Vulkan开发实战详解

目 录
第1章 初识Vulkan 1
1．1 Vulkan概览 1
1．1．1 Vulkan简介 1
1．1．2 支持Vulkan的游戏概览 2
1．2 搭建开发环境 4
1．2．1 Android平台开发环境的配置 4
1．2．2 Windows平台开发环境的配置 8
1．3 第一个Vulkan程序 15
1．3．1 案例的运行效果 15
1．3．2 Vulkan应用程序的基本架构 15
1．3．3 3色三角形案例相关类的介绍 20
1．3．4 Vulkan中的常用方法 22
1．3．5 MyVulkanManager类的
基本结构 28
1．3．6 创建Vulkan实例 31
1．3．7 获取物理设备列表 32
1．3．8 创建逻辑设备 32
1．3．9 创建命令缓冲 33
1．3．10 获取设备中支持图形
工作的队列 35
1．3．11 初始化交换链 35
1．3．12 创建深度缓冲 41
1．3．13 创建渲染通道 43
1．3．14 创建帧缓冲 46
1．3．15 创建绘制用物体 47
1．3．16 初始化渲染管线 51
1．3．17 创建栅栏和初始化呈现信息 62
1．3．18 初始化基本变换矩阵、
摄像机矩阵、投影矩阵 63
1．3．19 执行绘制 63
1．3．20 销毁相关对象 66
1．3．21 整体流程的执行 67
1．3．22 顶点着色器和片元着色器 68
1．4 Vulkan中立体物体的构建 70
1．5 本章小结 71
第2章 渲染管线和调试技术 72
2．1 渲染管线 72
2．2 着色器的预编译 79
2．3 Vulkan调试技术 81
2．4 Vulkan GPU大PK 89
2．4．1 移动端GPU的4大家族 89
2．4．2 PC端GPU中3大家族 91
2．5 本章小结 92
第3章 着色器编程语言——GLSL 93
3．1 着色语言概述 93
3．2 着色语言基础 94
3．2．1 数据类型概述 94
3．2．2 数据类型的基本使用 98
3．2．3 运算符 100
3．2．4 各个数据类型的构造函数 102
3．2．5 类型转换 104
3．2．6 存储限定符 104
3．2．7 插值限定符 107
3．2．8 一致块 108
3．2．9 layout限定符 109
3．2．10 流程控制 111
3．2．11 函数的声明和使用 113
3．2．12 片元着色器中浮点及整型
变量精度的指定 114
3．2．13 程序的基本结构 114
3．3 特殊的内建变量 115
3．3．1 顶点着色器中的内建变量 115
3．3．2 片元着色器中的内建变量 116
3．3．3 内建常量 117
3．4 着色语言的内置函数 117
3．4．1 角度转换与三角函数 118
3．4．2 指数函数 119
3．4．3 常见函数 120
3．4．4 几何函数 123
3．4．5 矩阵函数 124
3．4．6 向量关系函数 125
3．4．7 纹理采样函数 126
3．4．8 微分函数 129
3．4．9 浮点数打包与解包函数 129
3．5 用invariant修饰符避免值变
问题 130
3．6 预处理器 131
3．7 本章小结 132
第4章 投影与各种变换 133
4．1 矩阵相关类的介绍 133
4．1．1 矩阵数学计算类—Matrix 133
4．1．2 矩阵状态管理
类—MatrixState3D 134
4．2 摄像机的设置 137
4．3 两种投影方式 138
4．3．1 正交投影 138
4．3．2 透视投影 144
4．3．3 推送常量 146
4．4 各种变换 148
4．4．1 基本变换的相关数学知识 148
4．4．2 平移变换 149
4．4．3 旋转变换 150
4．4．4 缩放变换 151
4．4．5 基本变换的实质 152
4．5 所有变换的完整流程 153
4．6 绘制方式 156
4．6．1 各种绘制方式概览 156
4．6．2 点与线段绘制方式 158
4．6．3 三角形条带与扇面绘制方式 161
4．6．4 索引法绘制 164
4．7 设置合理的视角 169
4．8 设置合理的投影参数 174
4．9 深度偏移 178
4．10 卷绕和背面剪裁 181
4．10．1 基本知识 181
4．10．2 一个简单的案例 182
4．11 间接绘制 183
4．11．1 背景知识 184
4．11．2 顶点法间接绘制 184
4．11．3 索引法间接绘制 186
4．12 本章小结 188
第5章 光照 189
5．1 曲面物体的构建 189
5．1．1 球体构建的基本原理 189
5．1．2 案例效果概览 190
5．1．3 开发步骤 190
5．2 基本光照效果 194
5．2．1 光照的基本模型 194
5．2．2 环境光 195
5．2．3 散射光 199
5．2．4 镜面光 205
5．2．5 3种光照通道的合成 210
5．3 定位光与定向光 212
