DirectX 12 3D 游戏开发实战电子书

版 权

版权声明

内容提要

前 言

资源与支持

致 谢

第一部分 必备的数学知识

第1章 向量代数

1.1 向量

1.1.1 向量与坐标系

1.1.2 左手坐标系与右手坐标系

1.1.3 向量的基本运算

1.2 长度和单位向量

1.3 点积

正交化

1.4 叉积

1.4.1 2D向量的伪叉积

1.4.2 通过叉积来进行正交化处理

1.5 点

1.6 利用DirectXMath库进行向量运算

1.6.1 向量类型

1.6.2 加载方法和存储方法

1.6.3 参数的传递

1.6.4 常向量

1.6.5 重载运算符

1.6.6 杂项

1.6.7 Setter函数

1.6.8 向量函数

1.6.9 浮点数误差

1.7 小结

1.8 练习

第2章 矩阵代数

2.1 矩阵的定义

2.2 矩阵乘法

2.2.1 定义

2.2.2 向量与矩阵的乘法

2.2.3 结合律

2.3 转置矩阵

2.4 单位矩阵

2.5 矩阵的行列式

2.5.1 余子阵

2.5.2 行列式的定义

2.6 伴随矩阵

2.7 逆矩阵

2.8 用DirectXMath库处理矩阵

2.8.1 矩阵类型

2.8.2 矩阵函数

2.8.3 DirectXMath矩阵示例程序

2.9 小结

2.10 练习

第3章 变换

3.1 线性变换

3.1.1 定义

3.1.2 矩阵表示法

3.1.3 缩放

3.1.4 旋转

3.2 仿射变换

3.2.1 齐次坐标

3.2.2 仿射变换的定义及其矩阵表示

3.2.3 平移

3.2.4 缩放和旋转的仿射矩阵

3.2.5 仿射变换矩阵的几何意义

3.3 变换的复合[2]

3.4 坐标变换[3]

3.4.1 向量的坐标变换

3.4.2 点的坐标变换

3.4.3 坐标变换的矩阵表示

3.4.4 坐标变换矩阵及其结合律

3.4.5 坐标变换矩阵及其逆矩阵

3.5 变换矩阵与坐标变换矩阵

3.6 DirectXMath库提供的变换函数

3.7 小结

3.8 练习

第二部分 Direct3D基础

第4章 Direct3D的初始化

4.1 预备知识

4.1.1 Direct3D 12概述

4.1.2 组件对象模型

4.1.3 纹理格式

4.1.4 交换链和页面翻转

4.1.5 深度缓冲

4.1.6 资源与描述符

4.1.7 多重采样技术的原理

4.1.8 利用Direct3D进行多重采样

4.1.9 功能级别

4.1.10 DirectX图形基础结构

4.1.11 功能支持的检测

4.1.12 资源驻留

4.2 CPU与GPU间的交互

4.2.1 命令队列和命令列表

4.2.2 CPU与GPU间的同步

4.2.3 资源转换

4.2.4 命令与多线程

4.3 初始化Direct3D

4.3.1 创建设备

4.3.2 创建围栏并获取描述符的大小

4.3.3 检测对4X MSAA质量级别的支持

4.3.4 创建命令队列和命令列表

4.3.5 描述并创建交换链

4.3.6 创建描述符堆

4.3.7 创建渲染目标视图

4.3.8 创建深度/模板缓冲区及其视图

4.3.9 设置视口

4.3.10 设置裁剪矩形

4.4 计时与动画

4.4.1 性能计时器

4.4.2 游戏计时器类

4.4.3 帧与帧之间的时间间隔

4.4.4 总时间

4.5 应用程序框架示例

4.5.1 D3DApp类

4.5.2 非框架方法

4.5.3 框架方法

4.5.4 帧的统计信息

4.5.5 消息处理函数

4.5.6 初始化Direct3D演示程序

4.6 调试Direct3D应用程序[46]

