Visual C++ 高级编程

Visual C++高级编程 第七讲进入3D世界

什么是DirectX SDK ？ • 微软的DirectX软件开发工具包（SDK）提供了一套优秀的应用程序编程接口（APIs），这个编程接口可以提供给你开发高质量、实时的应用程序所需要的各种资源。DirectX技术的出现将极大的有助于发展下一代多媒体应用程序和电脑游戏。

DirectX SDK的主要组件 • DirectDraw ：通过直接访问显示硬件来提供高级的图象处理能力。 • DirectSound ：它提供了软硬件的低延迟声音混频（low_latency sound mixing）和回放（Playback），硬件加速，以及直接访问音频设备的能力。 • DirectPlay ：它明确的提供了通用环境连接能力（generalized communication capabilities），来简化你应用程序之间的通讯服务。 • Direct3D ：它为主流的桌上型计算机和Internet用户提供实时的、交互的3D技术。 • DirectInput ：它简化你的应用程序访问鼠标、键盘和操纵杆设备的能力。

DirectX的特色 • 直接读写内存 DDRAW可以直接读写显存，并利用“切换页”的功能提高图形显示的性能。 • 支持硬件加速 DirectX对象建立时，程序自动查询可使用的硬件。提供HAL和HEL两种模式。 • 网络联机功能 DirectPlay可以程序员更容易地开发多人联机游戏。并支持各种通讯协议。

COM • COM 就是 Component Object Model（组件对象模型）。 • COM 接口和C++的抽象类相似，COM描述了一套符号和语法而非实现过程。 • DX 就提供了一套完整的设计3D游戏的库。使用DX时，不必直接接触硬件，而由DX进行代理。 • 使用 COM 时应该注意，必须在程序结束前释放所有的 COM 对象（或接口）。而且，释放它们的顺序应该和创建它们的顺序相反。

设置DirectX开发环境 • 步骤1：安装DirectX SDK； • 步骤2：设置应用程序中的头文件目录； • 步骤3：添加所需的头文件； • 步骤4：设置项目链接时所需的库文件，方法有两种： • 1、应用程序中使用 #pragma comment(lib,“xxxx.lib”) （推荐） • 2、在项目设置中添加库文件

第一种方法

第二种方法

Direct3D的特色 WIN32 Application WIN32 Application Direct3D API GDI Hal Device Device Driver Interface(DDI) Graphics Hardware

硬件抽象层 • Direct3D通过硬件抽象层(HAL)提供设备无关性。HAL是一个设备相关的接口，由设备制造商提供，HAL可以是显示驱动程序的一部分，或者是一个单独的动态链接库。 • HAL通过驱动程序开发人员定义的私有接口与显示驱动程序进行通信。应用程序则通过Direct3D API来实现显示。 • Direct3D选择HAL设备时，可以充分利用硬件的特性，如硬件加速等。

建立3D环境 • 一个标准的3D框架可以分为以下几个部分： • 创建Direct3D接口和设备接口。 • WinMain：Win32程序的入口点，代码会从这里开始执行。这是我们注册、创建、显示窗口的地方。然后，我们要初始化Direct3D并进入游戏循环（Game Loop）。 • WinProc：这是应用程序的消息处理过程。Windows发给我们的程序的消息，都要有它处理。 • InitD3D：这个函数是用来初始化Direct3D的。首先，创建IDirect3D9对象，通过这个对象我们得到了当前屏幕的显示模式。然后，根据刚刚我们获取的信息（显示模式），创建了兼容的设备。

建立3D环境 • Render：首先，我们清除了后缓冲区准备作画。然后，调用了BeginScene函数来告知DX我们要作画了。结束了绘制后我们调用EndScene来告知DX我们画完了。最后，我们调用了Present来完成关键的一步：翻动后缓冲区到前缓冲区（屏幕）。这时，用户就能看到我们画的东西了。 • CleanUp：我们在此做清洁工作：释放所有的被创建的对象。

建立3D环境 #include <d3d9.h> LPDIRECT3D9 g_pD3D=NULL; LPDIRECT3DDEVICE9 g_pd3dDevice=NULL; 导入头文件声明接口指针注册窗口类创建DIRECT3D9对象，获取显示卡的显示模式，然后根据这些信息创建 DIRECT3D9设备。初始化D3D设备显示窗口利用DIRECT3D9设备进行场景的绘制。消息循环释放所有对象程序结束建立3D环境

