编辑推荐
《Direct 3D和XNA游戏开发基础(C#语言版)》可作为学习用C#语言开发3D图形和3D游戏程序的入门书,也可作为高校计算机及游戏等相关专业教师、研究生、本专科学生的教材或参考书,对使用C#语言开发3D图形和3D游戏程序的程序员也有很好的参考价值。
XNA+C#新一代游戏开发利器,采用实例教学法,在讲清基本知识点的基础上,借助于丰富的实例加以说明,涵盖关键知识点,提供短小精悍的范例代码,并辅之以详细设计步骤和解释。
随着游戏产业的迅猛发展,快速、高效地开发出精彩的3
内容简介
使用C#语言可以编写基于DirectX和微软新游戏开发平台XNA(仅支持C#语言)的3D图形和3D游戏程序,其运行速度已接近于C++代码的运行速度,一些商业游戏已经使用C#语言创建。用C#语言编写3D图形和3D游戏程序可以降低学习和开发难度,提高开发效率,使开发人员能写出更安全的代码。本书目的是使具有C语言基础的读者通过本书学习,掌握用C#语言开发基于DirectX和XNA的3D图形和3D游戏程序。本书采用实例驱动的方式进行讲解,在例子中尽量避免罗列不相关的知识点和无关代码,使例子代码短小精悍,容易理解,书中全部例程均给出了详细设计步骤,并对每一步代码给出详细解释,读者可按照书中步骤完成例子。
本书可作为学习用C#语言开发3D图形和3D游戏程序的入门书,也可作为高校计算机及游戏等相关专业教师、研究生、本专科学生的教材或参考书,对使用C#语言开发3D图形和3D游戏程序的程序员也有很好的参考价值。
作者简介
耿肇英,教授,1948年1月出生。1983年毕业于北方交通大学电信系,获工学硕士学位。2000年晋升为教授。现任河北师范大学数学与信息科学学院计算机科学系主任。耿肇英教授目前主要从事智能仪器与虚拟仪器的研究工作。在《计算机科学》等国内外学术刊物上发表学术论文20余篇。1993年《动态智能心电监护仪》获河北省人民政府生产办公室河北新产品奖,1998年《智能远程心电监控装置》获国家专利,《SDA—1型微机实验系统》获全国普通高等工业学校CAI协作组优秀CAI软件三等奖。目前承担着三项横向研究课题。
内页插图
目录
第1章 Managed DirectX和XNA
1.1 DirectX
1.2 Managed DirectX
1.3 XNA简介
1.4 .NET Framework
1.5 事件驱动
1.6 Windows应用程序框架
1.7 可视化程序设计
1.8 解决方案和项目
1.9 键盘事件
1.10 事件处理函数参数
1.11 鼠标事件
1.12 窗体的Paint事件
1.13 常用结构
第2章 3D图形的数学基础
2.1 3D坐标系统和坐标
2.2 向量
2.3 矩阵和Matrix结构
2.4 仿射矩阵
2.5 Matrix结构表示3D变换矩阵
第3章 Direct 3D程序框架
3.1 图形卡和GPU
3.2 Device类
3.3 3D程序基小框架
3.4 从基小框架创建项目
3.5 Transformed Colored结构
3.6 绘制静止三角形
3.7 绘制点、线和三角形
3.8 VertexBuffer类
3.9 绘制静止立方体
3.10 背面剔除
3.11 在基本框架中使用控件
第4章 Direct 3D图形原理
4.1 世界、观察和投影变换
4.2 Position Colored结构
4.3 显示三角形
4.4 使三角形旋转
4.5 三角形连续旋转
4.6 显示立方体
4.7 从不同位置观察立方体
4.8 使用顶点索引绘制立方体
4.9 模拟地板和墙壁
4.10 旋转的卒心圆柱
4.11 复杂的变换关系
第5章 灯光和材质
5.1 灯光
5.2 材质和Material结构
5.3 PostionNormal结构和法线
5.4 定向光源照亮三角形
5.5 定向光源照亮立方体
5.6 定向光源照亮卒心圆柱
5.7 点光源
5.8 聚光灯光源
