DirectX SDK 2006學習筆記6——光照和材質

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　　D3D支持三種光：環境光(Ambient Light)，漫反射(Diffuse Light)和鏡面反射(Specular Light)。鏡面反射需要更多計算，因此D3D默認關閉鏡面反射。可以通過給SetRenderState傳D3DRS_AMBIENT來設置環境光。

　　在現實世界中，我們看到一個紅色的物體是因爲其他顏色的光線被這個物體吸收了，我們看到的是這個物體反射的紅色光。D3D引入材質這個概念來模擬現實。

　　Typpdef struct D3DMATERIAL9 {

        D3DCOLORVALUE Diffuse, Ambient, Specular, Emissive;

        Float Power;

　　} D3DMATERIAL9;

　　D3DCOLORVALUE是一個由r, g,b,a四個元素組成的色彩結構。

　　Diffuse, Ambient, Specular分別代表這三種光的反射量，而Emissive讓物體使物體更亮，看上去就像本身在發光一樣。Power描述鏡面反射高亮的程度，值越高越亮。注意如果一個物體吸收所有顏色的光，那麼它就是黑色的。可以通過SetMaterial函數來設定材質。

　　D3DMATERIAL9 blueMaterial;

　　…

　　Device->SetMaterial(&blueMaterial)

 

　　D3D引入頂點法線和麪法線來解決光照問題。面法線描述了一個多邊形的朝向，頂點法線的朝向可以自己定義。D3D必須知道頂點法線的方向以便計算它的反射光。

　　在定義頂點的時候可以加入頂點法線的朝向。

struct Vertex

{

float _x, _y, _z;

float _nx, _ny, _nz;

static const DWORD FVF;

}

const DWORD Vertex::FVF = D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL;

　　頂點顏色的信息被法線信息替代了，因爲我們需要根據材質和法線信息自己計算反射光。簡單的圖形可以由觀察得到頂點法線的信息，但是複雜的圖形需要通過計算得到。一種計算方法是將頂點法線等同於面法線。對於一個三角形來說，只要叉積的方式求出面發現即可。另一種更科學的方法是法線平均法。例如三棱錐的情況，最上面那個頂點的法線Vn是由包含着個定點的三個側面的法線V1, V2, V3平均數決定的。即Vn=(V1+V2+V3)/3。前面學過由於矩陣轉換可能會導致法線不偏移的現象，我們可以通過

Device->SetRenderState(D3DRS_NORMALIZENORMALS, true);

來重新歸一(Renormalize)法線。

 

D3D中的光源有3種類型：點光源（向四周發射的光源），平行光源，錐形光源（類似於電筒光）。在錐形光源中有兩個角度來描述其大小，一個描述內錐，一個描述外錐。D3D中描述光源的結構是D3DLIGHT9：

typedef struct _D3DLIGHT9 {

D3DLIGHTTYPE Type;

D3DCOLORVALUE Diffuse;

D3DCOLORVALUE Specular;

D3DCOLORVALUE Ambient;

D3DVECTOR Position;

D3DVECTOR Direction;

float Range;

float Falloff;

float Attenuation0;

float Attenuation1;

float Attenuation2;

float Theta;

float Phi;

} D3DLIGHT9;

可以通過SetLight函數來設定光源。可以通過LightEnable函數來打開關閉光源。

 

給一個物體添加光照分爲以下幾步：

①     啓用光照

②     爲每個物體創建材質，並在渲染前爲這些物體配上材質

③     創建一個或多個光源，設置並啓用它們

④     啓用附加的光照狀態，例如鏡面高光。

設定光源最好不要放在OnCreateDevice中，因爲切換全屏/窗口或者改變窗口大小時會丟失光源信息。應放在OnResetDevice中。

  

Example 1           Cube Without Lighting

前面有個旋轉平面的例子，現在爲了要使用光照，立體的東西效果好一點。下面是一個立體方塊的例子，和平面的類似，不過頂點定義中多了頂點法線。

// cube.h

#ifndef __cubeH__

#define __cubeH__

 

#include "dxstdafx.h"

