Direct-X学习笔记--变换

比眉伴天荒 2022-08-01 00:24 144阅读 0赞

## 1.顶点格式改动： ##

之前写的几个例子都是2D的例子，使用的顶点格式是已经经过变换的顶点格式。而要写3D程序，我们就必须要用未经过变换的顶点。所以在定义顶点时也要有所改变：

//------------绘制图形步骤1.定义灵活顶点格式
    #define D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZ|D3DFVF_DIFFUSE)//坐标为经过变换的屏幕坐标，顶点的颜色
    
    //------------绘制图形步骤2.根据上面定义的顶点格式，创建一个顶点的结构体
    struct stVertex
    {
    	float x, y, z;		    //位置坐标
    	DWORD dwColor;			//颜色
    };

这里我使用了顶点缓冲区绘图，通过三个顶点绘制了一个三角形，顶点坐标如下：

<span style="white-space:pre">		</span>{-1.0f, -1.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(255, 0, 0)},
    		{ 1.0f, -1.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(0, 255, 0)},
    		{ 0.0f,  1.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 255)}

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打开的时候吓了我一跳。。。好大。。。

## 变换总览： ##

没有经过变换的3D世界，我们只能通过+z方向看。看到的东西也比较单调。要想看到一个比较真实的3D世界，就要通过各种变换了。

常用的变换一共有3种，世界变换，取景变换，投影变换。当然还有一个视口变换，不过个人感觉不需要矩阵操作，只是单纯的显示区域改变，与前面三种变换还是有点差距的。

## WorldTransform（世界变换） ##

世界变换事实上就是将物体顶点从模型空间转换到世界空间中，模型空间其实就是在三维设计软件（如3DSMAX）中为物体设定的坐标系，也称局部坐标系或者本地坐标系。而世界坐标则是所有物体都是用同一个世界坐标原点的坐标系，变换就是指对模型进行平移，旋转，缩放及它们的任意组合变换。

平移：

//平移
    	D3DXMATRIXA16 matWorld;
    	//矩阵平移操作
    	D3DXMatrixTranslation(
    		&matWorld,			//输出矩阵
    		0.0f, 1.0f, 0.0f    //平移的距离，x,y,z
    		);
    	//进行平移变换
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD, &matWorld);

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旋转：

D3DXMATRIXA16 matWorld;
    	//生成绕Y轴旋转矩阵，存储于矩阵中
    	D3DXMatrixRotationY(
    		&matWorld,		        //输出矩阵
    		timeGetTime()/150.0f	//角度
    		);
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD, &matWorld);

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缩放：

//缩放
    	D3DXMATRIXA16 matScaling;
    	//矩阵缩放，存入上面的矩阵中
    	D3DXMatrixScaling(
    		&matScaling,	         //输出矩阵
    		0.5f, 0.5f, 1.0f     //缩放的比例
    		);
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD, &matScaling);

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从这里我们发现，不论是哪种操作，都是预先定义一个矩阵，然后通过一个固定的函数，接受相关参数，生成一个矩阵，存储于我们定义的矩阵中，然后通过SetTransform()方法，将矩阵作为参数，进行相应的变换。

但是如果我们想要同时进行这几种变换要怎么办呢？

答案是将几个矩阵相乘，然后将最终的矩阵SetTransform方法用于变换即可。

通过D3DXMatrixMultiply函数可以计算两个矩阵的乘积。

//矩阵相乘
    	D3DXMATRIXA16 matWorld;
    	D3DXMatrixMultiply(
    		&matWorld,			//结果
    		&matScaling,		//缩放矩阵
    		&matTurn			//旋转矩阵
    		);
    	//将第一次的结果再和平移矩阵相乘
    	D3DXMatrixMultiply(
    		&matWorld,			//结果
    		&matWorld,			//第一次的结果
    		&matMove			//平移矩阵
    		);
    
    	//将结果用于世界变换
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD, &matWorld);

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这里，要进行世界变换一定要按照先缩放，再旋转，最后再平移的顺序。

而且貌似只能进行一次变换，即要将每个变换的矩阵求出来，然后相乘之后得到结果，将结果用于世界变换操作。

当然还有一种更简单的乘法操作， DX为我们提供了矩阵关于\*的操作符重载，即我们可以直接用\*进行乘法操作，而不需要繁琐的API了：

//上面的一大段乘法代码可以用这一句替换。。。
    matWorld = matScaling * matTurn * matMove;

