精通DirectX 3D圖形與動畫程序設(shè)計

第一部分　基礎(chǔ)篇

第1章　DirectX與Direct3D簡介　3
1.1　什么是DirectX和Direct3D　3
1.2　DirectX的發(fā)展歷史　4
1.3　DirectX 9.0的安裝與配置　5
1.3.1　DirectX 9.0的安裝　5
1.3.2　選擇調(diào)試或發(fā)布庫　9
1.3.3　在Visual Studio.NET IDE中配置DirectX　11
1.3.4　瀏覽DirectX SDK示例程序　13
1.4　DirectX功能組件　14
1.5　DirectX的幾種開發(fā)方式　16
1.6　小結(jié)　16
第2章　Direct3D程序設(shè)計基礎(chǔ)　18
2.1　相關(guān)基礎(chǔ)知識　18
2.2　Direct3D體系結(jié)構(gòu)　19
2.3　Direct3D對象　21
2.4　Direct3D設(shè)備對象　21
2.4.1　Direct3D設(shè)備類型　21
2.4.2　創(chuàng)建Direct3D設(shè)備對象　23
2.5　Direct3D程序基本結(jié)構(gòu)　25
2.6　最簡單的Direct3D程序　25
2.6.1　工程項目和開發(fā)環(huán)境設(shè)置　29
2.6.2　創(chuàng)建窗口　31
2.6.3　初始化Direct3D　31
2.6.4　消息循環(huán)　33
2.6.5　渲染圖形　34
2.6.6　結(jié)束Direct3D程序　36
2.7　Direct3D設(shè)備對象深入探討　36
2.8　Direct3D表面　42
2.9　小結(jié)　47
第3章　坐標系與基本圖元　48
3.1　Direct3D坐標系　48
3.2　Direct3D基本圖元　49
3.3　使用頂點緩沖區(qū)繪制圖形　52
3.3.1　創(chuàng)建頂點緩沖區(qū)　53
3.3.2　渲染頂點緩沖區(qū)圖形　55
3.3.3　各種基本圖元繪制　60
3.4　使用索引緩沖區(qū)繪制圖形　62
3.5　圖形渲染其他相關(guān)內(nèi)容　68
3.5.1　靈活頂點格式　68
3.5.2　渲染狀態(tài)　69
3.5.3　場景提交　72
3.5.4　圖形反鋸齒(antialiasing)　73
3.5.5　全屏幕顯示　76
3.6　Direct3D中的顏色表示　77
3.7　資源的概念　79
3.8　小結(jié)　83
第4章　頂點坐標變換　84
4.1　頂點坐標變換和光照流水線概述　84
4.2　矩陣類型及其操作　86
4.3　世界變換　89
4.4　取景變換　92
4.5　投影變換　94
4.6　視區(qū)變換　98
4.7　獲取Direct3D坐標變換矩陣　101
4.8　三維坐標變換示例程序　102
4.9　小結(jié)　108
第5章　光照與材質(zhì)　109
5.1　光照計算模型　109
5.2　光源　111
5.2.1　光源類型　111
5.2.2　光源屬性　113
5.2.3　設(shè)置燈光　115
5.2.4　對光源的幾點說明　116
5.3　材質(zhì)　116
5.3.1　設(shè)置材質(zhì)　117
5.3.2　獲取材質(zhì)屬性　118
5.4　光照和材質(zhì)示例程序　118
5.4.1　簡單光照示例程序　119
5.4.2　多光源光照示例程序　124
5.4.3　使用燈光的幾點說明　132
5.5　深入理解光照計算模型　132
5.6　小結(jié)　137
第6章　紋理映射基礎(chǔ)　138
6.1　基本概念　138
6.2　使用紋理　140
6.3　紋理過濾方式　147
6.3.1　最近點采樣　149
6.3.2　線性紋理過濾　149
6.3.3　各項異性紋理過濾　149
6.3.4　多級漸進紋理過濾　150
6.3.5　紋理過濾方式示例程序　152
6.4　紋理尋址模式　155
6.4.1　重疊紋理尋址模式　155
6.4.2　鏡像紋理尋址模式　156
6.4.3　夾取紋理尋址模式　156
6.4.4　邊框顏色紋理尋址模式　157
