Game Physics (Hardcover)
暫譯: 遊戲物理學 (精裝版)
David H. Eberly
- 出版商: Morgan Kaufmann
- 出版日期: 2003-12-22
- 定價: $1,980
- 售價: 5.0 折 $990
- 語言: 英文
- 頁數: 816
- 裝訂: Hardcover
- ISBN: 1558607404
- ISBN-13: 9781558607408
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物理學 Physics
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商品描述
Game Physics is an introduction to the ideas and techniques needed to
create physically realistic 3D graphic environments. As a companion volume to
Dave Eberly's industry standard 3D Game Engine Design, Game
Physics shares a similar practical approach and format. Dave includes
simulations to introduce the key problems involved and then gradually reveals
the mathematical and physical concepts needed to solve them. He then describes
all the algorithmic foundations and uses code examples and working source code
to show how they are implemented, culminating in a large collection of physical
simulations. This book tackles the complex, challenging issues that other books
avoid, including Lagrangian dynamics, rigid body dynamics, impulse methods,
resting contact, linear complementarity problems, deformable bodies, mass-spring
systems, friction, numerical solution of differential equations, numerical
stability and its relationship to physical stability, and Verlet integration
methods. Dave even describes when real physics isn't necessary—and hacked
physics will do.
Features
Content
1 Introduction
1.1 A Brief History of the World
1.2 A Summary of the
Topics
1.3 Examples and Exercises
2 Basic Concepts from Physics
2.1 Rigid Body Classification
2.2 Rigid Body Kinematics
2.2.1 Single
Particle
2.2.2 Particle Systems and Continuous Materials
2.3 Newton's
Laws
2.4 Forces
2.4.1 Gravitational Forces
2.4.2 Spring Forces
2.4.3
Friction and Other Dissipative Forces
2.4.4 Torque
2.4.5 Equilibrium
2.5 Momenta
2.5.1 Linear Momentum
2.5.2 Angular Momentum
2.5.3
Center of Mass
2.5.4 Moments and Products of Inertia
2.5.5 Mass and
Inertia Tensor of a Solid Polyhedron
2.6 Energy
2.6.1 Work and Kinetic
Energy
2.6.2 Conservative Forces and Potential Energy.
3 Rigid Body
Motion
3.1 Newtonian Dynamics.
3.2 Lagrangian Dynamics.
3.2.1
Equations of Motion for a Particle
3.2.2 Time-Varying Frames or Constraints.
3.2.3 Interpretation of the Equations of Motion.
3.2.4 Equations of
Motion for a System of Particles
3.2.5 Equations of Motion for a Continuum of
Mass
3.2.6 Examples with Conservative Forces.
3.2.7 Examples with
Dissipative Forces
3.3 Euler's Equations of Motion.
4 Deformable
Bodies
4.1 Elasticity, Stress, and Strain.
4.2 Mass-Spring
Systems.
4.2.1 One-Dimensional Array of Masses
4.2.2 Two-Dimensional
Array of Masses.
4.2.3 Three-Dimensional Array of Masses.
4.2.4 Arbitrary
Configurations
4.3 Control Point Deformation
4.3.1 B-Spline
Curves
4.3.2 NURBS Curves.
4.3.3 B-Spline Surfaces
4.3.4 NURBS
Surfaces
4.3.5 Surfaces Built from Curves
4.4 Free-Form
Deformation
4.5 Implicit Surface Deformation.
4.5.1 Level Set
Extraction.
4.5.2 Isocurve Extraction in 2D Images
4.5.3 Isosurface
Extraction in 3D Images.
5 Physics Engines
5.1 Unconstrained Motion.
5.1.1 An Illustrative Implementation
5.1.2 A Practical
Implementation.
5.2 Constrained Motion
5.2.1 Collision Points.
5.2.2
Collision Response for Colliding Contact
5.2.3 Collision Response for
Resting Contact
5.2.4 An Illustrative Implementation
5.2.5 Lagrangian
Dynamics.
