D3D学习总结基础篇(一)–数学基础

D3D学习总结基础篇(一)–数学基础本人一直对游戏开发有着浓厚兴趣,之前也看过简单使用过许多游戏引擎,最后觉得,作为一个开发人员,对游戏开发的一些低层实现不了解的话,是很难在这个领域有所发展的,因此最终决定认真地学习下D3D。出于技术上的追新,选择的版本是10.0(确实,现在大部分游戏还是用9.0开发,不过,在学习状态下,技术的选择还

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本人一直对游戏开发有着浓厚兴趣,之前也看过简单使用过许多游戏引擎,最后觉得,作为一个开发人员,对游戏开发的一些低层实现不了解的话,是很难在这个领域有所发展的,因此最终决定认真地学习下D3D。出于技术上的追新,选择的版本是10.0(确实,现在大部分游戏还是用9.0开发,不过,在学习状态下,技术的选择还是有自主权的嘛~~)。

其实我都不习惯记笔记,习惯于学习后和人讨论或者实践,但现在觉得图形学的东西确实有些难度,还是有必要总结下。我的参考教材是Introduction to 3D Game Programming with DirectX 10,事实上本文的内容大部分来自此书,但都经过本人的重新整理,毕竟,这本书没中文版。。。

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线性代数,相信大部分童鞋在本科都学过,话说我在学的时候,完全没有想到,平时在玩的3D游戏的最底层,都是这些矢量,矩阵在”作祟”。。。因此,这篇博文写的就是图形学的数学基础。

1. 向量和点

需要掌握的向量运算有:加,减,乘以实数,求长,求单位向量,点乘,×乘。更重要的是,要明确其物理意义,具体的就随便找本线性代数课本看好了。它在图形学中的碰撞处理、物理模拟等常见技术中占有极重要的地位。同时也要明白点和向量的关系,点表示位置,向量表示一个方向的运动。D3D中的向量封装在D3DVECTOR结构的各个子类中(注意,c++中的类和结构只有默认访问权限上的区别),其中包含了常用的向量计算函数。如,D3DXVECTOR3代表一个三维向量。

 

2. 矩阵

需要掌握矩阵的基本计算,特别是乘法。矩阵在图形学中,主要D3D用于通过代数思想来实现缩放、转动、移动(平移)等视觉上重要的图像行为。D3D中的矩阵封装在D3DMATRIX的子类中,和向量一样,D3D也为我们实现了大部分的矩阵计算。

 

3. 图形变换的基本原理

我们在学习线性代数的时候,已经对矩阵和向量计算方面了解的比较清楚,相信大家都做过那些恶心人的证明题(本人考研的时候,线性代数证明题悲剧。。。),不过这里,我们要讨论的时,这些基础理论是怎么和图形的变换实现结合起来的。

3.1 你需要首先知道的一些细节

在D3D编程中,我们使用4*4的矩阵来实现变换,什么意思呢,就是说,我们用一个1*4的矩阵来代表一个向量或者一个点,设为小v,另外有个矩阵M为4*4矩阵来代表某种图形变换(放大,缩小,旋转,etc),然后vM即为变换后的点或者向量。

这里有个小问题,我们用4*4的矩阵来表示变换,是数学上的需要,但事实上,在3D世界中,1*3的向量或者点足以表现现实世界的位置和移动,那最后那一个数字用来做什么呢。事实上,规定1*4的矩阵来表示向量或者点,是因为矩阵乘法的需要(不然无法做乘法了嘛),当然,咱不能浪费,因此我们做一下规定:

(x, y, z, 0) for vectors

(x, y, z, 1) for points

这个规定事实上很严密,两个点的差即为向量,而两个向量加减后仍为向量。

3.2 简单变换1—缩放

虽然建模的实现方法很多,主流的方法是用一个个三角形组成一个立体模型,但当我们在操作建模对象是,仍是通过微观上操作点来实现对整体对象的操作。可能我说的有些迷糊,先看下下面的矩阵(原谅我使用书里的图,实在懒得去整这些数学符号):

