DirectX下 Viewing Frustum 的详细实现

本文大部分内容翻译自Gil Gribb和Klaus Hartmann合写的《Fast Extraction of Viewing Frustum Planes from the World-View-Projection Matrix》这篇文章，有兴趣的朋友可以搜索看下原文，里面DirectX下和OpenGL下的实现过程都说的很清楚，这里只说DirectX部分。

 

这里介绍的算法，可以直接从世界、观察以及投影矩阵中计算出Viewing Frustum的六个面。它快速，准确，并且允许我们在相机空间（camera space）、世界空间（world space）或着物体空间（object space）快速确定Frustum planes。

 

我们先仅仅从投影矩阵（project）开始，也就是假设世界矩阵（world）和观察矩阵（view）都是单位化了的矩阵。这就意味着相机位于世界坐标系下的原点，并且朝向Z轴的正方向。

 

定义一个顶点v（x y z w=1）和一个4*4的投影矩阵M=m（i,j），然后我们使用该矩阵M对顶点v进行转换，转换后的顶点为v'= (x' y' z' w')，可以写成这样：

转换后，viewing frustum实际上就变成了一个与轴平行的盒子，如果顶点 v' 在这个盒子里，那么转换前的顶点 v 就在转换前的viewing frustum里。在Direct3D下，如果下面的几个不等式都成立的话，那么 v' 就在这个盒子里。
                                                                     -w' < x' < w'

-w' < y' < w'

0 < z' < w'

 

可得到如下结论，列在下表里：

现在假设，我们要测试x'是否在左半空间内，根据上表，也就是判断 -w' < x' 是否成立。用我们开始提到的信息，可将不等式写成如下形式：

-( v * col4 ) < ( v * col1 )

即：

0 < ( v * col4 )  + ( v * col1 )

得到最后形式：

0 < v * ( col1 + col4 )

写到这里，其实已经等于描绘出了转换前的viewing frustum的左裁剪面的平面方程：

x * ( m14 + m11 ) + y * ( m24 + m21 )  + z * ( m34 + m31) + w * ( m44 + m41 ) = 0

当W = 1，我们可简单成如下形式：

x * ( m14 + m11 ) + y * ( m24 + m21 )  + z * ( m34 + m31) +  ( m44 + m41 ) = 0

这就给出了一个基本平面方程：

ax + by + cz + d = 0

其中， a = ( m14 + m11 ) , b = ( m24 + m21 ), c = ( m34 + m31) , d  =  ( m44 + m41 )

 

ok，到这里左裁剪面就得到了。重复以上几步，可推导出到其他的几个裁剪面，具体见下表：

需要注意的是：最终得到的平面方程都是没有单位化的（平面的法向量不是单位向量），并且法向量指向空间的内部。这就是说，如果要判断 v 在空间内部，那么6个面必须都满足ax + by + cz + d > 0

 

到目前为止，我们都是假设世界矩阵( world )和观察矩阵( view )都是单位化了的矩阵。但是，本算法并不想受这种条件的限制，而是希望可以在任何条件下都能使用。实际上，这也并不复杂，并且简单得令人难以置信。如果你仔细想一下就会立刻明白了，所以我们不再对此进行详细解释了，下面给出3个结论：

1. 如果矩阵 M 等于投影矩阵 P ( M = P )，那么算法给出的裁剪面是在相机空间（camera space）

 

2. 如果矩阵 M 等于观察矩阵 V 和投影矩阵 P 的组合( M = V * P )，那么算法给出的裁剪面是在世界空间（world space）

 

3.如果矩阵 M 等于世界矩阵 W，观察矩阵 V 和投影矩阵 P 的组合( M = W* V * P )，呢么算法给出的裁剪面是在物体空间（object space）

 

好，到此为止，理论知识就全部说完了，下面给出具体的实现代码：

=============================== Frustum.h==============================

 

#ifndef __FrustumH__
#define __FrustumH__

 

#include

 

class Frustum
{
public:

     Frustum();
     ~Frustum();

     // Call this every time the camera moves to update the frustum
     void CalculateFrustum( D3DXMATRIX ViewMatrix, D3DXMATRIX ProjectMatrix );

     // This takes a 3D point and returns TRUE if it's inside of the frustum
     bool PointInFrustum( D3DXVECTOR3 Point );

private:
      // This holds the A B C and D values for each side of our frustum.
     D3DXPLANE FrustumPlane[6];
};

#endif // __FrustumH

 

=============================Frustum.cpp============================

 