4.7 小结

第5章 渲染流水线

5.1 3D视觉即错觉？

5.2 模型的表示

5.3 计算机色彩基础

5.3.1 颜色运算

5.3.2 128位颜色

5.3.3 32位颜色

5.4 渲染流水线概述

5.5 输入装配器阶段

5.5.1 顶点

5.5.2 图元拓扑

5.5.3 索引

5.6 顶点着色器阶段

5.6.1 局部空间和世界空间

5.6.2 观察空间

5.6.3 投影和齐次裁剪空间

5.7 曲面细分阶段

5.8 几何着色器阶段

5.9 裁剪

5.10 光栅化阶段

5.10.1 视口变换

5.10.2 背面剔除

5.10.3 顶点属性插值

5.11 像素着色器阶段

5.12 输出合并阶段

5.13 小结

5.14 练习

第6章 利用Direct3D绘制几何体

6.1 顶点与输入布局

6.2 顶点缓冲区

6.3 索引和索引缓冲区

6.4 顶点着色器示例

连接输入布局描述符与输入签名

6.5 像素着色器示例

6.6 常量缓冲区

6.6.1 创建常量缓冲区

6.6.2 更新常量缓冲区

6.6.3 上传缓冲区辅助函数

6.6.4 常量缓冲区描述符

6.6.5 根签名和描述符表

6.7 编译着色器

6.7.1 离线编译

6.7.2 生成着色器汇编代码

6.7.3 利用Visual Studio离线编译着色器

6.8 光栅器状态

6.9 流水线状态对象

6.10 几何图形辅助结构体

6.11 立方体演示程序

6.12 小结

6.13 练习

第7章 利用Direct3D绘制几何体（续）

7.1 帧资源

7.2 渲染项

7.3 渲染过程中所用到的常量数据

7.4 不同形状的几何体

7.4.1 生成柱体网格

7.4.2 生成球体网格

7.4.3 生成几何球体网格

7.5 绘制多种几何体演示程序

7.5.1 顶点缓冲区和索引缓冲区

7.5.2 渲染项

7.5.3 帧资源和常量缓冲区视图

7.5.4 绘制场景

7.6 细探根签名

7.6.1 根参数

7.6.2 描述符表

7.6.3 根描述符

7.6.4 根常量

7.6.5 更复杂的根签名示例

7.6.6 根参数的版本控制

7.7 陆地与波浪演示程序

7.7.1 生成栅格顶点

7.7.2 生成栅格索引

7.7.3 应用计算高度的函数

7.7.4 根常量缓冲区视图

7.7.5 动态顶点缓冲区

7.8 小结

7.9 练习

第8章 光照

8.1 光照与材质的交互

8.2 法向量

8.2.1 计算法向量

8.2.2 变换法向量

8.3 参与光照计算的一些关键向量

8.4 朗伯余弦定律

8.5 漫反射光照

8.6 环境光照

8.7 镜面光照

8.7.1 菲涅耳效应

8.7.2 表面粗糙度

8.8 光照模型的概述

8.9 材质的实现

8.10 平行光源

8.11 点光源

衰减

8.12 聚光灯光源

8.13 光照的具体实现

8.13.1 Light结构体

8.13.2 常用辅助函数

8.13.3 实现方向光源

8.13.4 实现点光源

8.13.5 实现聚光灯光源

8.13.6 多种光照的叠加

8.13.7 HLSL主文件

8.14 光照演示程序

8.14.1 顶点格式

8.14.2 计算法线

8.14.3 更新光照的方向

8.14.4 更新根签名

8.15 小结

8.16 练习

第9章 纹理贴图

9.1 纹理与资源的回顾

9.2 纹理坐标

9.3 纹理数据源

9.3.1 DDS格式概述

9.3.2 创建DDS文件

9.4 创建以及启用纹理

9.4.1 加载DDS文件

9.4.2 着色器资源视图堆

9.4.3 创建着色器资源视图描述符

9.4.4 将纹理绑定到流水线

9.5 过滤器[5]

