基于John Carmark密码详解
基于John Carmark密码详解
发布时间:2016-12-28 来源:查字典编辑
摘要:有人在QuakeIII的源代码里面发现这么一段用来求平方根的代码:/*================SquareRootFloat====...

有人在Quake III的源代码里面发现这么一段用来求平方根的代码:

/*================SquareRootFloat================*/

float SquareRootFloat(float number) {

long i;

float x, y;

const float f = 1.5F;

x = number * 0.5F;

y = number;

i = * ( long * ) &y;

i = 0x5f3759df - ( i >> 1 ); //注意这一行

y = * ( float * ) &i;

y = y * ( f - ( x * y * y ) );

y = y * ( f - ( x * y * y ) );

return number * y;

}

x5f3759df? 这是个什么东西? 学过数值分析就知道,算法里面求平方根一般采用

的是无限逼近的方法,比如牛顿迭代法,抱歉当年我数值分析学的太烂,也讲不清楚

。简单来说比如求5的平方根,选一个猜测值比如2,那么我们可以这么算

/2 = 2.5; 2.5+2/2 = 2.25; 5/2.25 = xxx; 2.25+xxx/2 = xxxx ...

这样反复迭代下去,结果必定收敛于sqrt(5),没错,一般的求平方根都是这么算的

。而卡马克的不同之处在于,他选择了一个神秘的猜测值0x5f3759df作为起始,使得

整个逼近过程收敛速度暴涨,对于Quake III所要求的精度10的负三次方,只需要一

次迭代就能够得到结果。

好吧,如果这还不算牛b,接着看。

普渡大学的数学家Chris Lomont看了以后觉得有趣,决定要研究一下卡马克弄出来的

这个猜测值有什么奥秘。Lomont也是个牛人,在精心研究之后从理论上也推导出一个

最佳猜测值,和卡马克的数字非常接近, 0x5f37642f。卡马克真牛,他是外星人吗?

传奇并没有在这里结束。Lomont计算出结果以后非常满意,于是拿自己计算出的起始

值和卡马克的神秘数字做比赛,看看谁的数字能够更快更精确的求得平方根。结果是

卡马克赢了... 谁也不知道卡马克是怎么找到这个数字的。

最后Lomont怒了,采用暴力方法一个数字一个数字试过来,终于找到一个比卡马克数

字要好上那么一丁点的数字,虽然实际上这两个数字所产生的结果非常近似,这个暴

力得出的数字是0x5f375a86。

Lomont为此写下一篇论文,"Fast Inverse Square Root"。

我把这个函数用C#就行了一下改写:

复制代码 代码如下:

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Text;

namespace ConsoleApplication1

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("Carmark's method:");

Console.WriteLine(SquareRootFloat(3.0f).ToString());

Console.WriteLine("Use Math.Sqrt() method:");

Console.WriteLine(((float)Math.Sqrt(3.0)).ToString());

Console.Read();

}

private static float SquareRootFloat(float number)

{

long i;

float x, y;

const float f = 1.5F;

x = number * 0.5F;

y = number;

unsafe

{

i = * ( long * ) &y;

i = 0x5f3759df - ( i >> 1 ); //注意这一行

y = * ( float * ) &i;

}

y = y * ( f - ( x * y * y ) );

y = y * ( f - ( x * y * y ) );

return number * y;

}

}

}

第32、33行用了两次牛顿迭代法,以达到一定的精度,当然你也可以自己控制精度,求出来的是y的平方根的倒数,所以最后返回为number*y.

SquareRootFloat函数最关键的一句就是 i=0x5f3759df-(i>>1);

以下是对它的部分解释:

牛顿迭代法最关键的地方在于估计第一个近似根。如果该近似根与真根足够靠近的话,那么只需要少数几次迭代,就可以得到满意的解。

接着,我们要设法估计第一个近似根。这也是上面的函数最神奇的地方。它通过某种方法算出了一个与真根非常接近的近似根,因此它只需要使用一次迭代过程就获得了较满意的解。它是怎样做到的呢?所有的奥妙就在于这一行:

i = 0x5f3759df - (i >> 1);// 计算第一个近似根

超级莫名其妙的语句,不是吗?但仔细想一下的话,还是可以理解的:float类型的数据在32位系统上是这样表示的。

bits:31 30 ... 031:符号位30-23:共8位,保存指数(E)22-0:共23位,保存尾数(M)

所以,32位的浮点数用十进制实数表示就是:M*2^E。开根然后倒数就是:M^(-1/2)*2^(-E/2)。现在就十分清晰了。语句i>>1其工作就是将指数除以2,实现2^(E/2)的部分。而前面用一个常数减去它,目的就是得到M^(1/2)同时反转所有指数的符号。

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