绘制3D几何图形 • 所有的 3D 图形都是由三角形构成的。 • 顶点：顶点就是3D空间中的一个点。在3D空间中，你可以用三个顶点来指定一个三角形。 • 灵活顶点格式：是用来描述顶点属性的一种格式，而这种格式是可以由我们自定义的。顶点属性一般有：X，Y，Z值，以及颜色和亮度等。 • 顶点缓冲：顶点缓冲就是一块用于保存顶点的内存缓冲区。 • 颜色：在DirectX中，如果我们要指定一种颜色，我们可以用D3DCOLOR_XRGB宏。

绘制3D几何图形 • 坐标系：3D 迪卡尔坐标系统 • 背面拣选：这所有的三角形面，面向我们的面将会被渲染出来（可见），否则将不被渲染（不可见，被拣选出来了）。

绘制3D几何图形 • 3D环境：三个矩阵——世界矩阵、视图矩阵、投影矩阵。 • 创建模型：即定义3D图形的所有顶点属性。 • 设备数据源：当3D模型设置好后，我们就可以绑定该顶点缓存区到设备数据源。进行3D图形的渲染。

矩阵变换 矩阵变换的基本公式缩小或放大

矩阵变换的实现 D3DXMatrixMultiply(&mat2, & mat1, &mat0); //矩阵相乘, mat1* mat0-> mat2 D3DXMATRIX *D3DXMatrixTranslation( //矩阵平移 D3DXMATRIX* pOut, //输出 FLOAT x, FLOAT y, FLOAT z ); D3DXMATRIX *D3DXMatrixRotationX( //矩阵旋转 D3DXMATRIX* pOut, //输出 FLOAT Angle // 角度. ); D3DXMATRIX *D3DXMatrixScaling( //矩阵缩放 D3DXMATRIX* pOut, //输出 FLOAT sx, FLOAT sy, FLOAT sz ); Device->SetTransform(D3DTS_XXXX, &XXXXX);

顶点格式 • Direct3D让我们可以灵活的构造自己的顶点格式。换句话说，我们可以自己定义顶点的成员。 • 为了创建一个自定义的顶点结构，我们首先要创建一个包含能存放我们选择的顶点数据的结构 . struct ColorVertex { float _x, _y, _z; DWORD _color; }; struct NormalTexVertex { float _x, _y, _z; float _nx, _ny, _nz; float _u, _v; }; 包含了位置和颜色信息包含了位置法线向量纹理坐标

#define FVF_COLOR (D3DFVF_XYZ | D3DFVF_DIFFUSE) 顶点结构表明它包含位置和颜色属性 #define FVF_NORMAL_TEX (D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1) 顶点结构表明它包含了位置，法线向量，纹理坐标的属性灵活顶点格式（FVF）旋转的三角形

图元 • 图元就是设备所支持的原始的类型。它包括：点列、线列、线代、三角形列、三角形带和三角扇形。 Triangle Strips (三角形带)

立方体的绘制 • 三角形带： • 立方体的分割：

3D物体的绘制 g_pD3DDevice->BeginScene(); //Rendering our triangle g_pD3DDevice->SetStreamSource(0, g_pVertexBuffer, sizeof(CUSTOMVERTEX)); g_pD3DDevice->SetVFV(D3DFVF_CUSTOMVERTEX); g_pD3DDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 1); //End the scene g_pD3DDevice->EndScene(); 设置源缓冲区设置顶点格式绘制图元旋转的三角棱

索引缓冲 • 索引缓冲就是内存中的一块用于索引顶点的区域。 • 当渲染场景时，DX会对每个顶点都进行许多计算，例如灯光、变幻等等，这样，运算量会很大。但是我们总是希望让DX做最少的运算以增加程序的效率，因此，我们需要把顶点的数目减到最少。

