Direct3D 初涉: 光照

时间：2024-04-02 22:05:07

1. 光照的组成

在 Direct3D 的光照模型中，光源发出的光由以下 3 种分量或者 3 种类型的光组成：

(1) 环境光(Ambient Light)：光经其他表面反射到达物体表面，并照亮整个场景。个人理解：白天阴天的时候为什么还能看见物体？环境光！

(2) 漫射光(Diffuse Light)：光沿着特定的方向传播。当它到达某一表面时，将沿着各个方向均匀反射。无论从那个方向来看，表面亮度均相同，所以采用该模型时，无须考虑观察者的位置。

(3) 镜面光(Specular Light)：光沿特定方向传播。当此类光到达一个表面时，将严格地沿着另一个方向反射，从而形成只能在一定角度范围内才能观察到的高亮度照射。相对前两种光照类型，镜面光的计算量要大的多，因此默认情况下 Direct3D 不进行镜面反射计算；如果想启动镜面光，必须将绘制状态 D3DRS_SPECULARENABLE 设为 true 。

 

每种类型的光都可用结构 D3DCOLORVALUE 或 D3DXCOLOR 来表示，这些类型描述了光线的颜色( Alpha 值被忽略)。

 

2. 材质

在现实世界中，我们所看到的物体颜色是由该物体所反射的光的颜色决定的(物体对光进行的部分吸收)。例如：我的显示器边缘是黑色的，这是由于它吸收了所有非黑色的光，所以它显示为黑色。

Direct3D 通过定义物体的材质(materials)来模拟同样的现象。允许我们定义物体表面对各种颜色光的反射比例。在代码中使用结构 D3DMATERIAL9 来表示。Direct3D 使用 SetMaterial 来设定当前材质。

 

当物体能收吸收所有的光时，它将显示为黑色；当物体能反射所有的光时，它将显示为白色。

 

3. 顶点法线

面法线是一个描述多边形朝向的向量。顶点法线描述构成多边形各个顶点的法线。 Direct3D 需要知道顶点的法线方向，以确定光线到达表示时的入射角。

 

4. 光源

Direct3D 支持三种类型的光源：

(1) 点光源(Point lights)，在世界坐标系位置固定，并且向所有的方向发射光线。

(2) 方向光(Directional lights)，没有位置信息，发射的光线平行地沿着某一特定的方向传播。

(3) 聚光灯(Spot lights)，和手电筒类似，有位置信息，其发射的光线成锥形，沿着特定的方向传播。

在程序代码中，光源用结构 D3DLIGHT9 来表示。

 

5. 例程(Lighting)

(1) 将光照和颜色整合到框架中，将 DrawColorTriangle 中的GlobalColorConstant.h 添加到框架中。

(2) 新建文件 GlobalMtrlConstant.h ，保存常用材质的常量。

 

#ifndef __GLOBALMTRLCONSTANCE_H__
#define __GLOBALMTRLCONSTANCE_H__

D3DMATERIAL9 InitMtrl(D3DXCOLOR ambient, D3DXCOLOR diffuse, D3XCOLOR specular,
                      D3DXCOLOR emissive, float power)
{
    D3DMATRIAL9 mtrl;
    mtrl.Ambient  = ambient;
    mtrl.Diffuse  = diffuse;
    mtrl.Specular = specular;
    mtrl.Emissive = emissive;
    mtrl.Power    = p;
return mtrl;
}

const D3DMATERIAL9 WHITE_MTRL  = InitMtrl(WHITE, WHITE, WHITE, BLACK, 8.0f);
const D3DMATERIAL9 RED_MTRL    = InitMtrl(RED, RED, RED, BLACK, 8.0f);
const D3DMATERIAL9 GREEN_MTRL  = InitMtrl(GREEN, GREEN, GREEN, BLACK, 8.0f);
const D3DMATERIAL9 BLUE_MTRL   = InitMtrl(BLUE, BLUE, BLUE, BLACK, 8.0f)
const D3DMATERIAL9 YELLOW_MTRL = InitMtrl(YELLOW, YELLOW, YELLOW, BLACK, 8.0f);

#endif /* __GLOBALMTRLCONSTANCE_H__ */

(3) 新建工程 Lighting ，将框架代码拷贝到新工程中(以下在 Lighting 上操作)。

(4) 新建文件 NormalVertex.h，添加法线顶点的定义。

 

#ifndef __NORMALVERTEX_H__
#define __NORMALVERTEX_H__

struct NormalVertex
{
public:
    NormalVertex()
    {
    }

    NormalVertex(float x, float y, float z, float nx, float ny, float nz)
    {
        m_x = x; m_y = y; m_z = z;
        m_nx = nx; m_ny = ny; m_nz = nz;
    }

public:
float m_x, m_y, m_z;
float m_nx, m_ny, m_nz;
static const DWORD FVF;
};

const DWORD NormalVertex::FVF = D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL;

