第一部分 必備的數學知識
第1章 嚮量代數　3
1.1　嚮量　3
1.1.1　嚮量與坐標係　4
1.1.2　左手坐標係與右手坐標係　5
1.1.3　嚮量的基本運算　6
1.2　長度和單位嚮量　8
1.3　點積　9
1.4　叉積　12
1.4.1　2D嚮量的僞叉積　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庫進行嚮量運算　15
1.6.1　嚮量類型　16
1.6.2　加載方法和存儲方法　17
1.6.3　參數的傳遞　18
1.6.4　常嚮量　20
1.6.5　重載運算符　21
1.6.6　雜項　21
1.6.7　Setter函數　21
1.6.8　嚮量函數　23
1.6.9　浮點數誤差　26
1.7　小結　28
1.8　練習　29
第2章 矩陣代數　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　嚮量與矩陣的乘法　37
2.2.3　結閤律　37
2.3　轉置矩陣　38
2.4　單位矩陣　38
2.5　矩陣的行列式　39
2.5.1　餘子陣　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　46
2.8.3　DirectXMath矩陣示例程序　47
2.9　小結　49
2.10　練習　49
第3章　變換　52
3.1　綫性變換　52
3.1.1　定義　52
3.1.2　矩陣錶示法　53
3.1.3　縮放　53
3.1.4　鏇轉　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錶示　58
3.2.3　平移　59
3.2.4　縮放和鏇轉的仿射矩陣　61
3.2.5　仿射變換矩陣的幾何意義　61
3.3　變換的復閤　62
3.4　坐標變換　63
3.4.1　嚮量的坐標變換　64
3.4.2　點的坐標變換　65
3.4.3　坐標變換的矩陣錶示　66
3.4.4　坐標變換矩陣及其結閤律　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　69
3.7　小結　70
3.8　練習　71
第二部分　Direct3D基礎
第4章　Direct3D的初始化　77
4.1　預備知識　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　交換鏈和頁麵翻轉　80
4.1.5　深度緩衝　81
4.1.6　資源與描述符　83
4.1.7　多重采樣技術的原理　85
4.1.8　利用Direct3D進行多重采樣　87
4.1.9　功能級彆　88
4.1.10　DirectX圖形基礎結構　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　命令隊列和命令列錶　94
4.2.2　CPU與GPU間的同步　98
4.2.3　資源轉換　100
4.2.4　命令與多綫程　101
4.3　初始化Direct3D　102
4.3.1　創建設備　102
4.3.2　創建圍欄並獲取描述符的大小　104
4.3.3　檢測對4X MSAA質量級彆的支持　104
4.3.4　創建命令隊列和命令列錶　105
4.3.5　描述並創建交換鏈　105
4.3.6　創建描述符堆　107
4.3.7　創建渲染目標視圖　108
4.3.8　創建深度/模闆緩衝區及其視圖　110
4.3.9　設置視口　114
4.3.10　設置裁剪矩形　115
4.4　計時與動畫　116
4.4.1　性能計時器　116
4.4.2　遊戲計時器類　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　幀的統計信息　128
4.5.5　消息處理函數　130
4.5.6　初始化Direct3D演示程序　131
4.6　調試Direct3D應用程序　135
4.7　小結　137
第5章　渲染流水綫　139
5.1　3D視覺即錯覺？　140
5.2　模型的錶示　141
5.3　計算機色彩基礎　142
5.3.1　顔色運算　143
5.3.2　128位顔色　143
5.3.3　32位顔色　144
5.4　渲染流水綫概述　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　麯麵細分階段　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　背麵剔除　167
5.10.3　頂點屬性插值　169
5.11　像素著色器階段　170
5.12　輸齣閤並階段　170
5.13　小結　171
5.14　練習　171
第6章　利用Direct3D繪製幾何體　175
6.1　頂點與輸入布局　175
6.2　頂點緩衝區　178
6.3　索引和索引緩衝區　183
6.4　頂點著色器示例　187
6.5　像素著色器示例　192
6.6　常量緩衝區　195
