3D游戏从入门到精通-2 -5

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*作者：蔡军生
*出处：http://blog.csdn.net/caimouse/
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3D游戏从入门到精通-2
21   介绍游戏
2.11.1什么是游戏
在《高级汉语大词典》中，“游戏”意为游乐、玩耍等，“游”意为游玩、结交、闲逛、学习等，“戏”有游戏、戏剧、角力等解释，而“玩”则有玩耍、欣赏、投入、反复体会等含义。从这些林林总总的含义中，我们是否可以得出这样一些理解：
           游戏具有学习的特征――学习、投入、反复体会。
游戏具有社会的特征――结交。
游戏具有娱乐的特征――游乐、玩耍、欣赏、角力。
其实，游戏的种类多种多样，这里主要关心是电脑游戏，说得更精确一点，就是三维游戏。
2.11.2 3D游戏
在很长一段时间里，电脑游戏一直是2D的，随着计算机技术的发展，越来越复杂的图形也能轻易处理。目前大部游戏已经发展到3D游戏，随着硬件更进一步的发展，3D游戏肯定会成为主流的方向。因此学习3D游戏技术，是非常必要的。
站在游戏者的角度去看，肯定想玩那些非常逼真，非常生动，身临其境的游戏。由于我们现实世界是三维的空间，那么在计算机里就需要展现出一个非常逼真的三维空间出来，这样才会让人深刻体会到游戏快乐，如现实一般，就像睡了一个非常美妙的梦。
开发游戏的目的，就是让玩家可以快乐地享受游戏带来的快乐，让人可以轻松，或者让人过一个童话般的梦想，或者让人可以相互比赛，满足人类天然的本性--“适者生存”。从达尔文的进化论来看，自然界总是适者生存。游戏里可以让人实现这种天然本性，比如在《极品飞车》里，两个人就可以开着赛车，进行比赛，如果谁胜了，就会得到快乐。比如在《传奇世界》里，谁的武功好，谁就可以把谁打败。这也是一种适者生存，强者生存的本性体现。
因此，3D游戏就是用三维空间的图形表现各式各样场所出来，怎么样表现来呢？这就是本书的目的，本书从头开始指导你怎么样用Direct3D构造游戏
3D游戏从入门到精通-3

2.10.1坐标系
在D3D里使用的坐标系是左手坐标系，就是当你看屏幕时，左手边是X轴的负方向，右手边是X轴的正方向。屏幕下边是Y轴的负方向，屏幕上边是Y轴的正方向。远离屏幕是Z轴的负方向，指向屏幕里面是Z轴的正方向。
坐标系还有右手坐标系，还有其它各种各样的坐标系。如果需要从其它坐标里的图形显示在D3D里，就需要进行转换。
2.10.2点
在三维空间里表示物体位置，就需要用坐标来表示。由上面的坐标系可知，任何一点，都可以用三个坐标轴的值来表示。比如表示零点，就是O（0，0，0）。只要给出三个坐标轴的值，就可以知道这个点在什么位置了。
从坐标系里，就知道我们定义的坐标轴是有方向的。那么在坐标系里的点，是否也有方向呢？为了表示方便，使用起来简单，在D3D里的点也是有方向的。用向量来表一个点的位置和方向。一个点的方向，都是从原点出发指向这点的方向。比如下面的图中，OA就是一个点的位置和方向。
从几何上知道这种表示方法了，但在程序里是怎么样表示一个向量呢？在编程里，是需要特定的编程语言来表达向量的。由于C＋＋具有强大的功能和特别快的处理速度，目前大部份游戏都是采用C＋＋来编写。因此D3D游戏也不例外地采用C＋＋。如果你还不会使用C＋＋，建议你先去找本C＋＋的书来看看，然后再接着看本书，否则很多东西是看不懂的。
在C＋＋里是使用结构（struct）或者类(class)来表达一个向量的。下面就是D3D里的向量表示方法：
typedef struct _D3DVECTOR {
    float x;
    float y;
    float z;
} D3DVECTOR;
D3DVECTOR向量定义了三个成员x,y,z来表示坐标系三个坐标轴的值。这里使用typedef来定义向量类型，以后就可以使用它来定义其它向量类型变量了。为了方便对它的操作，因此又需要继承它，生成一个新类D3DXVECTOR3。D3DXVECTOR3类有很多方法，使用起来非常方便。因而在程序里，主要使用它来定义变量，这样就有很函数可以使用了。比如赋值，相加，相减等等。它的定义如下：
typedef struct D3DXVECTOR3 : public D3DVECTOR
{
public:
    D3DXVECTOR3() {};
    D3DXVECTOR3( CONST FLOAT * );
    D3DXVECTOR3( CONST D3DVECTOR& );
    D3DXVECTOR3( CONST D3DXFLOAT16 * );
    D3DXVECTOR3( FLOAT x, FLOAT y, FLOAT z );

    // casting
    operator FLOAT* ();
    operator CONST FLOAT* () const;

    // assignment operators
    D3DXVECTOR3& operator += ( CONST D3DXVECTOR3& );
    D3DXVECTOR3& operator -= ( CONST D3DXVECTOR3& );
    D3DXVECTOR3& operator *= ( FLOAT );
    D3DXVECTOR3& operator /= ( FLOAT );

