Lesson 15: SDK文档：Tutorial 4 3D Spaces分析

Constant Buffer

Constant buffer(cb)是DX10中引入的概念，它取代了DX9时代GPU常量寄存器的概念，允许通过一块大小可变的buffer向shader提供常量数据，而不是之前数量非常受限的n个寄存器，这也是我们遇到的第一种可在shader着色阶段由HLSL访问的资源。 管线的每个可编程阶段都能同时访问一个或者几个cb，对于shader代码来说，cb中的数据都是全局常量，作为cb而创建的资源不能绑定到其他类型的管线位置，但同一个cb可以同时绑定到管线的多个不同阶段。

世界空间与世界矩阵

模型空间：
每个模型（3D物体）都有它自己的空间，空间的中心（原点）就是模型的中心。在模型空间里，只有模型上的不同点有位置的相对关系。
世界空间：
世界就是物体（模型）所存在的地方。当我们把一个模型放进世界里面去，那么它就有了一个世界坐标，这个世界坐标是用来标记世界中不同的模型所处的位置的。在世界空间里，世界的中心就是原点（0, 0, 0），也就是你显示器屏幕中间的那一点。我们可以在世界空间里摆放很多个模型，并且设置它们在世界空间中的坐标，这样模型与模型之间就有了相对的位置。
世界矩阵：
我们可以利用它来改变世界空间的坐标。这样，在世界空间里面的模型就可以移动、旋转和缩放了。
世界变换包括平移、旋转和缩放变换。

视图空间与视图矩阵

在视图空间里，我们可以建立我们在三维空间中的眼睛：摄像机。我们就是通过这个虚拟的摄像机来观察世界空间中的模型的。所以视图空间也叫摄像机空间。

要建立起这个虚拟的摄像机，我们需要一个视图矩阵，产生视图矩阵的一个函数是

XMMATRIX XMMatrixLookAtLH(
    // 设置摄像机的位置
    XMVECTOR EyePosition,
    // 设置摄像机的观察点
    XMVECTOR FocusPosition,
    // 设置方向“上”
    XMVECTOR UpDirection
);

这个函数的后缀LH是表示左手系的意思，左手系中的Z正方向是指向显示器里面，另外有一个叫D3DXMatrixLookAtRH的函数。

投影与投影矩阵

定义投影矩阵很像是定义摄像机的镜头，下面看它的函数声明：

XMMATRIX XMMatrixPerspectiveFovLH(
    // 定义镜头垂直观察范围，以弧度为单位。
    float FovAngleY,
    // 设置纵横比。如果定义为1，那么所看到的物体大小不变。
    // 如果定义为其它值，你所看到的物体就会变形。
    // 不过一般情况下这个值设为显示器屏幕的长宽比。
    float AspectRati,
    // 设置摄像机所能观察到的最近距离
    float NearZ,
    // 设置摄像机所能观察到的最远距离
    float FarZ
);

头文件：

#include <windows.h>
#include <d3d11.h>
#include <d3dx11.h>
#include <d3dcompiler.h>
#include <xnamath.h>
#include "resource.h"

结构体：

// Structures
// 顶点结构体
struct SimpleVertex
{
    XMFLOAT3 Pos;
    XMFLOAT4 Color;
};

// ConstantBuffer结构体
struct ConstantBuffer
{
    XMMATRIX mWorld;
    XMMATRIX mView;
    XMMATRIX mProjection;
};

