　70
• 3．8　练习　71
• 第二部分　Direct3D基础
• 第4章　Direct3D的初始化　77
• 4．1　预备知识　77
• 4．1．1　Direct3D 12概述　77
• 4．1．2　组件对象模型　78
• 4．1．3　纹理格式　79
• 4．1．4　交换链和页面翻转　80
• 4．1．5　深度缓冲　81
• 4．1．6　资源与描述符　83
• 4．1．7　多重采样技术的原理　85
• 4．1．8　利用Direct3D进行多重采样　87
• 4．1．9　功能级别　88
• 4．1．10　DirectX图形基础结构　89
• 4．1．11　功能支持的检测　92
• 4．1．12　资源驻留　93
• 4．2　CPU与GPU间的交互　94
• 4．2．1　命令队列和命令列表　94
• 4．2．2　CPU与GPU间的同步　98
• 4．2．3　资源转换　100
• 4．2．4　命令与多线程　101
• 4．3　初始化Direct3D　102
• 4．3．1　创建设备　102
• 4．3．2　创建围栏并获取描述符的大小　104
• 4．3．3　检测对4X MSAA质量级别的支持　104
• 4．3．4　创建命令队列和命令列表　105
• 4．3．5　描述并创建交换链　105
• 4．3．6　创建描述符堆　107
• 4．3．7　创建渲染目标视图　108
• 4．3．8　创建深度/模板缓冲区及其视图　110
• 4．3．9　设置视口　114
• 4．3．10　设置裁剪矩形　115
• 4．4　计时与动画　116
• 4．4．1　性能计时器　116
• 4．4．2　游戏计时器类　117
• 4．4．3　帧与帧之间的时间间隔　118
• 4．4．4　总时间　120
• 4．5　应用程序框架示例　123
• 4．5．1　D3DApp类　123
• 4．5．2　非框架方法　126
• 4．5．3　框架方法　127
• 4．5．4　帧的统计信息　128
• 4．5．5　消息处理函数　130
• 4．5．6　“初始化Direct3D演示”程序　131
• 4．6　调试Direct3D应用程序　135
• 4．7　小结　137
• 第5章　渲染流水线　139
• 5．1　3D视觉即错觉？　140
• 5．2　模型的表示　141
• 5．3　计算机色彩基础　142
• 5．3．1　颜色运算　143
• 5．3．2　128位颜色　143
• 5．3．3　32位颜色　144
• 5．4　渲染流水线概述　145
• 5．5　输入装配器阶段　147
• 5．5．1　顶点　147
• 5．5．2　图元拓扑　147
• 5．5．3　索引　151
• 5．6　顶点着色器阶段　152
• 5．6．1　局部空间和世界空间　153
• 5．6．2　观察空间　156
• 5．6．3　投影和齐次裁剪空间　158
• 5．7　曲面细分阶段　164
• 5．8　几何着色器阶段　165
• 5．9　裁剪　165
• 5．10　光栅化阶段　167
• 5．10．1　视口变换　167
• 5．10．2　背面剔除　167
• 5．10．3　顶点属性插值　169
• 5．11　像素着色器阶段　170
• 5．12　输出合并阶段　170
• 5．13　小结　171
• 5．14　练习　171
• 第6章　利用Direct3D绘制几何体　175
• 6．1　顶点与输入布局　175
• 6．2　顶点缓冲区　178
• 6．3　索引和索引缓冲区　183
• 6．4　顶点着色器示例　187
• 6．5　像素着色器示例　192
• 6．6　常量缓冲区　195
• 6．6．1　创建常量缓冲区　195
• 6．6．2　更新常量缓冲区　198
• 6．6．3　上传缓冲区辅助函数　198
• 6．6．4　常量缓冲区描述符　201
• 6．6．5　根签名和描述符表　202
• 6．7　编译着色器　206
• 6．7．1　离线编译　208
• 6．7．2　生成着色器汇编代码　210
• 6．7．3　利用Visual Studio离线编译着色器　212
• 6．8　光栅器状态　213
• 6．9　流水线状态对象　214
• 6．10　几何图形辅助结构体　217
• 6．11　立方体演示程序　219