5.3 Collision Detection with Convex Polyhedra.
5.3.1 The Method
of Separating Axes
5.3.2 Stationary Objects
5.3.3 Objects Moving with
Constant Linear Velocity
5.3.4 Oriented Bounding Boxes
5.3.5 Boxes Moving
with Constant Linear and Angular Velocity.
5.4 Collision Culling, Spatial
and Temporal Coherence.
5.4.1 Culling with Bounding Spheres
5.4.2 Culling
with Axis-Aligned Bounding Boxes.
5.5 Variations
6 Physics and Shader
Programs
6.1 Introduction
6.2 Vertex and Pixel Shaders
6.3
Deformation by Vertex Displacement.
6.4 Skin and Bones Animation
6.5
Rippling Ocean Waves.
6.6 Refraction
6.7 Fresnel Reflectance
6.8
Iridescence
7 Linear Complementarity and Mathematical Programming
7.1
Linear Programming.
7.1.1 A Two-Dimensional Example.
7.1.2 Solution by
Pairwise Intersections
7.1.3 Statement of the General Problem.
7.1.4 The
Dual Problem
7.2 The Linear Complementarity Problem
7.2.1 The
Lemke-Howson Algorithm
7.2.2 Zero Constant Terms.
7.2.3 The Complementary
Variable Cannot Leave the Diction
7.3 Mathematical Programming.
7.3.1
Karush-Kuhn-Tucker Conditions
7.3.2 Convex Quadratic Programming
7.3.3
General Duality Theory
7.4 Applications
7.4.1 Distance
Calculations.
7.4.2 Contact Forces.
8 Differential Equations
8.1
First-Order Equations.
8.2 Existence, Uniqueness, and Continuous Dependence.
8.3 Second-Order Equations
8.4 General-Order Differential Equations.
8.5 Systems of Linear Differential Equations
8.6 Equilibria and
Stability.
8.6.1 Stability for Constant-Coefficient Linear Systems.
8.6.2
Stability for General Autonomous Systems.
9 Numerical Methods
9.1
Euler's Method.
9.2 Higher-Order Taylor Methods.
9.3 Methods Via an
Integral Formulation.
9.4 Runge-Kutta Methods.
9.4.1 Second-Order
Methods.
9.4.2 Third-Order Methods.
9.4.3 Fourth-Order Method.
9.5
Multistep Methods
9.6 Predictor-Corrector Methods.
9.7 Extrapolation
Methods.
9.7.1 Richardson Extrapolation
9.7.2 Application to
Differential Equations.
9.7.3 Polynomial Interpolation and Extrapolation.
9.7.4 Rational Polynomial Interpolation and Extrapolation
9.7.5 Modified
Midpoint Method
9.7.6 Bulirsch-Stoer Method.
9.8 Verlet
Integration
9.8.1 Forces without a Velocity Component.
9.8.2 Forces with
a Velocity Component.
9.8.3 Simulating Drag in the System
9.8.4 Leap Frog
Method
9.8.5 Velocity Verlet Method.
9.8.6 Gear's Fifth-Order
Predictor-Corrector Method
9.9 Numerical Stability and its Relationship to
Physical Stability
9.9.1 Stability for Single-Step Methods
9.9.2
Stability for Multistep Methods
9.9.3 Choosing a Stable Step Size.
9.10
Stiff Equations.
10 Quaternions
10.1 Rotation Matrices
10.2 The
Classical Approach
10.2.1 Relationship of Quaternions to Rotations
10.3 A
Linear Algebraic Approach.
10.4 From Rotation Matrices to
Quaternions
10.4.1 Introduction
10.4.2 2D Rotations.
10.4.3 Linearity.
10.4.4 3D Rotations: Geometry
10.4.5 4D Rotations.
10.4.6 3D
Rotations: Algebra.
10.4.7 4D Matrix
10.4.8 Retrospect, Prospect.
10.5
Interpolation of Quaternions.
