本書為“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。 本書著重介紹計算機遊戲程序設計所需的專業領域知識，包括二維圖形圖像技術、三維圖形學基礎、高級圖形學編程、計算機動畫技術、人工智能技術、音頻處理技術和網絡技術、VR/AR遊戲開發等，基本涵蓋了計算機遊戲編程的各個主要方面。全書共12章，取材於國內外的*新資料，強調理論與實踐相結合，通過遊戲實例來啟發性地說明遊戲編程的各種原理和方法。 本書教學資源包括三部分內容：示例代碼、集成示例和繪制引擎（讀者可以通過掃描二維碼進行下載）。 本書面向的讀者對像是那些已掌握基本的程序設計技能，但立志於從事計算機遊戲軟件開發的程序員和遊戲開發愛好者。本書既可作為計算機、數字媒體技術和遊戲專業的本科生（研究生）的教材，也可用於遊戲學院和各類遊戲編程人員培訓班的參考資料，對正在從事遊戲開發和制作的相關人員也具有重要參考價值。

耿衛東，男，浙江大學計算機學院教授，計算機應用技術與數字化藝術博士生導師。ACM SIGGRAPH會員，中國圖像圖形學會計算機動畫與數字娛樂專業委員會委員，數碼藝術專業委員會委員，中國動畫學會會員，杭州國家動漫基地特聘專家。