5.9 各种光源照射到地板上
5.10 镜面高光
5.11 材质属性Emissivre
第6章 纹理
6.1 纹理图案和坐标
6.2 包含纹理坐标的顶点结构
6.3 为墙壁增加纹理
6.4 纹理寻址模式
6.5 光照三角形增加纹理
6.6 为立方体增加纹理
6.7 为空心圆柱增加纹理
6.8 添加背景
6.9 纹理滤波器
6.10 多层纹理
6.11 多级渐进纹理滤波
第7章 Mesh类
7.1 Mesh类预定义的几何体
7.2 显示茶壶
7.3 改变观察点和旋转茶壶
7.4 增加多个茶壶
7.5 克隆mesh实现纹理
7.6 3D字体
7.7 显示.x文件中的3D图形
7.8 地形图
7.9 Mesh的优化
7.10 Mesh的简化
7.11 Progressive Mesh类
7.12 将3ds MaX文件转换为.x文件
第8章 透明效果和雾化
8.1 深度测试
8.2 透明物体的绘制原理
8.3 顶点颜色透明
8.4 材质颜色透明
8.5 纹理透明
8.6 有纹理的透明立方休
8.7 多个透明体
8.8 雾化
8.9 顶点雾化
8.10 像素雾化
8.11 基于范围的雾化
第9章 其他特殊效果
9.1 倒影
9.2 使用TextureFactor来设置顶点颜色
9.3 阴影
9.4 后视镜
9.5 广告牌技术
9.6 模板测试
第10章 可编程流水线入门
10.1 可编程流水线的基本概念
10.2 HLSL基础
10.3 fx文件
10.4 Effect类
10.5 使用HLSL程序基本框架
10.6 简单HLSL渲染
10.7 HLSL光照模型
10.8 HLSL表示环境光
10.9 HLSL定向光源漫反射光
10.10 HLSL表示镜面高光
10.11 纹理渲染
10.12 effect编辑器的使用
第11章 移植到XNA游戏框架
11.1 XNA暴本框架
11.2 Basic Effect类
11.3 键盘
11.4 用顶点索引绘制图形
11.5 灯光
11.6 纹理
11.7 .x和.fbx文件
11.8 HLSL
11.9 SpriteBatch类
11.10 输出字符串
11.11 鼠标及按钮实现
第12章 XNA透明效果和雾化
12.1 深度测试
12.2 将顶点颜色设置为透明
12.3 将材质颜色设置为透明
12.4 纹理透明
12.5 像素雾化
第13章 XNA特殊效果
13.1 倒影
13.2 阴影
13.3 广告牌技术
13.4 模板测试
13.5 后视镜
13.6 声音
第14章 用XNA实现粒子系统
14.1 Point Sprite
14.2 描述粒子的结构
14.3 粒子系统原理
14.4 粒子系统类
14.5 模拟曳光弹
14.6 模拟爆炸
14.7 模拟雪景
14.8 HLSL粒子系统
14.9 SpriteBatch粒子系统
第15章 XNA实现阶层动画
15.1 常用的动画技术
15.2 阶层关系
15.3 .x文件格式分析
15.4 显示有阶层关系的.x文件
15.5 逼真的坦克
15.6 蒙皮骨骼动画
第16章 XNA游戏实例
16.1 显示一辆汽车
16.2 汽车停在公路上
16.3 汽车在公路上行驶
16.4 汽车左右移动
16.5 在公路上增加障碍物
16.6 汽车是否碰到障碍物
16.7 完成游戏
附录 C#语言入门
精彩书摘
第1章 Managed DirectX和XNA
本章首先介绍DirectX、Managed DirectX和XNA有关知识,然后详细解释用C#语言设计3D程序时所用到但一般教科书又很少讲到的重要概念,最后列出C#语言3D程序设计中用到的一些结构。本书认为读者已经掌握了C#语言基本语法,并能够使用微软VisualC#2005速成版(简称VS 2005)编写Windows应用程序。如果读者不具备这方面的技能,请先阅读附录,掌握最基本的C#语言语法,然后再学习本章,学习事件驱动有关概念和用VS 2005编写Windows应用程序的最基本步骤,为学习用C#语言编写Direct 3D和XNA程序提供必要的基础。当然,仅靠这些内容就完全掌握C#语言是不可能的,如需进一步学习C#语言,还需要阅读C#语言的专著。如果读者对这方面的内容比较熟悉,也可跳过本章1.4节以后的内容,直接阅读第2章。