10.5.1 Spherical Linear Interpolation.
10.5.2 Spherical Quadratic Interpolation
10.6 Derivatives of
Time-Varying Quaternions
A Linear Algebra
A.1 A Review of Number
Systems.
A.1.1 The Integers
A.1.2 The Rational Numbers.
A.1.3 The
Real Numbers
A.1.4 The Complex Numbers.
A.1.5 Fields.
A.2 Systems of
Linear Equations.
A.2.1 A Closer Look at Two Equations in Two Unknowns.
A.2.2 Gaussian Elimination and Elementary Row Operations
A.2.3 Nonsquare
Systems of Equations
A.2.4 The Geometry of Linear Systems
A.2.5
Numerical Issues
A.2.6 Iterative Methods for Solving Linear Systems
A.3
Matrices.
A.3.1 Some Special Matrices.
A.3.2 Elementary Row Matrices
A.3.3 Inverse Matrices.
A.3.4 Properties of Inverses.
A.3.5
Construction of Inverses
A.3.6 LU Decomposition
A.4 Vector
Spaces.
A.4.1 Definition of a Vector Space.
A.4.2 Linear Combinations,
Spans, and Subspaces.
A.4.3 Linear Independence and Bases
A.4.4 Inner
Products, Length, Orthogonality, and Projection
A.4.5 Dot Product, Cross
Product, and Triple Products.
A.4.6 Orthogonal Subspaces.
A.4.7 The
Fundamental Theorem of Linear Algebra
A.4.8 Projection and Least Squares.
A.4.9 Linear Transformations.
A.5 Advanced Topics
A.5.1
Determinants.
A.5.2 Eigenvalues and Eigenvectors.
A.5.3
Eigendecomposition for Symmetric Matrices.
A.5.4 S + N Decomposition.
A.5.5 Applications
B Affine Algebra
B.1 Introduction
B.2
Coordinate Systems
B.3 Subspaces
B.4 Transformations.
B.5 Barycentric
Coordinates
B.5.1 Triangles.
B.5.2 Tetrahedra
B.5.3 Simplices
B.5.4
Length, Area, Volume, and Hypervolume
C Calculus
C.1 Univariate
Calculus
C.1.1 Limits.
C.1.2 Limits of a Sequence.
C.1.3
Continuity
C.1.4 Differentiation.
C.1.5 l'Hôpital's Rule.
C.1.6
Integration
C.2 Multivariate Calculus.
C.2.1 Limits and Continuity.
C.2.2 Differentiation.
C.2.3 Integration
C.3 Applications
C.3.1
Optimization.
C.3.2 Constrained Optimization
C.3.3 Derivative
Approximations by Finite Differences
D Ordinary Difference Equations
D.1 Definitions
D.2 Linear Equations
D.2.1 First-Order Linear
Equations.
D.2.2 Second-Order Linear Equations
D.3 Constant Coefficient
Equations
D.4 Systems of Equations.
