(转)DirectX下 Viewing Frustum 的详细实现
本文大部分内容翻译自Gil Gribb和Klaus Hartmann合写的《Fast Extraction of Viewing Frustum Planes from the World-View-Projection Matrix》这篇文章，有兴趣的朋友可以搜索看下原文，里面DirectX下和OpenGL下的实现过程都说的很清楚，这里只说DirectX部分。
这里介绍的算法，可以直接从世界、观察以及投影矩阵中计算出Viewing Frustum的六个面。它快速，准确，并且允许我们在相机空间（camera space）、世界空间（world space）或着物体空间（object space）快速确定Frustum planes。
我们先仅仅从投影矩阵（project）开始，也就是假设世界矩阵（world）和观察矩阵（view）都是单位化了的矩阵。这就意味着相机位于世界坐标系下的原点，并且朝向Z轴的正方向。
定义一个顶点v（x y z w=1）和一个4*4的投影矩阵M=m（i,j），然后我们使用该矩阵M对顶点v进行转换，转换后的顶点为v'= (x' y' z' w')，可以写成这样：
转换后，viewing frustum实际上就变成了一个与轴平行的盒子，如果顶点 v' 在这个盒子里，那么转换前的顶点 v 就在转换前的viewing frustum里。在Direct3D下，如果下面的几个不等式都成立的话，那么 v' 就在这个盒子里。
-w' < x' < w'
-w' < y' < w'
0 < z' < w'
可得到如下结论，列在下表里：
现在假设，我们要测试x'是否在左半空间内，根据上表，也就是判断 -w' < x' 是否成立。用我们开始提到的信息，可将不等式写成如下形式：
-( v * col4 ) < ( v * col1 )
即：
0 < ( v * col4 ) + ( v * col1 )
得到最后形式：
0 < v * ( col1 + col4 )
写到这里，其实已经等于描绘出了转换前的viewing frustum的左裁剪面的平面方程：
x * ( m14 + m11 ) + y * ( m24 + m21 ) + z * ( m34 + m31) + w * ( m44 + m41 ) = 0
当W = 1，我们可简单成如下形式：
x * ( m14 + m11 ) + y * ( m24 + m21 ) + z * ( m34 + m31) + ( m44 + m41 ) = 0
这就给出了一个基本平面方程：
ax + by + cz + d = 0
其中，
a = ( m14 + m11 ) , b = ( m24 + m21 ), c = ( m34 + m31) , d = ( m44 + m41 )
ok，到这里左裁剪面就得到了。重复以上几步，可推导出到其他的几个裁剪面，具体见下表：
需要注意的是：最终得到的平面方程都是没有单位化的（平面的法向量不是单位向量），并且法向量指向空间的内部。这就是说，如果要判断 v 在空间内部，那么6个面必须都满足ax + by + cz + d > 0
到目前为止，我们都是假设世界矩阵( world )和观察矩阵( view )都是单位化了的矩阵。但是，本算法并不想受这种条件的限制，而是希望可以在任何条件下都能使用。实际上，这也并不复杂，并且简单得令人难以置信。如果你仔细想一下就会立刻明白了，所以我们不再对此进行详细解释了，下面给出3个结论：
1. 如果矩阵 M 等于投影矩阵 P ( M = P )，那么算法给出的裁剪面是在相机空间（camera space）
2. 如果矩阵 M 等于观察矩阵 V 和投影矩阵 P 的组合( M = V * P )，那么算法给出的裁剪面是在世界空间（world space）
3.如果矩阵 M 等于世界矩阵 W，观察矩阵 V 和投影矩阵 P 的组合( M = W* V * P )，呢么算法给出的裁剪面是在物体空间（object space）
好，到此为止，理论知识就全部说完了，下面给出具体的实现代码：
=============================== Frustum.h ==============================
#ifndef __FrustumH__
#define __FrustumH__
#include < d3dx9.h >
class Frustum
{
public :
Frustum();
~ Frustum();
// Call this every time the camera moves to update the frustum
void CalculateFrustum( D3DXMATRIX ViewMatrix, D3DXMATRIX ProjectMatrix );
// This takes a 3D point and returns TRUE if it's inside of the frustum
bool PointInFrustum( D3DXVECTOR3 Point );
private :
// This holds the A B C and D values for each side of our frustum.
