手把手教你架构3D游戏引擎

本书主要介绍如何利用3D固定流水线编写游戏引擎，以及在已编写引擎的基础上开发游戏，全书共分10章，主要内容包括游戏引擎简介、数学知识、材质和光照、固定流水线、游戏引擎架构、3D引擎底层封装、3D引擎封装、游戏设计实现、地图编辑器、3D可编程流水线。本书重点介绍3D固定流水线编程中涉及的矩阵和向量之间的换算，最后一章介绍了GPU编程，也就是常说的3D可编程流水线。

硕士研究生，从事互联网和IT行业十年以上，擅长3D游戏引擎开发，GPU编程，游戏架构等技术。曾就职于网龙公司，久游公司，趣游等公司并担任过重要职务，参与或主导过多款商业3D网络游戏上线运营。曾发表《三维漫游系统关键技术研究》，《虚拟交互漫游系统关键技术研究与实现 》，《移动端海洋实时仿真技术研究与实现》等多篇论文，目前个人拥有两项软件著作权。

第1章 游戏引擎简介 （1）
1．1 引擎的原理 （1）
1．2 开发3D引擎具备的条件 （4）
总结 （6）
第2章 数学知识 （8）
2．1 向量 （8）
2．1．1 向量加法及运用 （9）
2．1．2 向量减法及运用 （10）
2．1．3 向量点积及应用 （10）
2．1．4 向量的叉乘及应用 （12）
2．1．5 向量的长度及应用 （13）
2．1．6 向量的归一化及应用 （14）
2．2 矩阵运算 （14）
2．2．1 矩阵加法和减法 （14）
2．2．2 矩阵乘法及运用 （15）
2．3 3D坐标系 （19）
2．4 齐次坐标 （19）
2．5 四元数 （20）
总结 （20）
第3章 材质和光照 （22）
3．1 材质 （22）
3．2 光照 （23）
总结 （26）
第4章 固定流水线 （27）
4．1 局部坐标到世界坐标的变换 （27）
4．2 世界坐标到相机坐标的变换 （29）
4．3 物体剔除 （31）
4．4 相机坐标到透视坐标的变换 （32）
4．5 透视坐标到视口坐标的变换 （33）
4．6 光栅化 （33）
总结 （34）

第5章 游戏引擎架构 （35）
5．1 模块功能细分 （36）
5．2 GDI含义 （36）
5．3 整个引擎渲染思路 （37）
总结 （38）
第6章 3D引擎底层封装 （39）
6．1 自定义结构体 （39）
6．2 矩阵定义 （45）
6．3 通用类定义 （54）
6．4 向量运算 （59）
6．5 灯光 （72）
6．6 视景体 （77）
6．7 矩阵转换 （83）
6．8 图形渲染系统 （89）
6．9 材质 （100）
6．10 坐标系之间的转换 （109）
总结 （158）
第7章 3D引擎封装 （159）
7．1 相机的实现 （160）
7．2 监听事件 （166）
7．3 模型分析 （168）
7．4 模型加载 （169）
7．5 模型操作 （180）
7．6 场景管理 （191）
7．7 绘图接口 （206）
7．8 游戏窗口 （207）
总结 （217）
第8章 游戏设计实现 （218）
8．1 游戏架构 （218）
8．2 坦克设计 （219）
8．3 AI坦克 （230）
8．4 子弹设计 （235）
8．5 玩家控制 （240）
8．6 游戏类封装 （246）
8．7 游戏管理 （253）
8．8 主循环 （276）
总结 （278）
第9章 地图编辑器 （280）
9．1 编辑器实现 （281）
9．2 模型插件实现 （282）
总结 （284）
第10章 3D可编程流水线 （285）
10．1 GPU编程语言 （287）
10．2 灯光的Shader渲染 （287）
10．3 CelShading渲染 （291）
10．4 环境映射 （298）
10．5 Phong着色 （302）
10．6 Bloom渲染 （305）
10．7 PSSM阴影 （314）
总结 （323）

当今，由于国家对文化产业的扶持力度加大，极大地促进了游戏这一行业的繁荣发展，越来越多的IT从业人员加入游戏开发或VR/AR虚拟现实和增强现实开发中。由于游戏行业是一种技术浓缩型的行业，作为一名从业者，要想在游戏行业尤其是3D游戏行业内生存、发展，没有过硬的技术是不行的。可是，多年的从业经历让我见到过许许多多的年轻人，他们在公司里只能写一些简单的逻辑，导致理论和技术长时间得不到提高，长期被边缘化，随时都有被辞退的风险。究其原因，是因为他们对于游戏基础理论知识缺乏运用到实战的经验，在公司的游戏开发中无法提供价值。在和他们接触的过程中，我发现一个很普遍的现象：这些能力欠佳的年轻人也有着强烈的欲望去学习专业知识，只是市场上的3D引擎书籍讲述得偏理论化，而且理论和技术点比较琐碎、脱节，与他们的游戏研发项目没有必然的联系，有时熬夜看完一本书，脑子里闪现的只是一些零散的知识点，在平时的工作实践中根本用不上，久而久之，也就失去了学习兴趣，得过且过了。作为他们的前辈，我也有相似的经历，耽误了很多时间，我一直想着怎么能让后来者少走弯路，理论联系实践。笔者经过多年的经验积累，终于奉上了这本呕心沥血之作。本书的目的就是要打破常规，将理论知识贯穿到游戏引擎的架构设计和游戏开发中，经典的案例就像万能公式一样，可以使读者边学习边运用到当前的游戏项目中去，实用性超强！初学者认真学完本书后，会更深入地理解引擎架构原理及数学知识在游戏中的运用，对自己能力的提升是非常好的助推器。

本书致力于用最通俗的语言讲述初学者最需要的知识，采用图文并茂的方式讲解各知识点在游戏实战中的运用，让读者更容易理解和掌握。本书涉及游戏开发中的知识点并没有做到面面俱到，而是讲述了游戏开发中最基础的知识，并将其封装到引擎开发中去，希望读者把3D游戏开发的基石打牢靠，为以后攀登3D引擎高峰打好系统理论基础。

本书的编写不同于以往的侧重理论知识讲解的书籍，对知识点的讲解侧重实用技术和基础知识相结合的方式，把真正游戏开发中常用的技术知识点抽离出来给大家讲解，采用的是一边讲解理论知识，一边与游戏案例结合的方式，真正做到理论与实践相结合与系统化。

本书手把手地教读者如何从无到有架构游戏引擎，以及如何去利用架构好的游戏引擎开发设计游戏，不借助于任何第三方库文件，自己动手封装底层库，更能让读者知道DirectX或OPENGL、OPENGLES提供的库接口的实现原理，真正做到深入引擎最底层。游戏中使用的模型是开源的Ogre模型插件实现的，这样整本书的引擎架构就是一整套完整的引擎设计，以后也可以做跨平台移植。在本书的最后，给大家介绍了Shader编程案例的实现，作为3D引擎开发者，GPU编程是必不可少的。目前一些知名的游戏公司，如网易、腾讯、蜗牛等都有公司自己研发的3D引擎，这也体现了公司自己的研发能力。随着VR/AR的崛起，更期待支持VR/AR多种设备的3D引擎。毕竟国内真正从事3D引擎开发的人相对来说比较少，所以在3D引擎开发方面，市场潜力还是非常大的。