Bibliography
商品描述(中文翻譯)
《遊戲物理學》是一本介紹創建物理真實的3D圖形環境所需的概念和技術的書籍。作為Dave Eberly的行業標準書籍《3D遊戲引擎設計》的伴隨卷,《遊戲物理學》採用類似的實用方法和格式。Dave通過模擬來介紹涉及的關鍵問題,然後逐步揭示解決這些問題所需的數學和物理概念。他接著描述所有的算法基礎,並使用代碼示例和可運行的源代碼來展示它們的實現,最終形成一個大型的物理模擬集合。本書處理了其他書籍所避免的複雜且具挑戰性的問題,包括拉格朗日動力學、剛體動力學、脈衝方法、靜止接觸、線性互補問題、可變形物體、質量-彈簧系統、摩擦、微分方程的數值解、數值穩定性及其與物理穩定性的關係,以及Verlet積分方法。Dave甚至描述了何時不需要真實物理——而是可以使用簡化的物理模型。
特點
- 附有CD-ROM,包含大量支持物理模擬的C++源代碼;有許多適用於Windows、Linux和OS X的示例應用程序;並且與多個遊戲引擎兼容,包括Wild Magic引擎,完整的源代碼也包含在內。
- 包含著色器程序(OpenGL和DirectX)的示例應用程序,包括通過頂點位移進行變形、平滑物體動畫的皮膚和骨骼、具有真實光照的波浪、折射效果、Fresnel反射和彩虹色效果。
- 包含用於教學的練習題和基本數學的回顧。
內容
1 介紹
1.1 世界簡史
1.2 主題摘要
1.3 示例和練習
2 物理學的基本概念
2.1 剛體分類
2.2 剛體運動學
2.2.1 單一粒子
2.2.2 粒子系統和連續材料
2.3 牛頓定律
2.4 力
2.4.1 重力
2.4.2 彈簧力
2.4.3 摩擦和其他耗散力
2.4.4 轉矩
2.4.5 平衡
2.5 動量
2.5.1 線動量
2.5.2 角動量
2.5.3 質心
2.5.4 矩和慣性矩
2.5.5 固體多面體的質量和慣性張量
2.6 能量
2.6.1 功和動能
2.6.2 保守力和位能。
3 剛體運動
3.1 牛頓動力學。
3.2 拉格朗日動力學。
3.2.1 粒子的運動方程
3.2.2 時變框架或約束。
3.2.3 運動方程的解釋。
3.2.4 粒子系統的運動方程
3.2.5 連續質量的運動方程
3.2.6 保守力的示例。
3.2.7 耗散力的示例
3.3 歐拉運動方程。
4 可變形物體
4.1 彈性、應力和應變。
4.2 質量-彈簧系統。
4.2.1 一維質量陣列
4.2.2 二維質量陣列。
4.2.3 三維質量陣列。
4.2.4 任意配置
4.3 控制點變形
4.3.1 B樣條曲線
4.3.2 NURBS曲線。
4.3.3 B樣條曲面
4.3.4 NURBS曲面
4.3.5 由曲線構建的曲面
4.4 自由形狀變形
4.5 隱式曲面變形。
4.5.1 等級集提取。
4.5.2 2D圖像中的等曲線提取
4.5.3 3D圖像中的等表面提取。
5 物理引擎
5.1 無約束運動。
5.1.1 一個示例實現
5.1.2 一個實用實現。
5.2 有約束運動
5.2.1 碰撞點。
5.2.2 碰撞接觸的碰撞響應
5.2.3 靜止接觸的碰撞響應
5.2.4 一個示例實現
5.2.5 拉格朗日動力學。
5.3 與凸多面體的碰撞檢測。
5.3.1 分離軸法
5.3.2 靜止物體
5.3.3 以恆定線速度運動的物體
5.3.4 定向包圍盒
5.3.5 以恆定線性和角速度運動的盒子。
5.4 碰撞剔除,空間和時間一致性。
5.4.1 使用包圍球進行剔除
5.4.2 使用軸對齊包圍盒進行剔除。
5.5 變體
6 物理和著色器程序
6.1 介紹
6.2 頂點和像素著色器
6.3 通過頂點位移進行變形。
6.4 皮膚和骨骼動畫
6.5 波浪起伏。
6.6 折射
6.7 Fresnel反射
6.8 彩虹色效果
7 線性互補性和數學編程
7.1 線性規劃。
7.1.1 二維示例。
7.1.2 通過成對交集求解
7.1.3 一般問題的陳述。
7.1.4 對偶問題
7.2 線性互補問題
7.2.1 Lemke-Howson算法
7.2.2 零常數項。
7.2.3 互補變量不能離開字典