索引缓冲例子 在上面的例子中，我们只用了4个顶点就定义了一个正方形，实际节约了2个顶点。

索引缓冲的实现 LPDIRECT3DINDEXBUFFER9 g_pIB; //定义 WORD indices[]={0,2,1,0,3,2,0,1,3,1,2,3}; //定义数组 g_pd3dDevice->CreateIndexBuffer(sizeof(indices), 0, D3DFMT_INDEX16, D3DPOOL_DEFAULT, &g_pIB, NULL); //创建索引缓冲 void *pIndices; g_pIB->Lock( 0,sizeof(indices),(void**)&pIndices,0); memcpy( pIndices,indices,sizeof(indices) ); //拷贝索引值 g_pIB->Unlock(); g_pd3dDevice->SetIndices(g_pIB); //设置索引缓冲 g_pd3dDevice->DrawIndexedPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0,0,4,0,4); //输出

灯光 • 可以模拟出真实世界中一样的光线反射效果，受计算机计算能力的限制，只能有限地进行模拟。 • 环境光（ambient)的投射 • 直射光的投射（DIRECT） • 阴影 • 在3D环境里，阴影分为：平面阴影和内插（GOURAUD）阴影 • 平面阴影： • 在每一个表而后第一个顶点上进行颜色与打光的计算。效果较差，但速度很快 • 内插阴影：在每个表面上，利用三个顶点的颜色值进行内插计算，这种效果有点像渐变的模式。但计算量较大，速度慢

灯光 • 2.光的属性： • 光的投射方式： • 漫射（DIFFUSE） • 反射（SPECULAR） • 环境光（AMBIENT） • 光的类型 • 点光源，无方向 • 聚光灯，方向性较强 • 指定光，有方向，但没位置，如太阳光等 • 3.光的色彩属性 • 扩散（Diffuse Color)：当物体被光照射时，所能反射的光 • 环绕（Ambient Color) • 放射(Emissiv Color) • 反射(Specular Color)

灯光属性 • 想要不同的光可以指定不同的属性，不是所有类型的光都拥有下面的这些属性： • Position （位置）这是在3D空间中光源的位置，例如（0, 10, 0）。 • Direction （方向）这是一个向量（例如（0, 1, 0）），表示从光源发射出来的光的方向。 • Range （范围）这是光从光源发出后所能到达的最大距离，范围以外的物体将不会接受到此光源的光。 • Attenuation （衰减）在光源到它的范围之间，光会逐渐衰减，这是很正常的。如果想要，你也可以指定让光不衰减，或反而越来越亮。 • Diffuse Light （漫反射）光的漫反射颜色。漫射光是分散的，但仍然具有方向，不像环境光没有方向。 • Ambient Light （环境光）这是环境光的颜色，它是通用的背景光，它是分散的且没有方向和光源，它充满整个场景。

灯光类型 • Ambient Light （环境光）可以为场景指定通用的环境光，与其它灯光互不影响，用红、绿、蓝三个分量来设置颜色。 • Point Light （点光源）它没有方向（因为向全部方向发出），但是有颜色、范围和衰减。例如电灯. • Directional Light （直射光）直射光具有颜色，没有位置。场景里的所有对象都会从同样的方向接收到同样的光。直射光也没有范围和衰减。例如太阳光. • Spotlight （聚光灯）它具有位置、方向、范围、发光内径和发光外径属性，光照强度还会随距离而衰减。例如:手电筒.

设置灯光 • 打开光照处理： SetRenderState( D3DRS_LIGHTING, TRUE ); • 创建灯光： D3DLIGHT9 light; ::ZeroMemory( &light, sizeof(D3DLIGHT9) ); light.Type = D3DLIGHT_DIRECTIONAL; //灯光类型 light.Diffuse.r = 1.0f; light.Diffuse.g = 1.0f; light.Diffuse.b = 1.0f; light.Direction = D3DXVECTOR3( -1.0f, -1.0f, 0.0f ); light.Range = 1000.0f;

材质 • 材质:用于描述对象（三角形）的反光性能，使它看起来有没有光泽和带有什么颜色。 • 下面是描述材质的一些设置： • Diffuse Reflection （漫反射）物体的漫反射颜色，能使物体看起来是什么颜色。 • Ambient Reflection （环境反射）这也是一个颜色值，用于描述对象反射环境光的数量。你甚至可以指定它根本不反射环境光，这意味着它将不可见，除非接收到其它类型的光。 • Specular Reflection and Power （镜面反射与高光强度）镜面反射的值，可以用镜面反射和高光强度设置对象，使它看起来发亮。 • Emission （放射）使物体自发光，但不会影响到场景内的其它物体。