全局变量声明：

// Global Variables
HINSTANCE               g_hInst = NULL; //实例句柄
HWND                    g_hWnd = NULL;  //窗口句柄
D3D_DRIVER_TYPE         g_driverType = D3D_DRIVER_TYPE_NULL;    //驱动类型
D3D_FEATURE_LEVEL       g_featureLevel = D3D_FEATURE_LEVEL_11_0;    //特征等级
ID3D11Device*           g_pd3dDevice = NULL;    //设备接口指针
ID3D11DeviceContext*    g_pImmediateContext = NULL; //设备上下文接口指针
IDXGISwapChain*         g_pSwapChain = NULL;    //交换链接口指针
ID3D11RenderTargetView* g_pRenderTargetView = NULL; //渲染目标视图接口指针
ID3D11VertexShader*     g_pVertexShader = NULL; //顶点着色器接口指针
ID3D11PixelShader*      g_pPixelShader = NULL;  //像素着色器接口指针
ID3D11InputLayout*      g_pVertexLayout = NULL; //顶点布局接口指针
ID3D11Buffer*           g_pVertexBuffer = NULL; //顶点缓存接口指针
ID3D11Buffer*           g_pIndexBuffer = NULL;  //索引缓存接口指针
ID3D11Buffer*           g_pConstantBuffer = NULL;   //常量数据缓存接口指针
XMMATRIX                g_World;    //世界变换矩阵
XMMATRIX                g_View; //视图变换矩阵
XMMATRIX                g_Projection;   //投影变换矩阵

函数声明：

HRESULT InitWindow( HINSTANCE hInstance, int nCmdShow );    //窗口初始化函数
HRESULT InitDevice();   //设备初始化函数
void CleanupDevice();   //清除设备函数
LRESULT CALLBACK    WndProc( HWND, UINT, WPARAM, LPARAM );  //窗口过程函数
void Render();  //渲染函数

程序入口点函数：

int WINAPI wWinMain( HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPWSTR lpCmdLine, int nCmdShow )
{
    // 框架不变
}

窗口初始化函数：

HRESULT InitWindow( HINSTANCE hInstance, int nCmdShow )
{
    // 框架不变
}

辅助编译着色器函数：

HRESULT CompileShaderFromFile( WCHAR* szFileName, LPCSTR szEntryPoint, LPCSTR szShaderModel, ID3DBlob** ppBlobOut )
{
    // 框架不变
}

设备初始化函数：

// Create Direct3D device and swap chain
HRESULT InitDevice()
{
    HRESULT hr = S_OK;

    RECT rc;
    GetClientRect( g_hWnd, &rc );
    UINT width = rc.right - rc.left;
    UINT height = rc.bottom - rc.top;

    UINT createDeviceFlags = 0;
#ifdef _DEBUG
    createDeviceFlags |= D3D11_CREATE_DEVICE_DEBUG;
#endif

    D3D_DRIVER_TYPE driverTypes[] =
    {
        D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE,
        D3D_DRIVER_TYPE_WARP,
        D3D_DRIVER_TYPE_REFERENCE,
    };
    UINT numDriverTypes = ARRAYSIZE( driverTypes );

    D3D_FEATURE_LEVEL featureLevels[] =
    {
        D3D_FEATURE_LEVEL_11_0,
        D3D_FEATURE_LEVEL_10_1,
        D3D_FEATURE_LEVEL_10_0,
    };
    UINT numFeatureLevels = ARRAYSIZE( featureLevels );

    DXGI_SWAP_CHAIN_DESC sd;
    ZeroMemory( &sd, sizeof( sd ) );
    sd.BufferCount = 1;
    sd.BufferDesc.Width = width;
    sd.BufferDesc.Height = height;
    sd.BufferDesc.Format = DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;
    sd.BufferDesc.RefreshRate.Numerator = 60;
    sd.BufferDesc.RefreshRate.Denominator = 1;
    sd.BufferUsage = DXGI_USAGE_RENDER_TARGET_OUTPUT;
    sd.OutputWindow = g_hWnd;
    sd.SampleDesc.Count = 1;
    sd.SampleDesc.Quality = 0;
    sd.Windowed = TRUE;

    for( UINT driverTypeIndex = 0; driverTypeIndex < numDriverTypes; driverTypeIndex++ )
    {
        g_driverType = driverTypes[driverTypeIndex];
        hr = D3D11CreateDeviceAndSwapChain( NULL, g_driverType, NULL, createDeviceFlags, featureLevels, numFeatureLevels,
                                            D3D11_SDK_VERSION, &sd, &g_pSwapChain, &g_pd3dDevice, &g_featureLevel, &g_pImmediateContext );
        if( SUCCEEDED( hr ) )
            break;
    }
    if( FAILED( hr ) )
        return hr;