6.4.5　紋理尋址模式示例程序　157
6.5　紋理階段混合狀態(tài)　159
6.5.1　紋理階段混合狀態(tài)設(shè)置　159
6.5.2　紋理階段混合狀態(tài)示例程序　161
6.6　紋理包裝　167
6.7　小結(jié)　169
第7章　使用文件模型　170
7.1　三維模型基礎(chǔ)　170
7.2　模型文件格式轉(zhuǎn)換　171
7.2.1　3ds Max制作的模型轉(zhuǎn)換為.X文件模型　171
7.2.2　Maya制作的模型轉(zhuǎn)換為.X文件模型　173
7.3　在Direct3D程序中載入模型　178
7.3.1　網(wǎng)格模型接口ID3DXMESH　178
7.3.2　載入.X文件并生成網(wǎng)格模型　179
7.4　渲染網(wǎng)格模型　181
7.5　三維模型旋轉(zhuǎn)　187
7.5.1　通過矩陣實現(xiàn)模型旋轉(zhuǎn)　187
7.5.2　通過四元數(shù)實現(xiàn)模型旋轉(zhuǎn)　190
7.6　使用文件模型的幾點提示　193
7.7　小結(jié)　193
第8章　深度測試與Alpha混合　194
8.1　深度測試　194
8.1.1　深度緩沖區(qū)與深度測試　194
8.1.2　使用深度測試　195
8.2　半透明物體的繪制　203
8.2.1　Alpha混合原理　203
8.2.2　利用Alpha混合實現(xiàn)半透明效果　203
8.2.3　Alpha混合系數(shù)　210
8.3　Alpha測試　213
8.3.1　Alpha測試原理　213
8.3.2　使用Alpha測試　213
8.4　小結(jié)　214
第9章　霧化　215
9.1　霧化效果實現(xiàn)原理　215
9.2　霧化混合因子計算方法　215
9.3　頂點霧化與像素霧化　217
9.3.1　頂點霧化與基于范圍的霧化　217
9.3.2　像素霧化和與眼相關(guān)深度霧化　218
9.4　為場景添加霧化效果　218
9.4.1　頂點霧化示例程序　218
9.4.2　像素霧化示例程序　226
9.4.3　基于范圍的霧化示例程序　227
9.5　對霧化效果的幾點說明　228
9.6　小結(jié)　229
第10章　字體與文本顯示　230
10.1　二維文本繪制　230
10.2　三維文本繪制　235
10.3　小結(jié)　241

第二部分　高級技術(shù)篇

第11章　應(yīng)用程序框架　245
11.1　生成一個Direct3D程序框架　245
11.2　使用Direct3D程序框架　247
11.3　Direct3D程序框架剖析　251
11.3.1　DXUT簡介　251
11.3.2　初始化DXUT　253
11.3.3　DXUT框架與應(yīng)用程序窗口　254
11.3.4　DXUT框架與Direct3D設(shè)備　256
11.3.5　DXUT框架與消息循環(huán)　260
11.3.6　DXUT框架與錯誤處理　264
11.3.7　通過DXUT選擇高級設(shè)備　265
11.3.8　其他DXUT函數(shù)　266
11.4　添加文本　268
11.4.1　初始化ID3DXSprite和ID3DXFont對象　268
11.4.2　繪制文本　268
11.4.3　處理鍵盤消息　269
11.5　添加控件　270
11.5.1　初始化對話框　270
11.5.2　渲染控件　273
11.5.3　處理控件消息　273
11.5.4　釋放對話框　275
11.6　小結(jié)　281
第12章　高級紋理技術(shù)　282
12.1　多層紋理映射　282
12.2　紋理階段混合操作　285
12.2.1　黑暗映射　287
12.2.2　黑暗貼圖動畫　289
12.2.3　混合紋理與材質(zhì)漫反射顏色　290
12.2.4　混合黑暗貼圖與材質(zhì)漫反射顏色　291
12.2.5　發(fā)光映射　292
12.2.6　細節(jié)映射　293
12.2.7　Alpha混合操作　294
12.3　紋理坐標處理　296
12.3.1　紋理坐標自動生成　296
12.3.2　紋理坐標變換　298