D3DXPLANE FrustumPlane[ 6 ];
} ;
#endif // __FrustumH
============================= Frustum.cpp ============================
#include " Frustum.h "
#include < D3dx9math.h >
enum FrustumSide { RIGHT, LEFT, BOTTOM, TOP, FRONT, BACK } ;
Frustum::Frustum()
{
}
Frustum:: ~ Frustum()
{
}
/**///////////////////////////////// CALCULATE FRUSTUM \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\*
// This extracts our frustum from the projection and view matrix.
//CALCULATE FRUSTUM \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\*
void Frustum::CalculateFrustum( D3DXMATRIX ViewMatrix, D3DXMATRIX ProjectMatrix )
{
D3DXMATRIX ComboMatrix;
D3DXMatrixMultiply( & ComboMatrix, & ViewMatrix, & ProjectMatrix );
// right clipping plane
FrustumPlane[RIGHT].a = ComboMatrix._14 - ComboMatrix._11;
FrustumPlane[RIGHT].b = ComboMatrix._24 - ComboMatrix._21;
FrustumPlane[RIGHT].c = ComboMatrix._34 - ComboMatrix._31;
FrustumPlane[RIGHT].d = ComboMatrix._44 - ComboMatrix._41;
// normalize
D3DXPlaneNormalize( & FrustumPlane[RIGHT], & FrustumPlane[RIGHT] );
// left clipping plane
FrustumPlane[LEFT].a = ComboMatrix._14 + ComboMatrix._11;
FrustumPlane[LEFT].b = ComboMatrix._24 + ComboMatrix._21;
FrustumPlane[LEFT].c = ComboMatrix._34 + ComboMatrix._31;
FrustumPlane[LEFT].d = ComboMatrix._44 + ComboMatrix._41;
// normalize
D3DXPlaneNormalize( & FrustumPlane[LEFT], & FrustumPlane[LEFT] );
// bottom clipping plane
FrustumPlane[BOTTOM].a = ComboMatrix._14 + ComboMatrix._12;
FrustumPlane[BOTTOM].b = ComboMatrix._24 + ComboMatrix._22;
FrustumPlane[BOTTOM].c = ComboMatrix._34 + ComboMatrix._32;
FrustumPlane[BOTTOM].d = ComboMatrix._44 + ComboMatrix._42;
// normalize
D3DXPlaneNormalize( & FrustumPlane[BOTTOM], & FrustumPlane[BOTTOM] );
// top clipping plane
FrustumPlane[TOP].a = ComboMatrix._14 - ComboMatrix._12;
FrustumPlane[TOP].b = ComboMatrix._24 - ComboMatrix._22;
FrustumPlane[TOP].c = ComboMatrix._34 - ComboMatrix._32;
FrustumPlane[TOP].d = ComboMatrix._44 - ComboMatrix._42;
// normalize
D3DXPlaneNormalize( & FrustumPlane[TOP], & FrustumPlane[TOP] );
// near clipping plane
FrustumPlane[FRONT].a = ComboMatrix._14 + ComboMatrix._13;
FrustumPlane[FRONT].b = ComboMatrix._24 + ComboMatrix._23;
FrustumPlane[FRONT].c = ComboMatrix._34 + ComboMatrix._33;
FrustumPlane[FRONT].d = ComboMatrix._44 + ComboMatrix._43;
// normalize
D3DXPlaneNormalize( & FrustumPlane[FRONT], & FrustumPlane[FRONT] );
// far clipping plane
FrustumPlane[BACK].a = ComboMatrix._14 - ComboMatrix._13;
FrustumPlane[BACK].b = ComboMatrix._24 - ComboMatrix._23;
FrustumPlane[BACK].c = ComboMatrix._34 - ComboMatrix._33;
FrustumPlane[BACK].d = ComboMatrix._44 - ComboMatrix._43;
// normalize
D3DXPlaneNormalize( & FrustumPlane[BACK], & FrustumPlane[BACK] );
}
//////////////////////////////// POINT IN FRUSTUM \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\*
// This determines if a point is inside of the frustum
//////////////////////////////// POINT IN FRUSTUM \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\*
bool Frustum::PointInFrustum( D3DXVECTOR3 Point )
{
for ( int i = 0 ; i < 6 ; i ++ )
{
float x = D3DXPlaneDotCoord( & FrustumPlane[i], & Point );
if ( x < 0 )
return false ;
}
// The point was inside of the frustum (In front of ALL the sides of the frustum)
return true ;
}
版权声明：本篇为原创文章，允许转载，但转载时请务必以超链接形式标明文章的原始出处和作者信息。请尊重本人的劳动成果，谢谢！
小祥的BLOG http://xfxsworld.cnblogs.com