7.3 數學編程。
7.3.1 Karush-Kuhn-Tucker條件
7.3.2 凸二次規劃
7.3.3 一般對偶性理論
7.4 應用
7.4.1 距離計算。
7.4.2 接觸力。
8 微分方程
8.1 一階方程。
8.2 存在性、唯一性和連續依賴性。
8.3 二階方程
8.4 一般階微分方程。
8.5 線性微分方程系統
8.6 平衡和穩定性。
8.6.1 常數係數線性系統的穩定性。
8.6.2 一般自治系統的穩定性。
9 數值方法
9.1 歐拉方法。
9.2 高階泰勒方法。
9.3 通過積分公式的方法。
9.4 Runge-Kutta方法。
9.4.1 二階方法。
9.4.2 三階方法。
9.4.3 四階方法。
9.5 多步驟方法
9.6 預測-修正方法。
9.7 外推方法。
9.7.1 Richardson外推
9.7.2 應用於微分方程。
9.7.3 多項式插值和外推。
9.7.4 有理多項式插值和外推
9.7.5 修改的中點法
9.7.6 Bulirsch-Stoer方法。
9.8 Verlet積分
9.8.1 沒有速度分量的力。
9.8.2 有速度分量的力。
9.8.3 模擬系統中的阻力
9.8.4 跳蛙法
9.8.5 速度Verlet方法。
9.8.6 Gear的五階預測-修正方法
9.9 數值穩定性及其與物理穩定性的關係
9.9.1 單步驟方法的穩定性
9.9.2 多步驟方法的穩定性
9.9.3 選擇穩定的步長。
9.10 剛性方程。
10 四元數
10.1 旋轉矩陣
10.2 經典方法
10.2.1 四元數與旋轉的關係
10.3 線性代數方法。
10.4 從旋轉矩陣到四元數
10.4.1 介紹
10.4.2 2D旋轉。
10.4.3 線性。
10.4.4 3D旋轉:幾何
10.4.5 4D旋轉。
10.4.6 3D旋轉:代數。
10.4.7 4D矩陣
10.4.8 回顧與展望。
10.5 四元數的插值。
10.5.1 球面線性插值。
10.5.2 球面二次插值
10.6 時變四元數的導數
附錄 A 線性代數
A.1 數系回顧。
A.1.1 整數
A.1.2 有理數。
A.1.3 實數
A.1.4 複數。
A.1.5 體。
A.2 線性方程系統。
A.2.1 兩個未知數的兩個方程的深入分析。
A.2.2 高斯消元法和初等行運算
A.2.3 非方形方程系統
A.2.4 線性系統的幾何
A.2.5 數值問題
A.2.6 解線性系統的迭代方法
A.3 矩陣。
A.3.1 一些特殊矩陣。
A.3.2 初等行矩陣
A.3.3 逆矩陣。
A.3.4 逆的性質。
A.3.5 逆的構造
A.3.6 LU分解
A.4 向量空間。
A.4.1 向量空間的定義。
A.4.2 線性組合、跨度和子空間。
A.4.3 線性獨立性和基底
A.4.4 內積、長度、正交性和投影
A.4.5 點積、叉積和三重積。
A.4.6 正交子空間。
A.4.7 線性代數的基本定理
A.4.8 投影和最小二乘法。
A.4.9 線性變換。
A.5 進階主題
A.5.1 行列式。
A.5.2 特徵值和特徵向量。
A.5.3 對稱矩陣的特徵分解。
A.5.4 S + N分解。
A.5.5 應用
附錄 B 仿射代數
B.1 介紹
B.2 坐標系
B.3 子空間
B.4 變換。
B.5 重心坐標
B.5.1 三角形。
B.5.2 四面體
B.5.3 簡單形
B.5.4 長度、面積、體積和超體積
附錄 C 微積分
C.1 單變數微積分
C.1.1 極限。
C.1.2 序列的極限。
C.1.3 連續性
C.1.4 微分。
C.1.5 l'Hôpital法則。
C.1.6 積分
C.2 多變數微積分。
C.2.1 極限和連續性。
C.2.2 微分。
C.2.3 積分
C.3 應用
C.3.1 最優化。
C.3.2 有約束的最優化
C.3.3 通過有限差分的導數近似
附錄 D 常微分方程
D.1 定義
D.2 線性方程
D.2.1 一階線性方程。
D.2.2 二階線性方程
D.3 常數係數方程
D.4 方程系統。
參考文獻