6.6.1　創建常量緩衝區　195
6.6.2　更新常量緩衝區　198
6.6.3　上傳緩衝區輔助函數　198
6.6.4　常量緩衝區描述符　201
6.6.5　根簽名和描述符錶　202
6.7　編譯著色器　206
6.7.1　離綫編譯　208
6.7.2　生成著色器匯編代碼　210
6.7.3　利用Visual Studio離綫編譯著色器　212
6.8　光柵器狀態　213
6.9　流水綫狀態對象　214
6.10　幾何圖形輔助結構體　217
6.11　立方體演示程序　219
6.12　小結　229
6.13　練習　230
第7章　利用Direct3D繪製幾何體（續）　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據　239
7.4　不同形狀的幾何體　242
7.4.1　生成柱體網格　244
7.4.2　生成球體網格　248
7.4.3　生成幾何球體網格　249
7.5　繪製多種幾何體演示程序　251
7.5.1　頂點緩衝區和索引緩衝區　252
7.5.2　渲染項　255
7.5.3　幀內資源和常量緩衝區視圖　257
7.5.4　繪製場景　260
7.6　細探根簽名　262
7.6.1　根參數　263
7.6.2　描述符錶　264
7.6.3　根描述符　266
7.6.4　根常量　267
7.6.5　更復雜的根簽名示例　269
7.6.6　根參數的版本控製　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　應用計算高度的函數　275
7.7.4　根常量緩衝區視圖　277
7.7.5　動態頂點緩衝區　279
7.8　小結　281
7.9　練習　282
第8章　光照　283
8.1　光照與材質的交互　283
8.2　法嚮量　285
8.2.1　計算法嚮量　286
8.2.2　變換法嚮量　288
8.3　參與光照計算的一些關鍵嚮量　289
8.4　朗伯餘弦定律　290
8.5　漫反射光照　292
8.6　環境光照　292
8.7　鏡麵光照　293
8.7.1　菲涅耳效應　294
8.7.2　錶麵粗糙度　296
8.8　光照模型的概述　298
8.9　材質的實現　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　306
8.13.1　Light結構體　307
8.13.2　常用輔助函數　308
8.13.3　實現方嚮光源　310
8.13.4　實現點光源　310
8.13.5　實現聚光燈光源　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　計算法綫　317
8.14.3　更新光照的方嚮　319
8.14.4　更新根簽名　320
8.15　小結　320
8.16　練習　321
第9章　紋理貼圖　323
9.1　紋理與資源的迴顧　324
9.2　紋理坐標　325
9.3　紋理數據源　328
9.3.1　DDS格式概述　328
9.3.2　創建DDS文件　329
9.4　創建以及啓用紋理　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　創建著色器資源視圖描述符　331
9.4.4　將紋理綁定到流水綫　333
9.5　過濾器　335
9.5.1　放大　335
9.5.2　縮小　337
9.5.3　各嚮異性過濾　338
9.6　尋址模式　339
9.7　采樣器對象　341
9.7.1　創建采樣器　341
9.7.2　靜態采樣器　344
9.8　在著色器中對紋理進行采樣　346
9.9　闆條箱演示程序　347
9.9.1　指定紋理坐標　347
9.9.2　創建紋理　348
9.9.3　設置紋理　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　鋪設紋理　355
9.11.3　紋理動畫　355
9.12　小結　356
9.13　練習　356
第10章 混閤　359
10.1　混閤方程　360
10.2　混閤運算　360
10.3　混閤因子　362
10.4　混閤狀態　363
10.5　混閤示例　365
10.5.1　禁止顔色的寫操作　365
10.5.2　加法混閤與減法混閤　366
10.5.3　乘法混閤　366
10.5.4　透明混閤　367
10.5.5　混閤與深度緩衝區　368
10.6　alpha通道　368
10.7　裁剪像素　369
10.8　霧　371
10.9　小結　377
10.10　練習　377
第11章 模闆　379
11.1　深度/模闆緩衝區的格式及其資源數據的清理　380
11.2　模闆測試　381
11.3　描述深度/模闆狀態　382
11.3.1　深度信息的相關設置　382
11.3.2　模闆信息的相關設置　383
11.3.3　創建和綁定深度/模闆狀態　384
11.4　實現平麵鏡效果　385
11.4.1　鏡像概述　385