    // Create a render target view
    ID3D11Texture2D* pBackBuffer = NULL;
    hr = g_pSwapChain->GetBuffer( 0, __uuidof( ID3D11Texture2D ), ( LPVOID* )&pBackBuffer );
    if( FAILED( hr ) )
        return hr;

    hr = g_pd3dDevice->CreateRenderTargetView( pBackBuffer, NULL, &g_pRenderTargetView );
    pBackBuffer->Release();
    if( FAILED( hr ) )
        return hr;

    g_pImmediateContext->OMSetRenderTargets( 1, &g_pRenderTargetView, NULL );

    // Setup the viewport
    D3D11_VIEWPORT vp;
    vp.Width = (FLOAT)width;
    vp.Height = (FLOAT)height;
    vp.MinDepth = 0.0f;
    vp.MaxDepth = 1.0f;
    vp.TopLeftX = 0;
    vp.TopLeftY = 0;
    g_pImmediateContext->RSSetViewports( 1, &vp );

    // Compile the vertex shader
    ID3DBlob* pVSBlob = NULL;
    hr = CompileShaderFromFile( L"Tutorial04 d3d11.fx", "VS", "vs_4_0", &pVSBlob );
    if( FAILED( hr ) )
    {
        MessageBox( NULL,
                    L"The FX file cannot be compiled.  Please run this executable from the directory that contains the FX file.", L"Error", MB_OK );
        return hr;
    }

    // Create the vertex shader
    hr = g_pd3dDevice->CreateVertexShader( pVSBlob->GetBufferPointer(), pVSBlob->GetBufferSize(), NULL, &g_pVertexShader );
    if( FAILED( hr ) )
    {   
        pVSBlob->Release();
        return hr;
    }

    // 定义输入布局
    // Define the input layout
    D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC layout[] =
    {
        // 描述POSITION属性
        { "POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
        // 描述COLOR属性
        { "COLOR", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32A32_FLOAT, 0, 12, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
    };
    UINT numElements = ARRAYSIZE( layout );

    // 创建输入布局
    // Create the input layout
    hr = g_pd3dDevice->CreateInputLayout( layout, numElements, pVSBlob->GetBufferPointer(),
                                          pVSBlob->GetBufferSize(), &g_pVertexLayout );
    pVSBlob->Release();
    if( FAILED( hr ) )
        return hr;

    // 设置输入布局
    // Set the input layout
    g_pImmediateContext->IASetInputLayout( g_pVertexLayout );

    // Compile the pixel shader
    ID3DBlob* pPSBlob = NULL;
    hr = CompileShaderFromFile( L"Tutorial04 d3d11.fx", "PS", "ps_4_0", &pPSBlob );
    if( FAILED( hr ) )
    {
        MessageBox( NULL,
                    L"The FX file cannot be compiled.  Please run this executable from the directory that contains the FX file.", L"Error", MB_OK );
        return hr;
    }

    // Create the pixel shader
    hr = g_pd3dDevice->CreatePixelShader( pPSBlob->GetBufferPointer(), pPSBlob->GetBufferSize(), NULL, &g_pPixelShader );
    pPSBlob->Release();
    if( FAILED( hr ) )
        return hr;