#include "Frustum.h"
#include

enum FrustumSide { RIGHT, LEFT, BOTTOM, TOP, FRONT, BACK };

Frustum::Frustum()
{
}

Frustum::~Frustum()
{
}

///////////////////////////////// CALCULATE FRUSTUM \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ *
/////
///// This extracts our frustum from the projection and view matrix.
/////
///////////////////////////////// CALCULATE FRUSTUM \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ *

void Frustum::CalculateFrustum( D3DXMATRIX ViewMatrix, D3DXMATRIX ProjectMatrix )
{
 D3DXMATRIX ComboMatrix;
 D3DXMatrixMultiply( &ComboMatrix, &ViewMatrix, &ProjectMatrix );

  //right clipping plane
 FrustumPlane[RIGHT].a = ComboMatrix._14 - ComboMatrix._11;
 FrustumPlane[RIGHT].b = ComboMatrix._24 - ComboMatrix._21;
 FrustumPlane[RIGHT].c = ComboMatrix._34 - ComboMatrix._31;
 FrustumPlane[RIGHT].d = ComboMatrix._44 - ComboMatrix._41;
 
 //normalize
 D3DXPlaneNormalize( &FrustumPlane[RIGHT], &FrustumPlane[RIGHT] );

 

//left clipping plane
 FrustumPlane[LEFT].a = ComboMatrix._14 + ComboMatrix._11;
 FrustumPlane[LEFT].b = ComboMatrix._24 + ComboMatrix._21;
 FrustumPlane[LEFT].c = ComboMatrix._34 + ComboMatrix._31;
 FrustumPlane[LEFT].d = ComboMatrix._44 + ComboMatrix._41;

 

//normalize
 D3DXPlaneNormalize( &FrustumPlane[LEFT], &FrustumPlane[LEFT] );

 

//bottom clipping plane
 FrustumPlane[BOTTOM].a = ComboMatrix._14 + ComboMatrix._12;
 FrustumPlane[BOTTOM].b = ComboMatrix._24 + ComboMatrix._22;
 FrustumPlane[BOTTOM].c = ComboMatrix._34 + ComboMatrix._32;
 FrustumPlane[BOTTOM].d = ComboMatrix._44 + ComboMatrix._42;

 

//normalize
 D3DXPlaneNormalize( &FrustumPlane[BOTTOM], &FrustumPlane[BOTTOM] );

 

//top clipping plane
 FrustumPlane[TOP].a = ComboMatrix._14 - ComboMatrix._12;
 FrustumPlane[TOP].b = ComboMatrix._24 - ComboMatrix._22;
 FrustumPlane[TOP].c = ComboMatrix._34 - ComboMatrix._32;
 FrustumPlane[TOP].d = ComboMatrix._44 - ComboMatrix._42;

 

//normalize
 D3DXPlaneNormalize( &FrustumPlane[TOP], &FrustumPlane[TOP] );

 //near clipping plane
 FrustumPlane[FRONT].a = ComboMatrix._14 + ComboMatrix._13;
 FrustumPlane[FRONT].b = ComboMatrix._24 + ComboMatrix._23;
 FrustumPlane[FRONT].c = ComboMatrix._34 + ComboMatrix._33;
 FrustumPlane[FRONT].d = ComboMatrix._44 + ComboMatrix._43;

 

//normalize
 D3DXPlaneNormalize( &FrustumPlane[FRONT], &FrustumPlane[FRONT] );

 

//far clipping plane
 FrustumPlane[BACK].a = ComboMatrix._14 - ComboMatrix._13;
 FrustumPlane[BACK].b = ComboMatrix._24 - ComboMatrix._23;
 FrustumPlane[BACK].c = ComboMatrix._34 - ComboMatrix._33;
 FrustumPlane[BACK].d = ComboMatrix._44 - ComboMatrix._43;

 

//normalize
 D3DXPlaneNormalize( &FrustumPlane[BACK], &FrustumPlane[BACK] );
}

///////////////////////////////// POINT IN FRUSTUM \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ *
/////
///// This determines if a point is inside of the frustum
/////
///////////////////////////////// POINT IN FRUSTUM \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ *

bool Frustum::PointInFrustum( D3DXVECTOR3 Point )
{
 for( int i = 0; i < 6; i++ )
 {
  float x = D3DXPlaneDotCoord( &FrustumPlane[i], & Point );
  if( x < 0 )
   return false;
 }
 // The point was inside of the frustum (In front of ALL the sides of the frustum)
 return true;
}