 

structVertex

{

        Vertex(){}

        Vertex(

                floatx, float y, float z,

                floatnx, float ny, float nz,

                floatu, float v)

        {

                _x = x; _y = y; _z = z;

                _nx = nx; _ny = ny; _nz = nz;

                _u = u; _v = v;

        }

        float_x, _y, _z;

        float_nx, _ny, _nz;

        float_u, _v; // texture coordinates

};

#define FVF_VERTEX (D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1)

 

class Cube

{

public:

        Cube(IDirect3DDevice9* device);

        ~Cube();

 

 

        HRESULTOnResetDevice();

        VOIDOnLostDevice();

        bool OnFrameMove( double fTime ) ;

        bool OnFrameRender( D3DMATERIAL9* mtrl, IDirect3DTexture9* tex );

 

private:

        HRESULTCreate();

        D3DMATERIAL9                    m_Mtrl;

        IDirect3DDevice9*       m_device;

        IDirect3DVertexBuffer9* m_vb;

        IDirect3DIndexBuffer9* m_ib;

};

#endif//__cubeH__

 

//其他函數和plain.h中類似，因此只列出Create函數。其餘函數請參照前面的Plain類

HRESULTCube::Create()

{

        m_device->CreateVertexBuffer(

                24 * sizeof(Vertex),

                D3DUSAGE_WRITEONLY,

                FVF_VERTEX,

                D3DPOOL_MANAGED,

                &m_vb,

                NULL);

 

        Vertex* v;

        m_vb->Lock(0, 0, (void**)&v, 0);

 

        // build box

 

        // x, y, z, nx, ny, nz, tu, tv

        // fill in the front face vertex data

        v[0] = Vertex(-1.0f, -1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f);

        v[1] = Vertex(-1.0f, 1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f);

        v[2] = Vertex( 1.0f, 1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, -1.0f, 1.0f, 1.0f);

        v[3] = Vertex( 1.0f, -1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f);

 

        // fill in the back face vertex data

        v[4] = Vertex(-1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f);

        v[5] = Vertex( 1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);

        v[6] = Vertex( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);

        v[7] = Vertex(-1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f);

 

        // fill in the top face vertex data

        v[8] = Vertex(-1.0f, 1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);

        v[9] = Vertex(-1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

        v[10] = Vertex( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

        v[11] = Vertex( 1.0f, 1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

 

        // fill in the bottom face vertex data

        v[12] = Vertex(-1.0f, -1.0f, -1.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);

        v[13] = Vertex( 1.0f, -1.0f, -1.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

        v[14] = Vertex( 1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

        v[15] = Vertex(-1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

 

        // fill in the left face vertex data

        v[16] = Vertex(-1.0f, -1.0f, 1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);

        v[17] = Vertex(-1.0f, 1.0f, 1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

        v[18] = Vertex(-1.0f, 1.0f, -1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

        v[19] = Vertex(-1.0f, -1.0f, -1.0f, -1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

 

        // fill in the right face vertex data

        v[20] = Vertex( 1.0f, -1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);

        v[21] = Vertex( 1.0f, 1.0f, -1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

        v[22] = Vertex( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

        v[23] = Vertex( 1.0f, -1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

 

        m_vb->Unlock();

 

        m_device->CreateIndexBuffer(

                36 * sizeof(WORD),

                D3DUSAGE_WRITEONLY,

                D3DFMT_INDEX16,

                D3DPOOL_MANAGED,

                &m_ib,

                0);

 

        WORD* i = 0;

        m_ib->Lock(0, 0, (void**)&i, 0);

 

        // fill in the front face index data

        i[0] = 0; i[1] = 1; i[2] = 2;

        i[3] = 0; i[4] = 2; i[5] = 3;

 

        // fill in the back face index data

        i[6] = 4; i[7] = 5; i[8] = 6;

        i[9] = 4; i[10] = 6; i[11] = 7;

 

        // fill in the top face index data

        i[12] = 8; i[13] = 9; i[14] = 10;

        i[15] = 8; i[16] = 10; i[17] = 11;

 

        // fill in the bottom face index data

        i[18] = 12; i[19] = 13; i[20] = 14;

        i[21] = 12; i[22] = 14; i[23] = 15;