    // 创建顶点缓存
    // Create vertex buffer
    SimpleVertex vertices[] =
    {
        // 8个顶点
        { XMFLOAT3( -1.0f, 1.0f, -1.0f ), XMFLOAT4( 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( 1.0f, 1.0f, -1.0f ), XMFLOAT4( 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( 1.0f, 1.0f, 1.0f ), XMFLOAT4( 0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( -1.0f, 1.0f, 1.0f ), XMFLOAT4( 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( -1.0f, -1.0f, -1.0f ), XMFLOAT4( 1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( 1.0f, -1.0f, -1.0f ), XMFLOAT4( 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( 1.0f, -1.0f, 1.0f ), XMFLOAT4( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( -1.0f, -1.0f, 1.0f ), XMFLOAT4( 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f ) },
    };
    D3D11_BUFFER_DESC bd;
    ZeroMemory( &bd, sizeof(bd) );
    bd.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
    bd.ByteWidth = sizeof( SimpleVertex ) * 8;
    bd.BindFlags = D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER;
    bd.CPUAccessFlags = 0;
    D3D11_SUBRESOURCE_DATA InitData;
    ZeroMemory( &InitData, sizeof(InitData) );
    InitData.pSysMem = vertices;
    hr = g_pd3dDevice->CreateBuffer( &bd, &InitData, &g_pVertexBuffer );
    if( FAILED( hr ) )
        return hr;

    // 设置顶点缓存
    // Set vertex buffer
    UINT stride = sizeof( SimpleVertex );
    UINT offset = 0;
    g_pImmediateContext->IASetVertexBuffers( 0, 1, &g_pVertexBuffer, &stride, &offset );

    // 创建索引缓存
    // Create index buffer
    WORD indices[] =
    {
        // 12条边
        3,1,0,
        2,1,3,

        0,5,4,
        1,5,0,

        3,4,7,
        0,4,3,

        1,6,5,
        2,6,1,

        2,7,6,
        3,7,2,

        6,4,5,
        7,4,6,
    };
    bd.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
    // 3*2*6 = 36 个顶点大小
    bd.ByteWidth = sizeof( WORD ) * 36;        // 36 vertices needed for 12 triangles in a triangle list
    bd.BindFlags = D3D11_BIND_INDEX_BUFFER;
    bd.CPUAccessFlags = 0;
    InitData.pSysMem = indices;
    hr = g_pd3dDevice->CreateBuffer( &bd, &InitData, &g_pIndexBuffer );
    if( FAILED( hr ) )
        return hr;

    // 设置索引缓存
    // Set index buffer
    g_pImmediateContext->IASetIndexBuffer( g_pIndexBuffer, DXGI_FORMAT_R16_UINT, 0 );

    // 设置原始拓扑
    // Set primitive topology
    // 三角形列表
    g_pImmediateContext->IASetPrimitiveTopology( D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST );

    // 创建常量数据缓冲区
    // Create the constant buffer
    bd.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
    bd.ByteWidth = sizeof(ConstantBuffer);
    bd.BindFlags = D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER;
    bd.CPUAccessFlags = 0;
    hr = g_pd3dDevice->CreateBuffer( &bd, NULL, &g_pConstantBuffer );
    if( FAILED( hr ) )
        return hr;

    // 初始化世界变换矩阵
    // Initialize the world matrix
    // 返回单位矩阵，即对角线全1，其他全0
    g_World = XMMatrixIdentity();

    // 初始化视图变换矩阵
    // Initialize the view matrix
    XMVECTOR Eye = XMVectorSet( 0.0f, 1.0f, -5.0f, 0.0f );
    XMVECTOR At = XMVectorSet( 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f );
    XMVECTOR Up = XMVectorSet( 0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f );
    g_View = XMMatrixLookAtLH( Eye, At, Up );

    // 初始化投影变换矩阵
    // Initialize the projection matrix
    // XM_PIDIV2表示镜头垂直观察范围是PI/2即90°
    g_Projection = XMMatrixPerspectiveFovLH( XM_PIDIV2, width / (FLOAT)height, 0.01f, 100.0f );

    return S_OK;
}

清除设备函数：

void CleanupDevice()
{
    if( g_pImmediateContext ) g_pImmediateContext->ClearState();

    if( g_pConstantBuffer ) g_pConstantBuffer->Release();
    if( g_pVertexBuffer ) g_pVertexBuffer->Release();
    if( g_pIndexBuffer ) g_pIndexBuffer->Release();
    if( g_pVertexLayout ) g_pVertexLayout->Release();
    if( g_pVertexShader ) g_pVertexShader->Release();
    if( g_pPixelShader ) g_pPixelShader->Release();
    if( g_pRenderTargetView ) g_pRenderTargetView->Release();
    if( g_pSwapChain ) g_pSwapChain->Release();
    if( g_pImmediateContext ) g_pImmediateContext->Release();
    if( g_pd3dDevice ) g_pd3dDevice->Release();
}