5．4 点法向量和面法向量 215
5．5 光照的每顶点计算与每片元计算 218
5．6 本章小结 223
第6章 纹理映射 224
6．1 初识纹理映射 224
6．2 一个简单的案例 225
6．2．1 开发前的准备工作 225
6．2．2 纹理相关类 226
6．2．3 案例代码的开发 241
6．2．4 图像的瓦片组织方式 248
6．2．5 色彩通道的灵活组合 250
6．3 纹理拉伸 251
6．3．1 四种拉伸方式概览 251
6．3．2 不同拉伸方式的案例 254
6．4 纹理采样 259
6．4．1 纹理采样概述 259
6．4．2 最近点采样 259
6．4．3 线性纹理采样 260
6．4．4 MIN与MAG采样 261
6．4．5 不同纹理采样方式的案例 262
6．5 Mipmap纹理 266
6．5．1 基本原理 266
6．5．2 一个简单的案例 268
6．6 多重纹理与过程纹理 272
6．6．1 案例概览 273
6．6．2 将2D纹理映射到球面上的
策略 273
6．6．3 案例的场景结构 274
6．6．4 开发过程 275
6．7 压缩纹理的使用 283
6．7．1 Android平台下的压缩纹理 284
6．7．2 PC中Windows平台下的
压缩纹理 286
6．8 点精灵 289
6．8．1 基本知识 289
6．8．2 一个简单的案例 289
6．9 3D纹理 292
6．9．1 3D棋盘纹理的准备 293
6．9．2 3D棋盘纹理案例的开发 294
6．10 2D纹理数组 297
6．10．1 2D纹理数组的准备 297
6．10．2 2D纹理数组案例的开发 298
6．11 各向异性过滤 302
6．11．1 背景知识 303
6．11．2 一个简单的案例 303
6．12 本章小结 305
第7章 更逼真的场景——3D模型的加载 306
7．1 obj模型文件概述 306
7．1．1 obj文件的格式 306
7．1．2 用3ds Max设计3D模型 307
7．2 加载obj文件 308
7．2．1 加载仅有顶点坐标数据与
面数据的obj文件 308
7．2．2 加载后自动计算面法向量 312
7．2．3 加载后自动计算平均法向量 315
7．2．4 加载纹理坐标 317
7．2．5 加载顶点法向量 320
7．3 双面光照 321
7．4 本章小结 324
第8章 独特的场景渲染技术——
混合与雾 325
8．1 混合技术 325
8．1．1 基本知识 325
8．1．2 源因子和目标因子 326
8．1．3 简单混合效果的案例 328
8．2 地月系云层效果的实现 330
8．3 雾 333
8．3．1 雾的原理与优势 333
8．3．2 雾的简单实现 334
8．4 本章小结 336
第9章 常用3D开发小技巧 337
9．1 标志板 337
9．1．1 案例效果与基本原理 337
9．1．2 开发步骤 338
9．2 灰度图地形 341
9．2．1 基本原理 341
9．2．2 开发前的准备工作 342
9．2．3 普通灰度图地形 342
9．2．4 过程纹理地形 344
9．2．5 Mipmap地形 347
9．2．6 顶点着色器采样纹理地形 351
9．3 高真实感地形 353
9．3．1 基本思路 353
9．3．2 地形设计工具EarthSculptor的
使用 354
9．3．3 一个简单的案例 356
9．4 天空盒与天空穹 358
9．4．1 天空盒 358
9．4．2 天空穹 359
9．4．3 天空盒与天空穹的使用技巧 361
9．5 简单镜像效果 361
9．5．1 基本原理 361
9．5．2 基本效果案例 362
9．5．3 升级效果案例 364
9．6 非真实感绘制 366
9．6．1 基本原理与案例效果 366
9．6．2 具体开发步骤 368
9．7 描边效果的实现 370
9．7．1 沿法线挤出轮廓 370
9．7．2 视空间中挤出 373
9．8 本章小结 374
第10章 两种测试及片元丢弃 375
10．1 剪裁测试 375
10．1．1 基本原理与核心代码 375
10．1．2 一个简单的案例 375
10．2 模板测试 377
10．2．1 基本原理 377
10．2．2 一个简单的案例 380
10．3 片元丢弃操作 383
10．4 任意剪裁平面 385
10．4．1 基本原理 385
10．4．2 茶壶被任意平面剪裁的
案例 386
10．5 本章小结 387
第11章 顶点着色器的妙用 388
11．1 飘扬的旗帜 388
11．1．1 基本原理 388
11．1．2 开发步骤 389
11．2 扭动的软糖 392
11．2．1 基本原理 392
11．2．2 开发步骤 393
11．3 风吹椰林场景的开发 394
11．3．1 椰子树随风摇摆的
基本原理 395
11．3．2 开发步骤 396
11．4 展翅飞翔的雄鹰 400