目 錄
第1章 三維遊戲引擎技術簡介 1
1．1 三維遊戲的基礎架構 1
1．1．1 硬件層 2
1．1．2 基礎層（驅動、操作繫統及API） 3
1．1．3 遊戲引擎 3
1．2 三維遊戲引擎發展簡史 4
1．3 常用三維遊戲引擎 10
1．3．1 虛幻引擎UNREAL 10
1．3．2 CryEngine引擎 11
1．3．3 Unity3D引擎 10
1．3．4 Ogre3D引擎 11
1．3．5 寒霜引擎Frostbite Engine 12
1．3．6 id Tech引擎 13
小結 14
習題1 14
參考文獻 15
第2章 三維數學基礎 16
2．1 坐標繫 16
2．2 向量及其運算 17
2．3 矩陣、變換及其運算 18
2．4 旋轉 22
2．4．1數 22
2．4．2 歐拉角 23
2．4．3 旋轉變換的不同表達形式之間的轉換 24
2．5 常用的立體幾何算法 25
2．5．1 常用幾何體的表達與生成 26
2．5．2 常用幾何體之間的距離與求交 27
2．5．3 常用幾何體的屬性計算 28
小結 30
習題2 30
參考文獻 30
第3章 三維遊戲場景的表示和組織 32
3．1 三維場景的表示 32
3．1．1 三角網格模型 33
3．1．2 三維對像參數表示 35
3．1．3 三類常用參數曲面 36
3．2 三維場景的組織和管理 39
3．2．1 基於場景圖的表達和管理 40
3．2．2 基於繪制狀態的場景管理 44
3．2．3 基於景物包圍體的場景組織 45
3．2．4 優化場景繪制的幾何剖分技術 46
3．2．5 景物包圍體與場景剖分技術比較 48
3．3 三維場景的存儲 50
3．3．1 OBJ模型 50
3．3．2 FBX 50
3．3．3 COLLADA 51
3．4 遊戲場景的幾何優化 52
3．4．1 層次細節技術 52
3．4．2 漸進網格和連續多分辨率繪制技術 53
小結 55
習題3 55
參考文獻 55
第4章 高級圖形繪制技術 57
4．1 高級紋理映射技術 57
4．1．1 凹凸紋理映射 57
4．1．2 位移映射 61
4．1．3 環境映射 62
4．1．4 基於光照映射的快速繪制 64
4．1．5 高級紋理映射技術總結 67
4．2 基於圖像的繪制 68
4．2．1 Billboard技術 68
4．2．2 Impostor技術 71
4．2．3 繪制 73
4．3 表面材質繪制 74
4．3．1 基於物理的表面材質模型 75
4．3．2 基於測量的表面材質模型 77
4．3．3 表面材質模型的真實感繪制 77
4．3．4 表面材質模型的快速繪制 79
4．4 圖像反走樣 83
小結 85
習題4 85
參考文獻 86
第5章 三維特效圖形繪制 87
5．1 過程式建模和繪制技術 87
5．1．1 粒子繫統 87
5．1．2 爆炸與火焰 89
5．1．3 L-繫統與植被的模擬 90
5．1．4 雲的過程式紋理生成 92
5．2 陰影計算 92
5．2．1 平面投影法 93
5．2．2 陰影體 94
5．2．3 陰影圖 99
5．2．4 軟影生成 100
5．2．5 Ambient Occlusion 101
5．3 鏡頭特效模擬 102
5．3．1 透鏡光暈 102
5．3．2 運動模糊和域深 104
5．3．3 色調映射 104
5．4 相互輝映計算與全局光照明 107
5．4．1 預計算輻射傳輸方法 108
5．4．2 基於屏幕空間的相互輝映計算方法 110
小結 111
習題5 111
參考文獻 111
第6章 三維踫撞檢測與動力學計算 113
6．1 動力學基礎 113
6．2 質點動力學 114
6．2．1 力方程 115
6．2．2 動量與速度 116
6．2．3 彈簧質點運動 118
6．3 剛體動力學 119
6．3．1 剛體旋轉 120
6．3．2 角速度、角動量、扭矩和旋轉慣量 120
6．3．3 力方程與積分 122
6．4 踫撞檢測 122
6．4．1 踫撞檢測的基本原理 124
6．4．2 求交算法 124
6．4．3 基於空間剖分結構的踫撞檢測算法 126
6．4．4 層次包圍體樹法 130
6．4．5 基於圖像空間的踫撞檢測算法 135
小結 137
習題6 137
參考文獻 137
第7章 角色動畫基本編程技術 139
7．1 三維角色動畫概述 139
7．2 關鍵幀動畫技術 140
7．2．1 關鍵幀的指定 141
7．2．2 “蒙皮”模型的變形 143
7．2．3 中間幀的插值技術 144
7．3 基於動作捕捉的動畫技術 149
7．3．1 動作捕捉繫統簡介 150
7．3．2 動作捕捉數據的文件格式及其解析 152
7．3．3 動作捕捉數據的編輯和重用 166
7．3．4 在遊戲中的應用 168
7．4 角色動畫的壓縮 170
7．4．1 基於關鍵幀提取的壓縮 170
7．4．2 基於幀內容的壓縮 170
7．5 腳本驅動的動畫技術 171
7．5．1 腳本語言的設計及分類 172
7．5．2 腳本語言在遊戲中的應用 174
小結 175
習題7 175
參考文獻 176
第8章 三維音效編程技術 177
8．1 聲音基礎 177
8．1．1 聲音的表示和存儲 177
8．1．2 聲音的合成 179
8．2 三維音效生成 179
8．2．1 聽覺理論 180
8．2．2 三維音效模擬 180
8．3 基於OpenAL的三維音效實現 182
8．3．1 OpanAL編程概述 182
8．3．2 OpanAL的三維音效編程 184
8．4 基於DirectX Audio的三維音效實現 186
8．4．1 DirectX Audio概述 186
8．4．2 DirectSound編程概述 187
8．4．3 DirectMusic播放MIDI背景音樂 193
8．4．4 DirectSound的三維音效編程 193
8．5 XAudio2編程概述 194
小結 197
習題8 197
參考文獻 198
第9章 三維交互編程技術 199
9．1 三維交互開發平臺 199
9．2 任天堂Wiimote應用開發 201
9．2．1 Wiimote編程接口API說明 202
9．2．2 基於Wiimote獲取運動傳感數據的示例代碼 204
9．3 移動平臺應用開發 205
9．3．1 Unity編程接口API說明 206
9．3．2 Unity使用加速度傳感器的示例代碼 206
9．4 微軟Kinect應用開發 207
9．4．1 Kinect SDK編程接口API說明 209
9．4．2 Kinect獲取彩色圖像和骨架數據的示例代碼 212
9．5 Leap Motion應用開發 214
9．5．1 Leap Motion編程接口API說明 216
9．5．2 Leap Motion獲取體感數據的示例代碼 218
小結 220
習題9 220
參考文獻 220
第10章 AI編程進階 221
10．1 遊戲AI簡介 221
10．2 常見的遊戲AI技術 223
10．2．1 有限狀態機 223
10．2．2 基於腳本語言的行為建模 225
10．2．3 模糊邏輯 225
10．2．4 多智能體技術與人工生命 226
10．2．5 決策樹 227
10．2．6 人網絡 228
10．2．7 遺傳算法 229
10．2．8 群體行為的模擬 230
10．3 跟蹤與追逐行為的模擬 232
10．4 有限狀態機和模糊有限狀態機的實現 236
10．4．1 有限狀態機的實現 236
10．4．2 模糊有限狀態機的實現 244
10．5 A*算法和路徑尋找技術 249
10．5．1 搜索技術及A*算法 249
10．5．2 路徑尋找技術 258
10．6 遊戲AI的設計和實現原則 262
10．7 展望 266
小結 268
習題10 269
參考文獻 269
第11章 網絡遊戲編程技術 270
11．1 網絡遊戲的基本架構 270
11．2 Winsock編程基礎 272
11．2．1 TCP/UDP簡介 272
11．2．2 Socket和Winsocket簡介 273
11．2．3 Winsock編程結構 274
11．2．4 Winsock地址處理 275
11．2．5 Winsock函數介紹 276
11．2．6 Winsock綜合示例 281
11．3 網絡遊戲通信協議 284
11．4 網絡遊戲多線程編程 285
11．5 小型網絡遊戲設計與實現 286
11．6 大型多人網絡遊戲設計策略 288
11．7 網絡傳輸的優化 291
小結 293
習題11 293
參考文獻 293
第12章 虛擬現實/增強現實遊戲開發 294
12．1 虛擬現實與增強現實概述 294
12．1．1 虛擬現實 294
12．1．2 增強現實 297
12．2 深度感知與三維顯示 298
12．2．1 深度感知 298
12．2．2 基於立體眼鏡的三維顯示 300
12．3 VR遊戲開發 301
12．3．1 視角控制 302
12．3．2 三維自然交互 303
12．3．3 性能優化 307
12．4 AR遊戲開發 311
12．4．1 AR遊戲中的三維注冊與實時交互 311
12．4．2 代表性AR遊戲 313
小結 316
習題12 316
參考文獻 317
附錄A 三維圖形繪制基礎 318
A．1 坐標繫概述 318
A．2 顏色空間與模型 319
A．3 圖形繪制流程 323
A．3．1 固定流水線 324
A．3．2 定制流水線與Shaders 325
A．4 照相機模型與投影矩陣 326
A．4．1 照相機模型 326
A．4．2 投影矩陣 327
A．5 頂點與幾何變換 329
A．6 像素計算 330
A．6．1 像素顏色計算 330
A．6．2 片段剔除 332
A．6．3 反走樣 332
A．7 光照明計算 333
A．8 紋理映射 339
A．9 推遲渲染 344
A．10 繪制編程接口 346
參考文獻 348