• 6．12　小结　229
• 6．13　练习　230
• 第7章　利用Direct3D绘制几何体（续）　235
• 7．1　帧资源　235
• 7．2　渲染项　238
• 7．3　渲染过程中所用到的常量数据　239
• 7．4　不同形状的几何体　242
• 7．4．1　生成柱体网格　244
• 7．4．2　生成球体网格　248
• 7．4．3　生成几何球体网格　249
• 7．5　绘制多种几何体演示程序　251
• 7．5．1　顶点缓冲区和索引缓冲区　252
• 7．5．2　渲染项　255
• 7．5．3　帧内资源和常量缓冲区视图　257
• 7．5．4　绘制场景　260
• 7．6　细探根签名　262
• 7．6．1　根参数　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　更复杂的根签名示例　269
• 7．6．6　根参数的版本控制　270
• 7．7　陆地与波浪演示程序　271
• 7．7．1　生成栅格顶点　273
• 7．7．2　生成栅格索引　274
• 7．7．3　应用计算高度的函数　275
• 7．7．4　根常量缓冲区视图　277
• 7．7．5　动态顶点缓冲区　279
• 7．8　小结　281
• 7．9　练习　282
• 第8章　光照　283
• 8．1　光照与材质的交互　283
• 8．2　法向量　285
• 8．2．1　计算法向量　286
• 8．2．2　变换法向量　288
• 8．3　参与光照计算的一些关键向量　289
• 8．4　朗伯余弦定律　290
• 8．5　漫反射光照　292
• 8．6　环境光照　292
• 8．7　镜面光照　293
• 8．7．1　菲涅耳效应　294
• 8．7．2　表面粗糙度　296
• 8．8　光照模型的概述　298
• 8．9　材质的实现　299
• 8．10　平行光源　304
• 8．11　点光源　304
• 8．12　聚光灯光源　306
• 8．13　光照的具体实现　306
• 8．13．1　Light结构体　307
• 8．13．2　常用辅助函数　308
• 8．13．3　实现方向光源　310
• 8．13．4　实现点光源　310
• 8．13．5　实现聚光灯光源　311
• 8．13．6　多种光照的叠加　312
• 8．13．7　HLSL主文件　313
• 8．14　光照演示程序　316
• 8．14．1　顶点格式　317
• 8．14．2　计算法线　317
• 8．14．3　更新光照的方向　319
• 8．14．4　更新根签名　320
• 8．15　小结　320
• 8．16　练习　321
• 第9章　纹理贴图　323
• 9．1　纹理与资源的回顾　324
• 9．2　纹理坐标　325
• 9．3　纹理数据源　328
• 9．3．1　DDS格式概述　328
• 9．3．2　创建DDS文件　329
• 9．4　创建以及启用纹理　330
• 9．4．1　加载DDS文件　330
• 9．4．2　着色器资源视图堆　331
• 9．4．3　创建着色器资源视图描述符　331
• 9．4．4　将纹理绑定到流水线　333
• 9．5　过滤器　335
• 9．5．1　放大　335
• 9．5．2　缩小　337
• 9．5．3　各向异性过滤　338
• 9．6　寻址模式　339
• 9．7　采样器对象　341
• 9．7．1　创建采样器　341
• 9．7．2　静态采样器　344
• 9．8　在着色器中对纹理进行采样　346
• 9．9　板条箱演示程序　347
• 9．9．1　指定纹理坐标　347
• 9．9．2　创建纹理　348
• 9．9．3　设置纹理　349
• 9．9．4　更新HLSL部分代码　349
• 9．10　纹理变换　352
• 9．11　附有纹理的山川演示程序　353
• 9．11．1　生成栅格纹理坐标　353
• 9．11．2　铺设纹理　355
• 9．11．3　纹理动画　355
• 9．12　小结　356
• 9．13　练习　356
• 第　10章 混合　359
• 10．1　混合方程　360
• 10．2　混合运算　360
• 10．3　混合因子　362
• 10．4　混合状态　363
