0x5f3759df的数学原理
Quake-III Arena (雷神之锤3)是90年代的经典游戏之一。
该系列的游戏不但画面和内容不错,而且即使计算机配置低,也能极其流畅地运行。这要归功于它3D引擎的开发者约翰-卡马克(John Carmack)。事实上早在90年代初DOS时代,只要能在PC上搞个小动画都能让人惊叹一番的时候,John Carmack就推出了石破天惊的Castle Wolfstein, 然后再接再励,doom, doomII, Quake...每次都把3-D技术推到极致。他的3D引擎代码资极度高效,几乎是在压榨PC机的每条运算指令。当初MS的Direct3D也得听取他的意见,修改了不少API。
最近,QUAKE的开发商ID SOFTWARE遵守GPL协议,公开了QUAKE-III的原代码,让世人有幸目睹Carmack传奇的3D引擎的原码。
我们知道,越底层的函数,调用越频繁。3D引擎归根到底还是数学运算。
那么找到最底层的数学运算函数(game/code/q_math.c),必然是精心编写的。里面有很多有趣的函数,很多都令人惊奇,估计我们几年时间都学不完。
在/code/game/q_math.c里发现了这样一段代码。
它的作用是将一个数开平方并取倒,经测试这段代码比(float)(1.0/sqrt(x))快4倍:
float Q_rsqrt( float number )
{long i;float x2, y;const float threehalfs = 1.5F;x2 = number * 0.5F;y = number;i = * ( long * ) &y; // evil floating point bit level hackingi = 0x5f3759df - ( i >> 1 ); // what the fuck?y = * ( float * ) &i;y = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 1st iteration
// y = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 2nd iteration, this can be removed#ifndef Q3_VM
#ifdef __linux__assert( !isnan(y) ); // bk010122 - FPE?
#endif
#endifreturn y;
}
函数返回1/sqrt(x),这个函数在图像处理中比sqrt(x)更有用。
注意到这个函数只用了一次叠代!(其实就是根本没用叠代,直接运算)。编译,实验,这个函数不仅工作的很好,而且比标准的sqrt()函数快4倍!要知道,编译器自带的函数,可是经过严格仔细的汇编优化的啊!
这个简洁的函数,最核心,也是最让人费解的,就是标注了“what the fuck?”的一句:i = 0x5f3759df - ( i >> 1 );
再加上y = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) );
两句话就完成了开方运算!而且注意到,核心那句是定点移位运算,速度极快!特别在很多没有乘法指令的RISC结构CPU上,这样做是极其高效的。
算法的原理其实不复杂,就是牛顿迭代法,用x-f(x)/f'(x)来不断的逼近f(x)=a的根。
简单来说比如求平方根,f(x)=x^2=a ,f'(x)= 2*x,f(x)/f'(x)=x/2,把f(x)代入x-f(x)/f'(x)后有(x+a/x)/2,现在我们选a=5,选一个猜测值比如2,那么我们可以这么算
5/2 = 2.5;
(2.5+2)/2 = 2.25;
5/2.25 = xxx;
(2.25+xxx)/2 = xxxx
...
这样反复迭代下去,结果必定收敛于sqrt(5),没错,一般的求平方根都是这么算的,但是卡马克(quake3作者)真正牛B的地方是他选择了一个神秘的常数0x5f3759df 来计算那个猜测值,就是我们加注释的那一行,那一行算出的值非常接近1/sqrt(n),这样我们只需要2次牛顿迭代就可以达到我们所需要的精度.好吧 如果这个还不算NB,接着看:
普渡大学的数学家Chris Lomont看了以后觉得有趣,决定要研究一下卡马克弄出来的这个猜测值有什么奥秘。Lomont也是个牛人,在精心研究之后从理论上也推导出一个最佳猜测值,和卡马克的数字非常接近, 0x5f37642f。卡马克真牛,他是外星人吗?
传奇并没有在这里结束。Lomont计算出结果以后非常满意,于是拿自己计算出的起始值和卡马克的神秘数字做比赛,看看谁的数字能够更快更精确的求得平方根。结果是卡马克赢了... 谁也不知道卡马克是怎么找到这个数字的。
最后Lomont怒了,采用暴力方法一个数字一个数字试过来,终于找到一个比卡马克数字要好上那么一丁点的数字,虽然实际上这两个数字所产生的结果非常近似,这个暴力得出的数字是0x5f375a86。
Lomont为此写下一篇论文,"Fast Inverse Square Root"。
最后,给出最精简的1/sqrt()函数:
float InvSqrt(float x)
{float xhalf = 0.5f * x;int i = *(int *)&x;i = 0x5f3759df - (i>>1);x = *(float *)&i;x = x * (1.5f - xhalf * x * x);return x;
}
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