D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

这个矩阵就是传中的缩放矩阵,一个向量或者点和他一乘,就实现缩放了。还是有些空洞吗,那我再拿一个书上的例子说明下:

设有D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

我们用两个点来表示一个矩形(2d的好理解些,3d其实一回事),分别为[4,4,4,1],[-4,-4,0,1],然后让他们都去乘以S就实现了缩放,下面的示图演示了缩放过程:

D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

3.3 简单变换2—旋转

旋转相对来说要复杂些,首先看下面这张图,坐标系符合左手系:

D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

我们要让p点围绕n轴旋转θ度到p’处,怎么实现呢?其实还是乘一个矩阵,这个称为旋转矩阵:

D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

这个矩阵就没有缩放矩阵这么直观了,首先里面有很多参数,x,y,z是向量n的三维,即n=(x,y,z)。c = cos θ,s = sinθ。注意,在左手坐标系中,正角度对着n的方向的顺时针,即图中的θ是正角度。宏观的来说,也可以像上一节那样,用两点来表示一个正方形那样来模拟旋转的过程,这里就不详细说了。事实上,这个公式的推导我已经没啥印象了,如果有朋友对这块有兴趣,欢迎讨论哈。

3.4 简单变换3—移动(位移)

事实上,这个是最简单的,一个点加上一个向量即实现了一次位移,如下图:

D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

点u加上向量b就运动到了另一点。当然,为了将这种变换和别的变换统一起来,我们还是需要给出位移矩阵:

D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

这个应该一目了然了吧,偶就不多解释了。

3.5 图形变换的D3D实现

以上三个矩阵,能铭记于心当然最好,记不住,理解了,应该也ok,因为d3d已经讲其封装为一个个函数供我们使用(opengl等图形api也有类似函数)。考虑到效率,使用这些函数的时候都尽量传引用。

这里再提一下优化的问题,由于我们将每种变换都规格化到了4*4的矩阵,3D引擎可以比较方便的实现优化,如果需要连续多个变换,可以先将变化矩阵相乘,最后再乘以点或者向量,这个在由几十万个点组成的模型的时候,效果是相当好的。

 

4. 坐标系转换

如果真有人看到这里,我觉得我应该请你吃饭-。-之前的表述事实上不太清楚,如果你是个老手,那可能觉得这篇文章实在太入门,如果你是新手,那这篇文章可能有诸多细节没讲清楚,不管怎样,希望你能给点意见^-^。

言归正转,坐标转换是什么,就是同一个点或者向量,在不同的坐标系中会有不同的位置,向量和点本身没变,但由于坐标系变换了,其也跟着变化。事实上,在3d游戏中,是非常重要的。我们经常以视角能否自由移动来判断一个游戏使用的是真3d还是假3d,而我们在转换视角时,相当于在变换坐标系,事实上物体的位置没变,只是在不同的坐标系中展示而已(我只是举个例子,事实上视角的转换实现要复杂的多)。

 

4.1 向量的坐标转换

先考虑2D的情况,看下图:

D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

向量p本身不变,但在不同的坐标系Frame A和Frame B下,它会有不同的坐标值,我们分别记为x,y与x’,y’。

下面是推导过程:

  1. 在FrameA中,D3D学习总结基础篇(一)--数学基础,u,v为Frame A中的单位向量。
  2. 转换到Frame B中,我们把u转换为Ub, V转换为Vb。
  3. 因此在Frame B中,我们得到等式D3D学习总结基础篇(一)--数学基础
  4. 推导到3D情况,我们有D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

思想应该很明显了吧,我们不修改P点的x,y指,而是讲其单位向量替换为相关转换坐标系中的两个向量(仍然是一个单位的向量,但不是指向x和y轴的)。

 

4.2 点的坐标系转换

我们再来看点的情况,这个也很简单,公式为D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

Z = 0的时候即为2D情况,下图可以说明推导过程:

D3D学习总结基础篇(一)--数学基础

 

关于D3D开发的基础数学就基本讲完了,当然,这只是最基础的,下一篇会结合我们常见的PC游戏视频设置选项来讲解一下一些D3D开发中的概念。

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