Introduction to 3D Game Programming with DirectX 10中文版.pdf-资料库

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Introduction to 3D Game Programming with DirectX 10 作者：Frank D. Luna 译者：汤毅 2011 年11 月，于天津 ——此译文谨献给那些逝去的年华。

前言这是一本介绍 Direct3D 10 交互式计算机图形编程的书，主要侧重于游戏开发。它涵盖了 Direct3D 与着色器编程的基础知识，读者在掌握这些内容之后，将有能力阅读更高级的技术书籍。本书分为3 个主要部分。第 I 部分讲解了贯穿全书的数学工具。第 II 部分涵盖了基本的 Direct3D 编程技术，比如初始化、定义3D 几何体、放置摄像机、创建顶点/像素/ 几何着色器、光照、纹理映射、混合和模板。第 III 部分主要是运用 Direct3D 实现一些有趣的技术和特殊效果，比如使用网格、地形渲染、拾取、粒子系统、环境贴图映射、法线贴图映射、阴影和渲染到纹理。对于初学者，最好是按照从前到后的顺序阅读本书。因为每个章节都经过了精心编排，内容循序渐进，难度逐渐递增。通过这一方式，读者不会因为技术难度的骤然提高而感到费解和疑惑。通常，每个章节都会用到之前讲过的技术和概念。所以，在阅读下一章之前，读者最好先掌握当前章节的内容。有经验的程序员可以有选择地阅读感兴趣的章节。最后，读者可能想知道在读完这本书之后可以开发什么样的游戏。对于这个问题，我们建议读者先略读本书，浏览一下每章的演示程序。根据本书介绍的技术以及你自己的独创能力，会对将要开发的游戏有一个大致构想。面向的读者本书主要面向 3 种读者： n 希望了解如何使用 Direct3D 10 编写 3D 程序的中级 C++程序员。 n 使用过非 DirectX API（例如，OpenGL），希望了解 Direct3D 10 的 3D 程序员。 n 希望了解 Direct3D 10 新特性的 Direct3D 9 高级程序员。前提条件我们再次强调，这是一本介绍 Direct3D 10、着色器编程和游戏编程的书；它讲解的不是普通的计算机编程。读者在阅读本书之前应具备以下条件： n 了解高等数学，例如：代数、三角学和（数学）函数。

n 熟悉 Visual Studio，例如：应该知道如何创建工程、添加文件和链接指定的扩展库（.lib）。 n 熟悉 C++和数据结构，例如：熟练使用指针、数组、运算符重载、链表、继承和多态性。 n 熟悉 Win32 API 环境下的 Windows 编程会有助于阅读本书，但不是必需条件；我们在附录 A 中提供了一些 Win32 入门知识。所需的开发工具和硬件配置要编写 Direct3D 10 应用程序，你必须先安装 DirectX 10 SDK；它的最新版本可以从这个网页下载 http://msdn2.microsoft.com/en-us/xna/aa937788.aspx。下载之后，按照向导的提示进行安装即可。 2008 年 3 月之后发布的 DirectX SDK 只支持 Visual Studio 2005 和 Visual Studio 2008。 Direct3D 10 要求在支持 Direct3D 10 的显卡上运行。本书的所有演示程序都已在 GeForce 8800 GTS 上进行了测试。在线资源本书的网站（ www.d3dcoder.net ）和出版社的网站（www.wordware.com/files/0535dx10）提供了在 Visual Studio .NET 2005 和 Visual Studio .NET 2008 中创建 Direct3D 10 工程的详细步骤。使用 D3DX 库自从 7.0 版本之后，DirectX 就集成了 D3DX（Direct3D 扩展）库。该库提供了一些用于简化 3D 图形运算的函数、类和接口，比如数学运算、纹理图像运算、网格运算、着色器运算（例如，编译和汇编）。也就是说，D3DX 可以帮助我们完成很多琐碎的工作。本书自始至终使用 D3DX 库，因为它可以让我们把主要精力放在所要讲解的内容上。例如，我们只需要调用 D3DX 函数 D3DX10CreateTextureFromFile 就可以把各种格式的图像文件（比如 BMP、JPEG）载入到 Direct3D 纹理接口中，不必占用大量的篇幅讲解如何载入图像。换句话说，D3DX 可以提高我们的编程效率，使我们能够把精力集中在更有意义的地方，而不是被一些细枝漠节所困扰。

