Direct3D基础
最近在公司里实习，有个项目的接合点需要用到三维处理的东西，还是比较麻烦的，虽然之前也学过一点图形学的理论知识，但都是皮毛，研究得也不深入。所以趁现在把一些基本的概念拾起来，开发平台用微软的DirectX框架并结合C#，很多东西都是现学的。下面给出几个基本的概念。
图形卡即显卡，计算机和显示器之间的接口。很多图形卡都有自己的处理器，称为GPU，图形处理器。GPU是针对图形和图像所需要的计算进行过优化的专用处理器，与CPU并行工作。每个图形卡都有自己的显存，即计算机系统的显卡内存。其实一些桌面版的3D游戏，只是经过处理器进行大量的数学计算，将3D物体转换为具有立体感的2D图形，在计算机显示器屏幕上显示。
计算机通过图形卡控制显示器，图形卡能够控制显示器屏幕每一点的颜色。所采用的方法是，在图形卡的显存中分配一个区域，区域中每一个单元存储的颜色值跟屏幕中每一点的颜色一一对应，即如果程序修改了这个显存区域中一个单元中存储的颜色值，也就修改了和其对应屏幕点的颜色。如果直接修改显存区域中的数据，图像会发生抖动，因为显示器是按照行进行扫描的。为了避免抖动，一般在后备缓存区(back buffer)中修改图像，修改完成后再把后备缓存区中的图像送到屏幕显示区中显示。将3D物体转换为具有立体感的平面图形，实际上是将3D物体投影到XY平面上，Z轴表示3D物体距离观察者的距离。在投影的过程中，前面的物体可能会遮挡后面的物体，也就是说只有在Z轴方向上最靠近观察者的物体才嫩被投影到XY平面上，这里用到一个称为深度缓存区(Z-buffer,depthbuffer,w-buffer)的东西，它的每一个单元记录了每个投影到XY平面的点到观察者的距离。新的3D物体要投影到XY平面，首先要计算该点到观察者的距离，然后和深度缓存区中相应单元的值进行比较，只有小于时，才能进行投影，Direct 3D把这个操作称为深度测试。把3D物体在2D显示器中显示的过程叫渲染。
上面的东西都是概念上的，其实从开发者的角度来看，上面所有的东西都是被封装成相应的类、函数、参数等。在Direct 3D中，Device类是所有绘图操作必须使用的类。可以把这个类的对象假想成真实的图形卡。Device类把真实的图形卡从具体的硬件中抽象出来，在类中定义一组通用函数，这些函数直接操作图形卡硬件。通过调用统一标准的Device类可以操作每一种图形卡，这样做的好处就是既保证了应用程序和硬件无关，又能直接控制硬件，加快应用程序的运行速度。下面给出一个Direct3D基本例子，显示蓝色屏幕背景。
安装的.NetFramework为4.0，x86架构，程序配置文件为：
<?xml version="1.0"?>
<configuration>
<startup useLegacyV2RuntimeActivationPolicy="true">
<supportedRuntime version="v4.0"/>
</startup>
</configuration>
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using Microsoft.DirectX;
using Microsoft.DirectX.Direct3D;
namespace Direct3D
{
public partial class Form1 : Form
{
private Device device = null;
public Form1()
{
InitializeComponent();
}
public bool InitializeGraphics()
{
try
{
PresentParameters presentParams = new PresentParameters();
presentParams.Windowed = true; //不是全屏显示，在一个窗口显示
presentParams.SwapEffect = SwapEffect.Discard; //后备缓存交换的方式
presentParams.EnableAutoDepthStencil = true; //允许使用自动深度模板测试
//深度缓冲区单元为16位二进制数
presentParams.AutoDepthStencilFormat = DepthFormat.D16;
device = new Device(0, DeviceType.Hardware, this, //建立设备类对象
CreateFlags.SoftwareVertexProcessing, presentParams);
//设置设备重置事件(device.DeviceReset)事件函数为this.OnResetDevice
device.DeviceReset += new System.EventHandler(this.OnResetDevice);
this.OnCreateDevice(device, null);//自定义方法，初始化Device的工作放到这个方法中
this.OnResetDevice(device, null);//调用设备重置事件(device.DeviceReset)事件函数
} //设备重置事件函数要设置Device参数，初始函数中必须调用该函数
catch (DirectXException)
{
return false;
}
return true;
}
public void OnCreateDevice(object sender, EventArgs e)
{ }
public void OnResetDevice(object sender, EventArgs e)
{
Render();
}
public void Render() //渲染方法，本方法没有任何渲染代码，可认为是渲染方法的框架
{
if (device == null) //如果未建立设备对象，退出
return;
//下边函数将显示区域初始化为蓝色，第1个参数指定要初始化目标窗口包括深度缓冲区
//第2个参数是我们所要填充的颜色。第3、第4个参数一般为1.0f, 0。
device.Clear(ClearFlags.Target | ClearFlags.ZBuffer, System.Drawing.Color.Blue, 1.0f, 0);
device.BeginScene(); //开始渲染
//渲染代码必须放在device.BeginScene()和device.Present()之间
device.EndScene(); //渲染结束
device.Present(); //更新显示区域，把后备缓存的3D图形送到屏幕显示区中显示
}
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
InitializeGraphics();
Show();
Render();
}
}
}
利用透视图的原理，可以在显示器屏幕上直接绘制具有立体感的平面图形。具体就是预先根据透视原理人工计算出3D物体在计算机显示器屏幕的显示坐标，然后再利用此坐标进行绘制。在Direct 3D中，CustomVertex.TransformedColored结构记录了已经根据透视原理计算后的顶点。
下面绘制一个静止的三角形，过程类似。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using Microsoft.DirectX;
using Microsoft.DirectX.Direct3D;
namespace Triangle
{
public partial class Form1 : Form
{
private Device device = null;
CustomVertex.TransformedColored[] verts;
public Form1()
{
InitializeComponent();
}
public bool InitializeGraphics()
