DirectX11 With Windows SDK--13 动手实现一个简易Effects框架、阴影效果绘制
前言
到现在为止,所有的教程项目都没有使用effects11框架类来管理资源。因为在d3dcompile api (#47)版本中,如果你尝试编译fx_5_0的效果文件,会收到这样的警告:x4717: effects deprecated for d3dcompiler_47
在未来的版本中,d3dcompiler可能会停止对fx11的支持,所以我们需要自行去管理各种特效,并改用hlsl编译器去编译每一个着色器。同时,在阅读本章之前,你需要先学习本系列前面的一些重点章节再继续:
主题 | 版次 | 创建时间 | 修改时间 |
---|---|---|---|
01 directx11初始化 | 第5版 | 2018/5/12 | 2018/8/18 |
02 顶点/像素着色器的创建、顶点缓冲区 | 第10版 | 2018/5/13 | 2018/8/30 |
03 索引缓冲区、常量缓冲区 | 第7版 | 2018/5/13 | 2018/8/20 |
09 纹理映射与采样器状态 | 第7版 | 2018/7/12 | 2018/8/11 |
11 混合状态与光栅化状态 | 第3版 | 2018/7/21 | 2018/8/8 |
12 深度/模板状态、反射绘制 | 第5版 | 2018/7/28 | 2018/9/16 |
在directxtk中的effects.h
可以看到它实现了一系列effects管理类,相比effects11
框架库,它缺少了反射机制,并且使用的是它内部已经写好、编译好的着色器。directxtk的effects也只不过是为了简化游戏开发流程而设计出来的。当然,里面的一部分源码实现也值得我们去学习。
注意:这章经历了一次十分大的改动,原先所使用的basicfx类因为在后续的章节中发现很难扩展,所以进行了一次大幅度重构。并会逐渐替换掉后面教程的项目源码所使用的basicfx。
在这一章的学习过后,你将会理解effects11
的一部分运作机制是怎样的。而关于它的反射机制、着色器编译部分不会进行探讨。
这篇教程还会提到用深度/模板状态去实现简单的阴影效果,但不会深入数学公式原理。
directx11 with windows sdk完整目录
回顾renderstates类
目前的renderstates
类存放有比较常用的各种状态,原来在effects11
框架下是可以在fx文件初始化各种渲染状态,并设置到technique11
中。但现在我们只能在c++代码层中一次性创建好各种所需的渲染状态:
class renderstates { public: template <class t> using comptr = microsoft::wrl::comptr<t>; static bool isinit(); static void initall(comptr<id3d11device> device); // 使用comptr无需手工释放 public: static comptr<id3d11rasterizerstate> rswireframe; // 光栅化器状态:线框模式 static comptr<id3d11rasterizerstate> rsnocull; // 光栅化器状态:无背面裁剪模式 static comptr<id3d11rasterizerstate> rscullclockwise; // 光栅化器状态:顺时针裁剪模式 static comptr<id3d11samplerstate> sslinearwrap; // 采样器状态:线性过滤 static comptr<id3d11samplerstate> ssanistropicwrap; // 采样器状态:各项异性过滤 static comptr<id3d11blendstate> bsnocolorwrite; // 混合状态:不写入颜色 static comptr<id3d11blendstate> bstransparent; // 混合状态:透明混合 static comptr<id3d11blendstate> bsalphatocoverage; // 混合状态:alpha-to-coverage static comptr<id3d11depthstencilstate> dsswritestencil; // 深度/模板状态:写入模板值 static comptr<id3d11depthstencilstate> dssdrawwithstencil; // 深度/模板状态:对指定模板值的区域进行绘制 static comptr<id3d11depthstencilstate> dssnodoubleblend; // 深度/模板状态:无二次混合区域 static comptr<id3d11depthstencilstate> dssnodepthtest; // 深度/模板状态:关闭深度测试 static comptr<id3d11depthstencilstate> dssnodepthwrite; // 深度/模板状态:仅深度测试,不写入深度值 };
具体的设置可以参照源码或者上一章内容。
简易effects框架
该effects框架支持的功能如下:
- 管理/修改常量缓冲区的内容,并进行应用(apply)
- 编译hlsl着色器而不是fx文件
- 管理/使用四种渲染状态
- 切换渲染模式(涉及到渲染管线各种资源的绑定、切换)
- 仅更新修改的变量所对应的常量缓冲区块
不过它也有这样的缺陷:
- 一个特效类对应一套着色器和所使用的常量缓冲区,所属着色器代码的变动很可能会引起对框架类的修改,因为缺乏反射机制而导致灵活性差。
文件结构
首先是文件结构:
其中能够暴露给程序使用的只有头文件effects.h
,里面可以存放多套不同的特效框架类的声明,而关于每个框架类的实现部分都应当用一个独立的源文件存放。而effecthelper.h
则是用来帮助管理常量缓冲区的,服务于各种框架类的实现部分以及所属的源文件,因此不应该直接使用。
理论上它也是可以做成静态库使用的,然后着色器代码稳定后也不应当变动。在使用的时候只需要包含头文件effects.h
即可。
effecthelper.h
该头文件包含了一些有用的东西,但它需要在包含特效类实现的源文件中使用,且必须晚于effects.h包含。
在堆上进行类的内存对齐
有些类型需要在堆上按16字节对齐,比如xmvector
和xmmatrix
,虽然说拿这些对象作为类的成员不太合适,毕竟分配在堆上的话基本上无法保证内存按16字节对齐了,但还是希望能够做到。在vs的corecrt_malloc.h
(只要有包含stdlib.h
, malloc.h
之一的头文件都可以)中有这样的一个函数:_aligned_malloc
,它可以指定需要分配的内存字节大小以及按多少字节对齐。其中对齐值必须为2的整数次幂的字节数。
void * _aligned_malloc( size_t size, // [in]分配内存字节数 size_t alignment // [in]按多少字节内存来对齐 );
若一个类中包含有已经指定内存对齐的成员,则需要优先把这些成员放到最前。
然后与之对应的就是_aligned_free
函数了,它可以释放之前由_aligned_malloc
分配得到的内存。
下面是类模板alignedtype
的实现,让需要内存对齐的类去继承该类即可。它重载了operator new
和operator delete
的实现:
// 若类需要内存对齐,从该类派生 template<class derivedtype> struct alignedtype { static void* operator new(size_t size) { const size_t alignedsize = __alignof(derivedtype); static_assert(alignedsize > 8, "alignednew is only useful for types with > 8 byte alignment! did you forget a __declspec(align) on derivedtype?"); void* ptr = _aligned_malloc(size, alignedsize); if (!ptr) throw std::bad_alloc(); return ptr; } static void operator delete(void * ptr) { _aligned_free(ptr); } };
需要注意的是,继承alignedtype
的类或者其成员必须本身有__declspec(align)
的标识。若是内部成员,在所有包含该标识的值中最大的align
值 必须是2的整数次幂且必须大于8。
下面演示了正确的和错误的行为:
// 错误!vertexposcolor按4字节对齐! struct vertexposcolor : alignedtype<vertexpos> { xmfloat3 pos; xmfloat4 color; }; // 正确!data按16字节对齐,因为pos本身是按16字节对齐的。 struct data : alignedtype<vertexpos> { xmvector pos; int val; }; // 正确!vector类按16字节对齐 __declspec(align(16)) struct vector : alignedtype<vector> { float x; float y; float z; float w; };
这里alignedtype<t>
主要是用于basicobjectfx::impl
类,因为其内部包含了xmvector
和xmmatrix
类型的成员,且该类需要分配在堆上。
常量缓冲区管理
一个常量缓冲区可能会被创建、更新或者绑定到管线。若常量缓冲区的值没有发生变化,我们不希望它进行无意义的更新。我们可以使用一个dirty
标记,确认它是否被修改过。常量缓冲区的任一内部成员发生修改的话,我们就将数据更新到常量缓冲区并恢复该标记。
首先是抽象基类cbufferbase
:
struct cbufferbase { template<class t> using comptr = microsoft::wrl::comptr<t>; bool isdirty; comptr<id3d11buffer> cbuffer; virtual void createbuffer(comptr<id3d11device> device) = 0; virtual void updatebuffer(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) = 0; virtual void bindvs(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) = 0; virtual void bindhs(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) = 0; virtual void bindds(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) = 0; virtual void bindgs(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) = 0; virtual void bindcs(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) = 0; virtual void bindps(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) = 0; };
这么做是为了方便我们放入数组进行遍历。
然后是派生类cbufferobject
,startslot
指定了hlsl对应cbuffer的索引,t
则是c++对应的结构体,存储临时数据:
template<uint startslot, class t> struct cbufferobject : cbufferbase { t data; void createbuffer(comptr<id3d11device> device) override { if (cbuffer != nullptr) return; d3d11_buffer_desc cbd; zeromemory(&cbd, sizeof(cbd)); cbd.usage = d3d11_usage_default; cbd.bindflags = d3d11_bind_constant_buffer; cbd.cpuaccessflags = 0; cbd.bytewidth = sizeof(t); hr(device->createbuffer(&cbd, nullptr, cbuffer.getaddressof())); } void updatebuffer(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) override { if (isdirty) { isdirty = false; devicecontext->updatesubresource(cbuffer.get(), 0, nullptr, &data, 0, 0); } } void bindvs(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) override { devicecontext->vssetconstantbuffers(startslot, 1, cbuffer.getaddressof()); } void bindhs(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) override { devicecontext->hssetconstantbuffers(startslot, 1, cbuffer.getaddressof()); } void bindds(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) override { devicecontext->dssetconstantbuffers(startslot, 1, cbuffer.getaddressof()); } void bindgs(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) override { devicecontext->gssetconstantbuffers(startslot, 1, cbuffer.getaddressof()); } void bindcs(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) override { devicecontext->cssetconstantbuffers(startslot, 1, cbuffer.getaddressof()); } void bindps(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) override { devicecontext->pssetconstantbuffers(startslot, 1, cbuffer.getaddressof()); } };
关于常量缓冲区临时变量的修改则在后续的内容。
basicobjectfx类--管理对象绘制的资源
首先是抽象基类ieffects
,它仅允许被移动,并且仅包含apply
方法。
class ieffect { public: // 使用模板别名(c++11)简化类型名 template <class t> using comptr = microsoft::wrl::comptr<t>; ieffect() = default; // 不支持复制构造 ieffect(const ieffect&) = delete; ieffect& operator=(const ieffect&) = delete; // 允许转移 ieffect(ieffect&& movefrom) = default; ieffect& operator=(ieffect&& movefrom) = default; virtual ~ieffect() = default; // 更新并绑定常量缓冲区 virtual void apply(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) = 0; };
原来的id3dx11effectpass
包含的方法apply
用于在各个着色器阶段绑定所需要的常量缓冲区、纹理等资源,并更新之前有所修改的常量缓冲区。现在我们实现effects框架中的apply
方法也是这么做的。
然后是派生类basicobjectfx
,从它的方法来看,包含了单例获取、渲染状态的切换、修改常量缓冲区某一成员的值、应用变更四个大块:
class basicobjectfx : public ieffect { public: // 使用模板别名(c++11)简化类型名 template <class t> using comptr = microsoft::wrl::comptr<t>; basicobjectfx(); virtual ~basicobjectfx() override; basicobjectfx(basicobjectfx&& movefrom); basicobjectfx& operator=(basicobjectfx&& movefrom); // 获取单例 static basicobjectfx& get(); // 初始化basix.fx所需资源并初始化渲染状态 bool initall(comptr<id3d11device> device); // // 渲染模式的变更 // // 默认状态来绘制 void setrenderdefault(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext); // alpha混合绘制 void setrenderalphablend(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext); // 无二次混合 void setrendernodoubleblend(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext, uint stencilref); // 仅写入模板值 void setwritestencilonly(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext, uint stencilref); // 对指定模板值的区域进行绘制,采用默认状态 void setrenderdefaultwithstencil(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext, uint stencilref); // 对指定模板值的区域进行绘制,采用alpha混合 void setrenderalphablendwithstencil(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext, uint stencilref); // 2d默认状态绘制 void set2drenderdefault(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext); // 2d混合绘制 void set2drenderalphablend(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext); // // 矩阵设置 // void xm_callconv setworldmatrix(directx::fxmmatrix w); void xm_callconv setviewmatrix(directx::fxmmatrix v); void xm_callconv setprojmatrix(directx::fxmmatrix p); void xm_callconv setworldviewprojmatrix(directx::fxmmatrix w, directx::cxmmatrix v, directx::cxmmatrix p); void xm_callconv settextransformmatrix(directx::fxmmatrix w); void xm_callconv setreflectionmatrix(directx::fxmmatrix r); void xm_callconv setshadowmatrix(directx::fxmmatrix s); void xm_callconv setrefshadowmatrix(directx::fxmmatrix refs); // // 光照、材质和纹理相关设置 // // 各种类型灯光允许的最大数目 static const int maxlights = 5; void setdirlight(size_t pos, const directionallight& dirlight); void setpointlight(size_t pos, const pointlight& pointlight); void setspotlight(size_t pos, const spotlight& spotlight); void setmaterial(const material& material); void settexture(comptr<id3d11shaderresourceview> texture); void xm_callconv seteyepos(directx::fxmvector eyepos); // // 状态开关设置 // void setreflectionstate(bool ison); void setshadowstate(bool ison); // 应用常量缓冲区和纹理资源的变更 void apply(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext); private: class impl; std::unique_ptr<impl> pimpl; };
xm_callconv
即在第六章之前提到的__vectorcall
或__fastcall
约定。
然后来到basicobjectfx.cpp
,首先包含了对应hlsl五个cbuffer
的c++结构体:
#include "effects.h" #include "effecthelper.h" #include "vertex.h" #include <d3dcompiler.h> #include <experimental/filesystem> using namespace directx; using namespace std::experimental; // // 这些结构体对应hlsl的结构体,仅供该文件使用。需要按16字节对齐 // struct cbchangeseverydrawing { directx::xmmatrix world; directx::xmmatrix worldinvtranspose; directx::xmmatrix textransform; material material; }; struct cbdrawingstates { int isreflection; int isshadow; directx::xmint2 pad; }; struct cbchangeseveryframe { directx::xmmatrix view; directx::xmvector eyepos; }; struct cbchangesonresize { directx::xmmatrix proj; }; struct cbchangesrarely { directx::xmmatrix reflection; directx::xmmatrix shadow; directx::xmmatrix refshadow; directionallight dirlight[basicobjectfx::maxlights]; pointlight pointlight[basicobjectfx::maxlights]; spotlight spotlight[basicobjectfx::maxlights]; };
effecthelper.h
需要放在effects.h
之后。
这5个结构体都放在源文件是因为这些结构体仅限于在该文件种使用。
basicobjectfx::impl类
之前在basicobjectfx
中声明了impl
类,主要目的是为了将类的成员和方法定义都转移到源文件中。不仅可以减少basicobjectfx
类的压力,还可以避免暴露上面的五个结构体。
basicobjectfx::impl
类包含一切所需资源,以及一个编译着色器的方法:
// // basicobjectfx::impl 需要先于basicobjectfx的定义 // class basicobjectfx::impl : public alignedtype<basicobjectfx::impl> { public: // 必须显式指定 impl() = default; ~impl() = default; // objfilenameinout为编译好的着色器二进制文件(.*so),若有指定则优先寻找该文件并读取 // hlslfilename为着色器代码,若未找到着色器二进制文件则编译着色器代码 // 编译成功后,若指定了objfilenameinout,则保存编译好的着色器二进制信息到该文件 // ppblobout输出着色器二进制信息 hresult createshaderfromfile(const wchar* objfilenameinout, const wchar* hlslfilename, lpcstr entrypoint, lpcstr shadermodel, id3dblob** ppblobout); public: // 需要16字节对齐的优先放在前面 cbufferobject<0, cbchangeseverydrawing> cbdrawing; // 每次对象绘制的常量缓冲区 cbufferobject<1, cbdrawingstates> cbstates; // 每次绘制状态变更的常量缓冲区 cbufferobject<2, cbchangeseveryframe> cbframe; // 每帧绘制的常量缓冲区 cbufferobject<3, cbchangesonresize> cbonresize; // 每次窗口大小变更的常量缓冲区 cbufferobject<4, cbchangesrarely> cbrarely; // 几乎不会变更的常量缓冲区 bool isdirty; // 是否有值变更 std::vector<cbufferbase*> cbufferptrs; // 统一管理下面所有的常量缓冲区 comptr<id3d11vertexshader> vertexshader3d; // 用于3d的顶点着色器 comptr<id3d11pixelshader> pixelshader3d; // 用于3d的像素着色器 comptr<id3d11vertexshader> vertexshader2d; // 用于2d的顶点着色器 comptr<id3d11pixelshader> pixelshader2d; // 用于2d的像素着色器 comptr<id3d11inputlayout> vertexlayout2d; // 用于2d的顶点输入布局 comptr<id3d11inputlayout> vertexlayout3d; // 用于3d的顶点输入布局 comptr<id3d11shaderresourceview> texture; // 用于绘制的纹理 };
着色器的编译方法这里不再赘述。
构造/析构/单例
这里用一个匿名空间保管单例对象的指针。当有一个实例被构造出来的时候就会给其赋值。后续就不允许再被实例化了,可以使用get
方法获取该单例。
namespace { // basicobjectfx单例 static basicobjectfx * pinstance = nullptr; } basicobjectfx::basicobjectfx() { if (pinstance) throw std::exception("basicobjectfx is a singleton!"); pinstance = this; pimpl = std::make_unique<basicobjectfx::impl>(); } basicobjectfx::~basicobjectfx() { } basicobjectfx::basicobjectfx(basicobjectfx && movefrom) { pimpl.swap(movefrom.pimpl); } basicobjectfx & basicobjectfx::operator=(basicobjectfx && movefrom) { pimpl.swap(movefrom.pimpl); return *this; } basicobjectfx & basicobjectfx::get() { if (!pinstance) throw std::exception("basicobjectfx needs an instance!"); return *pinstance; }
basicobjectfx::initall方法
basicobjectfx::initall
方法负责创建出所有的着色器和常量缓冲区,以及所有的渲染状态:
bool basicobjectfx::initall(comptr<id3d11device> device) { if (!device) return false; comptr<id3dblob> blob; // 创建顶点着色器(2d) hr(pimpl->createshaderfromfile(l"hlsl\\basicobject_vs_2d.vso", l"hlsl\\basicobject_vs_2d.hlsl", "vs", "vs_5_0", blob.getaddressof())); hr(device->createvertexshader(blob->getbufferpointer(), blob->getbuffersize(), nullptr, pimpl->vertexshader2d.getaddressof())); // 创建顶点布局(2d) hr(device->createinputlayout(vertexposnormaltex::inputlayout, arraysize(vertexposnormaltex::inputlayout), blob->getbufferpointer(), blob->getbuffersize(), pimpl->vertexlayout2d.getaddressof())); // 创建像素着色器(2d) hr(pimpl->createshaderfromfile(l"hlsl\\basicobject_ps_2d.pso", l"hlsl\\basicobject_ps_2d.hlsl", "ps", "ps_5_0", blob.releaseandgetaddressof())); hr(device->createpixelshader(blob->getbufferpointer(), blob->getbuffersize(), nullptr, pimpl->pixelshader2d.getaddressof())); // 创建顶点着色器(3d) hr(pimpl->createshaderfromfile(l"hlsl\\basicobject_vs_3d.vso", l"hlsl\\basicobject_vs_3d.hlsl", "vs", "vs_5_0", blob.releaseandgetaddressof())); hr(device->createvertexshader(blob->getbufferpointer(), blob->getbuffersize(), nullptr, pimpl->vertexshader3d.getaddressof())); // 创建顶点布局(3d) hr(device->createinputlayout(vertexposnormaltex::inputlayout, arraysize(vertexposnormaltex::inputlayout), blob->getbufferpointer(), blob->getbuffersize(), pimpl->vertexlayout3d.getaddressof())); // 创建像素着色器(3d) hr(pimpl->createshaderfromfile(l"hlsl\\basicobject_ps_3d.pso", l"hlsl\\basicobject_ps_3d.hlsl", "ps", "ps_5_0", blob.releaseandgetaddressof())); hr(device->createpixelshader(blob->getbufferpointer(), blob->getbuffersize(), nullptr, pimpl->pixelshader3d.getaddressof())); // 初始化 renderstates::initall(device); pimpl->cbufferptrs.assign({ &pimpl->cbdrawing, &pimpl->cbframe, &pimpl->cbstates, &pimpl->cbonresize, &pimpl->cbrarely}); // 创建常量缓冲区 for (auto& pbuffer : pimpl->cbufferptrs) { pbuffer->createbuffer(device); } return true; }
各种渲染状态的切换
下面所有的渲染模式使用的是线性wrap采样器。
basicfx::setrenderdefault方法--默认渲染
basicobjectfx::setrenderdefault
方法使用了默认的3d像素着色器和顶点着色器,并且其余各状态都保留使用默认状态:
void basicobjectfx::setrenderdefault() { md3dimmediatecontext->iasetinputlayout(mvertexlayout3d.get()); md3dimmediatecontext->vssetshader(mvertexshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->rssetstate(nullptr); md3dimmediatecontext->pssetshader(mpixelshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->pssetsamplers(0, 1, renderstates::sslinearwrap.getaddressof()); md3dimmediatecontext->omsetdepthstencilstate(nullptr, 0); md3dimmediatecontext->omsetblendstate(nullptr, nullptr, 0xffffffff); }
basicobjectfx::setrenderalphablend方法--alpha透明混合渲染
该绘制模式关闭了光栅化裁剪,并采用透明混合方式。
void basicobjectfx::setrenderalphablend() { md3dimmediatecontext->iasetinputlayout(mvertexlayout3d.get()); md3dimmediatecontext->vssetshader(mvertexshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->rssetstate(renderstates::rsnocull.get()); md3dimmediatecontext->pssetshader(mpixelshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->pssetsamplers(0, 1, renderstates::sslinearwrap.getaddressof()); md3dimmediatecontext->omsetdepthstencilstate(nullptr, 0); md3dimmediatecontext->omsetblendstate(renderstates::bstransparent.get(), nullptr, 0xffffffff); }
basicobjectfx::setrendernodoubleblend方法--无重复混合(单次混合)
该绘制模式用于绘制阴影,防止过度混合。需要指定绘制区域的模板值。
void basicobjectfx::setrendernodoubleblend(uint stencilref) { md3dimmediatecontext->iasetinputlayout(mvertexlayout3d.get()); md3dimmediatecontext->vssetshader(mvertexshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->rssetstate(renderstates::rsnocull.get()); md3dimmediatecontext->pssetshader(mpixelshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->pssetsamplers(0, 1, renderstates::sslinearwrap.getaddressof()); md3dimmediatecontext->omsetdepthstencilstate(renderstates::dssnodoubleblend.get(), stencilref); md3dimmediatecontext->omsetblendstate(renderstates::bstransparent.get(), nullptr, 0xffffffff); }
basicobjectfx::setwritestencilonly方法--仅写入模板值
该模式用于向模板缓冲区写入用户指定的模板值,并且不写入到深度缓冲区和后备缓冲区。
void basicobjectfx::setwritestencilonly(uint stencilref) { md3dimmediatecontext->iasetinputlayout(mvertexlayout3d.get()); md3dimmediatecontext->vssetshader(mvertexshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->rssetstate(nullptr); md3dimmediatecontext->pssetshader(mpixelshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->pssetsamplers(0, 1, renderstates::sslinearwrap.getaddressof()); md3dimmediatecontext->omsetdepthstencilstate(renderstates::dsswritestencil.get(), stencilref); md3dimmediatecontext->omsetblendstate(renderstates::bsnocolorwrite.get(), nullptr, 0xffffffff); }
basicobjectfx::setrenderdefaultwithstencil方法--对指定模板值区域进行常规绘制
该模式下,仅对模板缓冲区的模板值和用户指定的相等的区域进行常规绘制。
void basicobjectfx::setrenderdefaultwithstencil(uint stencilref) { md3dimmediatecontext->iasetinputlayout(mvertexlayout3d.get()); md3dimmediatecontext->vssetshader(mvertexshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->rssetstate(renderstates::rscullclockwise.get()); md3dimmediatecontext->pssetshader(mpixelshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->pssetsamplers(0, 1, renderstates::sslinearwrap.getaddressof()); md3dimmediatecontext->omsetdepthstencilstate(renderstates::dssdrawwithstencil.get(), stencilref); md3dimmediatecontext->omsetblendstate(nullptr, nullptr, 0xffffffff); }
basicobjectfx::setrenderalphablendwithstencil方法--对指定模板值区域进行alpha透明混合绘制
该模式下,仅对模板缓冲区的模板值和用户指定的相等的区域进行alpha透明混合绘制。
void basicobjectfx::setrenderalphablendwithstencil(uint stencilref) { md3dimmediatecontext->iasetinputlayout(mvertexlayout3d.get()); md3dimmediatecontext->vssetshader(mvertexshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->rssetstate(renderstates::rsnocull.get()); md3dimmediatecontext->pssetshader(mpixelshader3d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->pssetsamplers(0, 1, renderstates::sslinearwrap.getaddressof()); md3dimmediatecontext->omsetdepthstencilstate(renderstates::dssdrawwithstencil.get(), stencilref); md3dimmediatecontext->omsetblendstate(renderstates::bstransparent.get(), nullptr, 0xffffffff); }
basicobjectfx::set2drenderdefault方法--2d默认绘制