前言/序言
运行于Windows操作系统的大部分3D游戏和图形程序都是基于微软公司DirectX开发的,以往开发DirectX程序主要使用C++语言。由于DirectX函数库的使用十分复杂,所涉及的概念众多,而且多都不容易理解,又加上C++语言学习难度较大,以及同内适合初学者的有关DirectX程序设计书籍较少等原因,使用DirectX设汁3D游戏和图形程序工作一商未能得到很好的普及。
2002年微软推出Managed DirectX(托管DirectX),支持C#语言丌发DirectX程序。2006午8月微软发布XNA Game Studio ExpreSS,是微软专门用于开发游戏的最新集成开发环境,是微软人力发展的游戏开发平台。Managed DirectX和XNA用类重新封装了DirectX函数库,比直接使用DirectX函数库要容易得多。两者都使用C#语言开发,减少了学习编程语言的难度。使用C#语言编写基于Managed Directx和XNA的3D游戏和图形程序可以降低学习和开发难度,提高开发效率,使开发人员能写更史安全的代码。基于ManagedDirectX和XNA的3D游戏和图形程序的运行速度已很接近C++程序,一些商业游戏已经使用Managed DirectX和xNA来创建。XNA编写的3D游戏程序还呵运行于微软游戏机XBox 360。Managed DirectX和XNA的推出必将促进3D游戏和图形程序设计的普及。
本书介绍使用C#语言开发基于Managed DirectX和XNA的3D游戏和图形程序技术,目的是使具有C语言基础的读者通过本书学习,掌握使用C#语言开发3D图形程序的基础,并能开发简单的3D游戏程序。
踏入三维世界:Direct3D 与 XNA 游戏开发精粹(C 篇) 本书是一本面向 C 开发者,旨在系统讲解 Direct3D 和 XNA 游戏开发基础的深度技术指南。如果您热衷于用代码构建引人入胜的三维游戏世界,渴望掌握从零开始创建令人惊叹的视觉效果和交互式体验的技能,那么这本书将是您不可或缺的旅程伙伴。我们将深入探索 Direct3D 这一强大的图形 API,以及基于它的 XNA 框架,为您揭示游戏开发的核心奥秘,并引导您一步步成为一名合格的 3D 游戏开发者。 本书的核心价值在于,它不仅仅是理论的堆砌,更是实践的引领。 我们将以 C 语言为载体,通过大量的代码示例、详尽的解释和循序渐进的教学方法,帮助您理解那些复杂而迷人的图形学概念,并将它们转化为实际可用的游戏功能。无论您是拥有一定 C 基础,希望涉足游戏开发领域的新手,还是有其他游戏引擎开发经验,想要深入了解底层图形原理的进阶开发者,都能从本书中受益匪浅。 第一部分:Direct3D 深入探索——构建三维世界的基石 Direct3D 是微软 DirectX 核心组件之一,是 Windows 平台上进行高性能 3D 图形渲染的基石。在这一部分,我们将为您详细剖析 Direct3D 的架构和核心概念,让您对其强大之处有一个全面而深刻的认识。 渲染管线全解析: 从顶点数据到最终像素的旅程,我们将带领您穿越 Direct3D 的完整渲染管线。您将理解顶点缓冲区(Vertex Buffers)、索引缓冲区(Index Buffers)的作用,学习如何使用顶点着色器(Vertex Shaders)处理顶点数据,进行变换(模型、视图、投影)和顶点处理;深入理解像素着色器(Pixel Shaders)在颜色计算、纹理映射、光照等方面的关键作用。