{
try
{
PresentParameters presentParams = new PresentParameters();
presentParams.Windowed = true; //不是全屏显示，在一个窗口显示
presentParams.SwapEffect = SwapEffect.Discard; //后备缓存交换的方式
presentParams.EnableAutoDepthStencil = true; //允许使用自动深度模板测试
//深度缓冲区单元为16位二进制数
presentParams.AutoDepthStencilFormat = DepthFormat.D16;
device = new Device(0, DeviceType.Hardware, this, //建立设备类对象
CreateFlags.SoftwareVertexProcessing, presentParams);
//设置设备重置事件(device.DeviceReset)事件函数为this.OnResetDevice
device.DeviceReset += new System.EventHandler(this.OnResetDevice);
this.OnCreateDevice(device, null);//自定义方法，初始化Device的工作放到这个方法中
this.OnResetDevice(device, null);//调用设备重置事件(device.DeviceReset)事件函数
} //设备重置事件函数要设置Device参数，初始函数中必须调用该函数
catch (DirectXException)
{
return false;
}
return true;
}
public void OnCreateDevice(object sender, EventArgs e)
{
verts = new CustomVertex.TransformedColored[3];
verts[0].Position = new Vector4(150.0f, 50.0f, 0.5f, 1.0f);//三角形的第1个顶点坐标
verts[0].Color = Color.Aqua.ToArgb(); //三角形的第1个顶点颜色
verts[1].Position = new Vector4(250.0f, 250.0f, 0.5f, 1.0f); //第2个顶点坐标
verts[1].Color = Color.Brown.ToArgb();
verts[2].Position = new Vector4(50.0f, 250.0f, 0.5f, 1.0f); //第3个顶点坐标
verts[2].Color = Color.LightPink.ToArgb();
}
public void OnResetDevice(object sender, EventArgs e)
{
Render();
}
public void Render() //渲染方法，本方法没有任何渲染代码，可认为是渲染方法的框架
{
if (device == null) //如果未建立设备对象，退出
return;
//下边函数将显示区域初始化为蓝色，第1个参数指定要初始化目标窗口
//第2个参数是我们所要填充的颜色。第3、第4个参数一般为1.0f, 0。
device.Clear(ClearFlags.Target | ClearFlags.ZBuffer,
System.Drawing.Color.Blue, 1.0f, 0);
device.BeginScene(); //开始渲染
//渲染代码必须放在device.BeginScene()和device.Present()之间
device.VertexFormat = CustomVertex.TransformedColored.Format; //渲染代码
device.DrawUserPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 1, verts);
device.EndScene(); //渲染结束
device.Present(); //更新显示区域，把后备缓存的3D图形送到图形卡的显存中显示
}
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
InitializeGraphics();
Show();
Render();
}
}
}
DrawUserPrimitives方法的第一个参数primitiveType可以取不同的值，可以绘制点、线段和三角形。
如果顶点的数组放到图形卡的显存中，将能极大地增加绘制图形的速度。可以用VertexBuffer类为数组申请存储空间，指定顶点数组的存放位置。如果3D程序运行在窗口模式，可能有多个运行程序共同占有计算机的图形卡和显存。窗体改变大小、窗体最小化后再最大化、全屏模式和窗体模式之间的切换等情况发生时，Device对象被重新设置，所以放到图形卡显存中顶点数组的数据可能会丢失，必须恢复VertexBuffer缓存区中的数据。比如说，最小化后程序使用的显存将被其他程序占用，所以在最大化后必须重建VertexBuffer类对象中顶点数组的数据。在需要重建VertexBuffer类对象时，系统产生CreateVertexBuffer事件，通知程序在事件处理函数中重建VertexBuffer类对象中的数据。
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using Microsoft.DirectX;
using Microsoft.DirectX.Direct3D;
namespace VertexBufferTest
{
public partial class Form1 : Form
{
private Device device = null;
bool pause = false;
VertexBuffer vertexBuffer = null;
public Form1()
{
InitializeComponent();
}
public bool InitializeGraphics()
{
try
{
PresentParameters presentParams = new PresentParameters();
presentParams.Windowed = true; //不是全屏显示，在一个窗口显示
presentParams.SwapEffect = SwapEffect.Discard; //后备缓存交换的方式
presentParams.EnableAutoDepthStencil = true; //允许使用自动深度模板测试
//深度缓冲区单元为16位二进制数
presentParams.AutoDepthStencilFormat = DepthFormat.D16;
device = new Device(0, DeviceType.Hardware, this, //建立设备类对象
CreateFlags.SoftwareVertexProcessing, presentParams);
//设置设备重置事件(device.DeviceReset)事件函数为this.OnResetDevice
device.DeviceReset += new System.EventHandler(this.OnResetDevice);
this.OnCreateDevice(device, null);//自定义方法，初始化Device的工作放到这个方法中
this.OnResetDevice(device, null);//调用设备重置事件(device.DeviceReset)事件函数
} //设备重置事件函数要设置Device参数，初始函数中必须调用该函数
catch (DirectXException)
{
