DirectX3D 笔记.doc

内容摘自DirectX 9.0 3D游戏开发编程基础章节一1.必备数学知识二1.初始化Direct3D2.（固定）绘制流水线3.Direct3D中的绘制4.颜色5.光照6.纹理映射7.融合技术8.模板三9.字体10.网格（一）11.网格（二）12.自定义Camera类13.地形绘制14.粒子系统15.拾取四16.着色语言HLSL17.顶点着色器18.像素着色器19.效果框架一1.必备数学知识1.1向量及坐标系选取，D3D中以LH/RH标记左手/右手坐标系。1.2向量运算：数乘 点积-用于计算两个向量的夹角（）及判断向量垂直。 叉积-计算与两个向量所在平面垂直的向量，可用于面片法向量的计算。1.3矩阵：在3D图形应用中，常用4X4矩阵和1X4行向量进行运算。 由于多数变换无法用3阶矩阵表示3维变换，因此3D变换中的矩阵为4维矩阵。由于3维坐标空间中点和向量具有相同的表示形式，因此在进行运算时，将点和向量扩展至4D空间时，通过如下形式：表示点（保证能平移变换）；以表示向量（防止平移变换）。1.4 3维空间中的变换： 平移矩阵、旋转矩阵、比例变换矩阵1.5平面D3DXPLANE在D3D中存储平面及相应操作。平面定义为满足的所有点的集合，因此可通过平面法向量n和平面上一点表示，在代码中存储n和表示平面；平面可被看做4D向量（n,d）进行变换；当平面被规范化（法向量为单位向量且重新计算d），则为p点到平面的最短有符号距离。1.6射线定义为。射线与平面的相交判定用于拾取的实现。二1. 初始化Direct3D1.1 Direct3D提供了操纵图形设备（通过HAL硬件抽象层）的API。由HAL提供的硬件支持的功能可被D3D接口操作；硬件不支持时由REF设备实现，由D3DDEVTYPE枚举类型成员指定。1.2 D3D中使用COM技术实现编程语言无关及向下兼容特性。在C+编程环境下可将COM组件当做C+类来使用。使用前创建，使用后通过Release清除。在D3D中COM由前缀I标记。1.3 a.表面是D3D存储2D图像数据的像素矩阵。 b.多重采样用枚举量D3DMULTISAMPLE_TYPE标志。 c.像素格式 D3DFORMAT d.内存池 D3DPOOL e.交换链（由多个表面构成），页面置换 f.深度缓存是只含有特定像素深度信息的表面。 g.顶点运算 software/hardware vertex processing 其中硬件运算需要图形卡支持，但可不占用CPU资源（使用GPU？）1.4 设备性能 D3DCAPS9结构的各数据成员用于检测硬件支持。1.5D3D初始化过程： 1.获取接口IDirect3D9指针。用于设备枚举及创建IDirect3DDevice9对象。 2.检查设备性能（D3DCAPS9）3.填充D3DPRESENT_PARAMETERS，创建IDirect3DDevice9对象（该C+对象代表物理硬件设备）。二2.绘制流水线2.1 固定绘制流水线（由CPU实现，区别于顶点/像素着色器）。局部坐标系-世界坐标系-观察坐标系-背面消隐-光照-裁剪-投影-视口坐标系-光栅化观察坐标系：D3DXMatrixLookAtLH/RH D3DTS_VIEW投影：D3DXMatrixPerspectiveFovLH/RH D3DTS_PROJECTION视口变换： D3DVIEWPORT9结构 SetViewport（）自动实现变换二3. Direct3D中的绘制3.1顶点缓存/索引缓存是用来存储描述图元（三角形）变量的结构。顶点格式包含各分量需自行定义，可包括顶点坐标、法向量、纹理坐标等。由FVF标记（D3DFVF）描述顶点的组织结构。Create（Vertex/Index）Buffer创建。Lock/Unlock用于访问缓存3.2设置绘制状态，SetRenderState将某个绘制状态设为某状态值。