Directx11教程(54) 简单的基于GS的billboard实现

本章我们用一个billboard的实现来学习D3D11中的GS。

在VS shader中，我们输入的是顶点位置及顶点属性，输出的也是顶点位置及顶点属性。在GS shader中，我们输入的是体元(primitive，可以是点，线，三角形等等，凡是D3D11中允许的体元都可以使用), 输出顶点、顶点属性，以及体元信息。

如下面两个图，左边对一个三角形做vs操作，则会对三个顶点v1，v2，v3分别执行顶点操作，右图对三角形做gs操作，则整个三角形做为输入，输出则为一个四面体(增加了3个三角形)。

现在我们开始实现一个GS的billboard，原理很简单，用一个点表示billboard面的中心点，用1个参数表示billboard面的宽和高(宽=高)，在gs输入中，我们以点做为primitive输入，宽，高做为顶点属性参数输入，最终生成2个完整的三角形表示billboard，同时也会在gs中生成纹理坐标，以便贴上树的纹理。

我先看看完整的shader 代码，其实只要看懂了shader执行过程，基本上就可以完成编程了，程序中其它代码只是调用一些函数而已：

gstree.vs, vs代码非常简单，输入顶点，输出顶点，不做任何其他操作，好像一个bypass的过程，但是在D3D11中，vs和ps是两个必须有的shader过程。

…

GeometryInputType treeVertexShader(VertexInputType input)
{
GeometryInputType output;

    // 直接把数据传到gs阶段
    output.centerW = input.centerW;
    output.sizeW    = input.sizeW;

return output;
}

gstree.gs中，我们会根据输入的点体元坐标，生成四个点及其纹理坐标，最后生成2个三角形，同时也会求出使得billboard始终面向摄像机的转化矩阵。注意：我们会把点体元的primitive id做为参数传递到ps中去，以便在贴纹理的时候，根据不同的id选择不同的纹理。

这里，maxvertexcount表示一次gs调用最多产生的顶点数。每次gs调用产生顶点数可以不同，但不能超过这个设置的最大值。

GS shader至少包括两个参数，一个是体元输入参数，它可以是point, triangle, line，lineadj，triangleadj等体元类型，它的数据就是一个顶点数组，如果数组中1个顶点，体元是点，2个顶点，体元是线，3个顶点，体元是三角形，4个顶点就是邻接线，6个顶点就是邻接三角形，如下面函数中的point GeometryInputType gIn[1]。

另一个是体元输出参数，它的修饰符是inout，它总是流类型，由一系列的顶点组成，流类型格式可以是TriangleStream，PointStream，LineStream，对于点和线来说，输出的体元总是strip，如果要生成list，则要通过RestartStrip()函数来模拟。

uint primID : SV_PrimitiveID是可选参数，表示输入体元的id。默认情况下，比如有n个三角形，则体元id就是0，…,n-1。

…

[maxvertexcount(4)]
void treeGeometryShader(point GeometryInputType gIn[1], uint primID : SV_PrimitiveID, inout TriangleStream<PixelInputType> triStream)
{

//转化中心点到世界坐标系
gIn[0].centerW = mul(gIn[0].centerW, (float3x3)worldMatrix);

    //得到billboard的四个顶点
    float halfWidth = 0.5f*gIn[0].sizeW.x;
    float halfHeight = 0.5f*gIn[0].sizeW.y;

    float4 v[4];
    v[0] = float4(-halfWidth, -halfHeight, 0.0f, 1.0f);
    v[1] = float4(+halfWidth, -halfHeight, 0.0f, 1.0f);
    v[2] = float4(-halfWidth, +halfHeight, 0.0f, 1.0f);
    v[3] = float4(+halfWidth, +halfHeight, 0.0f, 1.0f);
    //
    // 计算四个顶点的纹理坐标.
    //
    float2 texC[4];
    texC[0] = float2(0.0f, 1.0f);
    texC[1] = float2(1.0f, 1.0f);
    texC[2] = float2(0.0f, 0.0f);
    texC[3] = float2(1.0f, 0.0f);
    //
    // 计算使得billboad面向摄像机的世界矩阵
    //
    float3 up = float3(0.0f, 1.0f, 0.0f);
    float3 look = cameraPosition.xyz - gIn[0].centerW;
    look.y = 0.0f;
    look = normalize(look);
    float3 right = cross(up, look);

    matrix W;
    matrix gViewProj;
    gViewProj = mul(viewMatrix, projectionMatrix);

    W[0] = float4(right,          0.0f);
    W[1] = float4(up,             0.0f);
    W[2] = float4(look,           0.0f);
    W[3] = float4(gIn[0].centerW, 1.0f);
    //float4x4
    matrix WVP = mul(W,gViewProj);

    //
    // 转化顶点到世界坐标系，输出三角形带
    //
    PixelInputType gOut;
    [unroll]
    for(int i = 0; i < 4; ++i)
    {
        gOut.posH     = mul(v[i], WVP);
        gOut.posW     = mul(v[i], W);
        gOut.normalW = look;
        gOut.texC     = texC[i];
        gOut.primID   = primID; //体元id

        triStream.Append(gOut);
    }
}

gstree.ps代码：

float4 treePixelShader(PixelInputType pIn) : SV_Target
{
float4 diffuse = shaderTexture.Sample(SampleType, pIn.texC);

// alpha值小于0.25，放弃该像素
    clip(diffuse.a - 0.25f);

    // 输出纹理颜色

    return diffuse;
}

其它的代码就是增加一个TreeMeshClass,表示树Mesh类，然后就是GSShaderClass，在这个类中，我们会装入gstree.vs，gstree.gs, gstree.ps，并传输const buffer以及相关设置。最后就是在GraphicsClass中，调用GSShaderClass渲染树。

需要注意的是,在其它ShaderClass中，我们要在RenderShader函数中加入下面的代码：

deviceContext->GSSetShader(NULL, NULL, 0);

否则的话，用这些shader类渲染的物体，会使用GSShaderClass指定的gs，从而使得渲染结果出错。

程序执行的结果如下：

完整的代码请参考：

工程文件myTutorialD3D11_48

代码下载：

https://files.cnblogs.com/mikewolf2002/d3d1139-49.zip

https://files.cnblogs.com/mikewolf2002/pictures.zip

在myTutorialD3D11_49中，我们增加很多树，并使用纹理数组做为ps的输入，从而根据体元id号调用不同纹理贴图。

gtree.ps的代码稍微有点不同：

Texture2D shaderTexture[4];
SamplerState SampleType;

struct PixelInputType
{
    float4 posH    : SV_POSITION;
    float3 posW    : POSITION;
    float3 normalW : NORMAL;
    float2 texC    : TEXCOORD;
    uint primID    : SV_PrimitiveID;
};

float4 treePixelShader(PixelInputType pIn) : SV_Target
{
    // 从纹理行列式中得到
    //float3 uvw = float3(pIn.texC, pIn.primID%4);
    //float4 diffuse = gDiffuseMapArray.Sample(SampleType, uvw );
    int i = pIn.primID%4;
    float4 diffuse;
    if(i==0)
       diffuse = shaderTexture[0].Sample(SampleType, pIn.texC);
    else if(i==1)
       diffuse = shaderTexture[1].Sample(SampleType, pIn.texC);
    else if(i==2)
       diffuse = shaderTexture[2].Sample(SampleType, pIn.texC);
    else
       diffuse = shaderTexture[3].Sample(SampleType, pIn.texC);

    // alpha值小于0.25，放弃该像素
    clip(diffuse.a - 0.25f);

    // 输出纹理颜色

    return diffuse;
}

程序执行见面如下：