return false;
}
return true;
}
public void OnCreateDevice(object sender, EventArgs e)
{
Device dev = (Device)sender;
vertexBuffer = new VertexBuffer(typeof(CustomVertex.TransformedColored),
3, dev, 0, CustomVertex.TransformedColored.Format, Pool.Default);
//事件的预订，指定OnCreateVertexBuffer函数是vertexBuffer.Created事件函数
vertexBuffer.Created += new System.EventHandler(this.OnCreateVertexBuffer);
this.OnCreateVertexBuffer(vertexBuffer, null); //创建顶点数组
}
public void OnResetDevice(object sender, EventArgs e)
{ }
public void Render() //渲染方法，本方法没有任何渲染代码，可认为是渲染方法的框架
{
if (device == null) //如果未建立设备对象，退出
return;
if (pause)
return;
device.Clear(ClearFlags.Target | ClearFlags.ZBuffer, System.Drawing.Color.Blue, 1.0f, 0);
device.BeginScene(); //开始渲染
device.SetStreamSource(0, vertexBuffer, 0); //使用vertexBuffer中定义的顶点
device.VertexFormat = CustomVertex.TransformedColored.Format; //顶点格式
device.DrawPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 1);
device.EndScene(); //渲染结束
device.Present(); //更新显示区域，把后备缓存的D图形送到图形卡的显存中显示
}
public void OnCreateVertexBuffer(object sender, EventArgs e)
{
CustomVertex.TransformedColored[] verts =
(CustomVertex.TransformedColored[])vertexBuffer.Lock(0, 0);
verts[0].X = 150;
verts[0].Y = 50; //顶点0位置
verts[0].Z = 0.5f;
verts[0].Rhw = 1;
verts[0].Color = System.Drawing.Color.Aqua.ToArgb(); //顶点0颜色
verts[1].X = 250;
verts[1].Y = 250;
verts[1].Z = 0.5f;
verts[1].Rhw = 1;
verts[1].Color = System.Drawing.Color.Brown.ToArgb();
verts[2].X = 50;
verts[2].Y = 250;
verts[2].Z = 0.5f;
verts[2].Rhw = 1;
verts[2].Color = System.Drawing.Color.LightPink.ToArgb();
vertexBuffer.Unlock();
}
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)//重写Load事件
{
InitializeGraphics();
Show();
Render();
}
private void Form1_Paint(object sender, PaintEventArgs e) //重写Paint事件
{
this.Render();
}
private void Form1_Resize(object sender, EventArgs e) //重写Resize事件
{
pause = ((this.WindowState == FormWindowState.Minimized) || !this.Visible);
}
}
}
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using Microsoft.DirectX;
using Microsoft.DirectX.Direct3D;
namespace 静止正方体
{
public partial class Form1 : Form
{
private Device device = null;
bool pause = false;
VertexBuffer vertexBuffer = null;
public Form1()
{
InitializeComponent();
}
public bool InitializeGraphics()
{
try
{
PresentParameters presentParams = new PresentParameters();
presentParams.Windowed = true; //不是全屏显示，在一个窗口显示
presentParams.SwapEffect = SwapEffect.Discard; //后备缓存交换的方式
presentParams.EnableAutoDepthStencil = true; //允许使用自动深度模板测试
//深度缓冲区单元为16位二进制数
presentParams.AutoDepthStencilFormat = DepthFormat.D16;
device = new Device(0, DeviceType.Hardware, this, //建立设备类对象
CreateFlags.SoftwareVertexProcessing, presentParams);
//设置设备重置事件(device.DeviceReset)事件函数为this.OnResetDevice
device.DeviceReset += new System.EventHandler(this.OnResetDevice);
this.OnCreateDevice(device, null);//自定义方法，初始化Device的工作放到这个方法中
this.OnResetDevice(device, null);//调用设备重置事件(device.DeviceReset)事件函数
} //设备重置事件函数要设置Device参数，初始函数中必须调用该函数
catch (DirectXException)
{
return false;
}
return true;
}
public void OnCreateDevice(object sender, EventArgs e)
{
Device dev = (Device)sender;
vertexBuffer = new VertexBuffer(typeof(CustomVertex.TransformedColored), 18,
dev, 0, CustomVertex.TransformedColored.Format, Pool.Default);
vertexBuffer.Created += new System.EventHandler(this.OnCreateVertexBuffer);
this.OnCreateVertexBuffer(vertexBuffer, null);
}
public void OnResetDevice(object sender, EventArgs e)