## ViewTransform （取景变换） ##

世界变换使一个物体从自身坐标系进入到了世界坐标系，并且可以进行缩放，平移和旋转。但是我们看的方向还是固定的。我们可以通过取景变换，改变观察点位置以及摄像机的位置，使我们换个角度看世界。

取景变换主要涉及三个参数：

1.摄像机位置：我们观察这个世界的位置。

2.观察点位置：我们要观察的点。

3.摄像机上向量：通常为（0.0f, 1.0f, 0.0f）。

然后定义一个矩阵，通过D3DXMatrixLookAtLH函数生成取景变换的矩阵。最后通过SetTransform方法进行取景变换。

//ViewTransform：取景变换
    
    	D3DXVECTOR3 vEyePt(0.0f, 0.0f, -5.0f);		//摄像机世界坐标
    	D3DXVECTOR3 vLookatPt(0.0f, 0.0f, 0.0f);	//观察点世界坐标
    	D3DXVECTOR3 vUpVec(0.0f, 1.0f, 0.0f);		//摄像机的上向量，通常为（0.0f, 1.0f, 0.0f）
    	D3DXMATRIXA16 matView;						//View变换的矩阵
    	//根据上面的结果计算出矩阵，存入矩阵中
    	D3DXMatrixLookAtLH(&matView, &vEyePt, &vLookatPt, &vUpVec);
    	//进行取景变换
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW, &matView);

这样，我们就可以换一个角度看我们的3D世界了。

## ProjectionTransform （投影变换） ##

上面的取景变换，改变了摄像机的位置以及观察点。但是为了将3D物体显示到2D屏幕上，还是需要经过投影变换。

投影窗口是一个二维平面，用于描述三维物体模型经过透视投影后的二维图像，在Direct3D中投影窗口平面默认定义为z=1的平面。

虚拟摄像机与投影窗口平面共同构成了一个对观察者可见的三维空间。在3D图形学中这部分空间被称作视截体（View Frustum），位于视截体内的物体模型被映射到二维投影投影平面上，而位于视截体外的物体模型或者其中一部分将不可见，这个过程我们称作裁剪。

![Center 5][]

这里DX也给我们提供好了一个函数D3DXMatrixPerspectiveFovLH，我们只需要填充这个函数，就可以生成一个投影变换的矩阵，再通过SetTransform函数进行投影变换即可。

D3DXMATRIXA16 matProj;					//投影变换矩阵
    	//生成投影变换矩阵，存入上面的矩阵中
    	D3DXMatrixPerspectiveFovLH(
    		&matProj,	     //输出结果矩阵
    		D3DX_PI / 4,	     //视域角度，一般为PI/4
    		1.0f,	             //显示屏的长宽比
    		1.0f,			 //视截体中近截面距离摄像机的位置
    		100.0f			 //视截体中远截面距离摄像机的位置
    		);
    	//进行投影变换
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProj);

ViewportTransform（视口变换）

这个最简单！所谓视口，就是我们在窗口中看世界的一个矩形区域。只需要填充一个结构体，然后通过SetViewPort方法就可以设置视口。

//ViewportTransform:视口变换
    	D3DVIEWPORT9 vp = {
    		0,			    //视口的左上角X坐标
    		0,				//视口的左上角Y坐标
    		800,			//视口的宽度
    		500,			//视口的高度
    		0,			    //深度缓存中的最小深度值
    		1				//深度缓存中的最大深度值
    	};
    	g_pDevice->SetViewport(&vp);

这样就修改了我们的视口。

## 完整的Demo ##

学会了这几种基本的变换，综合运用一下。这里我画了一个三角形，使其绕着Y轴旋转。并改变了视口以及视角。

// D3DDemo.cpp : 定义应用程序的入口点。
    //
    
    #include "stdafx.h"
    #include "D3DDemo.h"
    
    #define MAX_LOADSTRING 100
    
    // 全局变量:
    HINSTANCE hInst;								// 当前实例
    TCHAR szTitle[MAX_LOADSTRING];					// 标题栏文本
    TCHAR szWindowClass[MAX_LOADSTRING];			// 主窗口类名
    
    // 此代码模块中包含的函数的前向声明:
    HWND                g_hWnd;
    ATOM				MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance);
    BOOL				InitInstance(HINSTANCE, int);
    LRESULT CALLBACK	WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);
    
    //---------改造3D窗口需要的内容------------
    LPDIRECT3D9 g_pD3D = NULL; //D3D接口指针
    LPDIRECT3DDEVICE9 g_pDevice = NULL;//D3D设备指针
    
    
    //------------绘制图形步骤1.定义灵活顶点格式
    #define D3DFVF_CUSTOMVERTEX (D3DFVF_XYZ|D3DFVF_DIFFUSE)//坐标为经过变换的屏幕坐标，顶点的颜色
    
