清風(fēng)竹林

float SqrtByBisection(float n) //用二分法 
{ 
	if(n<0) //小于0的按照你需要的處理 
		return n; 
	float mid,last; 
	float low,up; 
	low=0,up=n; 
	mid=(low+up)/2; 
	do
	{
		if(mid*mid>n)
			up=mid; 
		else 
			low=mid;
		last=mid;
		mid=(up+low)/2; 
	}while(abs(mid-last) > eps);//精度控制
	return mid; 
} 

float SqrtByNewton(float x)
{
	float val = x;//最終
	float last;//保存上一個(gè)計(jì)算的值
	do
	{
		last = val;
		val =(val + x/val) / 2;
	}while(abs(val-last) > eps);
	return val;
}

float InvSqrt(float x)
{
	float xhalf = 0.5f*x;
	int i = *(int*)&x; // get bits for floating VALUE 
	i = 0x5f375a86- (i>>1); // gives initial guess y0
	x = *(float*)&i; // convert bits BACK to float
	x = x*(1.5f-xhalf*x*x); // Newton step, repeating increases accuracy
	x = x*(1.5f-xhalf*x*x); // Newton step, repeating increases accuracy
	x = x*(1.5f-xhalf*x*x); // Newton step, repeating increases accuracy

	return 1/x;
}

Quake-III Arena (雷神之錘3)是90年代的經(jīng)典游戲之一。該系列的游戲不但畫(huà)面和內(nèi)容不錯(cuò)，而且即使計(jì)算機(jī)配置低，也能極其流暢地運(yùn)行。這要?dú)w功于它3D引擎的開(kāi)發(fā)者約翰-卡馬克（John Carmack）。事實(shí)上早在90年代初DOS時(shí)代，只要能在PC上搞個(gè)小動(dòng)畫(huà)都能讓人驚嘆一番的時(shí)候，John Carmack就推出了石破天驚的Castle Wolfstein, 然后再接再勵(lì)，doom, doomII, Quake...每次都把3-D技術(shù)推到極致。他的3D引擎代碼資極度高效，幾乎是在壓榨PC機(jī)的每條運(yùn)算指令。當(dāng)初MS的Direct3D也得聽(tīng)取他的意見(jiàn)，修改了不少API。

最近，QUAKE的開(kāi)發(fā)商ID SOFTWARE 遵守GPL協(xié)議，公開(kāi)了QUAKE-III的原代碼，讓世人有幸目睹Carmack傳奇的3D引擎的原碼。這是QUAKE-III原代碼的下載地址： 
http://www.fileshack.com/file.x?fid=7547

(下面是官方的下載網(wǎng)址，搜索 “quake3-1.32b-source.zip” 可以找到一大堆中文網(wǎng)頁(yè)的。ftp://ftp.idsoftware.com/idstuff/source/quake3-1.32b-source.zip)

我們知道，越底層的函數(shù)，調(diào)用越頻繁。3D引擎歸根到底還是數(shù)學(xué)運(yùn)算。那么找到最底層的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)（在game/code/q_math.c）， 必然是精心編寫(xiě)的。里面有很多有趣的函數(shù)，很多都令人驚奇，估計(jì)我們幾年時(shí)間都學(xué)不完。在game/code/q_math.c里發(fā)現(xiàn)了這樣一段代碼。它的作用是將一個(gè)數(shù)開(kāi)平方并取倒，經(jīng)測(cè)試這段代碼比(float)(1.0/sqrt(x))快4倍：

float Q_rsqrt( float number )
{
	long i;
	float x2, y;
	const float threehalfs = 1.5F;

	x2 = number * 0.5F;
	y   = number;
	i   = * ( long * ) &y;   // evil floating point bit level hacking
	i   = 0x5f3759df - ( i >> 1 ); // what the fuck?
	y   = * ( float * ) &i;
	y   = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 1st iteration
	// y   = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 2nd iteration, this can be removed

	#ifndef Q3_VM
	#ifdef __linux__
		 assert( !isnan(y) ); // bk010122 - FPE?
	#endif
	#endif
	return y;
}  

函數(shù)返回1/sqrt(x)，這個(gè)函數(shù)在圖像處理中比sqrt(x)更有用。 
注意到這個(gè)函數(shù)只用了一次疊代！（其實(shí)就是根本沒(méi)用疊代，直接運(yùn)算）。編譯，實(shí)驗(yàn)，這個(gè)函數(shù)不僅工作的很好，而且比標(biāo)準(zhǔn)的sqrt()函數(shù)快4倍！要知道，編譯器自帶的函數(shù)，可是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格仔細(xì)的匯編優(yōu)化的啊！ 
這個(gè)簡(jiǎn)潔的函數(shù)，最核心，也是最讓人費(fèi)解的，就是標(biāo)注了“what the fuck?”的一句 
      i = 0x5f3759df - ( i >> 1 );

