3D流水线

 

渲染流水线

        对于Direct3D，上述过程通常被认为是一个渲染流水线。

        未经转换和照明的顶点从一端进入，在内部这些顶点将完成几个连续操作。然后，经过转换和照明处理的顶点从另一端出来。

 

        渲染流水线的大部分过程都是在进行坐标转换 ,将顶点从一个坐标系转换到别的坐标系。

 

        在使用Direct3D来进行转换时，用户只需要提供描述系统转换的完整转换矩阵，通过IDirect3DDevice->SetTransform方法来实现相应的变换。

 

HRESULT SetTransform(

           D3DTRANSFORMSTATETYPE State, //变换的类型

           CONST D3DMATRIX *pMatrix  //进行变换的变换矩阵);

 

 

世界变换

 

渲染流水线的第一步是将物体从本地坐标系转换到世界空间，这一过程称为世界变换。

       它的作用是:  把独立的物体放在一个统一的坐标系内，组合成一个完整的场景。在世界变换中主要完成的是对模型的转换，包括旋转、缩放、平移等。

       设置世界变换的函数如下：

  

g_pD3Ddevice->SetTransform(

                                 D3DTS_WORLD, &matWorld);

g_pD3DDevice为有效的Direct3D设备指针

matWorld代表一个变换矩阵。

 

 

视图变换

  

把物体转换到世界空间后，接下来就需要确定视图空间，这个过程称为视图变换。

 

      首先我们需要确定虚拟摄像机的属性。在Direct3D中，关于虚拟摄像机的属性主要包括：摄像机位置、摄像机的朝向和摄像机的正方向，分别用向量表示。可以从以下函数生成视图变换的矩阵。     

 

D3DXMATRIX *D3DXMatrixLookAtLH(         

          D3DXMATRIX *pOut,         //输出用于视图变换的矩阵

          CONST D3DXVECTOR3 *pEye,    //摄像机的位置

          CONST D3DXVECTOR3 *pAt,       //摄像机朝向的位置

          CONST D3DXVECTOR3 *pUp       //摄像机的正方向

      );

 

 

接下来，使用下面的函数来设置视图变换。

 

g_pD3DDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW, &matView);

g_pD3DDevice为有效的Direct3D设备指针

matWorld代表一个视图变换矩阵

  

投影变换

 

把摄像机观察到的三维景像显示在二维的平面上，这种三维到二维的变换就是投影变换。实际应用中，主要的投影变换有两种类型：

Ø正交投影

Ø    透视投影

 

  

1.  正交投影

     

       在正交投影中，投影向量与观察平面垂直，物体坐标沿观察坐标系的z轴平行投影到观察平面上，观察点和观察平面的距离不影响物体的大小。    

  

可以使用下面的函数来得到正交投影的变换矩阵:

  

D3DXMATRIX *D3DXMatrixOrthoLH(         

         D3DXMATRIX *pOut, //输出用于正交投影的变换矩阵

         FLOAT w, //取景体宽度

         FLOAT h, //取景体高度

         FLOAT zn, //取景体离摄像机的最近距离

         FLOAT zf //取景体离摄像机的最远距离

      );

  

2.  透视投影

 

       透视投影的特点:是越远的物体在投影平面上的成像越小，这样生成的投影图更加具有纵深感。

 

      透视投影的观察范围是一个平截台体。平截台体是指一个去除了尖头的锥体。在计算机图形学中，观察平截面的概念是，锥体的尖头位于虚拟摄像机的位置，而摄像机指向该锥体的底部，将锥体的四个侧面向屏幕的四边投影，并切除远近裁剪平面位置的锥体的前后部分。得到的观察平截面代表摄影空间在渲染场景中的可见部分。实际应用中，如果我们要实现一个三维的场景，则我们通常使用透视投影。

  

下面的函数用于定义透视变换的矩阵：

 D3DXMATRIX *D3DXMatrixPerspectiveFovLH(         

        D3DXMATRIX *pOut, //输出用于透视投影的变换矩阵

          FLOAT fovY, //摄像机镜头的夹角（在y轴上的成像角度）

          FLOAT Aspect, //平截台体的纵横比

          FLOAT zn, //近平截面的距离

          FLOAT zf //远平截面的距离

   );

  

顶点从均匀转化为非均匀：

 

Ø在顶点坐标信息里除顶点位置信息外再加一个W分量坐标,设定其初始值为1.0。

Ø在顶点通过T&L流水线中的多个矩阵传送时，w坐标将改变它的值。w值不为1.0的顶点是均匀的。当转换换结束时，就需要把顶点恢复为不均匀的形式，这是通过x、y和z坐标除以w完成的。w坐标的倒数也被存储起来。这个过程非常必要，因为光栅处理程序需要得到以非均匀x、y和z坐标以及均匀w的倒数值（reciprocal－of－homogeneous－w, RHW）表示的顶点。

 

 

视口变换

  

空间变换的最后一步是通过定义屏幕显示区域的实际宽、高等参数，将顶点从投影坐标转换为最终显示的以像素为单位的屏幕坐标。

  

在Direct3D中定义的视口结构：

 

typedef struct _D3DVIEWPORT9 {

          DWORD X; //视口区域的左上角x坐标

          DWORD Y; //视口区域的左上角y坐标

          DWORD Width; //视口区域的宽度

          DWORD Height; //视口区域的高度

          float MinZ;   //视口内景物的最小深度值，0-1.0之间，通常为0

          float MaxZ;   //视口内景物的最大深度值，0-1.0之间，通常为1

      } D3DVIEWPORT9;

  

通常情况下，参数MinZ和MaxZ被设为0和1.0f，即取景范围的最近和最远距离，表示在投影取景范围内，顶点只要满足了x∈（-1.0f , 1.0f）、y∈（-1.0f , 1.0f）和z∈（0.0f , 1.0f），就能通过裁剪，予以显示。

  

SetViewport（）相当于把投影空间的顶点P（x，y，z）乘以以下变换矩阵：

 

 

 

经过转换后，顶点P的屏幕二维坐标x’，y’为：

      x， ＝ x × Width/2 ＋ X ＋ Width/2

      y， ＝ y × Height/2 ＋ Y ＋ Height/2

      z’值为：

      z， ＝ z × （MaxZ － MinZ） ＋ MinZ

  

光栅化

经过视口变换，我们获得了一系列2D三角形。光栅化阶段被用于在描绘三角形时，计算每个像素的颜色值。

  

光栅化过程需要进行大量计算，并通常由特定的图像硬件来完成。光栅化的结果时一个2D图像，将被显示在屏幕上。