该模式使用的是2d顶点着色器和像素着色器,并修改为2d输入布局。
void basicobjectfx::set2drenderdefault() { md3dimmediatecontext->iasetinputlayout(mvertexlayout2d.get()); md3dimmediatecontext->vssetshader(mvertexshader2d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->rssetstate(nullptr); md3dimmediatecontext->pssetshader(mpixelshader2d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->pssetsamplers(0, 1, renderstates::sslinearwrap.getaddressof()); md3dimmediatecontext->omsetdepthstencilstate(nullptr, 0); md3dimmediatecontext->omsetblendstate(nullptr, nullptr, 0xffffffff); }
basicobjectfx::set2drenderalphablend方法--2d透明混合绘制
相比上面,多了透明混合状态。
void basicobjectfx::set2drenderalphablend() { md3dimmediatecontext->iasetinputlayout(mvertexlayout2d.get()); md3dimmediatecontext->vssetshader(mvertexshader2d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->rssetstate(renderstates::rsnocull.get()); md3dimmediatecontext->pssetshader(mpixelshader2d.get(), nullptr, 0); md3dimmediatecontext->pssetsamplers(0, 1, renderstates::sslinearwrap.getaddressof()); md3dimmediatecontext->omsetdepthstencilstate(nullptr, 0); md3dimmediatecontext->omsetblendstate(renderstates::bstransparent.get(), nullptr, 0xffffffff); }
更新常量缓冲区
下面这些所有的方法会更新cbufferobject
中的临时数据,数据脏标记被设为true
:
void xm_callconv basicobjectfx::setworldmatrix(directx::fxmmatrix w) { auto& cbuffer = pimpl->cbdrawing; cbuffer.data.world = w; cbuffer.data.worldinvtranspose = xmmatrixtranspose(xmmatrixinverse(nullptr, w)); pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void xm_callconv basicobjectfx::setviewmatrix(fxmmatrix v) { auto& cbuffer = pimpl->cbframe; cbuffer.data.view = v; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void xm_callconv basicobjectfx::setprojmatrix(fxmmatrix p) { auto& cbuffer = pimpl->cbonresize; cbuffer.data.proj = p; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void xm_callconv basicobjectfx::setworldviewprojmatrix(fxmmatrix w, cxmmatrix v, cxmmatrix p) { pimpl->cbdrawing.data.world = w; pimpl->cbdrawing.data.worldinvtranspose = xmmatrixtranspose(xmmatrixinverse(nullptr, w)); pimpl->cbframe.data.view = v; pimpl->cbonresize.data.proj = p; auto& pcbuffers = pimpl->cbufferptrs; pcbuffers[0]->isdirty = pcbuffers[1]->isdirty = pcbuffers[3]->isdirty = true; pimpl->isdirty = true; } void xm_callconv basicobjectfx::settextransformmatrix(fxmmatrix w) { auto& cbuffer = pimpl->cbdrawing; cbuffer.data.textransform = w; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void xm_callconv basicobjectfx::setreflectionmatrix(fxmmatrix r) { auto& cbuffer = pimpl->cbrarely; cbuffer.data.reflection = r; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void xm_callconv basicobjectfx::setshadowmatrix(fxmmatrix s) { auto& cbuffer = pimpl->cbrarely; cbuffer.data.shadow = s; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void xm_callconv basicobjectfx::setrefshadowmatrix(directx::fxmmatrix refs) { auto& cbuffer = pimpl->cbrarely; cbuffer.data.refshadow = refs; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void basicobjectfx::setdirlight(size_t pos, const directionallight & dirlight) { auto& cbuffer = pimpl->cbrarely; cbuffer.data.dirlight[pos] = dirlight; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void basicobjectfx::setpointlight(size_t pos, const pointlight & pointlight) { auto& cbuffer = pimpl->cbrarely; cbuffer.data.pointlight[pos] = pointlight; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void basicobjectfx::setspotlight(size_t pos, const spotlight & spotlight) { auto& cbuffer = pimpl->cbrarely; cbuffer.data.spotlight[pos] = spotlight; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void basicobjectfx::setmaterial(const material & material) { auto& cbuffer = pimpl->cbdrawing; cbuffer.data.material = material; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void basicobjectfx::settexture(comptr<id3d11shaderresourceview> texture) { pimpl->texture = texture; } void xm_callconv basicobjectfx::seteyepos(fxmvector eyepos) { auto& cbuffer = pimpl->cbframe; cbuffer.data.eyepos = eyepos; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void basicobjectfx::setreflectionstate(bool ison) { auto& cbuffer = pimpl->cbstates; cbuffer.data.isreflection = ison; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; } void basicobjectfx::setshadowstate(bool ison) { auto& cbuffer = pimpl->cbstates; cbuffer.data.isshadow = ison; pimpl->isdirty = cbuffer.isdirty = true; }