• 10．5　混合示例　365
• 10．5．1　禁止颜色的写操作　365
• 10．5．2　加法混合与减法混合　366
• 10．5．3　乘法混合　366
• 10．5．4　透明混合　367
• 10．5．5　混合与深度缓冲区　368
• 10．6　alpha通道　368
• 10．7　裁剪像素　369
• 10．8　雾　371
• 10．9　小结　377
• 10．10　练习　377
• 第　11章 模板　379
• 11．1　深度/模板缓冲区的格式及其资源数据的清理　380
• 11．2　模板测试　381
• 11．3　描述深度/模板状态　382
• 11．3．1　深度信息的相关设置　382
• 11．3．2　模板信息的相关设置　383
• 11．3．3　创建和绑定深度/模板状态　384
• 11．4　实现平面镜效果　385
• 11．4．1　镜像概述　385
• 11．4．2　定义镜像的深度/模板状态　387
• 11．4．3　绘制场景　389
• 11．4．4　绕序与镜像　390
• 11．5　实现平面阴影　391
• 11．5．1　平行光阴影　391
• 11．5．2　点光阴影　393
• 11．5．3　通用阴影矩阵　394
• 11．5．4　使用模板缓冲区防止双重混合　394
• 11．5．5　编写阴影部分的代码　395
• 11．6　小结　396
• 11．7　练习　397
• 第　12章 几何着色器　402
• 12．1　编写几何着色器　402
• 12．2　以公告牌技术实现森林效果　408
• 12．2．1　概述　408
• 12．2．2　顶点结构体　410
• 12．2．3　HLSL文件　411
• 12．2．4　SV_PrimitiveID语义　416
• 12．3　纹理数组　417
• 12．3．1　概述　417
• 12．3．2　对纹理数组进行采样　417
• 12．3．3　加载纹理数组　418
• 12．3．4　纹理子资源　418
• 12．4　alpha-to-coverage技术　419
• 12．5　小结　421
• 12．6　练习　422
• 第　13章 计算着色器　425
• 13．1　线程与线程组　427
• 13．2　一个简单的计算着色器　428
• 13．3　数据的输入与输出资源　430
• 13．3．1　纹理输入　430
• 13．3．2　纹理输出与无序访问视图　430
• 13．3．3　利用索引对纹理进行采样　433
• 13．3．4　结构化缓冲区资源　435
• 13．3．5　将计算着色器的执行结果复制到系统内存　437
• 13．4　线程标识的系统值　441
• 13．5　追加缓冲区与消费缓冲区　442
• 13．6　共享内存与线程同步　443
• 13．7　图像模糊演示程序　445
• 13．7．1　图像模糊理论　445
• 13．7．2　渲染到纹理技术　448
• 13．7．3　图像模糊的实现概述　450
• 13．7．4　计算着色器程序　456
• 13．8　拓展资料　461
• 13．9　小结　461
• 13．10　练习　463
• 第　14章 曲面细分阶段　468
• 14．1　曲面细分的图元类型　469
• 14．2　外壳着色器　470
• 14．2．1　常量外壳着色器　470
• 14．2．2　控制点外壳着色器　473
• 14．3　镶嵌器阶段　474
• 14．3．1　四边形面片的曲面细分示例　475
• 14．3．2　三角形面片的曲面细分示例　475
• 14．4　域着色器　476
• 14．5　对四边形进行镶嵌化处理　477
• 14．6　三次贝塞尔四边形面片　481
• 14．6．1　贝塞尔曲线　482
• 14．6．2　三次贝塞尔曲面　484
• 14．6．3　计算三次贝塞尔曲面的相关代码　485
• 14．6．4　定义面片的几何形状　487
• 14．7　小结　489
• 14．8　练习　490
• 第三部分　主 题 篇
• 第　15章 构建第 一人称视角的摄像机与动态索引　493
• 15．1　重温取景变换　493
• 15．2　摄像机类　494
• 15．3　摄像机类中的方法实现选讲　496