设置材质 D3DMATERIAL9 mtrl; ::ZeroMemory( &mtrl, sizeof(D3DMATERIAL9) ); mtrl.Diffuse.r = mtrl.Ambient.r = 1.0f; mtrl.Diffuse.g = mtrl.Ambient.g = 1.0f; mtrl.Diffuse.b = mtrl.Ambient.b = 1.0f; mtrl.Diffuse.a = mtrl.Ambient.a = 1.0f; mtrl.Specular.r =mtrl.Emissive.r= 0.0f; mtrl.Specular.g =mtrl.Emissive.g= 0.0f; mtrl.Specular.b =mtrl.Emissive.b= 0.0f; mtrl.Specular.a =mtrl.Emissive.a= 0.0f; 灯光与材质

顶点法线 • Direct3D需要知道顶点法线以便它能够确定灯光照射到物体表面的角度，并且一旦计算了每个顶点的灯光，Direct3D需要知道每个顶点的表面方向。注意顶点法线不一定和面法线相同。 • 为了描述顶点的顶点法线，我们必须更新原来的顶点结构 .(如前叙) 阴影的实现

纹理 • 纹理 :赋于某物体一定的纹理属性 • 多种贴图方式(参见:3DMAX里的材质与贴图演示) • 纹理的基本概念 • 纹理坐标:纹理坐标的作用是在纹理上指定一个点，因为纹理是2D的，所以我们仅需要两个值 • U V值:取值范围:0-1.0f • 纹理映射 :把纹理应用到对象上，这个过程就叫做“纹理映射”。在此过程中，纹理坐标会被映射到顶点上，所以，顶点将额外增加两个值：U和V。

纹理映射举例

纹理过滤 • 最近点取样: • 过滤的效果不是很真实,但它的运算速度最快 • 在匹配大小时,对材质进行同比放大,因此较为粗糙.但因为速度快,因此常准备一些较大型的材质图做为贴图用. • 线性过滤 • 将与像素点相邻的最近四个像素点之间做加权平均的运算. • 也有失真,但比最近点取样要好 • Mipmap过滤: • 采用智能贴图技术,离观者近的,给高的细节,远的,则给出较粗的细节,这样,符合人们的观察习惯,又保证了精度 • 缺点:计算时占用较多的系统资源 • 非线性过滤 • 效果最好,但也最浪费系统资源

设置纹理 Struct CUSTOMVERTEX { FLOAT x, y, z; DWORD colour; FLOAT tu, tv; //纹理坐标 }; #define D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZ|D3DFVF_DIFFUSE|D3DFVF_TEX1) //顶点格式 LPDIRECT3DTEXTURE9 m_pTexture; //定义纹理 D3DXCreateTextureFromFile(g_pd3dDevice, szTextureFilePath, &m_pTexture)) //加载纹理, szTextureFilePath为纹理图片为每个顶点设置纹理坐标

模型 • 1.构成三角形的方法 • 基础：任何3D模型（含平面模型）都是由三角形这个基本的几何图形来构成。 • 三角形清单： • 在使用三角形之前，要先进行顶点的定义。 • 特点：一个三角形由三个点决定，N个三角形则需要3*N个顶点。

三角形带： • 对于连成一片的三角形，进行重复使用 • 使用一个三角形的后两个顶点与新的顶点构成新的三角形。 • 三角形扇： • 以一个顶点为基准，以基他顶点来构成多个三角形。两个三角形构成一个四边形，但只有4个顶点。

2 加载 .X 文件 • 方法： • 调用D3D的D3DXLoadMeshFromX 函数将 .X文件中的顶点数据读入到顶点缓冲区。 • 加载必要的材质。 • D3DXLoadMeshFromX函数原型 • HRESULT WINAPI D3DXLoadMeshFromX( LPCTSTR pFilename, • DWORD Options, • LPDIRECT3DDEVICE9 pD3DDevice, • LPD3DXBUFFER *ppAdjacency, • LPD3DXBUFFER *ppMaterials, • LPD3DXBUFFER *ppEffectInstances, • DWORD *pNumMaterials, • LPD3DXMESH *ppMesh ); 绘制模型文件

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