12.4　環(huán)境紋理映射　299
12.4.1　立方體環(huán)境映射　300
12.4.2　球形環(huán)境映射　301
12.5　凹凸紋理映射　302
12.6　立體紋理　307
12.7　紋理壓縮　310
12.7.1　DXT紋理壓縮格式　310
12.7.2　使用DXT壓縮紋理　311
12.8　紋理管理　313
12.9　小結(jié)　313
第13章　網(wǎng)格模型高級技術(shù)　314
13.1　.X文件格式分析　314
13.1.1　首部　315
13.1.2　網(wǎng)格　315
13.1.3　網(wǎng)格材質(zhì)列表　317
13.1.4　法向量　318
13.1.5　紋理　319
13.1.6　框架和變換矩陣　320
13.1.7　動畫　321
13.1.8　蒙皮信息　323
13.2　網(wǎng)格模型優(yōu)化　324
13.2.1　網(wǎng)格模型優(yōu)化函數(shù)　324
13.2.2　網(wǎng)格模型優(yōu)化方式　324
13.2.3　示例程序OptimizedMesh具體實現(xiàn)　325
13.3　層次細節(jié)網(wǎng)格模型　327
13.3.1　生成層次細節(jié)網(wǎng)格模型前的準備工作　327
13.3.2　生成層次細節(jié)模型　329
13.3.3　示例程序ProgressMesh的具體實現(xiàn)　329
13.4　增強網(wǎng)格模型　330
13.4.1　增強網(wǎng)格模型的生成　331
13.4.2　示例程序EnhancedMesh的具體實現(xiàn)　331
13.5　漸變網(wǎng)格模型　332
13.5.1　實現(xiàn)漸變網(wǎng)格模型的準備工作　333
13.5.2　生成漸變網(wǎng)格模型　334
13.5.3　渲染漸變網(wǎng)格模型　335
13.6　DXUT網(wǎng)格模型類　335
13.6.1　CDXUTMesh類　336
13.6.2　CDXUTMeshFrame類和CDXUTMeshFile類　337
13.6.3　使用類CDXUTMesh和CDXUTMeshFile渲染網(wǎng)格模型　339
13.7　骨骼動畫網(wǎng)格模型　342
13.7.1　骨骼動畫基本原理　343
13.7.2　骨骼動畫類的設(shè)計與實現(xiàn)　343
13.7.3　骨骼動畫類的使用　353
13.8　蒙皮骨骼動畫網(wǎng)格模型　354
13.8.1　圖形混合　354
13.8.2　索引頂點混合　356
13.8.3　頂點混合示例　357
13.8.4　蒙皮骨骼動畫網(wǎng)格模型類的設(shè)計與實現(xiàn)　359
13.8.5　蒙皮骨骼動畫網(wǎng)格模型類的使用　365
13.9　多骨骼動畫網(wǎng)格模型　366
13.10　其他文件格式模型　367
13.11　小結(jié)　371
第14章　模板測試與模板緩沖區(qū)　372
14.1　模板測試　372
14.2　模板緩沖區(qū)　373
14.3　模板測試設(shè)置　374
14.4　使用模板測試實現(xiàn)特殊效果　380
14.5　實時陰影效果　381
14.6　小結(jié)　391
第15章　粒子系統(tǒng)　392
15.1　粒子系統(tǒng)技術(shù)簡介　392
15.2　粒子系統(tǒng)基本原理　392
15.3　點精靈(point sprites)　393
15.4　粒子系統(tǒng)具體實現(xiàn)　395
15.5　綜合開發(fā)實例　402
15.6　小結(jié)　405
第三部分　GPU編程篇

第16章　Direct3D GPU編程概述　409
16.1　可編程流水線　409
16.2　頂點渲染　411
16.3　像素渲染　411
16.4　渲染語言　413
16.5　小結(jié)　413
第17章　高級渲染語言基礎(chǔ)　414
17.1　數(shù)據(jù)類型　414
17.1.1　標準數(shù)據(jù)類型　414
17.1.2　向量　416
