Vulkan开发实战详解

图书标准信息

• 作者 吴亚峰 著
• 出版社 人民邮电出版社
• 出版时间 2019-07
• 版次 1
• ISBN 9787115509390
• 定价 139.00元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 730页

【内容简介】

本书共分为19章，介绍了Vulkan的诞生、特点、开发环境的搭建以及运行机制、渲染管线和调试技术，着色器编程语言—GLSL、投影及各种变换、光照、纹理映射、3D模型的加载、混合与雾、两种测试及片元丢弃、顶点着色器的妙用、片元着色器的妙用、真实光学环境的模拟、阴影及高级光照、几种高级着色器特效、骨骼动画、Vulkan的性能优化等，最后以一个休闲游戏—方块历险记的案例来展示Vulkan的功能与技术。本书按照必知必会的基础知识、基于Vulkan实现基本特效以及高级特效、完整游戏案例的顺序，循序渐进地进行详细讲解，适合不同需求、不同水平层次的各类读者。为了便于读者学习，随书提供了书中所有案例的完整源代码（书中所有案例都给出了安卓版和Windows版，最后的大案例还进一步给出了macOS、iOS和Linux版），最大限度地帮助读者快速地掌握各方面的开发技术。

本书适合游戏开发者、程序员学习，也可以作为大专院校相关专业的师生学习用书和培训学校的教材。

【作者简介】

吴亚峰，毕业于北京邮电大学，后留学澳大利亚卧龙岗大学取得硕士学位。1998年开始从事Java应用的开发，有10多年的Java开发与培训经验。主要的研究方向为Vulkan、OpenGL ES、手机游戏、以及VR AR。同时为3D游戏、VR AR独立软件工程师，并兼任百纳科技软件培训中心首席培训师。近十年来为数十家著名企业培养了上千名高级软件开发人员，曾编写过《OpenGL ES 3x游戏开发（上下卷）》、《Unity 案例开发大全（第一版～第二版）》、《VR与AR开发高级教程——基于Unity》、《H5和WebGL 3D开发实战详解》、《Android应用案例开发大全》（第一版至第四版）、《Android游戏开发大全》（第一版至第四版）等多本畅销技术书籍。2008年初开始关注Android平台下的3D应用开发，并开发出一系列优秀的Android应用程序与3D游戏。

【目录】

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