d3d12龙书学习之MiniEngine的最小化实现（七）龙书第11章模板缓冲

最新推荐文章于 2022-04-12 15:31:15 发布

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本文介绍了如何使用Direct3D 12的模板缓冲技术在MiniEngine中实现镜像世界。通过修改相机坐标系、深度和模板缓冲设置，以及创建不同的PSO，实现了镜面反射、透明混合和阴影效果。在实施过程中，作者遇到了MiniEngine模板缓冲无效的问题，通过调整深度缓冲区格式得以解决。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

前言

本章的主要内容是通过模板缓冲来实现镜中世界。
对于镜中世界的实现来说，还可以采用一个额外的摄像机来做，当然我也没有实际操作过。
先按照本章内容来通过模板缓冲做一个实现。

模板缓冲的意义

模板缓冲和深度缓冲是一套东西，他们的缓冲区是合在一起处理的。
我们知道深度缓冲可以通过深度检测，来绘制物体的遮挡关系。而模板缓冲呢？就是按照程序设定的规则，额外进行模板检测，只有通过深度+模板检测的像素才会进行下一步的处理。也就是本身是深度缓冲的一个补充，用于用户自定义的检测。

当然也可以单独使用模板检测。

修改camera坐标系

从做第八章光照的时候，就感觉这个坐标系是有问题的。因为调整的结果不符合预期，我原本以为是自己数学水平不够导致的。
后来修改过这个shader中mul的入参顺序（在C++写常量缓冲区时对矩阵做一次转置）。
直到前几天学这个模板缓冲，发现生成的镜子在墙体的右边（d3d12龙书是在左边），然后终于发现MiniEngine采用的居然是右手坐标系。

dx默认的实际是左手坐标系，opengl才是右手坐标系，我挺讨厌这种“靠拢”的行为（甚至于mul入参顺序也是向opengl靠）

那么第一步，我这里就要把这个坐标系改成左手的（否则学习龙书，直接拿到龙书中的顶点集绘制图形，会z轴翻转）
有3个修改点

camera生成的矩阵修改

BaseCamera类只保留3个矩阵

	// 0 矩阵变换
	// 1. 渲染目标从模型坐标系转到世界坐标系--->世界变换矩阵
	// 2. 再从世界坐标系转到视角坐标系--->视角变换矩阵 m_ViewMatrix
	// 3. 从视角坐标系转换到投影坐标系--->投影变换矩阵 m_ProjMatrix
	
	// 世界坐标系转换到视角坐标系
	Matrix4 m_ViewMatrix;        // i.e. "World-to-View" matrix
	
	// 视角坐标系转到投影坐标系
	Matrix4 m_ProjMatrix;        // i.e. "View-to-Projection" matrix
	
	// 从世界坐标系直接转换到投影坐标系
	Matrix4 m_ViewProjMatrix;    // i.e.  "World-To-Projection" matrix.

Camera.cpp修改如下

void BaseCamera::SetLookDirection( Vector3 forward, Vector3 up )
{
    // 计算前方
    Scalar forwardLenSq = LengthSquare(forward);
    forward = Select(forward * RecipSqrt(forwardLenSq), Vector3(kZUnitVector), forwardLenSq < Scalar(0.000001f));

    // 根据提供的上和前方，计算右方
    Vector3 right = Cross(up, forward);
    Scalar rightLenSq = LengthSquare(right);
    right = Select(right * RecipSqrt(rightLenSq), Cross(Vector3(kYUnitVector), forward), rightLenSq < Scalar(0.000001f));

    // 正交化，计算实际的上方
    up = Cross(forward, right);

    // 计算摄像机的转换矩阵
    m_Basis = Matrix3(right, up, forward);
    m_CameraToWorld.SetRotation(Quaternion(m_Basis));
}

void BaseCamera::Update()
{
    // 计算视角变换矩阵，还没有看懂 m_CameraToWorld
    m_ViewMatrix = Matrix4(~m_CameraToWorld);
    
