可编程管道下的剪裁平面
剪裁平面 (Clip Plane) 在图形学领域有着重要的作用,比如水面模拟中,渲染折射纹理时,我们就必须将水面以上的顶点通过剪裁平面剪裁掉。
在过去的固定渲染管道时代,剪裁平面的实现较为简单,比如在 DirectX 9 中,可以先设定剪裁平面在世界坐标系下的方程 (ax+by+cz+d=0) ,再调用 SetClipPlane(DWORD Index,CONST float * pPlane) 这个 API 函数就可以了。
附上例子程序:
vPosition=D3DXVECTOR3(0,0,0); // 平面上一个点
vNormal=D3DXVECTOR3(0,1,0); // 法向量
D3DXPlaneFromPointNormal( &clipplane, &vPosition, &vNormal ); // 生成剪裁平面
m_pDevice()->SetClipPlane( 0, ( float *)clipplane);
然而,在现在的可编程管道 (programmable pipeline) 下,设置的剪裁平面会被在剪裁坐标系下处理,而不是在世界坐标系下。
解决这个问题的方法有:1) 给要剪裁的顶点做标记,在Pixel Shader中把它剪裁掉。
2) 使用近斜平面裁剪(Oblique Near-Plane Clipping),即修改投影矩阵,将要剪裁的顶点放在视截体之外,从而避免了该顶点的绘制。
3) 修改平面方程,使之从世界坐标系转换到剪裁坐标系。
上述方法中,第一种和第二种效率并不高:在 Pixel Shader 中剪裁没有减少任何不必要的顶点处理,而计算近斜平面裁剪矩阵较为繁琐。所以,方法三是最佳选择。
要将一个平面从世界坐标系转换到剪裁坐标系,必须求出这个变换矩阵。
设平面方程ax+by+cz+d=0,用一个4维向量来n表示(a,b,c,d),设平面上有个点p:(x,y,z,1)。根据平面方程的定义,有:
nTp = ax + by + cz + d = 0
设矩阵R可以让点P从世界坐标系转换到剪裁坐标系,矩阵Q可以让平面n实现同样的变换。那么,有:
其中p'、n'分别是转换后的点与平面。
n T Q T R p = 0
如果: Q T R = I
那么:
nTQTRp = nTIp = nTp = 0
于是:
Q = ( R -1) T
在DirectX 3D中,将一个点从世界坐标系转换到剪裁坐标系,所用的矩阵为观察矩阵与投影矩阵的乘积,即:
D3DXMATRIX TranMatrix = matView*matProj;
(TranMatrix为所求的变换矩阵,matView和matProj分别为观察矩阵与投影矩阵)
附上在D3D中变换的完整代码:
D3DXPLANE tempPlane = clipplane;
D3DXPlaneNormalize(&tempPlane, &tempPlane);
D3DXMATRIX TranMatrix = matView*matProj;
D3DXMatrixInverse(&TranMatrix, NULL, &TranMatrix);
D3DXMatrixTranspose(&TranMatrix, &TranMatrix);
D3DXPlaneTransform(&tempPlane, &tempPlane, &TranMatrix);
参考资料:
1.Back Face Culling Notes ,Jordan Smith (University of California, Berkeley)
http://www.cs.berkeley.edu/~ug/slide/pipeline/assignments/backfacecull.shtml
2.GameDev Forum
http://www.gamedev.net/community/forums/topic.asp?topic_id=402381
3.Oblique Near-Plane Clipping with Orthographic Camera ,Aras
http://aras-p.info/texts/obliqueortho.html