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朱虹 著

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店铺： 博学精华图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121232749

商品编码：29692496673

包装：平装

出版时间：2014-08-01

基本信息

书名:数字逻辑

：35.00元

售价：25.6元,便宜9.4元,折扣73

作者:朱虹

出版社：电子工业出版社

出版日期：2014-08-01

ISBN：9787121232749

字数：348000

页码：212

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

本书为北京市高等教育精品教材立项项目（重点支持项目），国家精品课程“电路分析”的配套教材,配有PPT课件和其他资源。内容讲解清晰易懂、层次分明。

内容提要

本书为北京市高等教育精品教材立项项目（重点支持项目），并且是国家精品课程“电路分析”的配套教材。作者全面、系统地讲述了数字逻辑课程所具有的基本内容，包括半导体基础知识、计算机中数与码的表示、逻辑代数、基本门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路等，并与教育部普通高中通用技术课标相结合，采用“自上而下”与“自下而上”相结合的教学方法，体现教材的“基础性”、“实用性”、“实践性”、“前瞻性”和“创新性”。

目录

作者介绍

朱虹，首都师范大学信息学院副教授，主讲课程“电路分析”课程获2008年国家精品课程，2007年北京市精品课程；2007年获北京市高校中青年骨干教师称号。

文摘

序言

《电子游戏中的物理引擎：从像素到现实》 前言 你是否曾沉浸在虚拟世界的奇幻冒险中，感受着角色在复杂环境中奔跑、跳跃、碰撞的逼真反馈？你是否曾惊叹于游戏画面中物体自由落体的优雅轨迹，或者角色之间互动时产生的细微物理效果？这一切的背后，都离不开一个至关重要的幕后英雄——电子游戏中的物理引擎。它如同看不见的双手，塑造着虚拟世界的行为法则，将静态的画面转化为生动的体验，让玩家的情感与游戏世界产生深度共鸣。 本书将带领你踏上一段探索电子游戏物理引擎奥秘的旅程。我们将拨开层层迷雾，深入了解那些让虚拟世界“活”起来的技术细节。这不是一本枯燥的技术手册，而是一次激动人心的发现之旅，旨在揭示那些隐藏在游戏互动之下的智慧结晶。我们将从最基础的概念讲起，逐步深入到复杂的算法和优化技巧，让即使是初学者也能理解其精妙之处。无论你是对游戏开发充满热情，还是对计算机科学的某个细分领域感到好奇，这本书都将为你打开一扇新的大门。 第一章：何为物理引擎？——虚拟世界的行为规则 想象一下，当你丢下一颗石头，它会沿着怎样的弧线落下？当你推动一个箱子，它会如何滑动并最终停下？在现实世界中，这些都是由物理定律主宰的。而电子游戏，作为模拟现实或创造全新世界的艺术，同样需要一套规则来定义其内部物体之间的互动。这就是物理引擎的作用。 物理引擎，简单来说，就是一套计算机程序，它负责模拟游戏世界中物体的物理属性和运动规律。它不仅仅是让物体“看起来”在运动，而是要让它们“表现”得像在现实世界中一样。这包括但不限于： 重力： 模拟物体被拉向地面的力，决定了物体下落的速度和轨迹。 碰撞检测与响应： 判断两个或多个物体是否发生接触，以及发生接触后它们会如何相互作用，例如弹开、滑动、或者变形。 摩擦力： 模拟物体表面接触时产生的阻力，影响物体的滑动速度和停止方式。 动量与惯性： 模拟物体保持原有运动状态的趋势，以及受力后速度改变的难易程度。 弹性： 模拟物体在碰撞后恢复原状的能力，决定了它们碰撞后的反弹程度。 刚体动力学： 模拟不发生形变的物体在力作用下的运动状态，这是最常见的游戏物理模型。 软体动力学： 模拟可以发生形变的物体，如布料、头发、橡胶等，它们拥有更复杂的运动和形变规律。 一个优秀的物理引擎能够为游戏带来极高的沉浸感。当玩家的角色能够自然地奔跑、跳跃，能够真实地与环境互动，例如推开门、踩碎玻璃、甚至让复杂的机械结构发生连锁反应时，游戏的体验就得到了质的飞跃。反之，如果游戏中的物体表现僵硬、不自然，甚至出现“穿模”（物体穿过另一个物体）、“漂浮”（物体不受重力影响）等BUG，都会极大地破坏玩家的代入感。 第二章：游戏物理的基石——数学与算法的融合 要模拟物理世界，离不开数学的强大支撑。