再加上y  = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); 
兩句話就完成了開(kāi)方運(yùn)算！而且注意到，核心那句是定點(diǎn)移位運(yùn)算，速度極快！特別在很多沒(méi)有乘法指令的RISC結(jié)構(gòu)CPU上，這樣做是極其高效的。

算法的原理其實(shí)不復(fù)雜,就是牛頓迭代法,用x-f(x)/f'(x)來(lái)不斷的逼近f(x)=a的根。

沒(méi)錯(cuò)，一般的求平方根都是這么循環(huán)迭代算的但是卡馬克(quake3作者)真正牛B的地方是他選擇了一個(gè)神秘的常數(shù)0x5f3759df 來(lái)計(jì)算那個(gè)猜測(cè)值，就是我們加注釋的那一行，那一行算出的值非常接近1/sqrt(n)，這樣我們只需要2次牛頓迭代就可以達(dá)到我們所需要的精度。好吧如果這個(gè)還不算NB,接著看:

普渡大學(xué)的數(shù)學(xué)家Chris Lomont看了以后覺(jué)得有趣，決定要研究一下卡馬克弄出來(lái)的這個(gè)猜測(cè)值有什么奧秘。Lomont也是個(gè)牛人，在精心研究之后從理論上也推導(dǎo)出一個(gè)最佳猜測(cè)值，和卡馬克的數(shù)字非常接近, 0x5f37642f。卡馬克真牛，他是外星人嗎？

傳奇并沒(méi)有在這里結(jié)束。Lomont計(jì)算出結(jié)果以后非常滿意，于是拿自己計(jì)算出的起始值和卡馬克的神秘?cái)?shù)字做比賽，看看誰(shuí)的數(shù)字能夠更快更精確的求得平方根。結(jié)果是卡馬克贏了... 誰(shuí)也不知道卡馬克是怎么找到這個(gè)數(shù)字的。

最后Lomont怒了，采用暴力方法一個(gè)數(shù)字一個(gè)數(shù)字試過(guò)來(lái)，終于找到一個(gè)比卡馬克數(shù)字要好上那么一丁點(diǎn)的數(shù)字，雖然實(shí)際上這兩個(gè)數(shù)字所產(chǎn)生的結(jié)果非常近似，這個(gè)暴力得出的數(shù)字是0x5f375a86。

Lomont為此寫(xiě)下一篇論文，"Fast Inverse Square Root"。 論文下載地址： 
http://www.math.purdue.edu/~clomont/Math/Papers/2003/InvSqrt.pdf 
http://www.matrix67.com/data/InvSqrt.pdf

參考：<IEEE Standard 754 for Binary Floating-Point Arithmetic><FAST INVERSE SQUARE ROOT>

最后，給出最精簡(jiǎn)的1/sqrt()函數(shù)：

float InvSqrt(float x)
{
	float xhalf = 0.5f*x;
	int i = *(int*)&x; // get bits for floating VALUE 
	i = 0x5f375a86- (i>>1); // gives initial guess y0
	x = *(float*)&i; // convert bits BACK to float
	x = x*(1.5f-xhalf*x*x); // Newton step, repeating increases accuracy
	return x;
}  

大家可以嘗試在PC機(jī)、51、AVR、430、ARM、上面編譯并實(shí)驗(yàn)，驚訝一下它的工作效率。

前兩天有一則新聞，大意是說(shuō) Ryszard Sommefeldt 很久以前看到這么樣的一段 code (可能出自 Quake III 的 source code)：

float InvSqrt (float x) 
{
	float xhalf = 0.5f*x;
	int i = *(int*)&x;
	i = 0x5f3759df - (i>>1);
	x = *(float*)&i;
	x = x*(1.5f - xhalf*x*x);
	return x;
}

他一看之下驚為天人，想要拜見(jiàn)這位前輩高人，但是一路追尋下去卻一直找不到人；同時(shí)間也有其他人在找，雖然也沒(méi)找到出處，但是 Chris Lomont 寫(xiě)了一篇論文 (in PDF) 解析這段 code 的算法 (用的是 Newton’s Method，牛頓法；比較重要的是后半段講到怎么找出神奇的 0x5f3759df 的)。 
PS. 這個(gè) function 之所以重要，是因?yàn)榍?開(kāi)根號(hào)倒數(shù) 這個(gè)動(dòng)作在 3D 運(yùn)算 (向量運(yùn)算的部份) 里面常常會(huì)用到，如果你用最原始的 sqrt() 然后再倒數(shù)的話，速度比上面的這個(gè)版本大概慢了四倍吧… XD 
PS2. 在他們追尋的過(guò)程中，有人提到一份叫做 MIT HACKMEM 的文件，這是 1970 年代的 MIT 強(qiáng)者們做的一些筆記 (hack memo)，大部份是 algorithm，有些 code 是 PDP-10 asm 寫(xiě)的，另外有少數(shù)是 C code (有人整理了一份列表)