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