數字邏輯 下載 mobi epub pdf 電子書 在線閱讀 2026

基本信息

書名:數字邏輯

：35.00元

售價：25.6元,便宜9.4元,摺扣73

作者:硃虹

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2014-08-01

ISBN：9787121232749

字數：348000

頁碼：212

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

本書為北京市高等教育精品教材立項項目（重點支持項目），國傢精品課程“電路分析”的配套教材,配有PPT課件和其他資源。內容講解清晰易懂、層次分明。

內容提要

本書為北京市高等教育精品教材立項項目（重點支持項目），並且是國傢精品課程“電路分析”的配套教材。作者全麵、係統地講述瞭數字邏輯課程所具有的基本內容，包括半導體基礎知識、計算機中數與碼的錶示、邏輯代數、基本門電路、組閤邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路等，並與教育部普通高中通用技術課標相結閤，采用“自上而下”與“自下而上”相結閤的教學方法，體現教材的“基礎性”、“實用性”、“實踐性”、“前瞻性”和“創新性”。

目錄

作者介紹

硃虹，首都師範大學信息學院副教授，主講課程“電路分析”課程獲2008年國傢精品課程，2007年北京市精品課程；2007年獲北京市高校中青年骨乾教師稱號。

文摘

序言

《電子遊戲中的物理引擎：從像素到現實》 前言 你是否曾沉浸在虛擬世界的奇幻冒險中，感受著角色在復雜環境中奔跑、跳躍、碰撞的逼真反饋？你是否曾驚嘆於遊戲畫麵中物體自由落體的優雅軌跡，或者角色之間互動時産生的細微物理效果？這一切的背後，都離不開一個至關重要的幕後英雄——電子遊戲中的物理引擎。它如同看不見的雙手，塑造著虛擬世界的行為法則，將靜態的畫麵轉化為生動的體驗，讓玩傢的情感與遊戲世界産生深度共鳴。 本書將帶領你踏上一段探索電子遊戲物理引擎奧秘的旅程。我們將撥開層層迷霧，深入瞭解那些讓虛擬世界“活”起來的技術細節。這不是一本枯燥的技術手冊，而是一次激動人心的發現之旅，旨在揭示那些隱藏在遊戲互動之下的智慧結晶。我們將從最基礎的概念講起，逐步深入到復雜的算法和優化技巧，讓即使是初學者也能理解其精妙之處。無論你是對遊戲開發充滿熱情，還是對計算機科學的某個細分領域感到好奇，這本書都將為你打開一扇新的大門。 第一章：何為物理引擎？——虛擬世界的行為規則 想象一下，當你丟下一顆石頭，它會沿著怎樣的弧綫落下？當你推動一個箱子，它會如何滑動並最終停下？在現實世界中，這些都是由物理定律主宰的。而電子遊戲，作為模擬現實或創造全新世界的藝術，同樣需要一套規則來定義其內部物體之間的互動。這就是物理引擎的作用。 物理引擎，簡單來說，就是一套計算機程序，它負責模擬遊戲世界中物體的物理屬性和運動規律。它不僅僅是讓物體“看起來”在運動，而是要讓它們“錶現”得像在現實世界中一樣。這包括但不限於： 重力： 模擬物體被拉嚮地麵的力，決定瞭物體下落的速度和軌跡。 碰撞檢測與響應： 判斷兩個或多個物體是否發生接觸，以及發生接觸後它們會如何相互作用，例如彈開、滑動、或者變形。 摩擦力： 模擬物體錶麵接觸時産生的阻力，影響物體的滑動速度和停止方式。 動量與慣性： 模擬物體保持原有運動狀態的趨勢，以及受力後速度改變的難易程度。 彈性： 模擬物體在碰撞後恢復原狀的能力，決定瞭它們碰撞後的反彈程度。 剛體動力學： 模擬不發生形變的物體在力作用下的運動狀態，這是最常見的遊戲物理模型。 軟體動力學： 模擬可以發生形變的物體，如布料、頭發、橡膠等，它們擁有更復雜的運動和形變規律。 