11．4．1 基本原理 400
11．4．2 开发步骤 400
11．5 二维扭曲 402
11．5．1 基本原理 403
11．5．2 开发步骤 403
11．6 吹气膨胀特效 406
11．6．1 基本原理 406
11．6．2 开发步骤 406
11．7 本章小结 407
第12章 片元着色器的妙用 408
12．1 程序纹理技术 408
12．1．1 砖块着色器 408
12．1．2 沙滩球着色器 410
12．2 数字图像处理 411
12．2．1 卷积的基本知识 411
12．2．2 平滑过滤 412
12．2．3 边缘检测 413
12．2．4 锐化处理 414
12．2．5 浮雕效果 414
12．2．6 图像渐变 415
12．2．7 卡通渲染 416
12．3 分形着色器 418
12．3．1 曼德布罗集简介 418
12．3．2 曼德布罗集着色器的实现 419
12．3．3 将曼德布罗集纹理应用到
实际物体上 421
12．3．4 茱莉亚集着色器的实现 421
12．4 3D纹理的妙用 423
12．4．1 噪声函数的基础知识 423
12．4．2 柏林噪声生成工具 426
12．4．3 3D噪声木纹理茶壶的
开发 427
12．5 体积雾 429
12．5．1 基本原理 429
12．5．2 开发步骤 430
12．6 粒子系统火焰的开发 431
12．6．1 火焰的基本原理 431
12．6．2 普通版火焰 433
12．6．3 点精灵版火焰 441
12．7 本章小结 444
第13章 真实光学环境的模拟 445
13．1 反射环境模拟 445
13．1．1 案例效果与基本原理 445
13．1．2 开发前的准备工作 446
13．1．3 开发步骤 447
13．2 折射环境模拟 449
13．2．1 案例效果与基本原理 449
13．2．2 开发步骤 450
13．3 色散效果模拟 452
13．3．1 案例效果与基本原理 452
13．3．2 开发步骤 452
13．4 菲涅尔效果的模拟 453
13．4．1 案例效果与基本原理 453
13．4．2 开发步骤 454
13．5 凹凸映射 455
13．5．1 案例效果与基本原理 455
13．5．2 法向量纹理图的生成 456
13．5．3 切向量的计算 458
13．5．4 案例的开发 459
13．6 镜头光晕 464
13．6．1 案例效果与基本原理 464
13．6．2 镜头光晕案例 465
13．7 投影贴图 468
13．7．1 案例效果与基本原理 468
13．7．2 开发步骤 470
13．8 绘制到纹理 472
13．8．1 案例效果与基本原理 472
13．8．2 开发步骤 473
13．9 高级镜像 476
13．9．1 案例效果与基本原理 476
13．9．2 开发步骤 477
13．10 高真实感水面倒影 480
13．10．1 案例效果与基本原理 480
13．10．2 开发步骤 481
13．11 本章小结 484
第14章 阴影及高级光照 485
14．1 多重渲染目标 485
14．1．1 基本知识 485
14．1．2 一个简单的案例 486
14．2 阴影的重要性 491
14．3 平面阴影 493
14．3．1 案例效果与基本原理 493
14．3．2 开发步骤 494
14．4 阴影映射 497
14．4．1 案例效果与基本原理 497
14．4．2 距离纹理的生成 498
14．4．3 阴影场景的绘制 501
14．5 阴影贴图 506
14．5．1 案例效果与基本原理 506
14．5．2 开发步骤 507
14．6 静态光照贴图 508
14．6．1 案例效果与基本原理 508
14．6．2 使用3ds Max制作静态
光照贴图 509
14．6．3 案例的开发 510
14．7 聚光灯高级光源 512
14．7．1 第一种实现的案例效果与
基本原理 513
14．7．2 第一种实现案例的开发
步骤 514
14．7．3 第二种实现的案例效果与
基本原理 515
14．7．4 第二种实现案例的开发
步骤 516
14．8 延迟渲染 517
14．8．1 案例效果与基本原理 517
14．8．2 开发步骤 518
14．9 环境光遮挡 522
14．9．1 基本原理 522
14．9．2 一个简单的案例 524
14．9．3 效率的提升 526
14．9．4 平滑处理 528
14．10 本章小结 529
第15章 几种高级着色器特效 530
15．1 运动模糊 530
15．1．1 普通运动模糊 530
15．1．2 高级运动模糊 533
15．2 遮挡透视效果 536
15．2．1 案例效果与基本原理 536
15．2．2 开发步骤 538
15．3 积雪效果 541
15．3．1 案例效果与基本原理 541
15．3．2 开发步骤 541
15．4 背景虚化 542
15．4．1 案例效果与基本原理 542