窗口过程函数：

LRESULT CALLBACK WndProc( HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam )
{
    // 框架不变
}

渲染函数：

void Render()
{
    // 根据游戏时间旋转相应矩阵

    // 更新时间
    // Update our time
    // 定义一个静态变量表示游戏时间
    static float t = 0.0f;
    // 每一帧运行时更新t值，同时对矩阵作相应旋转
    if( g_driverType == D3D_DRIVER_TYPE_REFERENCE )
    {
        t += ( float )XM_PI * 0.0125f;
    }
    else
    {
        static DWORD dwTimeStart = 0;
        DWORD dwTimeCur = GetTickCount();
        if( dwTimeStart == 0 )
            dwTimeStart = dwTimeCur;
        // 构造一个从0到1的连续的时间周期
        t = ( dwTimeCur - dwTimeStart ) / 1000.0f;
    }

    // 立方体动画
    //
    // Animate the cube
    //
    // 将世界变换矩阵沿Y轴旋转t
    g_World = XMMatrixRotationY( t );

    // 清除后台缓冲区
    //
    // Clear the back buffer
    //
    float ClearColor[4] = { 0.0f, 0.125f, 0.3f, 1.0f }; // red,green,blue,alpha
    g_pImmediateContext->ClearRenderTargetView( g_pRenderTargetView, ClearColor );

    // 更新常量数据缓存Updating Constant Buffers
    //
    // Update variables
    //
    ConstantBuffer cb;
    // 因为C++中的矩阵处理与HLSL不同，我们先要得到转置矩阵
    cb.mWorld = XMMatrixTranspose( g_World );
    cb.mView = XMMatrixTranspose( g_View );
    cb.mProjection = XMMatrixTranspose( g_Projection );
    // 利用cb通过设备上下文调用UpdateSubresource函数更新常量数据缓存
    g_pImmediateContext->UpdateSubresource( g_pConstantBuffer, 0, NULL, &cb, 0, 0 );

    // 渲染三角形
    //
    // Renders a triangle
    //
    // 设置顶点着色器
    g_pImmediateContext->VSSetShader( g_pVertexShader, NULL, 0 );
    // 设置常量数据缓冲区
    g_pImmediateContext->VSSetConstantBuffers( 0, 1, &g_pConstantBuffer );
    // 设置像素着色器
    g_pImmediateContext->PSSetShader( g_pPixelShader, NULL, 0 );
    // 利用索引绘制图案
    g_pImmediateContext->DrawIndexed( 36, 0, 0 );        // 36 vertices needed for 12 triangles in a triangle list

    // 页面翻转
    //
    // Present our back buffer to our front buffer
    //
    g_pSwapChain->Present( 0, 0 );
}

文档中关于顶点着色器修改的说明：

因为顶点布局被定义在模型空间中，所以输出前我们必须在顶点着色器中对其进行转换。
我们通过三步来完成转换：
1.从模型空间转换到世界空间
2.从世界空间转换到视图空间
3.从视图空间转换到投影空间

在FX文件中：
定义全局变量constant buffer

cbuffer ConstantBuffer : register( b0 )
    {
        matrix World;
        matrix View;
        matrix Projection;
    }

更新顶点着色器：

 VS_OUTPUT VS( float4 Pos : POSITION, float4 Color : COLOR )
    {
        VS_OUTPUT output = (VS_OUTPUT)0;
        // each mul() applies one transformation to the input position
        output.Pos = mul( Pos, World );
        output.Pos = mul( output.Pos, View );
        output.Pos = mul( output.Pos, Projection );
        output.Color = Color;
        return output;
    }