    // Matrix4中的*重载，故意反着写的。所以这里反着乘
    // 计算视角投影转换矩阵。这样拿到世界矩阵再乘以这个值就可以算出最终的投影坐标了
    m_ViewProjMatrix = m_ProjMatrix * m_ViewMatrix;
}

void Camera::UpdateProjMatrix( void )
{
    DirectX::XMMATRIX mat = XMMatrixPerspectiveFovLH(m_VerticalFOV, m_AspectRatio, m_NearClip, m_FarClip);

    SetProjMatrix(Matrix4(mat));
}

SetLookDirection这个函数中，实际可以直接采用XMMatrixLookAtLH直接算出世界转投影的矩阵。但考虑到一些其他地方的调用，这里暂时保留以前的方式。只是把内部的计算按照左手坐标系修改一下。

还有，Matrix4这个类本身把乘法的操作符重载做了反向的操作，因为调用太多，暂时先不管。对于矩阵乘法就先按照反向的来吧。

深度缓冲区默认值以及默认深度\模板检测函数的修改

修改DepthBuffer.h中ClearDepth的默认值为1.0f（因为在左手坐标系中，z越大代表越远）
修改DepthStateReadWrite的深度比较函数为D3D12_COMPARISON_FUNC_LESS（这里小于等于一般也没什么问题的）

默认PSO采用的光栅化修改

在以前的学习中，我们默认的PSO使用的光栅化参数为Graphics::RasterizerDefault
这里需要反过来，改成逆时针绘制顶点RasterizerDefaultCw（这个顺时针逆时针会影响面的法向量朝向，以确定这个面是正向还是反向，然后来绘制以及做背面剔除）

绘制基础图形（地板、墙、头骨）

这个绘制实际上没有什么好说的。前边已经绘制物体很多次了。
这里主要是修改了一下绘制结构，更向d3d12龙书靠拢了。

因为修改过坐标系，所以这里也重新搞了一下镜头旋转的处理。主要还是更方便的使用吧。
看下绘制基础图形的效果图：
在这里插入图片描述
对应github：
https://github.com/mversace/DirectX12-MiniEngine-Dragon/tree/39fe9e5da4226248f05837363606ade2f87e5ab8

绘制镜中世界

对于镜中世界，实际上就是把会映照到镜中的物体在对称的位置再绘制一次，然后玻璃这做透明混合，其他地方不绘制。
这个透明混合，前边章节做过，换个PSO就可以。而对于其他地方不绘制这就用到了本章的学习内容：模板缓冲
整个绘制流程如下

创建几个PSO对象
1 默认PSO：用于绘制现实世界的地板、墙壁、头骨
2 模板PSO：开启深度测试（仅测试，禁止深度写入，否则这一步的绘制会污染我们的深度数据）、开启模板测试。对于通过了深度测试+模板测试的像素点，在模板缓冲中写入1。这个PSO仅仅绘制镜子。也就是说最终结果就是只有未被挡住的镜子区域的像素位置会写入1，本章仅仅在这里写入了模板缓冲，实际上如果是多次使用，这里之前还需要清空模板缓冲。
3 模板检测绘制PSO：这里使用正常的深度测试+仅仅判断相等的模板测试。只有模板中对应的像素点通过了模板测试，才会绘制。采用的光栅化配置为顺时针（因为镜中世界都是镜像的）这一步仅仅绘制镜中的世界。
渲染流程
1 设置默认PSO。绘制现实世界的地板、墙壁、头骨
2 设置模板PSO，设置模板写入值为1。开始绘制镜子（实际这里并不会绘制镜子，因为这里禁用了深度写入，像素并不会写入渲染缓冲区）。对于未被遮挡的镜子区域（也就是通过了深度+模板测试的区域）设置为1
3 设置模板检测绘制PSO。这里，因为我们的检测值依旧是1，而只有未被遮挡的镜子区域的模板像素才为1。这里只有像素值为1才会通过模板检测。这里绘制镜中世界，也就是只有未被遮挡的镜子区域才会绘制像素到渲染缓冲区
4 恢复模板检测值为0