前 言

在電子工業出版社的大力支持下，本書分別於2005年和2009年推出第1版和第2版。其中，第2版成功入選普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。近年來，隨著遊戲開發技術的不斷演進，特別是VR/AR遊戲的迅猛發展，應廣大讀者的要求，對原書稿中的內容做了大幅更新和補充，形成了第3版書稿，並入選“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。

在修訂本書時，原本希望增加“遊戲中的軟件工程”“遊戲策劃”“遊戲腳本編程”“遊戲開發綜合實例”等內容，使得本書變成一本能夠覆蓋不同層次、不同領域人員的“大而全”的遊戲開發專業教材。但在編寫過程中，我們發現涉及的內容實在太多，後來聽取了采用該教材的大多數任課老師和同學的反饋意見，考慮到學時等限制因素，最終決定面向不同層次和水準的開發人員將書稿分為基礎篇、提高篇兩冊。“基礎篇”面向入門級的遊戲開發人員，以介紹二維遊戲開發的專業知識為主，通過豐富的實例使得讀者可快速上手。“提高篇”面向有一定經驗的遊戲開發人員，以介紹三維遊戲開發的專業知識為主，深入探究遊戲開發的基本原理和技術，並針對當前遊戲產業熱點，補充了虛擬現實與增強實現遊戲的開發流程和技術介紹，讓讀者的遊戲開發能力更上一層樓。

在本書修訂過程中，我們把本書編寫的指導原則定位為以下幾方面：

（1）把遊戲開發涉及的多領域共性知識點的講授和實踐技能培訓相融合，強調知識學習和動手實踐的有機結合。

（2）在內容組織上，繫統介紹遊戲開發的知識點，並提供完整的示例代碼和實驗手冊。

（3）采用“目標學習、案例導航”的組織方式，讓讀者能夠快速掌握知識和技能要點。

（4）整合和吸收多教材的框架結構，結合作者的最新研究和開發工作進展，使得修訂內容在技術和知識方面與時俱進。

本書提供的遊戲場景融合了本書涵蓋的遊戲開發過程中涉及的主要技術和流程，目的是希望通過對這一場景的實現和學習，讀者可以更直觀、更深刻地感受和掌握遊戲開發的主要技術和過程。本書從內容到文字反復修訂、修改數次，力求達到減少錯誤。其中，王銳等重新修訂編寫了第1～5章的內容。第6章由丁治宇修訂撰寫，內容涉及力學和物理，他參考、翻閱了大量的物理教材，設計和制作了所有的插圖和遊戲場景。朱標修訂了第7章，梅鴻輝修訂了第8章，新增了習題實例並給出了代碼。第9～11章由梁秀波等修訂。第12章及附錄A中的虛擬現實遊戲開放等內容，由鄭文庭、張帆等參與修訂。此外，丁治宇還負責書稿的通稿和校對，設計了全部的遊戲場景；黃家東參與了全書的最後校對，在此一並致謝。

再次感謝浙江大學計算機科學與技術學院、軟件學院、CAD＆CG國家重點實驗室為作者提供的優良科研條件和各種便利，使得本書的撰寫得以順利完成。感謝為本書提供圖片和示例代碼的眾多相關公司和人員，限於篇幅，不一一列出。

感謝所有使用本書的任課老師和同學的反饋建議。感謝電子工業出版社的各位編輯，謝謝他們的鼓勵與協作。最後，感謝家人對本書的撰寫和再次出版的無私支持和付出。

由於作者知識和水平有限，即使本書是再版，其中也肯定會存在一些問題，懇請讀者提出寶貴建議。

本書為任課教師提供配套的教學資源（包含電子教案和示例代碼），需要者可登錄華信教育資源網（http://www.hxedu.com.cn），注冊之後進行免費下載，或者掃描下面的二維碼進行下載。

作 者