我们将逐步揭示固定功能管线(Fixed-Function Pipeline)和可编程管线(Programmable Pipeline)的区别,并侧重于现代可编程管线的强大能力。 Direct3D 对象模型: 您将学习如何创建和管理 Direct3D 设备(Direct3D Device),理解它在图形渲染中的核心地位。我们将讲解交换链(Swap Chain)的原理,这是实现屏幕显示和后台缓冲区渲染的关键。您还将了解各种视图(Viewport)的概念,以及如何设置摄像机(Camera)来定义观察空间。 深度与模板测试: 为了实现逼真的三维场景,深度测试(Depth Testing)和模板测试(Stencil Testing)是必不可少的。我们将详细阐述深度缓冲区(Depth Buffer)的工作原理,以及如何通过深度测试来确保物体正确地遮挡。模板测试的应用场景,如实现特殊的渲染效果,也将一一为您呈现。 混合与透明度: 在游戏中,混合(Blending)是实现半透明效果的关键技术。本书将深入讲解不同混合模式的实现原理,例如 alpha 混合(Alpha Blending),以及如何利用它们创建出如玻璃、烟雾、粒子效果等逼真的视觉元素。 纹理映射: 纹理是赋予三维模型生命力的重要媒介。您将学习如何加载和使用各种类型的纹理,包括颜色纹理、法线贴图(Normal Maps)、高光贴图(Specular Maps)等。我们将讲解纹理坐标(Texture Coordinates)的映射原理,以及如何通过纹理采样器(Texture Sampler)来控制纹理的过滤和寻址模式,从而实现丰富多样的材质表现。 光照模型: 真实感的三维渲染离不开逼真的光照。我们将从基础的朗伯模型(Lambertian Model)和冯氏模型(Phong Model)开始,逐步介绍更复杂的光照技术,如环境光(Ambient Light)、漫射光(Diffuse Light)、镜面反射光(Specular Light)。您还将学习如何利用顶点法线(Vertex Normals)和光照计算来实现物体表面的明暗变化,以及使用着色器来模拟不同光源的效果。 着色器编程基础(HLSL): 作为可编程管线的核心,着色器是 Direct3D 强大能力的源泉。本书将引入 High-Level Shading Language (HLSL) 的基本语法和概念。您将学习如何编写简单的顶点着色器和像素着色器,理解着色器中的变量、函数、数据类型等,并开始掌握利用着色器实现自定义渲染效果的能力。我们将通过实际案例,引导您编写能够实现基础光照、纹理采样、颜色计算的着色器程序。 第二部分:XNA 游戏开发框架——加速您的创意实现 XNA 框架是微软为简化游戏开发而推出的强大工具集,它构建在 Direct3D 之上,提供了更加便捷的 API 和丰富的游戏开发支持。在这一部分,我们将带领您全面了解 XNA 框架,并学习如何利用它高效地构建 2D 和 3D 游戏。 XNA 游戏生命周期: 任何 XNA 游戏都遵循一套标准的生命周期。您将深入理解 XNA 游戏的初始化(Initialization)、内容加载(Content Loading)、更新(Update)和绘制(Draw)等关键阶段,并学习如何在每个阶段编写响应的代码。 内容管道(Content Pipeline): XNA 强大的内容管道极大地简化了游戏资源的导入和处理。我们将讲解如何使用 XNA Content Pipeline 工具来导入和处理模型、纹理、音频、字体等各种游戏资产,并理解 XNA 如何将这些资源编译成游戏可用的格式。 模型加载与渲染: 您将学习如何导入和使用 XNA 框架加载 3D 模型,并将其渲染到屏幕上。我们将讲解如何处理模型骨骼(Bones)和动画(Animation),以及如何通过 XNA 的 API 来控制模型的变换。 