3.3绘制准备： a. SetStreamSource设置数据流入源。 b. SetFVF设置顶点格式 c. SetIndices设置索引缓存3.4在BeginScene/EndScene方法对之间调用绘制准备及DrawPrimitive/DrawIndexedPrimitive二4.颜色4.1 颜色由RGB三元组和融合因子Alpha组成，D3DCOLOR结构用于表示32bits颜色数据。在顶点结构中增加颜色结构可用于对图元进行着色。二5.光照5.1 材质（D3DMATERIAL9）决定了物体在特定光源下表现的颜色。5.2 顶点法线用于确定光线到达表面（顶点）的入射方向。在顶点结构中增加顶点法线向量用于光照计算。通过给定构成三角形图元的三个顶点可求得面片的法向量：可令顶点法向量等于面法向量，或令顶点法向量等于共用顶点的各面法向量的均值。5.3 D3D中光照由三种光的分量构成：环境光（Ambient Light）、漫射光（Diffuse Light）、镜面光（Specular Light）。材质D3DMATERIAL9中的相应项描述了对对应光分量的特定颜色的反射率。5.4 D3D支持三种光源：点光源、方向光、聚光灯。D3DLIGHT9结构表示光源。二6.纹理映射6.1在顶点结构中增加纹理坐标对以实现纹理映射。6.2 纹理通过接口IDirect3DTexture9表示。使用D3DXCreateTextureFromFile从图片文件中创建纹理。使用SetTexture设置。6.3 为减小畸变，需要使用SetSamplerState设置纹理过滤器。放大过滤器、缩小过滤器、多级渐进纹理过滤器（D3DSAMP_MIPFILTER）。二7.融合7.1 融合操作在光栅化运算过程中进行。将当前计算得到的像素（源像素）颜色值与已写入后台缓存的像素（目标像素）颜色值进行合成称为融合。在融合时，首先绘制不需融合的物体，再对融合的物体按到摄像机的深度进行排序，最后按从后向前的顺序进行绘制。其中为分量逐个相乘。融合因子通过SetRenderState设置。7.2 Alpha分量指定了像素的透明度。Alpha分量由Alpha通道描述。Alpha通道显示为灰度图，黑色至白色透明度逐渐减小，黑色为透明；白色为不透明。通过SetTextureStageState指定Alpha来源。7.3 工具DirectX Texture Tool可为图像文件创建Alpha通道。二8.模板8.1 模板缓存是用于获得某种特效的离屏缓存，具有与后台缓存、深度缓存相同的分辨率。模板缓存与深度缓存共享同一个离屏的表面缓冲。8.2 模板测试通过使用模板缓存对像素是否写入后台缓存进行判定，以阻止对后台缓存的特定区域进行绘制。模板测试的表达式为：其中为模板参考值与模板掩码按位与运算；为模板缓存中要进行测试的像素值和模板掩码按位与运算。ComparisonOperation为选定的比较规则。测试通过的像素被写入后台缓存。8.3 模板测试的控制使用SetRenderState设置模板参考值（D3DRS_STENCILREF）、模板掩码（D3DRS_STENCILMASK）、比较运算（D3DRS_STENCILFUNC）。模板缓存也可通过SetRenderState设置在（i,j）位置像素点测试运算后对应模板缓存值的变化方式。8.4 模板应用1.镜面效果（平面镜成像） a. D3DXMatrixReflect创建平面的镜像变换矩阵。 b.绘制过程中镜面被绘制了两次，第二次用于在模板缓存中标记镜面位置，通过融合操作阻止镜面在后台缓存的绘制。 c.成像与镜面的融合；背面消隐2.平面阴影 a. D3DXMatrixShadow创建给定平面和平行光方向/点光源位置的阴影矩阵。 b.使用模板避免二次融合。三9.字体9.1 ID3DXFont接口使用GDI绘制文本。