17.1.3　矩陣　418
17.1.4　復(fù)雜數(shù)據(jù)類型　421
17.2　表達式與運算符　423
17.3　語句　428
17.3.1　語句塊　428
17.3.2　返回語句　428
17.3.3　流程控制語句　429
17.4　函數(shù)　430
17.5　段落　437
17.5.1　渲染器段落基本概念　437
17.5.2　渲染器段落語法　437
17.6　編寫HLSL渲染器　438
17.6.1　添加文件　438
17.6.2　編寫渲染器代碼　439
17.7　小結(jié)　441
第18章　HLSL頂點渲染　442
18.1　HLSL頂點渲染基本步驟　442
18.2　使用HLSL頂點渲染實現(xiàn)基本光照模型　446
18.2.1　環(huán)境光光照模型　446
18.2.2　漫反射光照模型　448
18.2.3　鏡面反射光照模型　451
18.3　小結(jié)　454
第19章　HLSL像素渲染　455
19.1　HLSL像素渲染基本步驟　455
19.2　使用HLSL實現(xiàn)基本紋理映射　458
19.3　渲染器的編譯與調(diào)試　459
19.3.1　渲染器的編譯　459
19.3.2　渲染器的調(diào)試　460
19.4　小結(jié)　463
第20章　效果(effect)　464
20.1　效果、技術(shù)與通道　464
20.1.1　效果和Direct3D流水線　464
20.1.2　保存和恢復(fù)狀態(tài)　465
20.1.3　共享參數(shù)　465
20.2　編寫效果　466
20.3　使用效果　467
20.4　效果示例程序　471
20.4.1　光照計算　471
20.4.2　紋理映射　474
20.4.3　多技術(shù)效果　476
20.4.4　參數(shù)塊與共享參數(shù)　480
20.5　建立并渲染段落　482
20.5.1　從效果中建立并渲染段落　482
20.5.2　不通過效果建立并渲染段落　484
20.5.3　段落使用示例程序　484
20.6　小結(jié)　488
第21章　HLSL高級應(yīng)用　489
21.1　自身遮蔽陰影　489
21.2　凹凸紋理映射　491
21.3　立方體環(huán)境映射　496
21.3.1　立方體貼圖　496
21.3.2　反射環(huán)境映射　498
21.3.3　折射/反射環(huán)境映射　500
21.3.4　動態(tài)折射/反射環(huán)境映射　503
21.4　漸變動畫　505
21.5　蒙皮骨骼動畫　509
21.6　小結(jié)　511
第22章　ASM頂點渲染　512
22.1　ASM頂點渲染基本步驟　512
22.2　頂點聲明對象　516
22.3　ASM頂點渲染簡介　519
22.3.1　頂點渲染版本聲明　520
22.3.2　頂點渲染寄存器　520
22.3.3　頂點渲染指令　522
22.4　ASM頂點渲染示例　526
22.4.1　光照計算　526
22.4.2　漸變動畫　529
22.4.3　蒙皮骨骼動畫　531
22.5　小結(jié)　533
第23章　ASM像素渲染　534
23.1　ASM像素渲染基本步驟　534
23.2　ASM像素渲染簡介　536
23.2.1　版本聲明　536
23.2.2　像素渲染寄存器　536
23.2.3　像素渲染指令　539
23.3　ASM像素渲染示例　541
23.4　使用效果　544
23.4.1　ASM效果　544
23.4.2　利用效果實現(xiàn)HLSL和ASM混合編程　546
23.5　小結(jié)　548
第四部分　實用技術(shù)篇

第24章　DXUT控件　551
24.1　DXUT控件介紹　551
24.2　DXUT控件使用示例程序　552
24.3　小結(jié)　557
第25章　廣告板技術(shù)與十字交叉紋理　558
25.1　廣告板技術(shù)　558
25.1.1　廣告板技術(shù)介紹　558
25.1.2　廣告板技術(shù)示例程序　558
25.2　十字交叉紋理　560
25.2.1　十字交叉紋理介紹　560
25.2.2　十字交叉紋理示例程序　560
