Direct 3D学习笔记三：矩阵

    仍然是基于先前的程序。
    首先来介绍三个基本的矩阵，这是direct 3d中必须设置的三个矩阵，即世界矩阵，视图矩阵，投影矩阵。而对应的三个变换就是世界变换（World Transform）,摄像机变换（Camera Transform）,和投影变换（Projection Transform）。

世界变换(World Transform)
    三维图形的所有定点都具有局部坐标系，但是在三维空间绘制多个物体时，需要将他们的局部坐标系引入同一个坐标系，就是世界坐标系，也就是把局部坐标系转变为世界坐标系。

摄像机变换(Camera Transform)
    所谓摄像机变换，就是以一个摄像机的观察点为基准，将世界坐标系转变为摄像机坐标系。对于摄像机变换，需要使用以下几个函数：

摄像机变换矩阵运算
D3DXMATRIX *D3DXMatrixLookAtLH(          D3DXMATRIX *pOut,
    CONST D3DXVECTOR3 *pEye,
    CONST D3DXVECTOR3 *pAt,
    CONST D3DXVECTOR3 *pUp
);
摄像机变换
HRESULT SetTransform(          D3DTRANSFORMSTATETYPE State,
    CONST D3DMATRIX *pMatrix
);
(具体说明请参见Direct X9说明文档)

投影变换(Projection Transform)
    世界坐标系与摄像机坐标系都是三维坐标系，但屏幕显示的是二围坐标，因此需要进行三维坐标到二围坐标的转换。需要用到以下几个函数：

投影变换矩阵运算
D3DXMATRIX *D3DXMatrixPerspectiveFovLH(          D3DXMATRIX *pOut,
    FLOAT fovY,
    FLOAT Aspect,
    FLOAT zn,
    FLOAT zf
);
投影变换
HRESULT SetTransform(          D3DTRANSFORMSTATETYPE State,
    CONST D3DMATRIX *pMatrix
);
(具体说明请参见Direct X9说明文档)

    综上，对于一个顶点来说，我们要把它变换成最终的坐标系需要经过世界矩阵，摄像机矩阵，和投影矩阵三个阶段，我们称其为渲染管道。

重要函数如下
/**-----------------------------------------------------------------------------
 * 创建矩阵
 * 矩阵分为世界矩阵、视图矩阵、投影矩阵三种.
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
VOID SetupMatrices()
{
 /// 世界矩阵
    D3DXMATRIXA16 matWorld;

   
    UINT  iTime  = timeGetTime() % 1000;     /// 运行1000的余数运算，以保证Float运算的精确度.
    FLOAT fAngle = iTime * (2.0f * D3DX_PI) / 1000.0f;  /// 创建每1000毫秒旋转一圈（2 * pi）的旋转矩阵.
    D3DXMatrixRotationY( &matWorld, fAngle );    /// 创建Y轴为旋转轴的旋转矩阵
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, &matWorld ); /// 在设备中将创建的矩阵设定为世界矩阵

    /// 定义视图矩阵需要三个值.   
    D3DXVECTOR3 vEyePt( 0.0f, 3.0f,-5.0f );       /// 1. 眼睛的位置（0，3.0，﹣5）
    D3DXVECTOR3 vLookatPt( 0.0f, 0.0f, 0.0f );      /// 2. 眼睛观察的位置（0，0，0）
    D3DXVECTOR3 vUpVec( 0.0f, 1.0f, 0.0f );       /// 3. 表现顶点方向的上方向量（0，1，0）
    D3DXMATRIXA16 matView;
    D3DXMatrixLookAtLH( &matView, &vEyePt, &vLookatPt, &vUpVec ); /// 由1，2，3值创建视图矩阵
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_VIEW, &matView );    /// 在设备中设定创建的视图矩阵

    /// 定义投影矩阵需要视角（FOV=Field Of View）、长宽比（aspect ratio）和裁剪平面的值.
    D3DXMATRIXA16 matProj;
    /// matProj   : 设定值的矩阵
    /// D3DX_PI/4 : FOV（D3DX_PI/4=45度）
    /// 1.0f      : 长宽比
    /// 1.0f      : 近裁剪面（near clipping plane）
    /// 100.0f    : 远裁剪面（far clipping plane）
    D3DXMatrixPerspectiveFovLH( &matProj, D3DX_PI/4, 1.0f, 1.0f, 100.0f );
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_PROJECTION, &matProj );  /// 在设备中设定创建的投影矩阵
}