    //------------绘制图形步骤2.根据上面定义的顶点格式，创建一个顶点的结构体
    struct stVertex
    {
    	float x, y, z;		    //位置坐标
    	DWORD dwColor;			//颜色
    };
    
    //----------绘制图形步骤3.声明一个顶点缓冲区指针&一个索引缓冲区指针
    LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 g_pVB = NULL;
    
    //初始化顶点缓冲区
    void initVB()
    {
    	//----------绘制图形步骤4.定义一个结构体数组用来给每个顶点赋值
    	//数组中存储当前程序中顶点的数据
    
    	
    	stVertex vertex[] = 
    	{
    		{-1.0f, -1.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(255, 0, 0)},
    		{ 1.0f, -1.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(0, 255, 0)},
    		{ 0.0f,  1.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 255)}
    	};
    
    
    	//----------绘制图形步骤5.为定点缓冲区分配内存，并将数组中的顶点值拷贝到顶点缓冲区中
    	//通过设备指针来创建顶点缓冲区，用来存储顶点数据
    	g_pDevice->CreateVertexBuffer(
    		sizeof(vertex),					//顶点缓冲区大小
    		D3DUSAGE_WRITEONLY,				//顶点缓冲区作用
    		D3DFVF_CUSTOMVERTEX,			//通知系统顶点格式
    		D3DPOOL_MANAGED,				//顶点缓冲区存储位置，此处表示由系统处理
    		&g_pVB,							//返回顶点缓冲区指针
    		NULL							//系统保留参数，NULL
    		);
    
    	void* pVertices = NULL;
    
    	//锁定顶点缓冲区，向其中拷贝数据
    	g_pVB->Lock(
    		0,								//锁定的偏移量
    		sizeof(vertex),					//锁定的大小
    		&pVertices,						//锁定之后存储空间
    		0								//锁定的标识，0
    		);
    
    	//将数组中的内容拷贝到缓冲区中
    	memcpy(pVertices, vertex, sizeof(vertex));
    
    	//解锁
    	g_pVB->Unlock();
    
    }
    
    void onCreatD3D()
    {
    	g_pD3D = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);
    	if (!g_pD3D)
    		return;
    
    	//检测硬件设备能力的方法
    	/*D3DCAPS9 caps;
    	ZeroMemory(&caps, sizeof(caps));
    	g_pD3D->GetDeviceCaps(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, &caps);*/
    
    	//获得相关信息，屏幕大小，像素点属性
    	D3DDISPLAYMODE d3ddm;
    	ZeroMemory(&d3ddm, sizeof(d3ddm));
    
    	g_pD3D->GetAdapterDisplayMode(D3DADAPTER_DEFAULT, &d3ddm);
    
    
    	//设置全屏模式
    	D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
    	ZeroMemory(&d3dpp, sizeof(d3dpp));
    	/*d3dpp.Windowed = false;
    	d3dpp.BackBufferWidth = d3ddm.Width;
    	d3dpp.BackBufferHeight = d3ddm.Height;*/
    
    	d3dpp.Windowed = true;
    	d3dpp.BackBufferFormat = d3ddm.Format;
    	d3dpp.BackBufferCount = 1;
    
    	d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;//交换后原缓冲区数据丢弃
    
    	//是否开启自动深度模板缓冲
    	d3dpp.EnableAutoDepthStencil = true;
    	//当前自动深度模板缓冲的格式
    	d3dpp.AutoDepthStencilFormat = D3DFMT_D16;//每个像素点有16位的存储空间，存储离摄像机的距离
    	
    
    	g_pD3D->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, g_hWnd, D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &g_pDevice);
    
    	if (!g_pDevice)
    		return;
    
    	//设置渲染状态，设置启用深度值
    	g_pDevice->SetRenderState(D3DRS_ZENABLE, true);
    
    	//设置渲染状态，关闭灯光
    	g_pDevice->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, false);
    
    	//设置渲染状态，裁剪模式
    	g_pDevice->SetRenderState(D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_NONE);
    
    	//g_pDevice->SetRenderState(D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_NONE) ;
    
    }
    
    
    void Transform()
    {
    	//WorldTransform:世界变换
    	D3DXMATRIXA16 matWorld;
    	//生成绕Y轴旋转矩阵，存储于矩阵中
    	D3DXMatrixRotationY(
    		&matWorld,		        //输出矩阵
    		timeGetTime()/150.0f	//角度
    		);
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD, &matWorld);
    	