11.4.2　定義鏡像的深度/模闆狀態　387
11.4.3　繪製場景　389
11.4.4　繞序與鏡像　390
11.5　實現平麵陰影　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　使用模闆緩衝區防止雙重混閤　394
11.5.5　編寫陰影部分的代碼　395
11.6　小結　396
11.7　練習　397
第12章 幾何著色器　402
12.1　編寫幾何著色器　402
12.2　以公告牌技術實現森林效果　408
12.2.1　概述　408
12.2.2　頂點結構體　410
12.2.3　HLSL文件　411
12.2.4　SV_PrimitiveID語義　416
12.3　紋理數組　417
12.3.1　概述　417
12.3.2　對紋理數組進行采樣　417
12.3.3　加載紋理數組　418
12.3.4　紋理子資源　418
12.4　alpha-to-coverage技術　419
12.5　小結　421
12.6　練習　422
第13章 計算著色器　425
13.1　綫程與綫程組　427
13.2　一個簡單的計算著色器　428
13.3　數據的輸入與輸齣資源　430
13.3.1　紋理輸入　430
13.3.2　紋理輸齣與無序訪問視圖　430
13.3.3　利用索引對紋理進行采樣　433
13.3.4　結構化緩衝區資源　435
13.3.5　將計算著色器的執行結果復製到係統內存　437
13.4　綫程標識的係統值　441
13.5　追加緩衝區與消費緩衝區　442
13.6　共享內存與綫程同步　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　448
13.7.3　圖像模糊的實現概述　450
13.7.4　計算著色器程序　456
13.8　拓展資料　461
13.9　小結　461
13.10　練習　463
第14章 麯麵細分階段　468
14.1　麯麵細分的圖元類型　469
14.2　外殼著色器　470
14.2.1　常量外殼著色器　470
14.2.2　控製點外殼著色器　473
14.3　鑲嵌器階段　474
14.3.1　四邊形麵片的麯麵細分示例　475
14.3.2　三角形麵片的麯麵細分示例　475
14.4　域著色器　476
14.5　對四邊形進行鑲嵌化處理　477
14.6　三次貝塞爾四邊形麵片　481
14.6.1　貝塞爾麯綫　482
14.6.2　三次貝塞爾麯麵　484
14.6.3　計算三次貝塞爾麯麵的相關代碼　485
14.6.4　定義麵片的幾何形狀　487
14.7　小結　489
14.8　練習　490
第三部分　主 題 篇
第15章 構建第 一人稱視角的攝像機與動態索引　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選講　496
15.3.1　返迴XMVECTOR類型變量的方法　496
15.3.2　SetLens方法　497
15.3.3　推導視錐體信息　497
15.3.4　與攝像機相關的變換操作　498
15.3.5　構建觀察矩陣　499
15.4　攝像機演示程序的若乾注解　500
15.5　動態索引　502
15.6　小結　509
15.7　練習　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　繪製實例數據　512
16.1.2　實例數據　512
16.1.3　創建實例緩衝區　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　532
16.5　練習　533
第17章 拾取　535
17.1　屏幕空間到投影窗口的變換　536
17.2　位於世界空間與局部空間中的拾取射綫　539
17.3　射綫與網格的相交檢測　540
17.3.1　射綫與軸對齊包圍盒的相交檢測　542
17.3.2　射綫與球體的相交檢測　542
17.3.3　射綫與三角形的相交檢測　543
17.4　應用例程　545
17.5　小結　546
17.6　練習　547
第18章 立方體貼圖　548
18.1　什麼是立方體貼圖　548
18.2　環境貼圖　549
18.3　繪製天空紋理　552
18.4　模擬反射　556
18.5　動態立方體圖　559
18.5.1　動態立方體圖輔助類　561
18.5.2　構建立方體圖資源　562
18.5.3　分配額外的描述符堆空間　562
18.5.4　構建描述符　564
18.5.5　構建深度緩衝區　565
18.5.6　立方體圖的視口與裁剪矩形　566
18.5.7　設置立方體圖攝像機　566
18.5.8　對立方體圖進行繪製　568
18.6　用幾何著色器繪製動態立方體圖　571
18.7　小結　574
18.8　練習　574
第19章 法綫貼圖　577
19.1　使用法綫貼圖的動機　577
19.2　什麼是法綫貼圖　578
19.3　紋理空間/切綫空間　580