物理引擎的背后，是一系列精巧的数学模型和高效的算法。 2.1 坐标系与向量：定义空间中的一切 在三维游戏世界中，每个物体的位置、方向、速度和受力都需要被精确地描述。这离不开坐标系和向量的应用。 笛卡尔坐标系： 我们最熟悉的 XYZ 三轴系统，用来确定物体在三维空间中的精确位置。 向量： 既有大小又有方向的量，是描述物理概念的理想工具。例如，速度是一个向量，表示移动的快慢和方向；力也是一个向量，表示推或拉的强度和方向。向量的加减、点乘、叉乘等运算，是进行物理模拟的核心。 2.2 牛顿运动定律：古典力学的核心 艾萨克·牛顿提出的三大运动定律，是理解和模拟宏观物体运动的基础。 牛顿第一定律（惯性定律）： 物体在没有外力作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。这解释了为什么需要施加力才能改变物体的运动状态。 牛顿第二定律（加速度定律）： 物体的加速度跟作用在它上面的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。即 F = ma。这是计算物体在受力后的运动变化的关键公式。 牛顿第三定律（作用力与反作用力定律）： 每一个作用力，都存在一个大小相等、方向相反的反作用力。这在模拟物体之间的碰撞和相互作用时至关重要。 2.3 时间步长与数值积分：模拟连续变化 现实世界中的物理变化是连续的，而计算机处理的是离散的数据。物理引擎需要将连续的物理过程分解成一个个微小的时间步长（time step），在每个时间步长内计算物体状态的变化，然后将这些变化累积起来，从而模拟出连续的运动。 数值积分： 这个过程就是利用数值积分的方法，根据当前状态和作用力，计算出下一个时间步长后的新状态。常用的数值积分方法包括： 欧拉法（Euler Method）： 最简单易懂的方法，但精度较低，容易累积误差。 改进欧拉法（Improved Euler Method）： 在欧拉法基础上进行改进，精度有所提升。 龙格-库塔法（Runge-Kutta Methods）： 更高阶的数值积分方法，精度更高，是许多现代物理引擎的选择。 2.4 碰撞检测（Collision Detection）：辨别“接触” 在模拟物理互动之前，首先要确定物体是否发生了碰撞。这是物理引擎中最具挑战性也最关键的部分之一。 包围体（Bounding Volume）： 为了提高效率，通常不会直接对复杂的模型进行碰撞检测，而是使用更简单的几何形状来近似表示物体，例如： 球体（Sphere）： 最简单的包围体，检测效率最高。 轴对齐包围盒（Axis-Aligned Bounding Box, AABB）： 边界与坐标轴平行的盒子，检测也较快。 定向包围盒（Oriented Bounding Box, OBB）： 边界可以任意旋转的盒子，能更贴合物体形状。 胶囊体（Capsule）： 结合了球体和线段的形状，常用于角色碰撞。 几何形状的相交测试： 一旦确定了包围体，就需要进行更精密的几何形状的相交测试，例如： 点到平面距离： 判断点是否在平面的一侧。 线段与线段相交： 判断两条线段是否交叉。 多边形与多边形相交： 判断两个多边形是否重叠。 更复杂的几何体碰撞： 如球体与球体、球体与盒体、盒体与盒体等的相交判断。 2.5 碰撞响应（Collision Response）：碰撞后的“反应” 当碰撞检测确认发生碰撞后，物理引擎需要计算碰撞后物体如何运动，即碰撞响应。 冲量（Impulse）： 碰撞瞬间，物体之间会传递一个冲量，这个冲量会改变物体的动量，从而改变其速度。冲量的计算与碰撞的相对速度、物体的质量、以及物体的弹性系数（恢复系数）有关。 法线（Normal）： 碰撞点处垂直于接触表面的方向，是计算冲量和反弹方向的关键。 摩擦力： 在碰撞响应中，还需要考虑摩擦力，它会阻碍物体的相对滑动。 第三章：不同类型的游戏物理模拟 根据游戏的需求和复杂程度，物理引擎可以采用不同的模拟方法。 3.1 刚体动力学（Rigid Body Dynamics）：最广泛的应用 这是最常见的物理模拟类型，假设游戏中的物体是坚硬的，不会发生形变。例如，大多数的子弹、箱子、车辆、建筑部件等都属于刚体。 模拟方式： 主要基于牛顿运动定律，通过计算物体受到的力（如重力、推力、碰撞力）来更新其线速度和角速度，进而推导出其位置和姿态。 核心技术： 碰撞检测、冲量计算、摩擦力模拟。 应用场景： 动作游戏、射击游戏、竞速游戏、策略游戏中的许多互动元素。 