3D游戏编程大师技巧（附CD-ROM光盘一张）

    Andre LaMothe 有25年的计算行业从业经验，拥有数学、计算机科学和电子工程等学位，是20岁时就在NASA做研究工作的少数几人之一。在30岁之前，他在硅谷的众多公司中从事过咨询工作，了解了公司运作，获得了多种领域的知识，如电信、虚拟现实、机器人技术、编译器设计、3D引擎、人工智能以及计算和工程的其他领域的知识。 他创办的公司XTREME GAME公司一直是自成一体的游戏开发、发行商。后来他创办了XTREME GAMES DEVELOPER CONFERENCE （XGDC），为游戏开发人员提供了费用更低廉的GDC替代品。 最近，他参与了多个项目的开发工作，其中包括EGAMEZONE NETWORKS——一个公平、有趣、没有任何广告的网络游戏分发系统。他还创建了一家新公司——NURVE NETWORKS公司，为在乎价格的消费者和业余爱好者开发手持设备上的视频游戏系统。最后，他还是世界上最庞大的游戏开发系列丛书的编辑。

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