使用 D3DX 的其他原因还有： n D3DX 是通用的，它可以用于多种不同类型的 3D 应用程序。 n D3DX 速度快，至少可以和普通函数的速度一样快。 n 其他开发人员也可以使用 D3DX。因为你会经常看到一些使用 D3DX 编写的程序，无论你是否使用 D3DX 都应该熟悉它的内容，否则你将很难读懂这些程序。 n D3DX 诞生已久，并经过了严格的测试。而且，随着 DirectX 版本的更新，D3DX 的每个新版本都会增加一些新特性。使用 DirectX SDK 文档和 SDK 示例 Direct3D 是一个庞大的 API 集合，我们无法在这样一本书中包含它的全部细节。所以，你必须知道如何使用 DirectX SDK 文档来获取详细的描述信息。你可以运行 DirectX SDK\Documentation\DirectX10 目录下的 directx_sdk.chm 文件，打开 DirectX 的 C++联机文档。尤其需要关注的是 Direct3D 10 一节（参见图 1）。图 1：DirectX 文档中的 Direct3D 编程指南。 DirectX 文档涵盖了 DirectX API 的每个部分，具有很好的参考价值。但是，由于该文档的深度不够，有时断章取义，前后内容不联贯，所以它不是最好的学习工具。不过，我们相信随着 DirectX 版本的不断更新，该文档会逐步得到改进。如上所述，该文档主要用于参考。当你遇到一个不会用的 DirectX 类型或函数时，可以在该文档中找到它的一些说明信息。例如，你想知道 D3DXMatrixInverse 函数的用法，那

么你只需要在文档的索引中查找“D3DXMatrixInverse”就可以看到它的详细解释，如图 2 所示。图 2：DirectX 文档的索引。注意在本书中，我们会不时地指导读者查询该文档。该 SDK 文档还包含了一些入门教程，它的 URL 为 /directx_sdk.chm::/d3d10_graphics_tutorials.htm （或者在索引中输入 “tutorial”）。这些教程与本书第 II 部分的某些内容大致对应。我们建议读者在阅读本书第 II 部分时也稍带着看一下这些教程，这样有助于你加深对知识的理解。最后，我们还要强调一下集成在 DirectX SDK 中的 Direct3D 示例程序。Direct3D 的 C++示例位于 DirectX SDK\Samples\C++\Direct3D10 目录下。每个示例展示了一种 Direct3D 特定效果的实现方法。这些示例对于初次接触图形编程的程序员来说相当复杂，所以我们建议读者在看完这本书之后再研究这些示例。通过研究这些示例可以提高你的 Direct3D 编程水平。可读性需要强调的是，我们在编写本书的程序示例时主要关注的是程序的可读性，而非性能。所以，

许多示例的执行效率都不高。记住，如果你想要将某些示例的代码用在你自己的工程里面，那么你必须对这些代码进行优化，提高它的执行效率。示例程序与在线资源本书的网站（www.d3dcoder.net）对于本书来讲具有不可或缺的作用。读者可以在该网站上找到本书中所有示例程序的完整源代码及工程文件。通常，DirectX 程序非常大，无法完整地列在书中；所以，我们只能根据所要表达的概念列出一些相关的代码片段。我们强烈建议读者研究一下完整的源代码，看看这些代码是如何作为一个整体来运行的。（我们把所有的示例程序都做的尽可能地小，以便于读者研究。）读者阅读完某一章之后，应该仔细研究该章的示例程序，并试着自己编写这些程序。其实，把书中的示例作为参考，用自己的方式重写程序，是一个提高编程能力的好方法。除了示例程序外，该网站还包含了一个留言板。我们鼓励读者相互交流，对自己不明白或需要进一步澄清的问题进行讨论。通常，从不同的角度解释同一个概念，可以加快对知识的理解速度。最后，读者可以在该网站上找到一些额外的程序示例和教程。由于某些原因，我们没能把这些内容包含在本书中。献辞本书谨献给我的父母，Frank 和 Kathryn。致谢我要感谢 Rod Lopez、Jim Leiterman、Hanley Leung、Rick Falck、Tybon Wu、 Tuomas Sandroos 和 Eric Sandegren 为本书的审阅工作投入的大量精力，使本书的准确性和质量都得到了提升。我要感谢 Tyler Drinkard 为本书的演示程序制作的 3D 模型和纹理。我也要感谢 Dale E. La Force、Adam Hault、Gary Simmons、James Lambers 和 William Chin 给予我的帮助和支持。最后，我要特别感谢 Wordware Publishing 出版社的员工 Tim McEvoy、Beth Kohler、Martha McCuller、Denise McEvoy 以及封面设计师 Alan McCuller。