basicobjectfx::apply方法--应用缓冲区、纹理资源并进行更新
basicobjectfx::apply
首先将所需要用到的缓冲区绑定到渲染管线上,并设置纹理,然后才是视情况更新常量缓冲区。
下面的缓冲区数组索引值同时也对应了之前编译期指定的startslot
值。
首先检验总的脏标记是否为true
,若有任意数据被修改,则检验每个常量缓冲区的脏标记,并根据该标记决定是否要更新常量缓冲区。
void basicobjectfx::apply(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext) { auto& pcbuffers = pimpl->cbufferptrs; // 将缓冲区绑定到渲染管线上 pcbuffers[0]->bindvs(devicecontext); pcbuffers[1]->bindvs(devicecontext); pcbuffers[2]->bindvs(devicecontext); pcbuffers[3]->bindvs(devicecontext); pcbuffers[4]->bindvs(devicecontext); pcbuffers[0]->bindps(devicecontext); pcbuffers[1]->bindps(devicecontext); pcbuffers[2]->bindps(devicecontext); pcbuffers[4]->bindps(devicecontext); // 设置纹理 devicecontext->pssetshaderresources(0, 1, pimpl->texture.getaddressof()); if (pimpl->isdirty) { pimpl->isdirty = false; for (auto& pcbuffer : pcbuffers) { pcbuffer->updatebuffer(devicecontext); } } }
当然,目前basicfx
能做的事情还是比较有限的,并且还需要随着hlsl代码的变动而随之调整。更多的功能会在后续教程中实现。
绘制平面阴影
使用xmmatrixshadow
可以生成阴影矩阵,根据光照类型和位置对几何体投影到平面上的。
xmmatrix xmmatrixshadow( fxmvector shadowplane, // 平面向量(nx, ny, nz, d) fxmvector lightposition); // w = 0时表示平行光方向, w = 1时表示光源位置
通常指定的平面会稍微比实际平面高那么一点点,以避免深度缓冲区资源争夺导致阴影显示有问题。
使用模板缓冲区防止过度混合
一个物体投影到平面上时,投影区域的某些位置可能位于多个三角形之内,这会导致这些位置会有多个像素通过测试并进行混合操作,渲染的次数越多,显示的颜色会越黑。
我们可以使用模板缓冲区来解决这个问题。
- 在之前的例子中,我们用模板值为0的区域表示非镜面反射区,模板值为1的区域表示为镜面反射区;
- 使用
renderstates::dssnodoubleblend
的深度模板状态,当给定的模板值和深度/模板缓冲区的模板值一致时,通过模板测试并对模板值加1,绘制该像素的混合,然后下一次由于给定的模板值比深度/模板缓冲区的模板值小1,不会再通过模板测试,也就阻挡了后续像素的绘制; - 应当先绘制镜面的阴影区域,再绘制正常的阴影区域。
着色器代码的变化
basic_ps_2d.hlsl文件变化如下:
#include "basic.fx" // 像素着色器(2d) float4 ps_2d(vertex2dout pin) : sv_target { float4 color = tex.sample(sam, pin.tex); clip(color.a - 0.1f); return color; }
basic_ps_3d.hlsl文件变化如下:
#include "basic.fx" // 像素着色器(3d) float4 ps_3d(vertex3dout pin) : sv_target { // 提前进行裁剪,对不符合要求的像素可以避免后续运算 float4 texcolor = tex.sample(sam, pin.tex); clip(texcolor.a - 0.1f); // 标准化法向量 pin.normalw = normalize(pin.normalw); // 顶点指向眼睛的向量 float3 toeyew = normalize(geyeposw - pin.posw); // 初始化为0 float4 ambient = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); float4 diffuse = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); float4 spec = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); float4 a = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); float4 d = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); float4 s = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); int i; // 强制展开循环以减少指令数 [unroll] for (i = 0; i < gnumdirlight; ++i) { computedirectionallight(gmaterial, gdirlight[i], pin.normalw, toeyew, a, d, s); ambient += a; diffuse += d; spec += s; } [unroll] for (i = 0; i < gnumpointlight; ++i) { pointlight pointlight = gpointlight[i]; // 若当前在绘制反射物体,需要对光照进行反射矩阵变换 [flatten] if (gisreflection) { pointlight.position = (float3) mul(float4(pointlight.position, 1.0f), greflection); } computepointlight(gmaterial, pointlight, pin.posw, pin.normalw, toeyew, a, d, s); ambient += a; diffuse += d; spec += s; } [unroll] for (i = 0; i < gnumspotlight; ++i) { spotlight spotlight = gspotlight[i]; // 若当前在绘制反射物体,需要对光照进行反射矩阵变换 [flatten] if (gisreflection) { spotlight.position = (float3) mul(float4(spotlight.position, 1.0f), greflection); } computespotlight(gmaterial, spotlight, pin.posw, pin.normalw, toeyew, a, d, s); ambient += a; diffuse += d; spec += s; } float4 litcolor = texcolor * (ambient + diffuse) + spec; litcolor.a = texcolor.a * gmaterial.diffuse.a; return litcolor; }