15．4．2 开发步骤 543
15．5 泛光效果 545
15．5．1 案例效果与基本原理 545
15．5．2 开发步骤 546
15．6 色调映射 548
15．6．1 案例效果与背景知识 548
15．6．2 开发步骤 549
15．7 体绘制 550
15．7．1 案例效果与基本原理 550
15．7．2 开发步骤 551
15．8 本章小结 553
第16章 骨骼动画 554
16．1 开发骨骼动画 554
16．1．1 骨骼动画的基本原理 554
16．1．2 开发步骤 557
16．1．3 机器人模型在地面上运动时的
问题 563
16．2 ms3d骨骼动画文件的加载 566
16．2．1 ms3d文件的格式 566
16．2．2 将3ds Max动画文件转换为
ms3d文件 570
16．2．3 加载ms3d文件案例的
开发 574
16．3 自定义格式骨骼动画的加载 591
16．3．1 bnggdh文件的格式 591
16．3．2 Bnggdh类 594
16．3．3 加载bnggdh文件的案例 594
16．4 本章小结 606
第17章 让应用运行得更流畅——
性能优化 607
17．1 着色器的优化 607
17．1．1 计算量及计算频率的
相关问题 607
17．1．2 其他需要注意的问题 608
17．2 纹理图的优化 609
17．3 3D图形绘制的优化 610
17．3．1 CPU阶段的优化 610
17．3．2 几何阶段的优化 611
17．3．3 光栅化阶段的优化 612
17．4 图元重启 612
17．4．1 基本原理 612
17．4．2 一个简单的案例 613
17．5 几何体实例渲染 614
17．5．1 基本原理 614
17．5．2 基于实例渲染的土星光环
案例 615
17．6 视锥体剪裁 620
17．6．1 AABB包围盒的基本原理 620
17．6．2 AABB包围盒的计算 621
17．6．3 视锥体剪裁的基本思路及
实现策略 622
17．6．4 一个简单的案例 623
17．7 遮挡查询 626
17．7．1 相关方法 626
17．7．2 基本原理和实现策略 626
17．7．3 一个简单的案例 627
17．8 计算着色器的使用 630
17．8．1 基础知识 630
17．8．2 动态法向量光照水面案例 633
17．9 多线程并发渲染 640
17．9．1 基本原理 641
17．9．2 飞船案例的开发 641
17．10 多子通道渲染 646
17．10．1 基本原理 646
17．10．2 一个简单的案例 647
17．11 细节级别LOD 652
17．12 本章小结 653
第18章 杂项 654
18．1 四元数旋转 654
18．1．1 基本原理与案例效果 654
18．1．2 开发步骤 656
18．2 3D拾取技术 662
18．2．1 案例效果与基本原理 662
18．2．2 开发步骤 665
18．3 多重采样抗锯齿 670
18．3．1 基本知识与案例效果 670
18．3．2 一个简单的案例 671
18．4 保存屏幕截图 674
18．5 Windows系统窗口缩放 676
18．6 曲面细分着色器 677
18．6．1 基本知识 677
18．6．2 一个简单的案例 680
18．7 几何着色器 685
18．8 macOS、iOS与Linux平台下Vulkan
应用的开发 688
18．8．1 macOS与iOS平台下Vulkan
应用程序的开发 688
18．8．2 Linux平台下Vulkan图形应用
程序的开发 692
18．9 本章小结 700
第19章 基于Vulkan的3D休闲游戏——
方块历险记 701
19．1 游戏背景及功能概述 701
19．1．1 游戏开发背景概述 701
19．1．2 游戏功能简介 701
19．2 游戏的策划及准备工作 702
19．2．1 游戏的策划 703
19．2．2 游戏的开发准备工作 703
19．3 游戏的架构 705
19．3．1 各类的简要介绍 705
19．3．2 游戏框架简介 706
19．4 布景相关类 707
19．4．1 3D布景类——My3Dlayer 707
19．4．2 总绘制类——MyDraw 712
19．4．3 摄像机管理类——
CameraUtil 716
19．4．4 3D物体创建类——
Square3D 717
19．5 机关与方块相关类 718
19．5．1 方块管理类——
ZFTManager 718
19．5．2 地刺机关管理类——
DiCiBox 721
19．5．3 掉落块机关管理类——
DiaoLuoManager 722
19．6 游戏入口及辅助工具类 724
19．6．1 游戏入口类——main 724
19．6．2 触控监听类——Touch2D 726
19．7 着色器的开发 728
19．8 游戏的优化及改进 730