    // unary operators
    D3DXVECTOR3 operator + () const;
    D3DXVECTOR3 operator - () const;

    // binary operators
    D3DXVECTOR3 operator + ( CONST D3DXVECTOR3& ) const;
    D3DXVECTOR3 operator - ( CONST D3DXVECTOR3& ) const;
    D3DXVECTOR3 operator * ( FLOAT ) const;
    D3DXVECTOR3 operator / ( FLOAT ) const;

    friend D3DXVECTOR3 operator * ( FLOAT, CONST struct D3DXVECTOR3& );

    BOOL operator == ( CONST D3DXVECTOR3& ) const;
    BOOL operator != ( CONST D3DXVECTOR3& ) const;

} D3DXVECTOR3, *LPD3DXVECTOR3;

在这里已经实现向量的加减、数乘、数除，也许你发现这里有没有点积和叉积运算。它们是通过其它公共函数实现的。说到这里，如果你对点积和叉积运算不是很懂，看来又需要去看看《向量代数》了。在游戏里，要表示一个人沿着OA的方向行走，那么只需要对着OA向量数乘，就可以了。有了这样的向量类型定义，就可像下面那样方便使用：
D3DXVECTOR3 vOA(1.0f,1.0f,1.0f);

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2.10.1平面的表示
3D空间里的物体都是实体的,主要由平面组成。比如正方体，就有6个平面。在D3D里组成三维物体的基本平面是三角形，无论是多么复杂的物体，都是有三角形组成的。并且D3D里支持显示最小的图形也是三角形，它是没有点和直线显示的。因此，要显示正方体，就需要把每个平面分成两个三角形，才能显示。如下图所示：

为什么选择三角形作为D3D里最小的平面呢？由于三个点组成的平面，肯定是共面的，是平坦的，并且显示效率是最高的。如果选择其它多边形的话，就存在点不共面的情况，这样变得非常复杂，所以目前显示卡也是针对三角形进行优化显示的。
要在D3D里显示物体，就是显示很多的三角形，让这些三角形连接起来，就组成游戏里的人体，动物，武器等等。在几何里就知道每个三角形都有三个顶点组成，那么只要设置了三个顶点的值，就可以在D3D里显示三角形出来了。用D3D里的向量表示三个顶点就是：
A: D3DXVECTOR3( -1.0f, -1.0f, 0.0f );
B: D3DXVECTOR3( 0.0f, 1.0f, 0.0f );
C: D3DXVECTOR3( 1.0f, -1.0f, 0.0f );
只要把所有三角形的顶点，都按上面格式设置到顶点缓冲区里，就可以显示一个三角形出来。但这个三角形又可分为两个表面：前表面和后表面。在D3D缺省情况下，只会显示前表面。那么怎么样来区别前表面和后表面呢？由于D3D是采用左手坐标系，正对着平面看去是顺时针方向的顶点顺序就是前表面。如下图所示：
如果不小心把顶点的顺序搞反，就会看不到表面显示。并且还会关系到后面的灯光显示，纹理显示。
其实，前表面就是平面的法向量指向的表面。
只要认识到组成平面的顶点以及顶点排列顺序，就可以用平面构成三维物体了。不管多么复杂的物体，都可以由顶点组成平面，再有平面组成物体。不管是圆的物体，还是方的物体，都可以使用三角形去组成。其实这种三维物体是数字化的，永远都是尽可能逼近，不可能是完全相同的。比如要显示一个足球，它是圆的，需要非常多的三角形去构成它，但不可能完全一样的。并且使用过多的三角形，就会导致CPU或者GPU处理不过来。在目前的个人电脑里，虽然处理三角形的速度快了很多，但真的要显示大量三角形，还是不行的。
3D游戏从入门到精通-5
21   使用Direct3D
2.11.1最简单三角形显示
前面已经学习了顶点、平面以及平面的法向量。接着下面就带你进入奇幻的3D世界，由你去创造这个美好的3D世界。任何美好的事物都是简单的东西组成的，所以也需要从最简单的物体构造开始。这里主要显示一个三角形，其它关于窗口和初始化D3D的设备都已经由MM3D引擎做好了，目前只要设置顶点、世界坐标变换矩阵、观察变换矩阵、投影变换矩阵，然后渲染这个三角形，就可以显示屏幕里了。最终显示效果如下图：

1、             顶点格式
顶点格式是可变的，是灵活的。由前面可知，顶点肯定是有三个值的，就是三个坐标轴的值。下面先来看看最简单的顶点格式，它定义如下：

//定义顶点缓冲区里用到的顶点格式。
struct VT_CAITRIANGLE
{
D3DXVECTOR3 vPosition;       // 顶点位置。
static const DWORD dwFVF = D3DFVF_XYZ;
};
这里使用一个结构来定义顶点的格式，后面就可使用这个结构来定义顶点了。看到这个结构里第一个成员vPosition是很熟悉的吧，前面已经说明过使用一个向量来表示一个顶点的。最简单的顶点格式，就是只有一个向量值，其它什么也没有。后面一个成员dwFVF是说明顶点的有什么样数据，这里只有顶点的坐标，所使用了宏定义D3DFVF_XYZ。其实顶点还可以有其它数据在里面的，比如要表示这个顶点的法向量，就需要加入法向量的成员，比如要显示纹理在这个表面上，就需要设置纹理坐标。

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