• 15．3．1　返回XMVECTOR类型变量的方法　496
• 15．3．2　SetLens方法　497
• 15．3．3　推导视锥体信息　497
• 15．3．4　与摄像机相关的变换操作　498
• 15．3．5　构建观察矩阵　499
• 15．4　摄像机演示程序的若干注解　500
• 15．5　动态索引　502
• 15．6　小结　509
• 15．7　练习　509
• 第　16章 实例化与视锥体剔除　511
• 16．1　硬件实例化　511
• 16．1．1　绘制实例数据　512
• 16．1．2　实例数据　512
• 16．1．3　创建实例缓冲区　517
• 16．2　包围体与视锥体　519
• 16．2．1　DirectXMath碰撞检测库　520
• 16．2．2　包围盒　520
• 16．2．3　包围球　523
• 16．2．4　视锥体　524
• 16．3　视锥体剔除　529
• 16．4　小结　532
• 16．5　练习　533
• 第　17章 拾取　535
• 17．1　屏幕空间到投影窗口的变换　536
• 17．2　位于世界空间与局部空间中的拾取射线　539
• 17．3　射线与网格的相交检测　540
• 17．3．1　射线与轴对齐包围盒的相交检测　542
• 17．3．2　射线与球体的相交检测　542
• 17．3．3　射线与三角形的相交检测　543
• 17．4　应用例程　545
• 17．5　小结　546
• 17．6　练习　547
• 第　18章 立方体贴图　548
• 18．1　什么是立方体贴图　548
• 18．2　环境贴图　549
• 18．3　绘制天空纹理　552
• 18．4　模拟反射　556
• 18．5　动态立方体图　559
• 18．5．1　动态立方体图辅助类　561
• 18．5．2　构建立方体图资源　562
• 18．5．3　分配额外的描述符堆空间　562
• 18．5．4　构建描述符　564
• 18．5．5　构建深度缓冲区　565
• 18．5．6　立方体图的视口与裁剪矩形　566
• 18．5．7　设置立方体图摄像机　566
• 18．5．8　对立方体图进行绘制　568
• 18．6　用几何着色器绘制动态立方体图　571
• 18．7　小结　574
• 18．8　练习　574
• 第　19章 法线贴图　577
• 19．1　使用法线贴图的动机　577
• 19．2　什么是法线贴图　578
• 19．3　纹理空间/切线空间　580
• 19．4　顶点切线空间　582
• 19．5　在切线空间与物体空间之间进行转换　583
• 19．6　法线贴图的着色器代码　584
• 19．7　小结　588
• 19．8　练习　589
• 第　20章 阴影贴图　591
• 20．1　渲染场景深度　591
• 20．2　正交投影　594
• 20．3　投影纹理坐标　595
• 20．3．1　代码实现　597
• 20．3．2　视锥体之外的点　598
• 20．3．3　正交投影　598
• 20．4　什么是阴影贴图　599
• 20．4．1　算法描述　599
• 20．4．2　偏移与走样　600
• 20．4．3　百分比渐近过滤　603
• 20．4．4　构建阴影图　607
• 20．4．5　阴影因子　612
• 20．4．6　阴影图检测　614
• 20．4．7　渲染阴影图　614
• 20．5　过大的PCF核　615
• 20．5．1　ddx函数与ddy函数　616
• 20．5．2　较大PCF核问题的解决方案　616
• 20．5．3　较大PCF核问题的另一种解决方案　618
• 20．6　小结　619
• 20．7　练习　620
• 第　21章 环境光遮蔽　622
• 21．1　通过投射光线实现环境光遮蔽　623
• 21．2　屏幕空间环境光遮蔽　626
• 21．2．1　法线与深度值的渲染过程　626
• 21．2．2　环境光遮蔽的渲染过程　628
• 21．2．3　模糊过程　637
• 21．2．4　使用环境光遮蔽图　641
• 21．3　小结　642
• 21．4　练习　642
• 第　22章 四元数　644
• 22．1　复数回顾　644
• 22．1．1　定义　645
• 22．1．2　复数的几何意义　645