9.2 CD3DFont类（DXSDK根目录下SamplesC+Common），使用D3D绘制简单效果文本。9.3 D3DXCreateText创建文本的3D网格。三10.网格（一）10.1 ID3DXMesh接口用于网格操作。该接口继承自ID3DXBaseMesh（接口继承性），包含一个顶点缓存和一个索引缓存。ID3DXMesh的基本类型为三角形图元。10.2 访问任何类型缓存，应首先调用lock方法，结束访问时调用Unlock方法。10.3 一个网格由多个子集组成，子集是一组可用相同属性（材质、纹理、绘制状态等）绘制的三角形。每个子集具有唯一标识ID，网格中的每个三角形图元具有对应的ID（属性），并被存储于属性缓存。10.4 使用DrawSubset绘制指定子集的所有图元。OptimizeInplace实现对网格的索引和顶点重排（网格优化），提高绘制效率。属性表是优化时使用D3DXMESHOPT_ATTRSORT标记创建的结构，提供对各子集的缓存位置描述。10.6 邻接数组包含每个面片的相邻面片的索引，网格中每个面片都有三个可能的邻接面片。10.7 CloneMesh创建网格的副本。10.8 D3DXCreateMeshFVF等函数可根据给定信息创建空网格对象，即各缓存已分配但值为空，可手工填入网格数据。三11.网格（二）11.1 ID3DXBuffer接口负责将数据存储在一个连续内存块中。获取存储的数据类型时需进行类型转换。11.2 使用3D建模工具（3DS Max、LightWave、Maya等）创建模型并导出至XFILE（.X格式）文件。D3DXLoadMeshFromX将XFILE文件中的网格数据加载至Mesh对象中。通过D3DXMATERIAL（从磁盘图像文件）手工加载网格各子集的纹理数据。D3DXComputeNormals生成网格的顶点法向量（以实现光照）。11.3 ID3DXPMesh接口用于生成渐进网格（功能类似多级渐进纹理）。顶点属性权值决定了在简化过程中顶点被移除的概率；其它接口方法用于手动设置简化/细化的顶点/面片个数。11.4 D3DXComputeBoundingBox/Sphere用于计算给定网格的外接体（球/方盒）。浮点数格式及相等比较三12.自定义Camera类12.1 Camera实现了可根据用户输入作出响应的移动摄像机。摄像机由4个向量进行描述：右向量right，上向量up，观察向量look（前三个向量称为方向向量，为标准正交的逆矩阵=转置矩阵），位置向量position。摄像机具有6个自由度：沿3个轴的平动；绕3个轴的转动。Camera主要用于实现地面移动和飞行模拟行为。12.2 根据给定摄像机向量计算取景变换矩阵（View Matrix）。1.将摄像机平移到世界坐标系原点。2.旋转使向量right、up、look与世界坐标系x、y、z轴重合。摄像机变换时，空间中的物体也要变换以保证摄像机视场不变。12.3 D3DXMatrixRotationAxis计算绕任意轴旋转一定角度的变换矩阵，实现绕3个轴的转动；向量加法实现沿3个轴的平动。三13.地形绘制13.1 高度图的每个存储单元保存对应像素的高度信息，因此灰度图可作为高度图（类比Alpha通道），可通过图像处理软件将高度图保存为RAW格式文件。13.2 地形绘制过程：a.创建地形几何信息b.计算顶点c.计算索引d.纹理映射e.光照计算（原文以人工方式实现，通过计算0,1区间的明暗因子反应光照强度） 使用给定平行光源计算地形明暗。13.3 在地形中移动摄像机13.4 D3DXSplitMesh将较大网格分割为较小网格。三14.粒子系统14.1 定义点精灵（点图元，对比三角形图元的顶点结构定义方式）。通过设置绘制状态控制点精灵的行为（形如D3DRS_POINTXXX的绘制状态）。14.2 粒子系统的组成粒子系统负责更新，显示，创建及杀死粒子。粒子系统的主要成员包括：a.系统的粒子源b.