25.3　小結(jié)　561
第26章　紋理動畫　562
26.1　紋理動畫原理　562
26.2　紋理動畫示例程序　563
26.3　小結(jié)　564
第27章　自然現(xiàn)象模擬　565
27.1　動態(tài)云彩效果模擬　565
27.2　雨景效果模擬　567
27.3　雪景效果模擬　569
27.4　小結(jié)　571
第28章　三維地形模擬　572
28.1　三維地形模擬概述　572
28.2　三維地形模擬示例程序　572
28.3　小結(jié)　576
第29章　海浪效果模擬　577
29.1　使用紋理貼圖實現(xiàn)海浪效果　577
29.2　實時生成海浪效果　578
29.3　小結(jié)　581
第30章　柔性物體模擬　582
30.1　柔性物體模擬介紹　582
30.2　粒子系統(tǒng)和彈簧結(jié)構(gòu)　582
30.3　定義并實現(xiàn)CFlutterFlag類　584
30.4　示例程序的具體實現(xiàn)　588
30.5　小結(jié)　589
第31章　三維場景交互　590
31.1　使用鼠標選擇三維場景中的物體　590
31.2　使用鼠標控制三維場景中角色的運動　594
31.3　小結(jié)　597
第32章　運動模糊效果　598
32.1　運動模糊效果的基本原理　598
32.2　示例程序MotionBlur　598
32.3　小結(jié)　601
第33章　凹凸紋理映射應(yīng)用　602
33.1　水下效果模擬　602
33.2　水波效果模擬　605
33.3　小結(jié)　609
第34章　短毛發(fā)實時繪制　610
第35章　體積霧　616
第五部分　附錄

附錄A　C++基礎(chǔ)知識　621
A.1　類及其成員和封裝　621
A.2　繼承　622
A.3　this指針　623
A.4　虛函數(shù)、動態(tài)綁定和多態(tài)　623
A.5　雙指針　625
A.6　內(nèi)聯(lián)函數(shù)　625
A.7　默認函數(shù)參數(shù)　626
A.8　聲明變量的位置　626
A.9　const常量表達式　626
A.10　函數(shù)重載　627
A.11　運算符重載　627
附錄B　Win32 API程序設(shè)計基礎(chǔ)　628
B.1　API和SDK　628
B.2　Win32程序框架　628
B.3　Win32 API程序框架分析　629
附錄C　COM使用基礎(chǔ)　636
C.1　什么是COM對象　636
C.2　創(chuàng)建一個COM對象　639
C.3　使用COM接口　640
C.4　管理COM對象的生命期　640
C.5　使用C訪問COM對象　641
C.6　用宏調(diào)用DirectX COM方法　641
附錄D　計算機圖形學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)　643
D.1　坐標參照系　643
D.2　點與向量　644
D.3　矩陣　646
D.4　四元數(shù)　648
附錄E　計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)　649
E.1　概述　649
E.1.1　計算機圖形學(xué)的概念　649
E.1.2　計算機圖形學(xué)的研究內(nèi)容　649
E.2　圖形系統(tǒng)與圖形設(shè)備　650
E.2.1　圖形系統(tǒng)　650
E.2.2　圖形設(shè)備　652
E.3　圖形變換　652
E.3.1　圖形的幾何變換　653
E.3.2　形體的投影變換　657
E.3.3　裁剪　658
E.3.4　窗口到視口的變換　658
附錄F　DirectX SDK提供的各種工具使用說明　660
F.1　DirectX瀏覽器　660
F.2　紋理轉(zhuǎn)換工具　663
F.3　DirectX紋理工具　664
F.4　DirectX性能瀏覽工具　664
F.5　DirectX錯誤查詢工具　665
F.6　DirectX診斷工具　665
F.7　DirectX Ops(dxops.exe)　666