这就是简单的一个模板使用的流程。
当然了，镜中世界像素全部是镜面反转（本项目中是基于yz面镜像），而因为头骨还可以操作移动，所以这里需要动态的计算镜中物体的实时modelToWorld矩阵，用于把顶点转换到现实世界（也就是我们的镜中世界）。按照龙书中的操作来写就可以。

MiniEngine模板缓冲无效的bug

一顿操作之后，发现并没有生效。
于是我详细对比了龙书代码和本例中PSO的参数，发现都是一致的。
尝试修改模板测试的的一些参数并没有生效。问题应该就是模板缓冲就没有被使用。
继续阅读代码，定位到是这个MiniEngine中的深度缓冲区格式错误。
龙书中说的很清楚，模板缓冲仅支持2种格式。
于是修改了Graphics::g_SceneDepthBuffer的创建格式。发现运行报错。。

而这个报错，网上都搜不到什么信息，官方文档更是没有。查了半天，终于找到了怎么修改。
https://github.com/Microsoft/DirectX-Graphics-Samples/issues/281

在DepthBuffer.cpp的函数CreateDerivedViews中作如下修改：

if (stencilReadFormat != DXGI_FORMAT_UNKNOWN)
{
    if (m_hStencilSRV.ptr == D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS_UNKNOWN)
        m_hStencilSRV = Graphics::AllocateDescriptor(D3D12_DESCRIPTOR_HEAP_TYPE_CBV_SRV_UAV);

    SRVDesc.Format = stencilReadFormat;
    SRVDesc.Texture2D.PlaneSlice = 1;   // 增加这一行
    Device->CreateShaderResourceView( Resource, &SRVDesc, m_hStencilSRV );
}

终于可以运行成功了。效果也对。问题在于，根本不知道这个修改的意义在哪里，而且查不到对应的资料。
对于dx12的学习来说，这种问题很严重。除非过去已经积累了足够的图形学的开发经验，否则靠自己想破脑袋都想不出来怎么改。
这里再次感谢下这位高手的issue，如果没有这个，估计这一章得卡很久。而且大概率会导致弃用MiniEngine或者做大范围修改才行。

万幸！

看下目前的效果：
在这里插入图片描述

绘制透明镜子

这里没什么好说的。写一个透明混合PSO，再绘制一次镜子就可以了。结果如下：
在这里插入图片描述到目前为止的github：
https://github.com/mversace/DirectX12-MiniEngine-Dragon/tree/bf0495b9c7db701811d18e12318655f42a96ca02

绘制现实阴影

龙书中采用的阴影绘制很暴力。因为我以前仅仅知道ShadowMap的方式绘制
龙书中采用的是拿到需要绘制阴影的所有顶点和索引（本例中就是这个头骨），然后根据光源方向，把这些定点全部映射到阴影平面上，然后采用黑色绘制这些顶点。

添加一个影响渲染目标（与头骨一样），通过纹理参数控制为黑色半透明（半透明是防止过于黑）
计算渲染目标的modelToWorld矩阵（用于把顶点映射到阴影平面）
绘制该目标

简单看下效果：
在这里插入图片描述

双重混合？

这个阴影中有些黑点，这是怎么回事？
按照上边的绘制方式，顶点投影到平面绘制，会有一些顶点重叠导致了多次绘制，于是出现了这种效果。这个解决办法也简单
创建一个阴影PSO，开启模板测试。模板初始值设置为0，模板比较函数设置为相等，一个像素点通过了深度+模板测试后为模板中该位置+1，也就是第二次绘制同一个像素时，会无法通过模板测试，于是就不会出现多次渲染了

结果如下：
在这里插入图片描述