    	
    	//ViewTransform：取景变换
    
    	D3DXVECTOR3 vEyePt(0.0f, 0.0f, -5.0f);		//摄像机世界坐标
    	D3DXVECTOR3 vLookatPt(0.0f, 0.0f, 0.0f);	//观察点世界坐标
    	D3DXVECTOR3 vUpVec(0.0f, 1.0f, 0.0f);		//摄像机的上向量，通常为（0.0f, 1.0f, 0.0f）
    	D3DXMATRIXA16 matView;						//View变换的矩阵
    	//根据上面的结果计算出矩阵，存入矩阵中
    	D3DXMatrixLookAtLH(&matView, &vEyePt, &vLookatPt, &vUpVec);
    	//进行取景变换
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW, &matView);
    
    	//ProjectionTransform：投影变换
    
    	D3DXMATRIXA16 matProj;					//投影变换矩阵
    	//生成投影变换矩阵，存入上面的矩阵中
    	D3DXMatrixPerspectiveFovLH(
    		&matProj,	     //输出结果矩阵
    		D3DX_PI / 4,	 //视域角度，一般为PI/4
    		1.0f,			 //显示屏的长宽比
    		1.0f,			 //视截体中近截面距离摄像机的位置
    		100.0f			 //视截体中远截面距离摄像机的位置
    		);
    	//进行投影变换
    	g_pDevice->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProj);
    
    	//ViewportTransform:视口变换
    	D3DVIEWPORT9 vp = {
    		0,			    //视口的左上角X坐标
    		0,				//视口的左上角Y坐标
    		800,			//视口的宽度
    		500,			//视口的高度
    		0,			    //深度缓存中的最小深度值
    		1				//深度缓存中的最大深度值
    	};
    	g_pDevice->SetViewport(&vp);
    }
    
    void onInit()
    {
    	//初始化D3D
    	onCreatD3D();
    
    	//初始化顶点缓冲区
    	initVB();
    
    
    
    }
    
    void onDestroy()
    {
    	if (!g_pDevice)
    		g_pDevice->Release();
    	g_pDevice = NULL;
    }
    
    void onLogic(float fElapsedTime)
    {
    	
    }
    
    void onRender(float fElasedTime)
    {
    	//前两个参数是0和NULL时，清空整个游戏窗口的内容（清的是后台）
    	//第三个是清除的对象：前面表示清除颜色缓冲区，后面表示清除深度缓冲区,D3DCLEAR_STENCIL清空模板缓冲区
    	g_pDevice->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET|D3DCLEAR_ZBUFFER, D3DCOLOR_XRGB(0,100,100), 1.0f, 0);
    
    	g_pDevice->BeginScene();
    
    	Transform();
    	
    	//----------绘制图形步骤6.设置数据源，设置灵活顶点格式，绘制图元
    
    		//设置数据流来源
    	g_pDevice->SetStreamSource(
    		0,						//数据流管道号（0-15）
    		g_pVB,					//数据来源
    		0,						//数据流偏移量
    		sizeof(stVertex)		//每个数据的字节数大小
    		);
    
    		//通知系统数据格式，以便解析数据
    	g_pDevice->SetFVF(D3DFVF_CUSTOMVERTEX);
    
    	//绘制图元 
    	g_pDevice->DrawPrimitive(
    		D3DPT_TRIANGLELIST,     //三角形列
    		0,						//起始点编号
    		1						//图元数量
    		);
    
    
    	g_pDevice->EndScene();
    
    
    	g_pDevice->Present(NULL, NULL, NULL, NULL);
    }
    
    
    int APIENTRY _tWinMain(_In_ HINSTANCE hInstance,
                         _In_opt_ HINSTANCE hPrevInstance,
                         _In_ LPTSTR    lpCmdLine,
                         _In_ int       nCmdShow)
    {
    	UNREFERENCED_PARAMETER(hPrevInstance);
    	UNREFERENCED_PARAMETER(lpCmdLine);
    
     	// TODO: 在此放置代码。
    	MSG msg;
    	HACCEL hAccelTable;
    
    	// 初始化全局字符串
    	LoadString(hInstance, IDS_APP_TITLE, szTitle, MAX_LOADSTRING);
    	LoadString(hInstance, IDC_D3DDEMO, szWindowClass, MAX_LOADSTRING);
    	MyRegisterClass(hInstance);
    
    	// 执行应用程序初始化:
    	if (!InitInstance (hInstance, nCmdShow))
    	{
    		return FALSE;
    	}
    
    	hAccelTable = LoadAccelerators(hInstance, MAKEINTRESOURCE(IDC_D3DDEMO));
    