精灵与 2D 渲染: 尽管本书侧重于 3D,但 XNA 在 2D 游戏开发方面同样出色。我们将讲解如何使用 SpriteBatch 类来高效地渲染 2D 精灵(Sprites),包括纹理、动画帧的绘制,以及简单的 2D 变换。 输入处理: 游戏交互离不开输入。您将学习如何使用 XNA 的输入系统来处理键盘、鼠标、游戏手柄等各种输入设备,并将其转化为游戏中的玩家操作。 音频与音乐: 声音是游戏体验不可或缺的一部分。我们将讲解如何使用 XNA 的音频功能来播放背景音乐(Background Music)和音效(Sound Effects),并学习如何管理音频播放,如音量控制、循环播放等。 物理模拟(基础): 虽然 XNA 本身不内置复杂的物理引擎,但我们将介绍一些基础的物理概念,并指导您如何通过 XNA 实现简单的碰撞检测(Collision Detection)和响应,为您的游戏增添更多互动性。 用户界面(UI)基础: 游戏需要与玩家进行交互,用户界面是实现这一目标的关键。我们将介绍 XNA 中创建基本 UI 元素(如按钮、文本标签)的方法,以及如何响应用户的 UI 操作。 相机控制: 在 3D 游戏中,相机的位置和朝向至关重要。您将学习如何实现各种相机控制方式,例如第一人称视角(First-Person Camera)、第三人称视角(Third-Person Camera)等,以及如何进行平滑的相机移动和旋转。 第三部分:实战项目与进阶技巧——将理论付诸实践 理论学习离不开实践的巩固。在这一部分,我们将通过一系列精心设计的实战项目,将前面学到的 Direct3D 和 XNA 知识融会贯通,并进一步引导您掌握更高级的开发技巧。 基础 3D 场景搭建: 从一个简单的立方体开始,逐步构建一个包含地面、背景和基本光照的 3D 场景。您将学习如何有效地组织场景中的对象,并实现基本的相机导航。 纹理映射与材质表现: 在构建的场景中应用各种纹理,学习如何通过不同的纹理组合和着色器来模拟出不同材质的效果,如木材、石头、金属等。 基础动画实现: 学习如何为模型添加简单的骨骼动画,例如角色的行走动画,以及如何通过 XNA 播放和控制这些动画。 粒子系统入门: 粒子系统是创造动态视觉效果的利器,如烟雾、火焰、爆炸等。您将学习如何使用 XNA 和简单的着色器来创建一个基础的粒子系统,并控制粒子的生成、生命周期和运动。 简单的第一人称射击游戏雏形: 通过一个小型项目,将您学到的知识应用到实际的游戏开发流程中。您将实现玩家的移动、射击、敌人AI(非常基础)以及简单的得分系统。 性能优化初步: 随着游戏复杂度的增加,性能优化变得尤为重要。我们将为您介绍一些基础的性能优化技巧,如批处理(Batching)、剔除(Culling)、着色器优化等,帮助您写出更高效的游戏代码。 调试与错误处理: 在游戏开发过程中,调试是必不可少的环节。我们将分享一些有效的调试技巧和策略,帮助您快速定位和解决问题。 本书的特色: C 语言的完美结合: 本书完全采用 C 语言进行讲解和示例,对于 C 开发者来说,上手门槛低,学习曲线平缓。 循序渐进的教学模式: 从最基础的概念出发,逐步深入,确保读者能够扎实地掌握每一项知识点。 丰富的代码示例: 每一个重要的概念都配有可运行的代码示例,方便读者对照学习和实践。 实战驱动的学习方法: 通过实际项目案例,将理论知识转化为可用的游戏功能,提升学习的趣味性和成就感。 深入浅出的技术讲解: 避免枯燥的理论阐述,而是用清晰易懂的语言,结合实际应用场景来解释复杂的图形学概念。 致读者: 踏入 Direct3D 和 XNA 的世界,就像是开启了一段充满挑战与惊喜的旅程。您将有机会将脑海中的奇思妙想,通过代码转化为触手可及的虚拟世界。这需要耐心、毅力和不断探索的精神。希望本书能够成为您在这段旅程中坚实的后盾,为您提供清晰的指引和宝贵的经验。让我们一起,用 C 的力量,点燃您心中的游戏开发梦想!