• 22．1．3　极坐标表示法与旋转操作　646
• 22．2　四元数代数　647
• 22．2．1　定义与基本运算　647
• 22．2．2　特殊乘积　648
• 22．2．3　性质　648
• 22．2．4　转换　649
• 22．2．5　共轭与范数　649
• 22．2．6　四元数的逆　650
• 22．2．7　极坐标表示法　651
• 22．3　单位四元数及其旋转操作　652
• 22．3．1　旋转算子　652
• 22．3．2　将四元数旋转算子转换为矩阵形式　654
• 22．3．3　将旋转矩阵变换为四元数旋转算子　655
• 22．3．4　复合　657
• 22．4　四元数插值　657
• 22．5　DirectX数学库中与四元数有关的函数　661
• 22．6　旋转演示程序　662
• 22．7　小结　667
• 22．8　练习　667
• 第　23章 角色动画　670
• 23．1　框架层次　670
• 23．2　蒙皮网格　674
• 23．2．1　定义　674
• 23．2．2　重新推导将骨骼变换至根坐标系的公式　674
• 23．2．3　偏移变换　675
• 23．2．4　驱动骨架运动　675
• 23．2．5　计算最终变换　677
• 23．3　顶点混合　679
• 23．4　从文件中加载动画数据　682
• 23．4．1　文件头　682
• 23．4．2　材质　683
• 23．4．3　子集　683
• 23．4．4　顶点数据与三角形　684
• 23．4．5　骨骼偏移变换　685
• 23．4．6　层次结构　685
• 23．4．7　动画数据　686
• 23．4．8　M3DLoader类　688
• 23．5　角色动画演示程序　689
• 23．6　小结　692
• 23．7　练习　694
• 附录A　Windows编程入门　695
• A．1　概述　696
• A．1．1　资源　696
• A．1．2　事件、消息队列、消息以及消息循环　696
• A．1．3　图形用户界面　698
• A．1．4　Unicode　698
• A．2　基本的Windows应用程序　699
• A．3　讲解基本Windows应用程序的工作流程　702
• A．3．1　程序中的头文件、全局变量以及函数声明　702
• A．3．2　WinMain　703
• A．3．3　WNDCLASS结构体与实例注册　704
• A．3．4　创建并显示窗口　705
• A．3．5　消息循环　707
• A．3．6　窗口过程　708
• A．3．7　消息框函数　710
• A．4　一种更灵活的消息循环　710
• A．5　小结　711
• A．6　练习　711
• 附录B　高级着色器语言参考　713
• B．1　变量类型　713
• B．1．1　标量类型　713
• B．1．2　向量类型　713
• B．1．3　矩阵类型　714
• B．1．4　数组　716
• B．1．5　结构体　716
• B．1．6　typedef关键字　716
• B．1．7　变量的修饰符　717
• B．1．8　强制类型转换　717
• B．2　关键字与运算符　718
• B．2．1　关键字　718
• B．2．2　运算符　718
• B．3　程序中的控制流　720
• B．4　函数　721
• B．4．1　用户自定义函数　721
• B．4．2　内置函数　722
• B．4．3　常量缓冲区的封装规则　725
• 附录C　解析几何学选讲　728
• C．1　射线、直线以及线段　728
• C．2　平行四边形　729
• C．3　三角形　729
• C．4　平面　730
• C．4．1　DirectX数学库中平面的表示　731
• C．4．2　空间点与平面的位置关系　731
• C．4．3　构建平面　732
• C．4．4　对平面进行规范化处理　733
• C．4．5　对平面进行变换　733
• C．4．6　平面内离指定点最近的点　734
• C．4．7　射线与平面的相交检测　734
• C．4．8　反射向量　735
• C．4．9　反射点　735
• C．4．10　反射矩阵　736
• C．5　练习　737
• 附录D　参考资料　739