19.4　頂點切綫空間　582
19.5　在切綫空間與物體空間之間進行轉換　583
19.6　法綫貼圖的著色器代碼　584
19.7　小結　588
19.8　練習　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　597
20.3.2　視錐體之外的點　598
20.3.3　正交投影　598
20.4　什麼是陰影貼圖　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函數與ddy函數　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　619
20.7　練習　620
第21章 環境光遮蔽　622
21.1　通過投射光綫實現環境光遮蔽　623
21.2　屏幕空間環境光遮蔽　626
21.2.1　法綫與深度值的渲染過程　626
21.2.2　環境光遮蔽的渲染過程　628
21.2.3　模糊過程　637
21.2.4　使用環境光遮蔽圖　641
21.3　小結　642
21.4　練習　642
第22章 四元數　644
22.1　復數迴顧　644
22.1.1　定義　645
22.1.2　復數的幾何意義　645
22.1.3　極坐標錶示法與鏇轉操作　646
22.2　四元數代數　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　648
22.2.4　轉換　649
22.2.5　共軛與範數　649
22.2.6　四元數的逆　650
22.2.7　極坐標錶示法　651
22.3　單位四元數及其鏇轉操作　652
22.3.1　鏇轉算子　652
22.3.2　將四元數鏇轉算子轉換為矩陣形式　654
22.3.3　將鏇轉矩陣變換為四元數鏇轉算子　655
22.3.4　復閤　657
22.4　四元數插值　657
22.5　DirectX數學庫中與四元數有關的函數　661
22.6　鏇轉演示程序　662
22.7　小結　667
22.8　練習　667
第23章 角色動畫　670
23.1　框架層次　670
23.2　濛皮網格　674
23.2.1　定義　674
23.2.2　重新推導將骨骼變換至根坐標係的公式　674
23.2.3　偏移變換　675
23.2.4　驅動骨架運動　675
23.2.5　計算最終變換　677
23.3　頂點混閤　679
23.4　從文件中加載動畫數據　682
23.4.1　文件頭　682
23.4.2　材質　683
23.4.3　子集　683
23.4.4　頂點數據與三角形　684
23.4.5　骨骼偏移變換　685
23.4.6　層次結構　685
23.4.7　動畫數據　686
23.4.8　M3DLoader類　688
23.5　角色動畫演示程序　689
23.6　小結　692
23.7　練習　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　696
A.1.3　圖形用戶界麵　698
A.1.4　Unicode　698
A.2　基本的Windows應用程序　699
A.3　講解基本Windows應用程序的工作流程　702
A.3.1　程序中的頭文件、全局變量以及函數聲明　702
A.3.2　WinMain　703
A.3.3　WNDCLASS結構體與實例注冊　704
A.3.4　創建並顯示窗口　705
A.3.5　消息循環　707
A.3.6　窗口過程　708
A.3.7　消息框函數　710
A.4　一種更靈活的消息循環　710
A.5　小結　711
A.6　練習　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　嚮量類型　713
B.1.3　矩陣類型　714
B.1.4　數組　716
B.1.5　結構體　716
B.1.6　typedef關鍵字　716
B.1.7　變量的修飾符　717
B.1.8　強製類型轉換　717
B.2　關鍵字與運算符　718
B.2.1　關鍵字　718
B.2.2　運算符　718
B.3　程序中的控製流　720
B.4　函數　721
B.4.1　用戶自定義函數　721
B.4.2　內置函數　722
B.4.3　常量緩衝區的封裝規則　725
附錄C　解析幾何學選講　728
C.1　射綫、直綫以及綫段　728
C.2　平行四邊形　729
C.3　三角形　729
C.4　平麵　730
C.4.1　DirectX數學庫中平麵的錶示　731
C.4.2　空間點與平麵的位置關係　731
C.4.3　構建平麵　732
C.4.4　對平麵進行規範化處理　733
C.4.5　對平麵進行變換　733
C.4.6　平麵內離指定點最近的點　734
C.4.7　射綫與平麵的相交檢測　734
C.4.8　反射嚮量　735
C.4.9　反射點　735
C.4.10　反射矩陣　736
C.5　練習　737
附錄D　參考資料　739
· · · · · · (收起)