3.2 软体动力学（Soft Body Dynamics）：模拟变形与形变 软体模拟的目标是模拟那些可以发生形变、拉伸、压缩、弯曲的物体，如布料、绳索、橡胶、水、云等。 模拟方式： 通常采用基于粒子或质点的系统，将物体分解成一系列相互连接的粒子，通过模拟粒子之间的弹簧力、阻尼力以及外部力来模拟物体的形变。 核心技术： 弹簧-阻尼模型： 用弹簧模拟物体内部的恢复力，用阻尼器模拟能量的耗散。 有限元方法（Finite Element Method, FEM）： 一种更高级的数值分析方法，用于求解连续介质力学问题，能够更精确地模拟复杂形变。 masas-弹簧系统（Mass-Spring System）： 将物体离散化为质量点，并用弹簧连接，是模拟软体的常用方法。 应用场景： 角色服装的飘动、布料的褶皱、绳索的摆动、水流的动态、爆炸产生的烟雾等。 3.3 流体模拟（Fluid Simulation）：模拟液体与气体 流体模拟是软体动力学的一个特殊分支，专门用于模拟液体（如水、油）和气体（如烟、火、空气）。 模拟方式： 常常基于纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），这是一组描述流体运动的偏微分方程。 核心技术： 粒子追踪法（Particle-based methods）： 如平滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH），将流体分解为一系列粒子，通过粒子间的相互作用来模拟宏观的流体行为。 网格法（Grid-based methods）： 将空间划分为网格，在每个网格点上求解流体方程。 应用场景： 水面的波动、波浪、瀑布、喷泉、烟雾的扩散、爆炸产生的气浪等。 3.4 角色动画与物理的结合（Animation and Physics Blending） 现代游戏中，角色的运动不仅仅是通过骨骼动画来驱动，还会与物理引擎进行结合，以实现更自然的表现。 目标： 避免角色在复杂的环境中出现不自然的姿态，例如在不平整的地面上行走时，脚部能自然贴合地面；在被击飞时，身体能呈现出夸张的形变和翻滚。 技术： 反向动力学（Inverse Kinematics, IK）： 根据终端效应器（如脚、手）的位置，反向计算出关节的角度，使角色能够做出符合环境的动作。 物理驱动的动画： 将物理模拟的结果直接影响到角色的动画表现，例如，角色被撞击后，动画会根据碰撞力进行调整。 布娃娃系统（Ragdoll System）： 当角色死亡或被击倒时，将其身体视为一系列的刚体，通过物理引擎来模拟其自然倒下的过程，极大地增强了真实感。 第四章：物理引擎的优化与挑战 物理模拟虽然能带来逼真的体验，但其计算量往往非常巨大，如何高效地进行模拟是物理引擎设计中的核心挑战。 4.1 性能优化：速度与精度的平衡 简化碰撞检测： 使用分层包围体、空间分割等技术，快速剔除不可能发生碰撞的物体对，只对可能碰撞的物体进行详细检测。 多线程处理： 将物理计算分解成多个任务，分配给不同的CPU核心同时处理，大幅提升计算速度。 LOD（Level of Detail）技术： 对于远距离的物体，可以降低其物理模拟的精度，甚至完全禁用物理模拟，节省计算资源。 物理计算的批处理： 将相似的物理计算任务打包在一起，一次性进行处理，减少函数调用和数据加载的开销。 GPU加速： 利用图形处理器（GPU）强大的并行计算能力，处理大量的物理计算任务，尤其在粒子模拟和流体模拟中效果显著。 4.2 精度与稳定性：避免“物理BUG” 选择合适的数值积分方法： 高阶积分方法虽然计算量大，但精度更高，能够减少累积误差。 固定时间步长： 许多物理引擎会采用固定时间步长，以保证数值积分的稳定性，防止出现因时间步长过大导致的计算错误。 碰撞穿透修复（Penetration Correction）： 在碰撞发生后，即使已经计算出响应，也可能因为数值误差导致物体有轻微的穿透。此时需要进行修正，将物体推离，以保持物理的准确性。 能量守恒的考虑： 在某些情况下，需要确保物理模拟过程中的能量守恒，以避免出现能量凭空产生或消失的情况。 4.3 软件与硬件的协同 游戏引擎的集成： 现代游戏引擎（如Unity、Unreal Engine）通常都集成了强大的物理引擎，简化了开发者的工作流程。 专用物理中间件： 许多开发者会选择使用成熟的第三方物理引擎SDK（Software Development Kit），如Havok、PhysX、Bullet Physics等，这些引擎经过了大量的测试和优化，能够提供稳定且高效的物理模拟。 第五章：物理引擎在游戏设计中的意义 物理引擎不仅仅是技术的堆砌，它更是游戏设计的重要组成部分。 