9.5.1 放大

9.5.2 缩小

9.5.3 各向异性过滤

9.6 寻址模式

9.7 采样器对象

9.7.1 创建采样器

9.7.2 静态采样器

9.8 在着色器中对纹理进行采样

9.9 板条箱演示程序

9.9.1 指定纹理坐标

9.9.2 创建纹理

9.9.3 设置纹理

9.9.4 更新HLSL部分代码

9.10 纹理变换

9.11 附有纹理的山川演示程序

9.11.1 生成栅格纹理坐标

9.11.2 铺设纹理

9.11.3 纹理动画

9.12 小结

9.13 练习

第10章 混合

10.1 混合方程

10.2 混合运算

10.3 混合因子

10.4 混合状态

10.5 混合示例

10.5.1 禁止颜色的写操作

10.5.2 加法混合与减法混合

10.5.3 乘法混合

10.5.4 透明混合

10.5.5 混合与深度缓冲区

10.6 alpha通道

10.7 裁剪像素

10.8 雾

10.9 小结

10.10 练习

第11章 模板

11.1 深度/模板缓冲区的格式及其资源数据的清理

11.2 模板测试

11.3 描述深度/模板状态

11.3.1 深度信息的相关设置

11.3.2 模板信息的相关设置

11.3.3 创建和绑定深度/模板状态

11.4 实现平面镜效果

11.4.1 镜像概述

11.4.2 定义镜像的深度/模板状态

11.4.3 绘制场景

11.4.4 绕序与镜像

11.5 实现平面阴影

11.5.1 平行光阴影

11.5.2 点光阴影

11.5.3 通用阴影矩阵

11.5.4 使用模板缓冲区防止双重混合

11.5.5 编写阴影部分的代码

11.6 小结

11.7 练习

第12章 几何着色器

12.1 编写几何着色器

12.2 以公告牌技术实现森林效果

12.2.1 概述

12.2.2 顶点结构体

12.2.3 HLSL文件

12.2.4 SV_PrimitiveID语义

12.3 纹理数组

12.3.1 概述

12.3.2 对纹理数组进行采样

12.3.3 加载纹理数组

12.3.4 纹理子资源

12.4 alpha-to-coverage技术

12.5 小结

12.6 练习

第13章 计算着色器

13.1 线程与线程组

13.2 一个简单的计算着色器

计算流水线状态对象

13.3 数据的输入与输出资源

13.3.1 纹理输入

13.3.2 纹理输出与无序访问视图

13.3.3 利用索引对纹理进行采样

13.3.4 结构化缓冲区资源

13.3.5 将计算着色器的执行结果复制到系统内存

13.4 线程标识的系统值

13.5 追加缓冲区与消费缓冲区

13.6 共享内存与线程同步

13.7 图像模糊演示程序

13.7.1 图像模糊理论

13.7.2 渲染到纹理技术

13.7.3 图像模糊的实现概述

13.7.4 计算着色器程序

13.8 拓展资料

13.9 小结

13.10 练习

第14章 曲面细分阶段

14.1 曲面细分的图元类型

曲面细分与顶点着色器

14.2 外壳着色器

14.2.1 常量外壳着色器

14.2.2 控制点外壳着色器

14.3 镶嵌器阶段

14.3.1 四边形面片的曲面细分示例

14.3.2 三角形面片的曲面细分示例

14.4 域着色器

14.5 对四边形进行镶嵌化处理

14.6 三次贝塞尔四边形面片

14.6.1 贝塞尔曲线

14.6.2 三次贝塞尔曲面

14.6.3 计算三次贝塞尔曲面的相关代码

14.6.4 定义面片的几何形状

14.7 小结

14.8 练习

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

15.1 重温取景变换

15.2 摄像机类

15.3 摄像机类中的方法实现选讲

15.3.1 返回XMVECTOR类型变量的方法

15.3.2 SetLens方法

15.3.3 推导视锥体信息

15.3.4 与摄像机相关的变换操作

15.3.5 构建观察矩阵

15.4 摄像机演示程序的若干注解

15.5 动态索引

15.6 小结

15.7 练习

第16章 实例化与视锥体剔除

16.1 硬件实例化

16.1.1 绘制实例数据

16.1.2 实例数据

16.1.3 创建实例缓冲区

16.2 包围体与视锥体

16.2.1 DirectXMath碰撞检测库

16.2.2 包围盒

16.2.3 包围球

16.2.4 视锥体

16.3 视锥体剔除

16.4 小结

16.5 练习

第17章 拾取

17.1 屏幕空间到投影窗口的变换

17.2 位于世界空间与局部空间中的拾取射线

17.3 射线与网格的相交检测

17.3.1 射线与轴对齐包围盒的相交检测

17.3.2 射线与球体的相交检测

17.3.3 射线与三角形的相交检测

17.4 应用例程

17.5 小结

17.6 练习

第18章 立方体贴图

18.1 什么是立方体贴图