粒子活动范围（外接体）c.粒子的属性列表（全部粒子的属性集合）d.给定时间的顶点缓存存储顶点个数14.3 绘制粒子系统为使CPU与图形卡能够协同工作，首先创建一个容量合理（2000）的顶点缓存，再将该顶点缓存划分为若干片段。由此对每一帧的操作如下：1） 更新所有粒子2） 绘制所有活动粒子（1）若顶点缓存未满：a.使用D3DLOCK_NOOVERWRITE标记锁定片段i b.将（500个）粒子复制到锁定片段i中（2）若顶点缓存已满：a.锁定片段i=0，从顶点缓存起始位置开始 b.用标记D3DLOCK_DISCARD锁定片段i c.将（500个）粒子复制到锁定片段i中 （3）绘制片段i中的粒子 （4）下一个片段，i+三15.拾取15.1 拾取过程a.给定单击的屏幕点s，求出其在投影窗口中的对应点p。（由视口变换矩阵计算）b.计算自坐标原点出发且经过p的射线（拾取射线）。c.将拾取射线与物体变换至相同坐标系。射线变换需要分别对起点（D3DXVec3TransformCoord，W=1）和方向（D3DXVec3TransformNormal,W=0）进行变换。d.进行物体/射线的相交判定。本例中使用外接球进行判定，判定过程如下：由球面方程（p为球面上点，c为圆心，r为半径）和射线方程联立求解关于t的二次方程。根据t0，t1判定射线与球的相交关系。四16.着色语言HLSL着色语言HLSL编写的定制程序（custom programs）可取代固定流水线中某一功能模块，并可在图形卡的GPU中执行，增加了灵活性并提高执行效率。HLSL程序可以一个长字符串的形式出现在应用程序源文件中。但在实际应用中，通过将HLSL代码保存为常规ASCII文本，在程序中动态载入。16.1 HLSL程序结构1）全局变量2）输入和输出结构。：指定变量用途（在底层建立了着色器中变量与硬件寄存器的关联）。3）入口函数。入口函数名称非强制性为Main，但必须包括可接收输入结构的参数，并返回一个输出结构的实例。语法结构形如：OUTPUT Main（INPUT input）16.2 HLSL程序的编译1）D3DXCompileShaderFromFile函数可对文本文件中的着色器程序进行编译。HLSL可指定编译成的着色器版本，生成代码通过ID3DXBuffer接口指针访问，ID3DXConstantTable接口指针用于访问常量表数据。2）着色器使用常量表存储变量，D3D提供ID3DXConstantTable接口用于应用程序设置着色器代码中的变量。GetConstantByName函数根据变量名称获取变量句柄；SetXXX类型函数通过句柄设置着色器变量的值。SetDefaults将变量设为默认值。16.3 变量类型HLSL常规内置变量类型：标量、向量、矩阵、数组、结构体变量前缀static、extern、const、uniform、shared、volatile16.4 关键字DirectX GraphicsDirect3D 9ReferenceHLSL Shader ReferencesVariable Declaration Syntax文档中有类型转换的介绍。16.5 运算符许多HLSL运算在分量级上进行。16.6 用户自定义函数1）函数特性 a.参数总是按值传递 b.不支持递归 c.函数总是内联的16.7 内置函数DirectX GraphicsDirect3D 9ReferenceHLSL Shader ReferencesHLSL Intrinsic Functions四17.顶点着色器四18.像素着色器四19.效果框架一种绘制效果通常由以下部件构成：一个顶点着色器、一个像素着色器、一个需要设置的设备状态列表、一条或多条绘制路径。19.1 一个效果文件中包含一种或多种手法（绘制某些特效的特定方法）。即效果文件为绘制同样的特效提供了一种或多种不同方式，以针对不同的硬