{ }
public void Render() //渲染方法，本方法没有任何渲染代码，可认为是渲染方法的框架
{
if (device == null) //如果未建立设备对象，退出
return;
if (pause)
return;
device.Clear(ClearFlags.Target | ClearFlags.ZBuffer, Color.LightBlue, 1.0f, 0);
device.BeginScene(); //开始渲染
device.SetStreamSource(0, vertexBuffer, 0);
device.VertexFormat = CustomVertex.TransformedColored.Format;
device.DrawPrimitives(PrimitiveType.TriangleList, 0, 6);
device.EndScene(); //渲染结束
device.Present(); //更新显示区域，把后备缓存的D图形送到图形卡的显存中显示
}
public void OnCreateVertexBuffer(object sender, EventArgs e)
{
CustomVertex.TransformedColored[] verts =
(CustomVertex.TransformedColored[])vertexBuffer.Lock(0, 0);
verts[0].Position = new Vector4(100.0f, 50.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[0].Color = Color.Red.ToArgb();
verts[1].Position = new Vector4(200.0f, 50.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[1].Color = Color.Red.ToArgb();
verts[2].Position = new Vector4(50.0f, 100.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[2].Color = Color.Red.ToArgb();
verts[3].Position = new Vector4(50.0f, 100.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[3].Color = Color.Red.ToArgb();
verts[4].Position = new Vector4(200.0f, 50.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[4].Color = Color.Red.ToArgb();
verts[5].Position = new Vector4(150.0f, 100.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[5].Color = Color.Red.ToArgb();
verts[6].Position = new Vector4(50.0f, 100.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[6].Color = Color.Green.ToArgb();
verts[7].Position = new Vector4(150.0f, 100.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[7].Color = Color.Green.ToArgb();
verts[8].Position = new Vector4(50.0f, 200.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[8].Color = Color.Green.ToArgb();
verts[9].Position = new Vector4(50.0f, 200.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[9].Color = Color.Green.ToArgb();
verts[10].Position = new Vector4(150.0f, 100.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[10].Color = Color.Green.ToArgb();
verts[11].Position = new Vector4(150.0f, 200.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[11].Color = Color.Green.ToArgb();
verts[12].Position = new Vector4(150.0f, 100.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[12].Color = Color.Yellow.ToArgb();
verts[13].Position = new Vector4(200.0f, 50.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[13].Color = Color.Yellow.ToArgb();
verts[14].Position = new Vector4(150.0f, 200.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[14].Color = Color.Yellow.ToArgb();
verts[15].Position = new Vector4(150.0f, 200.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[15].Color = Color.Yellow.ToArgb();
verts[16].Position = new Vector4(200.0f, 50.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[16].Color = Color.Yellow.ToArgb();
verts[17].Position = new Vector4(200.0f, 150.0f, 0.5f, 1.0f);
verts[17].Color = Color.Yellow.ToArgb();
vertexBuffer.Unlock();
}
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
InitializeGraphics();
Show();
Render();
}
private void Form1_Paint(object sender, PaintEventArgs e)
{
this.Render();
}
private void Form1_Resize(object sender, EventArgs e)
{
pause = ((this.WindowState == FormWindowState.Minimized) || !this.Visible);
}
}
}
任何一个平面都可以由若干个三角形组成，用三个顶点定义三角形平面，Direct 3D在渲染着两个三角形时，左手笛卡尔坐标系默认情况下按顺时针方向绘制三角形，即只显示按顺时针绘制的三角形，这就是背面剔除。Device属性的RenderState.CullMode控制背面剔除方式。