第 I 部分：数学基础章节列表第 1 章：向量代数第 2 章：矩阵代数第 3 章：变换概述视频游戏要模拟一个虚拟世界；而计算机非常适合于处理数据。那么，我们如何将这两件东西合为一体？答案是完全用数学方式来描述虚拟世界，处理各种交互行为。因此，数学在视频游戏开发中具有非常重要的作用。在这一部分中，我们介绍了将要贯穿全书的数学工具。主要包括：向量、坐标系、矩阵和变换。本书的每个示例程序都会用到这些数学工具。除了数学的说明性文字之外，我们还会对相关的 D3DX 类和函数进行讨论和说明。注意，这里讲解的数学知识只够本书使用；它不像专门讨论这一主题的书籍那样会对视频游戏数学做全面讲解。我们为希望更全面了解视频游戏数学的读者推荐两本书[Verth04]和 [Lengyel02]。第 1 章，“向量代数” 向量（vector）可能是计算机游戏中最重要的数学对象。例如，我们使用向量来表示位置、移位、方向、速度和作用力。在这一章中，我们学习向量以及定义在向量上的各种运算。第 2 章，“矩阵代数” 矩阵（matrix）提供了一种高效而紧凑的变换（transformation）表示方式。在这一章中，我们学习矩阵以及定义在矩阵上的各种运算。第 3 章，“变换” 这一章主要讲解 3 种基本几何变换：缩放、旋转和平移。我们用这 3 种变换来操纵空间中的 3D 物体。另外，我们还会讲解坐标转换变换（ change of coordinate transformation），将几何体的坐标从一种坐标系变换到另一种坐标系。

第 1 章：向量代数概述计算机绘图、碰撞检测和物理模拟是现代视频游戏的基本组成部分，向量（vector）在这些领域中具有至关重要的作用。本书所采用的教学方式与普通教科书不同，我们所提供的所有的知识都是基于实战的；我们在这里为读者推荐一本专门讲解 3D 游戏与绘图的数学教程 [Verth04]。读者在本书的每个演示程序中都会看到一些注释，我们通过这些注释来强调向量的重要性。学习目标： n 学习使用几何与数值方式表示向量。 n 了解向量运算及向量的几何应用。 n 熟悉 D3DX 库的向量数学函数和向量类。 1.1 向量向量（vector）是一种同时具有大小和方向的物理量（quantity）。同时具有大小和方向的物理量称为向量值物理量（vector-valued quantity）。常见的向量值物理量有：势能（在某个特定方向上施加一定的作用力——量值），位移（在某个净方向上移动一段距离），速度（速率和方向）。因此，向量可以用来表示势能、位移和速度。有时我们也用向量来表示一个单个方向，比如玩家在 3D 游戏中的观察方向、多边形面对的方向、光线的传播方向以及从一个物体表面折回的反射光方向。首先，我们从几何学角度描述向量的算术特征：我们通过一个有向线段来表示向量（参见图 1.1），其中长度表示向量的大小，箭头表示向量的方向。我们注意到，向量所描绘的位置并不重要，改变向量的位置并不会影响向量的大小和方向（这是向量具有的两个属性）。也就是，当且仅当两个向量具有相同的长度和方向时，我们说这两个向量相等。所以，图 1.1a 中的两个向量和实际上是相等的，因为它们具有相同的长度和方向。其实，位置对为平移即不会改变向量的长度，也不会改变向量的方向）。注意，我们可以平移，使它与重叠（反之亦然），由此使它们彼此难以区分——因为它们是相等的。举一个物理上的例子，图 1.1b 中的向量和表示位于不同位置上的两只蚂蚁和从当前位置开始向北移动 10 米。也就是这里的 = 。由于向量本身与位置无关；所以它们只是告诉蚂蚁于向量来说无关紧要，我们可以随便平移一个向量，但是不会改变该向量所表示的含义（因该从当前位置向哪个方向移动，以及移动多远的距离。在本例中，它们告诉蚂蚁向北（方向）

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