basic_vs_2d.hlsl变化如下:
#include "basic.fx" // 顶点着色器(2d) vertex2dout vs_2d(vertex2din pin) { vertex2dout pout; pout.posh = float4(pin.pos, 1.0f); pout.tex = mul(float4(pin.tex, 0.0f, 1.0f), gtextransform).xy; return pout; }
basic_vs_3d.hlsl变化如下:
#include "basic.fx" // 顶点着色器(3d) vertex3dout vs_3d(vertex3din pin) { vertex3dout pout; float4 posw = mul(float4(pin.posl, 1.0f), gworld); // 若当前在绘制反射物体,先进行反射操作 [flatten] if (gisreflection) { posw = mul(posw, greflection); } // 若当前在绘制阴影,先进行投影操作 [flatten] if (gisshadow) { posw = (gisreflection ? mul(posw, grefshadow) : mul(posw, gshadow)); } pout.posh = mul(mul(posw, gview), gproj); pout.posw = mul(float4(pin.pos, 1.0f), gworld).xyz; pout.normalw = mul(pin.normall, (float3x3) gworldinvtranspose); pout.tex = mul(float4(pin.tex, 0.0f, 1.0f), gtextransform).xy; return pout; }
gameobject类与basicobjectfx类的对接
由于gameobject
类也承担了绘制方法,那么最后的apply
也需要交给游戏对象来调用。因此gameobject::draw
方法变更如下:
void gameobject::draw(comptr<id3d11devicecontext> devicecontext, basicobjectfx& effect) { // 设置顶点/索引缓冲区 uint strides = sizeof(vertexposnormaltex); uint offsets = 0; devicecontext->iasetvertexbuffers(0, 1, mvertexbuffer.getaddressof(), &strides, &offsets); devicecontext->iasetindexbuffer(mindexbuffer.get(), dxgi_format_r16_uint, 0); // 更新数据并应用 effect.setworldmatrix(xmloadfloat4x4(&mworldmatrix)); effect.settextransformmatrix(xmloadfloat4x4(&mtextransform)); effect.settexture(mtexture); effect.setmaterial(mmaterial); effect.apply(devicecontext); devicecontext->drawindexed(mindexcount, 0, 0); }
场景绘制
现在场景只有墙体、地板、木箱和镜面。
第1步: 镜面区域写入模板缓冲区
// ********************* // 1. 给镜面反射区域写入值1到模板缓冲区 // mbasicobjectfx.setwritestencilonly(md3dimmediatecontext, 1); mmirror.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx);
第2步: 绘制不透明的反射物体
// *********************** // 2. 绘制不透明的反射物体 // // 开启反射绘制 mbasicobjectfx.setreflectionstate(true); mbasicobjectfx.setrenderdefaultwithstencil(md3dimmediatecontext, 1); mwalls[2].draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx); mwalls[3].draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx); mwalls[4].draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx); mfloor.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx); mwoodcrate.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx);
第3步: 绘制不透明反射物体的阴影
// *********************** // 3. 绘制不透明反射物体的阴影 // mwoodcrate.setmaterial(mshadowmat); mbasicobjectfx.setshadowstate(true); // 反射开启,阴影开启 mbasicobjectfx.setrendernodoubleblend(md3dimmediatecontext, 1); mwoodcrate.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx); // 恢复到原来的状态 mbasicobjectfx.setshadowstate(false); mwoodcrate.setmaterial(mwoodcratemat);
第4步: 绘制透明镜面
// *********************** // 4. 绘制透明镜面 // // 关闭反射绘制 mbasicobjectfx.setreflectionstate(false); mbasicobjectfx.setrenderalphablendwithstencil(md3dimmediatecontext, 1); mmirror.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx);
第5步:绘制不透明的正常物体
// ************************ // 5. 绘制不透明的正常物体 // mbasicobjectfx.setrenderdefault(md3dimmediatecontext); for (auto& wall : mwalls) wall.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx); mfloor.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx); mwoodcrate.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx);
第6步:绘制不透明正常物体的阴影
// ************************ // 6. 绘制不透明正常物体的阴影 // mwoodcrate.setmaterial(mshadowmat); mbasicobjectfx.setshadowstate(true); // 反射关闭,阴影开启 mbasicobjectfx.setrendernodoubleblend(md3dimmediatecontext, 0); mwoodcrate.draw(md3dimmediatecontext, mbasicobjectfx); mbasicobjectfx.setshadowstate(false); // 阴影关闭 mwoodcrate.setmaterial(mwoodcratemat);
最终绘制效果如下:
注意该样例只生成点光灯到地板的阴影。你可以用各种摄像机模式来进行测试。
2018/9/18:该教程后面16, 17, 19章还没有及时更换为新的框架,需要一段时间进行替换。并且篇幅庞大难免有遗漏错误之处,望谅解。
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