    总代码如下

#include <Windows.h>
#include <mmsystem.h> /// 使用TimeGetTime()函数包含的首部
#include <d3dx9.h>

 

/**-----------------------------------------------------------------------------
 *  全局参数
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
LPDIRECT3D9             g_pD3D       = NULL; /// 创建D3D设备的D3D对象参数
LPDIRECT3DDEVICE9       g_pd3dDevice = NULL; /// 渲染中使用的D3D设备
LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 g_pVB        = NULL; /// 储存顶点的顶点缓冲

/// 定义用户顶点的结构体
struct CUSTOMVERTEX
{
    FLOAT x, y, z;      /// 顶点的三维坐标
    DWORD color;        /// 顶点的颜色
};

/// 表现用户顶点结构体相关信息的FVF值
/// 结构体由X，Y，Z，RHW值和Diffuse颜色值组成.
#define D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZ|D3DFVF_DIFFUSE)

 

/**-----------------------------------------------------------------------------
 * Direct3D初始化
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
HRESULT InitD3D( HWND hWnd )
{
    /// 创建一个用来创建设备的D3D对象
    if( NULL == ( g_pD3D = Direct3DCreate9( D3D_SDK_VERSION ) ) )
        return E_FAIL;

    /// 创建设备的结构体
    D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
    ZeroMemory( &d3dpp, sizeof(d3dpp) );
    d3dpp.Windowed = TRUE;
    d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
    d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN;

    /// 创建设备
    if( FAILED( g_pD3D->CreateDevice( D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd,
                                      D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING,
                                      &d3dpp, &g_pd3dDevice ) ) )
    {
        return E_FAIL;
    }

    /// 起到卷起功能. 对三角形的前面、后面进行渲染.
    g_pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_NONE );

    /// 顶点具有颜色值，能起到光源功能.
    g_pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_LIGHTING, FALSE );

    return S_OK;
}

 

/**-----------------------------------------------------------------------------
 * 几何信息初始化
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
HRESULT InitGeometry()
{
     /// 渲染三角形的三个顶点声明
   CUSTOMVERTEX g_Vertices[] =
    {
        { -1.0f,-1.0f, 0.0f, 0xffff0000, },
        {  1.0f,-1.0f, 0.0f, 0xff0000ff, },
        {  0.0f, 1.0f, 0.0f, 0xffffffff, },
    };

    /// 创建顶点缓冲
    if( FAILED( g_pd3dDevice->CreateVertexBuffer( 3*sizeof(CUSTOMVERTEX),
                                                  0, D3DFVF_CUSTOMVERTEX,
                                                  D3DPOOL_DEFAULT, &g_pVB, NULL ) ) )
    {
        return E_FAIL;
    }

    /// 将数据写入顶点缓冲.
    VOID* pVertices;
    if( FAILED( g_pVB->Lock( 0, sizeof(g_Vertices), (void**)&pVertices, 0 ) ) )
        return E_FAIL;
    memcpy( pVertices, g_Vertices, sizeof(g_Vertices) );
    g_pVB->Unlock();

    return S_OK;
}

 

/**-----------------------------------------------------------------------------
 * 删除初始化对象
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
VOID Cleanup()
{
    if( g_pVB != NULL )
        g_pVB->Release();

    if( g_pd3dDevice != NULL )
        g_pd3dDevice->Release();

    if( g_pD3D != NULL )
        g_pD3D->Release();
}

 

/**-----------------------------------------------------------------------------
 * 创建矩阵
 * 矩阵分为世界矩阵、视图矩阵、投影矩阵三种.
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
VOID SetupMatrices()
{
 /// 世界矩阵
    D3DXMATRIXA16 matWorld;

   
    UINT  iTime  = timeGetTime() % 1000;     /// 运行1000的余数运算，以保证Float运算的精确度.
    FLOAT fAngle = iTime * (2.0f * D3DX_PI) / 1000.0f;  /// 创建每1000毫秒旋转一圈（2 * pi）的旋转矩阵.
    D3DXMatrixRotationY( &matWorld, fAngle );    /// 创建Y轴为旋转轴的旋转矩阵
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, &matWorld ); /// 在设备中将创建的矩阵设定为世界矩阵