一個優秀的物理引擎能夠為遊戲帶來極高的沉浸感。當玩傢的角色能夠自然地奔跑、跳躍，能夠真實地與環境互動，例如推開門、踩碎玻璃、甚至讓復雜的機械結構發生連鎖反應時，遊戲的體驗就得到瞭質的飛躍。反之，如果遊戲中的物體錶現僵硬、不自然，甚至齣現“穿模”（物體穿過另一個物體）、“漂浮”（物體不受重力影響）等BUG，都會極大地破壞玩傢的代入感。 第二章：遊戲物理的基石——數學與算法的融閤 要模擬物理世界，離不開數學的強大支撐。物理引擎的背後，是一係列精巧的數學模型和高效的算法。 2.1 坐標係與嚮量：定義空間中的一切 在三維遊戲世界中，每個物體的位置、方嚮、速度和受力都需要被精確地描述。這離不開坐標係和嚮量的應用。 笛卡爾坐標係： 我們最熟悉的 XYZ 三軸係統，用來確定物體在三維空間中的精確位置。 嚮量： 既有大小又有方嚮的量，是描述物理概念的理想工具。例如，速度是一個嚮量，錶示移動的快慢和方嚮；力也是一個嚮量，錶示推或拉的強度和方嚮。嚮量的加減、點乘、叉乘等運算，是進行物理模擬的核心。 2.2 牛頓運動定律：古典力學的核心 艾薩剋·牛頓提齣的三大運動定律，是理解和模擬宏觀物體運動的基礎。 牛頓第一定律（慣性定律）： 物體在沒有外力作用時，總保持靜止狀態或勻速直綫運動狀態。這解釋瞭為什麼需要施加力纔能改變物體的運動狀態。 牛頓第二定律（加速度定律）： 物體的加速度跟作用在它上麵的閤外力成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方嚮跟閤外力的方嚮相同。即 F = ma。這是計算物體在受力後的運動變化的關鍵公式。 牛頓第三定律（作用力與反作用力定律）： 每一個作用力，都存在一個大小相等、方嚮相反的反作用力。這在模擬物體之間的碰撞和相互作用時至關重要。 2.3 時間步長與數值積分：模擬連續變化 現實世界中的物理變化是連續的，而計算機處理的是離散的數據。物理引擎需要將連續的物理過程分解成一個個微小的時間步長（time step），在每個時間步長內計算物體狀態的變化，然後將這些變化纍積起來，從而模擬齣連續的運動。 數值積分： 這個過程就是利用數值積分的方法，根據當前狀態和作用力，計算齣下一個時間步長後的新狀態。常用的數值積分方法包括： 歐拉法（Euler Method）： 最簡單易懂的方法，但精度較低，容易纍積誤差。 改進歐拉法（Improved Euler Method）： 在歐拉法基礎上進行改進，精度有所提升。 龍格-庫塔法（Runge-Kutta Methods）： 更高階的數值積分方法，精度更高，是許多現代物理引擎的選擇。 2.4 碰撞檢測（Collision Detection）：辨彆“接觸” 在模擬物理互動之前，首先要確定物體是否發生瞭碰撞。這是物理引擎中最具挑戰性也最關鍵的部分之一。 包圍體（Bounding Volume）： 為瞭提高效率，通常不會直接對復雜的模型進行碰撞檢測，而是使用更簡單的幾何形狀來近似錶示物體，例如： 球體（Sphere）： 最簡單的包圍體，檢測效率最高。 軸對齊包圍盒（Axis-Aligned Bounding Box, AABB）： 邊界與坐標軸平行的盒子，檢測也較快。 定嚮包圍盒（Oriented Bounding Box, OBB）： 邊界可以任意鏇轉的盒子，能更貼閤物體形狀。 膠囊體（Capsule）： 結閤瞭球體和綫段的形狀，常用於角色碰撞。 幾何形狀的相交測試： 一旦確定瞭包圍體，就需要進行更精密的幾何形狀的相交測試，例如： 點到平麵距離： 判斷點是否在平麵的一側。 綫段與綫段相交： 判斷兩條綫段是否交叉。 多邊形與多邊形相交： 判斷兩個多邊形是否重疊。 更復雜的幾何體碰撞： 如球體與球體、球體與盒體、盒體與盒體等的相交判斷。 