18.2 环境贴图

通过Direct3D加载并使用立方体图

18.3 绘制天空纹理

18.4 模拟反射

18.5 动态立方体图

18.5.1 动态立方体图辅助类

18.5.2 构建立方体图资源

18.5.3 分配额外的描述符堆空间

18.5.4 构建描述符

18.5.5 构建深度缓冲区

18.5.6 立方体图的视口与裁剪矩形

18.5.7 设置立方体图摄像机

18.5.8 对立方体图进行绘制

18.6 用几何着色器绘制动态立方体图

18.7 小结

18.8 练习

第19章 法线贴图

19.1 使用法线贴图的动机

19.2 什么是法线贴图

19.3 纹理空间/切线空间

19.4 顶点切线空间

19.5 在切线空间与物体空间之间进行转换

19.6 法线贴图的着色器代码

19.7 小结

19.8 练习

第20章 阴影贴图

20.1 渲染场景深度

20.2 正交投影

20.3 投影纹理坐标

20.3.1 代码实现

20.3.2 视锥体之外的点

20.3.3 正交投影

20.4 什么是阴影贴图

20.4.1 算法描述

20.4.2 偏移与走样

20.4.3 百分比渐近过滤

20.4.4 构建阴影图

20.4.5 阴影因子

20.4.6 阴影图检测

20.4.7 渲染阴影图

20.5 过大的PCF核

20.5.1 ddx函数与ddy函数

20.5.2 较大PCF核问题的解决方案

20.5.3 较大PCF核问题的另一种解决方案

20.6 小结

20.7 练习

第21章 环境光遮蔽

21.1 通过投射光线实现环境光遮蔽

21.2 屏幕空间环境光遮蔽

21.2.1 法线与深度值的渲染过程

21.2.2 环境光遮蔽的渲染过程

21.2.3 模糊过程

21.2.4 使用环境光遮蔽图

21.3 小结

21.4 练习

第22章 四元数[1]

22.1 复数回顾

22.1.1 定义

22.1.2 复数的几何意义

22.1.3 极坐标表示法与旋转操作

22.2 四元数代数

22.2.1 定义与基本运算

22.2.2 特殊乘积

22.2.3 性质

22.2.4 转换

22.2.5 共轭与范数

22.2.6 四元数的逆

22.2.7 极坐标表示法

22.3 单位四元数及其旋转操作

22.3.1 旋转算子

22.3.2 将四元数旋转算子转换为矩阵形式

22.3.3 将旋转矩阵变换为四元数旋转算子

22.3.4 复合

22.4 四元数插值

22.5 DirectX数学库中与四元数有关的函数

22.6 旋转演示程序

22.7 小结

22.8 练习

第23章 角色动画

23.1 框架层次[1]

数学描述

23.2 蒙皮网格

23.2.1 定义

23.2.2 重新推导将骨骼变换至根坐标系的公式

23.2.3 偏移变换

23.2.4 驱动骨架运动

23.2.5 计算最终变换

23.3 顶点混合

23.4 从文件中加载动画数据

23.4.1 文件头

23.4.2 材质

23.4.3 子集

23.4.4 顶点数据与三角形

23.4.5 骨骼偏移变换

23.4.6 层次结构

23.4.7 动画数据

23.4.8 M3DLoader类

23.5 角色动画演示程序

23.6 小结

23.7 练习

附录A Windows编程入门

A.1 概述

A.1.1 资源

A.1.2 事件、消息队列、消息以及消息循环

A.1.3 图形用户界面

A.1.4 Unicode

A.2 基本的Windows应用程序

A.3 讲解基本Windows应用程序的工作流程

A.3.1 程序中的头文件、全局变量以及函数声明

A.3.2 WinMain

A.3.3 WNDCLASS结构体与实例注册

A.3.4 创建并显示窗口

A.3.5 消息循环

A.3.6 窗口过程

A.3.7 消息框函数

A.4 一种更灵活的消息循环

A.5 小结

A.6 练习

附录B 高级着色器语言参考[1]

B.1 变量类型

B.1.1 标量类型

B.1.2 向量类型

B.1.3 矩阵类型

B.1.4 数组

B.1.5 结构体

B.1.6 typedef关键字

B.1.7 变量的修饰符

B.1.8 强制类型转换

B.2 关键字与运算符

B.2.1 关键字

B.2.2 运算符

B.3 程序中的控制流

B.4 函数

B.4.1 用户自定义函数

B.4.2 内置函数

B.4.3 常量缓冲区的封装规则

附录C 解析几何学选讲

C.1 射线、直线以及线段

C.2 平行四边形

C.3 三角形

C.4 平面

C.4.1 DirectX数学库中平面的表示

C.4.2 空间点与平面的位置关系

C.4.3 构建平面

C.4.4 对平面进行规范化处理

C.4.5 对平面进行变换

C.4.6 平面内离指定点最近的点

C.4.7 射线与平面的相交检测

C.4.8 反射向量

C.4.9 反射点

C.4.10 反射矩阵

C.5 练习

附录D 参考资料