#endif /* __NORMALVERTEX_H__ */

(5) 向 Direct3DFrame 类中添加成员变量，保存金字塔的定点数据。

IDirect3DVertexBuffer9 * m_pyramid; // 金字塔顶点缓存

(6) 在 Setup 中添加场景光照和其他操作

 

bool Direct3DFrame::Setup()
{
// 启用光照
    m_device->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, true);

// 创建顶点缓存，并指定构成金字塔的三角形单元的顶点，顶点法线预先计算好
    m_device->CreateVertexBuffer(
12 * sizeof(NormalVertex),
        D3DUSAGE_WRITEONLY,
        NormalVertex::FVF,
        D3DPOOL_MANAGED,
        &m_pyramid,
0);

    NormalVertex* nv;
    m_pyramid->Lock(0, 0, (void**)&nv, 0);

// font face
    nv[0] = NormalVertex(-1.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f, 0.707f, -0.707f);
    nv[1] = NormalVertex( 0.0f, 1.0f,  0.0f, 0.0f, 0.707f, -0.707f);
    nv[2] = NormalVertex( 1.0f, 0.0f, -1.0f, 0.0f, 0.707f, -0.707f);

// left face
    nv[3] = NormalVertex(-1.0f, 0.0f,  1.0f, -0.707f, 0.707f, 0.0f);
    nv[4] = NormalVertex( 0.0f, 1.0f,  0.0f, -0.707f, 0.707f, 0.0f);
    nv[5] = NormalVertex(-1.0f, 0.0f, -1.0f, -0.707f, 0.707f, 0.0f);

// right face
    nv[6] = NormalVertex( 1.0f, 0.0f, -1.0f, 0.707f, 0.707f, 0.0f);
    nv[7] = NormalVertex( 0.0f, 1.0f,  0.0f, 0.707f, 0.707f, 0.0f);
    nv[8] = NormalVertex( 1.0f, 0.0f,  1.0f, 0.707f, 0.707f, 0.0f);

// back face
    nv[9] = NormalVertex( 1.0f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.707f, 0.707f);
    nv[10] = NormalVertex( 0.0f, 1.0f,  0.0f, 0.0f, 0.707f, 0.707f);
    nv[11] = NormalVertex(-1.0f, 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0.707f, 0.707f);

    m_pyramid->Unlock();

// 设置物体材质
    D3DMATERIAL9 mtrl;
    mtrl.Ambient = WHITE;
    mtrl.Diffuse = WHITE;
    mtrl.Specular = WHITE;
    mtrl.Emissive = BLACK;
    mtrl.Power = 0.5f;

    m_device->SetMaterial(&mtrl);

// 创建并启用光源
    D3DLIGHT9 dir;
    ::ZeroMemory(&dir, sizeof(dir));
    dir.Type = D3DLIGHT_DIRECTIONAL;
    dir.Diffuse = WHITE;
    dir.Specular = WHITE * 0.3f;
    dir.Ambient = WHITE * 0.6f;
    dir.Direction = D3DXVECTOR3(1.0f, 0.0f, 0.0f);

    m_device->SetLight(0, &dir);
    m_device->LightEnable(0, true);

// 重新规范化法向量，启用镜面光
    m_device->SetRenderState(D3DRS_NORMALIZENORMALS, true);
    m_device->SetRenderState(D3DRS_SPECULARENABLE, true);

    D3DXVECTOR3 position(0.0f, 0.0f, -2.5f);
    D3DXVECTOR3 target(0.0f, 0.0f, 0.0f);
    D3DXVECTOR3 up(0.0f, 1.0f, 0.0f);
    D3DXMATRIX v;
    D3DXMatrixLookAtLH(&v, &position, &target, &up);

    m_device->SetTransform(D3DTS_VIEW, &v);

// Set the projection matrix.
    D3DXMATRIX proj;
    D3DXMatrixPerspectiveFovLH(
            &proj,
            D3DX_PI * 0.5f, // 90 - degree
            (float)m_width / (float)m_height,
1.0f,
1000.0f);
    m_device->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &proj);

return true;
}

(7) 在 Display 添加代码，使金字塔显示和旋转起来

 

bool Direct3DFrame::Display(float timeDelta)
{
if (m_device) { 
        D3DXMATRIX yRot;
        D3DXMatrixRotationY(&yRot, m_yRotAngle);
        m_yRotAngle += timeDelta;

if( m_yRotAngle >= 6.28f ) {
            m_yRotAngle = 0.0f;
        }

        m_device->SetTransform(D3DTS_WORLD, &yRot);

        m_device->Clear(0, 0, D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER, 0x00000000, 1.0f, 0);
        m_device->BeginScene();

        m_device->SetStreamSource(0, m_pyramid, 0, sizeof(NormalVertex));
        m_device->SetFVF(NormalVertex::FVF);
        m_device->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 4);

        m_device->EndScene();
        m_device->Present(0, 0, 0, 0);
    }
return true;
}

 

(8) 在 Cleanup 中释放资源(在以后的博客中不再提示)。

运行后效果图：

 

Direct3D 初涉: 光照

 

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** 参考书籍：《DirectX 9.0 3D 游戏开发编程基础》 

** 时间：2011.11.23

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