2.5 碰撞響應（Collision Response）：碰撞後的“反應” 當碰撞檢測確認發生碰撞後，物理引擎需要計算碰撞後物體如何運動，即碰撞響應。 衝量（Impulse）： 碰撞瞬間，物體之間會傳遞一個衝量，這個衝量會改變物體的動量，從而改變其速度。衝量的計算與碰撞的相對速度、物體的質量、以及物體的彈性係數（恢復係數）有關。 法綫（Normal）： 碰撞點處垂直於接觸錶麵的方嚮，是計算衝量和反彈方嚮的關鍵。 摩擦力： 在碰撞響應中，還需要考慮摩擦力，它會阻礙物體的相對滑動。 第三章：不同類型的遊戲物理模擬 根據遊戲的需求和復雜程度，物理引擎可以采用不同的模擬方法。 3.1 剛體動力學（Rigid Body Dynamics）：最廣泛的應用 這是最常見的物理模擬類型，假設遊戲中的物體是堅硬的，不會發生形變。例如，大多數的子彈、箱子、車輛、建築部件等都屬於剛體。 模擬方式： 主要基於牛頓運動定律，通過計算物體受到的力（如重力、推力、碰撞力）來更新其綫速度和角速度，進而推導齣其位置和姿態。 核心技術： 碰撞檢測、衝量計算、摩擦力模擬。 應用場景： 動作遊戲、射擊遊戲、競速遊戲、策略遊戲中的許多互動元素。 3.2 軟體動力學（Soft Body Dynamics）：模擬變形與形變 軟體模擬的目標是模擬那些可以發生形變、拉伸、壓縮、彎麯的物體，如布料、繩索、橡膠、水、雲等。 模擬方式： 通常采用基於粒子或質點的係統，將物體分解成一係列相互連接的粒子，通過模擬粒子之間的彈簧力、阻尼力以及外部力來模擬物體的形變。 核心技術： 彈簧-阻尼模型： 用彈簧模擬物體內部的恢復力，用阻尼器模擬能量的耗散。 有限元方法（Finite Element Method, FEM）： 一種更高級的數值分析方法，用於求解連續介質力學問題，能夠更精確地模擬復雜形變。 masas-彈簧係統（Mass-Spring System）： 將物體離散化為質量點，並用彈簧連接，是模擬軟體的常用方法。 應用場景： 角色服裝的飄動、布料的褶皺、繩索的擺動、水流的動態、爆炸産生的煙霧等。 3.3 流體模擬（Fluid Simulation）：模擬液體與氣體 流體模擬是軟體動力學的一個特殊分支，專門用於模擬液體（如水、油）和氣體（如煙、火、空氣）。 模擬方式： 常常基於納維-斯托剋斯方程（Navier-Stokes equations），這是一組描述流體運動的偏微分方程。 核心技術： 粒子追蹤法（Particle-based methods）： 如平滑粒子流體動力學（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH），將流體分解為一係列粒子，通過粒子間的相互作用來模擬宏觀的流體行為。 網格法（Grid-based methods）： 將空間劃分為網格，在每個網格點上求解流體方程。 應用場景： 水麵的波動、波浪、瀑布、噴泉、煙霧的擴散、爆炸産生的氣浪等。 3.4 角色動畫與物理的結閤（Animation and Physics Blending） 現代遊戲中，角色的運動不僅僅是通過骨骼動畫來驅動，還會與物理引擎進行結閤，以實現更自然的錶現。 目標： 避免角色在復雜的環境中齣現不自然的姿態，例如在不平整的地麵上行走時，腳部能自然貼閤地麵；在被擊飛時，身體能呈現齣誇張的形變和翻滾。 技術： 反嚮動力學（Inverse Kinematics, IK）： 根據終端效應器（如腳、手）的位置，反嚮計算齣關節的角度，使角色能夠做齣符閤環境的動作。 物理驅動的動畫： 將物理模擬的結果直接影響到角色的動畫錶現，例如，角色被撞擊後，動畫會根據碰撞力進行調整。 布娃娃係統（Ragdoll System）： 當角色死亡或被擊倒時，將其身體視為一係列的剛體，通過物理引擎來模擬其自然倒下的過程，極大地增強瞭真實感。 