    /// 定义视图矩阵需要三个值.   
    D3DXVECTOR3 vEyePt( 0.0f, 3.0f,-5.0f );       /// 1. 眼睛的位置（0，3.0，﹣5）
    D3DXVECTOR3 vLookatPt( 0.0f, 0.0f, 0.0f );      /// 2. 眼睛观察的位置（0，0，0）
    D3DXVECTOR3 vUpVec( 0.0f, 1.0f, 0.0f );       /// 3. 表现顶点方向的上方向量（0，1，0）
    D3DXMATRIXA16 matView;
    D3DXMatrixLookAtLH( &matView, &vEyePt, &vLookatPt, &vUpVec ); /// 由1，2，3值创建视图矩阵
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_VIEW, &matView );    /// 在设备中设定创建的视图矩阵

    /// 定义投影矩阵需要视角（FOV=Field Of View）、长宽比（aspect ratio）和裁剪平面的值.
    D3DXMATRIXA16 matProj;
    /// matProj   : 设定值的矩阵
    /// D3DX_PI/4 : FOV（D3DX_PI/4=45度）
    /// 1.0f      : 长宽比
    /// 1.0f      : 近裁剪面（near clipping plane）
    /// 100.0f    : 远裁剪面（far clipping plane）
    D3DXMatrixPerspectiveFovLH( &matProj, D3DX_PI/4, 1.0f, 1.0f, 100.0f );
    g_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_PROJECTION, &matProj );  /// 在设备中设定创建的投影矩阵
}

 

/**-----------------------------------------------------------------------------
 * 绘图
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
VOID Render()
{
    /// 将后置缓冲清除，同时设置为黑色（0，0，255）.
    g_pd3dDevice->Clear( 0, NULL, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(0,0,0), 1.0f, 0 );

    /// 开始渲染
    if( SUCCEEDED( g_pd3dDevice->BeginScene() ) )
    {
        /// 创建世界矩阵、视图矩阵和投影矩阵.
        SetupMatrices();

        /// 绘制顶点缓冲内容.
        g_pd3dDevice->SetStreamSource( 0, g_pVB, 0, sizeof(CUSTOMVERTEX) );
        g_pd3dDevice->SetFVF( D3DFVF_CUSTOMVERTEX );
        g_pd3dDevice->DrawPrimitive( D3DPT_TRIANGLESTRIP, 0, 1 );

        /// 结束渲染
        g_pd3dDevice->EndScene();
    }

    /// 显示后置缓冲的画面!
    g_pd3dDevice->Present( NULL, NULL, NULL, NULL );
}

 

/**-----------------------------------------------------------------------------
 * 窗口过程
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
LRESULT WINAPI MsgProc( HWND hWnd, UINT msg, WPARAM wParam, LPARAM lParam )
{
    switch( msg )
    {
        case WM_DESTROY:
            Cleanup();
            PostQuitMessage( 0 );
            return 0;
    }

    return DefWindowProc( hWnd, msg, wParam, lParam );
}

 

/**-----------------------------------------------------------------------------
 * 程序的起始地址
 *------------------------------------------------------------------------------
 */
INT WINAPI WinMain( HINSTANCE hInst, HINSTANCE, LPSTR, INT )
{
    /// 注册窗口类
    WNDCLASSEX wc = { sizeof(WNDCLASSEX), CS_CLASSDC, MsgProc, 0L, 0L,
                      GetModuleHandle(NULL), NULL, NULL, NULL, NULL,
                      "D3D Tutorial", NULL };
    RegisterClassEx( &wc );

    /// 创建窗口
    HWND hWnd = CreateWindow( "D3D Tutorial", "D3D Tutorial 03: Matrices",
                              WS_OVERLAPPEDWINDOW, 100, 100, 300, 300,
                              GetDesktopWindow(), NULL, wc.hInstance, NULL );

    /// Direct3D初始化
    if( SUCCEEDED( InitD3D( hWnd ) ) )
    {
        /// 场景中使用的几何信息初始化
        if( SUCCEEDED( InitGeometry() ) )
        {
         /// 显示窗口
            ShowWindow( hWnd, SW_SHOWDEFAULT );
            UpdateWindow( hWnd );

         /// 消息循环
            MSG msg;
            ZeroMemory( &msg, sizeof(msg) );
            while( msg.message!=WM_QUIT )
            {
                if( PeekMessage( &msg, NULL, 0U, 0U, PM_REMOVE ) )
                {
                    TranslateMessage( &msg );
                    DispatchMessage( &msg );
                }
                else
                    Render();
            }
        }
    }

    UnregisterClass( "D3D Tutorial", wc.hInstance );
    return 0;
}