    	
    
    	ZeroMemory(&msg, sizeof(msg));
    	while (msg.message != WM_QUIT)
    	{
    		if (PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE))
    		{
    			TranslateMessage(&msg);
    			DispatchMessage(&msg);
    		}
    		else
    		{
    			static DWORD dwTime = timeGetTime();
    			DWORD dwCurrentTime = timeGetTime();
    			DWORD dwElapsedTime = dwCurrentTime - dwTime;
    			float fElapsedTime = dwElapsedTime * 0.001f;
    
    			//------------渲染和逻辑部分代码----------
    			onLogic(fElapsedTime);
    			onRender(fElapsedTime);
    			//-----------------------------------------
    			if (dwElapsedTime < 1000 / 60)
    			{
    				Sleep(1000/ 60 - dwElapsedTime);
    			}
    			dwTime = dwCurrentTime;
    		}
    	}
    
    	onDestroy();
    	return (int) msg.wParam;
    }
    
    
    
    //
    //  函数: MyRegisterClass()
    //
    //  目的: 注册窗口类。
    //
    ATOM MyRegisterClass(HINSTANCE hInstance)
    {
    	WNDCLASSEX wcex;
    
    	wcex.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
    
    	wcex.style			= CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
    	wcex.lpfnWndProc	= WndProc;
    	wcex.cbClsExtra		= 0;
    	wcex.cbWndExtra		= 0;
    	wcex.hInstance		= hInstance;
    	wcex.hIcon			= LoadIcon(hInstance, MAKEINTRESOURCE(IDI_D3DDEMO));
    	wcex.hCursor		= LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
    	wcex.hbrBackground	= (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1);
    	wcex.lpszMenuName	= MAKEINTRESOURCE(IDC_D3DDEMO);
    	wcex.lpszClassName	= szWindowClass;
    	wcex.hIconSm		= LoadIcon(wcex.hInstance, MAKEINTRESOURCE(IDI_SMALL));
    
    	return RegisterClassEx(&wcex);
    }
    
    //
    //   函数: InitInstance(HINSTANCE, int)
    //
    //   目的: 保存实例句柄并创建主窗口
    //
    //   注释:
    //
    //        在此函数中，我们在全局变量中保存实例句柄并
    //        创建和显示主程序窗口。
    //
    BOOL InitInstance(HINSTANCE hInstance, int nCmdShow)
    {
    
       hInst = hInstance; // 将实例句柄存储在全局变量中
    
       g_hWnd = CreateWindow(szWindowClass, szTitle, WS_OVERLAPPEDWINDOW,
          CW_USEDEFAULT, 0, CW_USEDEFAULT, 0, NULL, NULL, hInstance, NULL);
    
       if (!g_hWnd)
       {
          return FALSE;
       }
    
     
    
       SetMenu(g_hWnd, NULL);
       ShowWindow(g_hWnd, nCmdShow);
       UpdateWindow(g_hWnd);
    
       onInit();
    
       return TRUE;
    }
    
    //
    //  函数: WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM)
    //
    //  目的: 处理主窗口的消息。
    //
    //  WM_COMMAND	- 处理应用程序菜单
    //  WM_PAINT	- 绘制主窗口
    //  WM_DESTROY	- 发送退出消息并返回
    //
    //
    LRESULT CALLBACK WndProc(HWND g_hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
    {
    	switch (message)
    	{
    	case WM_KEYDOWN:
    		if (wParam == VK_ESCAPE)
    			PostQuitMessage(0);
    		break;
    	case WM_CLOSE:
    		DestroyWindow(g_hWnd);
    		break;
    	case WM_DESTROY:
    		PostQuitMessage(0);
    		break;
    	default:
    		return DefWindowProc(g_hWnd, message, wParam, lParam);
    	}
    	return 0;
    }

![Center 6][]

![Center 7][]

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[Center 1]: /images/20220801/9c79047402214308b067bcf1f127832a.png
[Center 2]: /images/20220801/d8c0b0b3de7045d49cc9e986811f4953.png
[Center 3]: /images/20220801/296e7a5697d44ced83a0a5009a98b182.png
[Center 4]: /images/20220801/17a9f87b2e434933ae898645db1bfa74.png
[Center 5]: /images/20220801/acbbc54723af46baa18c6c7dcc9c193b.png
[Center 6]: /images/20220801/8deb191fccb34542b6f26b294044e41e.png
[Center 7]: /images/20220801/578cee2b3fcf4231aa3f17613c636a52.png