5.1 提升游戏的可玩性与趣味性 策略的深度： 物理特性可以为游戏策略带来更多维度。例如，在策略游戏中，利用重力投掷物体攻击敌人，或者利用弹射原理解决谜题。 动态的挑战： 物理互动可以创造出动态的游戏挑战，玩家需要根据物体的物理属性来制定对策。 意想不到的乐趣： 精心设计的物理互动常常能带来意想不到的乐趣，例如，通过连锁反应引发的壮观场景，或者角色之间滑稽的碰撞。 5.2 增强游戏的表现力与叙事 “活”起来的世界： 逼真的物理效果让游戏世界显得更加真实和生动，增强了玩家的沉浸感。 环境的互动性： 玩家能够与游戏环境进行丰富的互动，例如，打碎玻璃、推倒墙壁、操纵复杂的机关，这使得游戏世界充满了生命力。 叙事的辅助： 物理事件本身就可以成为叙事的一部分。例如，一场大规模的爆炸，或者一个精心设计的物理陷阱，都能为游戏增添戏剧性。 5.3 创新游戏玩法 物理谜题： 许多成功的游戏将物理模拟作为核心玩法，例如《愤怒的小鸟》利用抛物线原理、《传送门》利用空间传送的能力。 模拟类游戏： 模拟经营类、建造类游戏更是离不开精密的物理模拟，如模拟建造城市、驾驶飞机、或者经营一个工厂。 结语 从抽象的数学公式到屏幕上逼真的互动，电子游戏中的物理引擎是一项令人惊叹的工程壮举。它将科学的严谨性与艺术的创造力巧妙地融合在一起，为我们构建了一个又一个充满活力的虚拟世界。本书的探索之旅，希望能让你对这个隐藏在游戏背后的强大力量有一个更深刻的认识。理解物理引擎的工作原理，不仅能让你更欣赏游戏的精妙之处，也能为你探索游戏开发的无限可能提供宝贵的启示。愿你在未来的游戏体验中，能够感受到那些细微的物理反馈，并从中发现更多乐趣。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深度和广度，远远超出了我对一本技术参考书的预期。我原本以为它会集中在某个特定的微处理器架构上进行深入剖析，但令我惊喜的是，它竟然能够在一个统一的理论框架下，涵盖从晶体管级别到复杂状态机的多个层次的知识体系。例如，书中对不同类型逻辑族的特性比较分析，不仅详细列举了CMOS、TTL等不同工艺的优劣势，还深入探讨了功耗与速度之间的权衡，这种宏观视野让人受益匪浅。更关键的是，它不仅仅停留在理论的描述，很多章节的末尾都附带了非常精妙的思考题，这些问题往往不要求直接给出标准答案，而是引导读者去思考“如果改变某个参数，系统会如何响应？”这种开放式的探讨极大地激发了我的批判性思维。对于那些已经有一定基础，渴望突破瓶颈、迈向架构设计层面的工程师而言，这本书无疑是一座亟待攀登的高峰，它提供的思考深度是你在其他入门资料中难以寻觅的。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我购买这本书时是带着一点点怀疑的，因为市面上很多声称“全面”的资料，往往在实践指导性上做得非常薄弱，变成了纯粹的理论堆砌。然而，这本书在理论铺垫扎实的基础上，非常巧妙地穿插了大量的“设计实例分析”。这些实例不仅仅是枯燥的代码或电路图，而是以解决实际工程问题为导向展开的。比如，在讨论异步电路设计时，作者并没有回避“毛刺”和“竞争冒险”这些令人头疼的问题，而是用了一个完整的，从需求分析到最终波形验证的案例，清晰地展示了如何通过合理的同步机制来规避这些潜在的系统风险。这种“理论结合案例”的叙事手法，使得原本抽象的逻辑概念瞬间变得具象化、可操作化。每次遇到一个技术难点，我总能在这本书中找到对应的“实战对策”，这极大地增强了我在实际项目中的信心和解决问题的效率。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计着实让人眼前一亮，那种沉稳的深蓝色调配上烫金的字体，透着一股经久不衰的专业气息。初次翻阅时，我立刻被它排版的精细度所吸引，注释清晰地标注在页脚，关键术语的加粗处理恰到好处，既不会突兀地打断阅读的流畅性，又能有效地引导读者的注意力。我记得我当时花了相当长的时间来感受那种纸张的质感，它不是那种轻飘飘的铜版纸，而是略带粗粝感的米黄色纸张，长时间阅读下来眼睛的疲劳感明显减轻了不少，这对于需要长时间钻研技术性内容的读者来说，简直是福音。更值得称赞的是，书中的图表和示意图的绘制质量极高，线条干净利落，逻辑关系一目了然，即便是面对复杂的电路结构图，也能迅速把握其核心运作原理，这在很多同类书籍中是难以企及的细节处理水平。这本书显然是在印刷和装订环节投入了大量的精力，体现出出版方对知识的尊重与对读者的关怀，拿在手上沉甸甸的感觉，让人由衷地感到物有所值。