第四章：物理引擎的優化與挑戰 物理模擬雖然能帶來逼真的體驗，但其計算量往往非常巨大，如何高效地進行模擬是物理引擎設計中的核心挑戰。 4.1 性能優化：速度與精度的平衡 簡化碰撞檢測： 使用分層包圍體、空間分割等技術，快速剔除不可能發生碰撞的物體對，隻對可能碰撞的物體進行詳細檢測。 多綫程處理： 將物理計算分解成多個任務，分配給不同的CPU核心同時處理，大幅提升計算速度。 LOD（Level of Detail）技術： 對於遠距離的物體，可以降低其物理模擬的精度，甚至完全禁用物理模擬，節省計算資源。 物理計算的批處理： 將相似的物理計算任務打包在一起，一次性進行處理，減少函數調用和數據加載的開銷。 GPU加速： 利用圖形處理器（GPU）強大的並行計算能力，處理大量的物理計算任務，尤其在粒子模擬和流體模擬中效果顯著。 4.2 精度與穩定性：避免“物理BUG” 選擇閤適的數值積分方法： 高階積分方法雖然計算量大，但精度更高，能夠減少纍積誤差。 固定時間步長： 許多物理引擎會采用固定時間步長，以保證數值積分的穩定性，防止齣現因時間步長過大導緻的計算錯誤。 碰撞穿透修復（Penetration Correction）： 在碰撞發生後，即使已經計算齣響應，也可能因為數值誤差導緻物體有輕微的穿透。此時需要進行修正，將物體推離，以保持物理的準確性。 能量守恒的考慮： 在某些情況下，需要確保物理模擬過程中的能量守恒，以避免齣現能量憑空産生或消失的情況。 4.3 軟件與硬件的協同 遊戲引擎的集成： 現代遊戲引擎（如Unity、Unreal Engine）通常都集成瞭強大的物理引擎，簡化瞭開發者的工作流程。 專用物理中間件： 許多開發者會選擇使用成熟的第三方物理引擎SDK（Software Development Kit），如Havok、PhysX、Bullet Physics等，這些引擎經過瞭大量的測試和優化，能夠提供穩定且高效的物理模擬。 第五章：物理引擎在遊戲設計中的意義 物理引擎不僅僅是技術的堆砌，它更是遊戲設計的重要組成部分。 5.1 提升遊戲的可玩性與趣味性 策略的深度： 物理特性可以為遊戲策略帶來更多維度。例如，在策略遊戲中，利用重力投擲物體攻擊敵人，或者利用彈射原理解決謎題。 動態的挑戰： 物理互動可以創造齣動態的遊戲挑戰，玩傢需要根據物體的物理屬性來製定對策。 意想不到的樂趣： 精心設計的物理互動常常能帶來意想不到的樂趣，例如，通過連鎖反應引發的壯觀場景，或者角色之間滑稽的碰撞。 5.2 增強遊戲的錶現力與敘事 “活”起來的世界： 逼真的物理效果讓遊戲世界顯得更加真實和生動，增強瞭玩傢的沉浸感。 環境的互動性： 玩傢能夠與遊戲環境進行豐富的互動，例如，打碎玻璃、推倒牆壁、操縱復雜的機關，這使得遊戲世界充滿瞭生命力。 敘事的輔助： 物理事件本身就可以成為敘事的一部分。例如，一場大規模的爆炸，或者一個精心設計的物理陷阱，都能為遊戲增添戲劇性。 5.3 創新遊戲玩法 物理謎題： 許多成功的遊戲將物理模擬作為核心玩法，例如《憤怒的小鳥》利用拋物綫原理、《傳送門》利用空間傳送的能力。 模擬類遊戲： 模擬經營類、建造類遊戲更是離不開精密的物理模擬，如模擬建造城市、駕駛飛機、或者經營一個工廠。 結語 從抽象的數學公式到屏幕上逼真的互動，電子遊戲中的物理引擎是一項令人驚嘆的工程壯舉。它將科學的嚴謹性與藝術的創造力巧妙地融閤在一起，為我們構建瞭一個又一個充滿活力的虛擬世界。本書的探索之旅，希望能讓你對這個隱藏在遊戲背後的強大力量有一個更深刻的認識。理解物理引擎的工作原理，不僅能讓你更欣賞遊戲的精妙之處，也能為你探索遊戲開發的無限可能提供寶貴的啓示。願你在未來的遊戲體驗中，能夠感受到那些細微的物理反饋，並從中發現更多樂趣。