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            天行健 君子當(dāng)自強(qiáng)而不息

            D3D編程必備的數(shù)學(xué)知識(shí)(1)

             

            三維空間中的向量

            幾何學(xué)中,我們用有向線(xiàn)段表示向量,如圖1。向量的兩個(gè)屬性是他的長(zhǎng)度和他的頂點(diǎn)所指的方向。因此,可以用向量來(lái)模擬既有大小又有方向的物理模型。例如,以后我們要實(shí)現(xiàn)的粒子系統(tǒng)。我們用向量來(lái)模擬粒子的速度加速度。在3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中我們用向量不僅僅模擬方向。例如我們常常想知道光線(xiàn)的照射方向,以及在3D世界中的攝象機(jī)。向量為在3維空間中表示方向的提供了方便。

             

             

            向量與位置無(wú)關(guān)。有同樣長(zhǎng)度和方向的兩個(gè)向量是相等的,即使他們?cè)诓煌奈恢谩S^察彼此平行的兩個(gè)向量,例如在圖1中u和v是相等的。

            我們繼續(xù)學(xué)習(xí)左手坐標(biāo)系。圖2顯示的是左手坐標(biāo)系和右手坐標(biāo)系。兩者不同的是Z軸的方向。在左手坐標(biāo)系中Z軸是向書(shū)的里面去的,而右手坐標(biāo)系是向書(shū)的外邊去的。

             

             

            因?yàn)橄蛄康奈恢貌荒芨淖兯男再|(zhì),我們可以把所有向量平移使他們的尾部和坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。因此,當(dāng)一個(gè)向量在標(biāo)準(zhǔn)位置我們能通過(guò)頭點(diǎn)來(lái)描述向量。圖3顯示的是圖1中的向量在標(biāo)準(zhǔn)位置的樣子。

             

            我們通常用小寫(xiě)字母表示一個(gè)向量,但有時(shí)也用大寫(xiě)字母。如2、3和4維向量分別是:

             

            u = (ux, uy),

            N = (Nx, Ny, Nz),

            c = (cx, cy, cz, cw)。

             

            我們現(xiàn)在介紹4個(gè)特殊的3D向量,就象圖4顯示的。首先是都由含有0的零向量;它被表示成加粗的0 = (0, 0, 0)。接下來(lái)3個(gè)特殊的向量標(biāo)準(zhǔn)基向量。它們被叫做i, jk向量,分別沿著坐標(biāo)系的x軸,y軸和z軸,并且有1的單位長(zhǎng):i = (1, 0, 0), j = (0, 1, 0), and k = (0, 0, 1)。

             

            注意:只有1個(gè)單位長(zhǎng)度的向量叫做單位向量(模長(zhǎng)為1的向量)。

             

             

            在D3DX庫(kù)中,我們能用D3DXVECTOR3類(lèi)表示3維空間中的向量。它的定義是:

             

            typedef struct D3DXVECTOR3 : public D3DVECTOR {
            public:
                D3DXVECTOR3() {};
                D3DXVECTOR3( CONST FLOAT * );
                D3DXVECTOR3( CONST D3DVECTOR& );
                D3DXVECTOR3( FLOAT x, FLOAT y, FLOAT z );

                // casting
                operator FLOAT* ();
                operator CONST FLOAT* () const;

                // assignment operators
                D3DXVECTOR3& operator += ( CONST D3DXVECTOR3& );
                D3DXVECTOR3& operator -= ( CONST D3DXVECTOR3& );
                D3DXVECTOR3& operator *= ( FLOAT );
                D3DXVECTOR3& operator /= ( FLOAT );

                // unary operators
                D3DXVECTOR3 operator + () const;
                D3DXVECTOR3 operator - () const;

                // binary operators
                D3DXVECTOR3 operator + ( CONST D3DXVECTOR3& ) const;
                D3DXVECTOR3 operator - ( CONST D3DXVECTOR3& ) const;
                D3DXVECTOR3 operator * ( FLOAT ) const;
                D3DXVECTOR3 operator / ( FLOAT ) const;
                friend D3DXVECTOR3 operator * ( FLOAT,
                                                CONST struct D3DXVECTOR3& );

                BOOL operator == ( CONST D3DXVECTOR3& ) const;
                BOOL operator != ( CONST D3DXVECTOR3& ) const;

            } D3DXVECTOR3, *LPD3DXVECTOR3;

            Note that D3DXVECTOR3 inherits its component data from D3DVECTOR, which is defined as:

            typedef struct _D3DVECTOR {
                float x;
                float y;
                float z;
            } D3DVECTOR;
             

            向量有它們自己的算法,就象你在D3DXVECTOR3定義中看到的數(shù)學(xué)運(yùn)算。現(xiàn)在你不需要知道它們?cè)趺词褂谩R院蠼榻B這些向量運(yùn)算以及一些有用的函數(shù)和關(guān)于向量的,重要的詳細(xì)資料。

             

            注意:在3D圖形程序中,雖然我們主要關(guān)心3D向量,但有時(shí)也會(huì)用到2D和4D向量。在D3DX庫(kù)中提供了D3DXVECTOR2和D3DXVECTOR4類(lèi)來(lái)分別表現(xiàn)2D和4D向量。不同維數(shù)的向量有著和3D向量一樣的性質(zhì),也就是它們描述大小和方向,僅僅是在不同的維數(shù)中。所有這些向量的數(shù)學(xué)運(yùn)算對(duì)于不同維數(shù)向量都有效只是有一個(gè)除外,就是向量積。這些運(yùn)算我們可通過(guò)論述3D向量擴(kuò)展到2D, 4D甚至n維向量。

            向量相等

            幾何學(xué)上,有同樣方向和長(zhǎng)度的兩個(gè)向量相等。數(shù)學(xué)上,我們說(shuō)有同樣維數(shù)和分量的向量相等。例如:如果ux = vx, uy = vy, 且 uz = vz.那么(ux, uy, uz) = (vx, vy, vz)。在代碼中我們能夠用“==”判斷兩個(gè)向量相等。

             

            D3DXVECTOR u(1.0f, 0.0f, 1.0f);

            D3DXVECTOR v(0.0f, 1.0f, 0.0f);

            if( u == v ) return true;

             

            同樣的,我們也能用“!=”判斷兩個(gè)向量不相等。

             

            if( u != v ) return true;

             

            注意:當(dāng)比較浮點(diǎn)數(shù)時(shí),必須注意。因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)不是精確的,我們認(rèn)為相等的兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)是有細(xì)微差別的;因此,我們測(cè)試它們近似相等。我們定義一個(gè)常數(shù)EPSILON,把它當(dāng)作非常小的“buffer”。假如兩個(gè)數(shù)和EPSILON相差很小我們說(shuō)它們近似相等。換句話(huà)說(shuō),EPSILON讓浮點(diǎn)數(shù)有一定的精度。接下來(lái)的實(shí)例函數(shù)是怎樣用EPSILON比較兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)相等。

             

            bool Equals(float lhs, float rhs)

            {

                   // if lhs == rhs their difference should be zero

                   return fabs(lhs - rhs) < EPSILON ? true : false;

            }

             

            當(dāng)我們用D3DXVECTOR3類(lèi)時(shí)不必?fù)?dān)心,因?yàn)樗呀?jīng)幫我們處理了,但是在一般情況下適當(dāng)注意比較兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)是很重要的。


            posted on 2008-03-12 10:37 lovedday 閱讀(980) 評(píng)論(0)  編輯 收藏 引用


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