 

        // fill in the left face index data

        i[24] = 16; i[25] = 17; i[26] = 18;

        i[27] = 16; i[28] = 18; i[29] = 19;

 

        // fill in the right face index data

        i[30] = 20; i[31] = 21; i[32] = 22;

        i[33] = 20; i[34] = 22; i[35] = 23;

 

        m_ib->Unlock();

 

        returnS_OK;

}

 

主函數和旋轉平面基本相同，只是聲明瞭一個不同的全局變量：

Cube* g_pCube = NULL;

在未啓用光照模式[SetRenderState( D3DRS_LIGHTING, FALSE) ]的情況下效果如圖：

 

 

Example 2           Cube With Material & Lighting

 

Step 1 啓用光照( D3D中默認啓用 )

pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_LIGHTING, TRUE );

 

Step 2 爲每個物體創建材質，並在渲染前爲這些物體配上材質

在主回調函數OnCreateDevice中定義光源

在上例Cube的構造函數添加材質代碼，使其如下

 

Cube::Cube(IDirect3DDevice9* device)

{

        // save a ptr to the device

        m_device = device;

        m_Mtrl.Ambient = D3DXCOLOR(1,0,0,0);

        m_Mtrl.Diffuse = D3DXCOLOR(0,0,0,0);

        m_Mtrl.Specular = D3DXCOLOR(1,1,1,0);

        m_Mtrl.Emissive = D3DXCOLOR(0,1,0,0);

m_Mtrl.Power = 5.0f;

}

其中m_Mtrl是cube.h中定義的成員變量D3DMATERIAL9，Emissive對於材質來說很重要，因爲它決定了我們看見的紋理顏色範圍，這裏定義的是隻顯示綠色。

 在Cube::OnFrameRender中添加如下代碼

bool Cube::OnFrameRender( D3DMATERIAL9* mtrl, IDirect3DTexture9* tex)

{

        if( mtrl )

                m_device->SetMaterial(mtrl);

        else if (&m_Mtrl)

                m_device->SetMaterial(&m_Mtrl);

 

        if( tex )

                m_device->SetTexture(0, tex);

 

        m_device->SetSamplerState(0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR);

        m_device->SetSamplerState(0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR);

        m_device->SetSamplerState(0, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_LINEAR);

        m_device->SetStreamSource(0, m_vb, 0, sizeof(Vertex));

        m_device->SetIndices(m_ib);

        m_device->SetFVF(FVF_VERTEX);

        m_device->DrawIndexedPrimitive(

                D3DPT_TRIANGLELIST,

                0,                 

                0,                 

                24,

                0,

                12); 

        return true;

}

　　如果主回調函數中未給此函數設置材質，那麼它將使用自己的成員變量m_Mtrl作爲材質。

 

Step 3 創建一個或多個光源，設置並啓用它們

在主回調函數OnCreateDevice中添加如下代碼

        D3DLIGHT9dir;

        ::ZeroMemory(&dir, sizeof(dir));

        dir.Type      = D3DLIGHT_DIRECTIONAL;

 

        dir.Diffuse   = D3DXCOLOR(1,1,0,1);

        dir.Specular = D3DXCOLOR(0,0,11);

        dir.Ambient   = D3DXCOLOR(1,0,0,1);

        dir.Direction = D3DXVECTOR3(1.0f, 0.0f, 0.0f);

 

        pd3dDevice->SetLight(0, &dir);

        pd3dDevice->LightEnable(0, true);

上面的參數只允許光源產生藍色鏡面反射光，以及紅色+綠色環境光。該光源是平行光源。

 

在主回調函數OnFrameRender中添加如下代碼，以重新歸一法線和啓用鏡面反射

      pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_NORMALIZENORMALS, true);

        pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_SPECULARENABLE, true);

注意不要忘記在適當時間禁用鏡面反射，以提高效率。

      pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_SPECULARENABLE, false);

 

Step 4 啓用附加的光照狀態（未設置）

 

藍色部分爲鏡面反射，綠色部分爲材質本身反射。因爲光源由x正方向照射過來，因此鏡面反射只有在右側纔有效果。最終效果如下