DirectX SDK 2006学习笔记6——光照和材质

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　　D3D支持三种光：环境光(Ambient Light)，漫反射(Diffuse Light)和镜面反射(Specular Light)。镜面反射需要更多计算，因此D3D默认关闭镜面反射。可以通过给SetRenderState传D3DRS_AMBIENT来设置环境光。

　　在现实世界中，我们看到一个红色的物体是因为其他颜色的光线被这个物体吸收了，我们看到的是这个物体反射的红色光。D3D引入材质这个概念来模拟现实。

　　Typpdef struct D3DMATERIAL9 {

        D3DCOLORVALUE Diffuse, Ambient, Specular, Emissive;

        Float Power;

　　} D3DMATERIAL9;

　　D3DCOLORVALUE是一个由r, g,b,a四个元素组成的色彩结构。

　　Diffuse, Ambient, Specular分别代表这三种光的反射量，而Emissive让物体使物体更亮，看上去就像本身在发光一样。Power描述镜面反射高亮的程度，值越高越亮。注意如果一个物体吸收所有颜色的光，那么它就是黑色的。可以通过SetMaterial函数来设定材质。

　　D3DMATERIAL9 blueMaterial;

　　…

　　Device->SetMaterial(&blueMaterial)

 

　　D3D引入顶点法线和面法线来解决光照问题。面法线描述了一个多边形的朝向，顶点法线的朝向可以自己定义。D3D必须知道顶点法线的方向以便计算它的反射光。

　　在定义顶点的时候可以加入顶点法线的朝向。

struct Vertex

{

float _x, _y, _z;

float _nx, _ny, _nz;

static const DWORD FVF;

}

const DWORD Vertex::FVF = D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL;

　　顶点颜色的信息被法线信息替代了，因为我们需要根据材质和法线信息自己计算反射光。简单的图形可以由观察得到顶点法线的信息，但是复杂的图形需要通过计算得到。一种计算方法是将顶点法线等同于面法线。对于一个三角形来说，只要叉积的方式求出面发现即可。另一种更科学的方法是法线平均法。例如三棱锥的情况，最上面那个顶点的法线Vn是由包含着个定点的三个侧面的法线V1, V2, V3平均数决定的。即Vn=(V1+V2+V3)/3。前面学过由于矩阵转换可能会导致法线不偏移的现象，我们可以通过

Device->SetRenderState(D3DRS_NORMALIZENORMALS, true);

来重新归一(Renormalize)法线。

 

D3D中的光源有3种类型：点光源（向四周发射的光源），平行光源，锥形光源（类似于电筒光）。在锥形光源中有两个角度来描述其大小，一个描述内锥，一个描述外锥。D3D中描述光源的结构是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;

可以通过SetLight函数来设定光源。可以通过LightEnable函数来打开关闭光源。

 

给一个物体添加光照分为以下几步：

①     启用光照

②     为每个物体创建材质，并在渲染前为这些物体配上材质

③     创建一个或多个光源，设置并启用它们

④     启用附加的光照状态，例如镜面高光。

设定光源最好不要放在OnCreateDevice中，因为切换全屏/窗口或者改变窗口大小时会丢失光源信息。应放在OnResetDevice中。

  

Example 1           Cube Without Lighting

前面有个旋转平面的例子，现在为了要使用光照，立体的东西效果好一点。下面是一个立体方块的例子，和平面的类似，不过顶点定义中多了顶点法线。

// 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__

 

//其他函数和plain.h中类似，因此只列出Create函数。其余函数请参照前面的Plain类

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;

}

 

主函数和旋转平面基本相同，只是声明了一个不同的全局变量：

Cube* g_pCube = NULL;

在未启用光照模式[SetRenderState( D3DRS_LIGHTING, FALSE) ]的情况下效果如图：

 

 

Example 2           Cube With Material & Lighting

 

Step 1 启用光照( D3D中默认启用 )

pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_LIGHTING, TRUE );

 

Step 2 为每个物体创建材质，并在渲染前为这些物体配上材质

在主回调函数OnCreateDevice中定义光源

在上例Cube的构造函数添加材质代码，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中定义的成员变量D3DMATERIAL9，Emissive对于材质来说很重要，因为它决定了我们看见的纹理颜色范围，这里定义的是只显示绿色。

 在Cube::OnFrameRender中添加如下代码

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;

}

　　如果主回调函数中未给此函数设置材质，那么它将使用自己的成员变量m_Mtrl作为材质。

 

Step 3 创建一个或多个光源，设置并启用它们

在主回调函数OnCreateDevice中添加如下代码

        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);

上面的参数只允许光源产生蓝色镜面反射光，以及红色+绿色环境光。该光源是平行光源。

 

在主回调函数OnFrameRender中添加如下代码，以重新归一法线和启用镜面反射

      pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_NORMALIZENORMALS, true);

        pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_SPECULARENABLE, true);

注意不要忘记在适当时间禁用镜面反射，以提高效率。

      pd3dDevice->SetRenderState(D3DRS_SPECULARENABLE, false);

 

Step 4 启用附加的光照状态（未设置）

 

蓝色部分为镜面反射，绿色部分为材质本身反射。因为光源由x正方向照射过来，因此镜面反射只有在右侧才有效果。最终效果如下