评分☆☆☆☆☆

我是一位刚接触嵌入式系统开发不久的新手，面对市面上那些动辄晦涩难懂的教科书，我常常感到无从下手，很多定义和概念需要反复查阅大量参考资料才能勉强理解。然而，这本书在叙述复杂理论时，那种层层递进的讲解方式，简直像一位经验丰富的老教授在耳边细致地引导。它不会上来就抛出冰冷的公式，而是从最基础的物理现象和直观的逻辑门工作原理讲起，用大量贴近实际的案例逐步推导出更高级的系统构建方法。我特别欣赏其中关于时序逻辑部分的处理，作者巧妙地引入了一些历史上的经典设计缺陷作为反面教材，让我们在“避开陷阱”的过程中，深刻理解了保持系统稳定性的重要性。读完某一章节后，我常常会合上书本，尝试在脑海中重构整个知识脉络，而这本书的结构设计完美地支持了这种自我检验和巩固的过程，真正做到了“授人以渔”，让我对整个技术领域有了更扎实、更全面的认识，而不是仅仅停留在死记硬背的层面。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格我个人非常欣赏，它兼具学术的严谨性与科普的亲切感，成功地避免了传统教材的刻板和乏味。作者在叙述过程中，会不时地穿插一些历史性的注解，比如某个逻辑门的发明背景，或者某个设计范式是如何一步步被主流接受的，这些小小的“花絮”不仅调剂了阅读的氛围，更重要的是，它们帮助读者建立起一种历史的纵深感，理解为什么我们现在要用这种方式来构建数字世界。这种叙事上的温和推进，极大地降低了初学者面对复杂知识体系时的畏惧心理。此外，全书的术语翻译和定义都保持了高度的一致性和权威性，这对于需要与国际标准接轨的读者来说至关重要。总而言之，它不仅仅是一本工具书，更像是一位耐心的良师益友，引导我在数字技术的殿堂里，稳步前行，步履不停。