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D3D中的光照（1）

為了提高場景的真實性，我們可以為其加入燈光。燈光也能幫助表現(xiàn)物體的立體感以及物體的實體形狀。當(dāng)使用燈光時，我們不再自己指定頂點的顏色；Direct3D中每個頂點都通過燈光引擎來計算頂點顏色，該計算是基于定義的燈光資源，材質(zhì)以及燈光資源關(guān)心的表面方向。通過燈光模型計算頂點顏色會得到更真實的場景。

5.1燈光的組成

在Direct3D燈光模型中，燈光是通過燈光資源的三個成員之一來照射的，即有三種燈光。

環(huán)境光（Ambient Light）——這種類型的燈光將被其他所有表面反射且被用在照亮整個場景。例如，物體的各部分都被照亮，對于一個角度，甚至穿過不在光源直接照射的地方他們都能被照亮。環(huán)境光的使用是粗略的，便宜的，它模仿反射光。

漫反射（Diffuse Reflection）——這種燈光按照特殊方向傳播。當(dāng)它照射到一個表面，它將在所有方向上均勻的反射。因為漫射光在所有方向上都均勻的反射，被反射的光線將到達眼睛而與觀察點無關(guān)，因此我們不必為觀察者考慮。因而，漫射光僅僅需要考慮燈光方向和表面的朝向。這種燈光將成為你的資源中照射的普通燈光。

鏡面反射（Specular Reflection）——這種燈光按照特殊方向傳播。當(dāng)它照射到一個表面時，它嚴(yán)格地按照一個方向反射。這將產(chǎn)生一個明亮的光澤，它能在某角度被看見。因為這種燈光在一個方向反射。明顯的觀察點，必須考慮燈光的方向和表面朝向，且必須按照鏡面燈光等式來考慮。鏡面燈光被用在物體上產(chǎn)生高光的地方，這種光澤只有在燈光照射在磨光的表面上才會產(chǎn)生。

鏡面光比其他燈光類型要求更多的計算；因此，Direct3D提供了一個開關(guān)選擇。實際上，它默認(rèn)是被關(guān)閉的；要使用鏡面光你必須設(shè)置D3DRS_SPECULARENABLE渲染狀態(tài)。

Device->SetRenderState(D3DRS_SPECULARENABLE, true);

每一種燈光都是通過D3DCOLORVALUE結(jié)構(gòu)或者描述燈光顏色的D3DXCOLOR來描繪的。這里有幾個燈光顏色的例子：

D3DXCOLOR redAmbient(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

D3DXCOLOR blueDiffuse(0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);

D3DXCOLOR whiteSpecular(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);

注意：在D3DXCOLOR類中的alpha值用在描述燈光顏色時是被忽略的。

5.2材質(zhì)

在現(xiàn)實世界中我們看到的物體顏色將由物體反射回來的燈光顏色來決定。比如，一個紅色的球是紅色的，因為它吸收所有的燈光顏色除了紅色光。紅色光是被球反射回來進入我們眼睛的，因此我們看到的球是紅色的。Direct3D通過我們定義的物體材質(zhì)來模擬這些所有的現(xiàn)象。材質(zhì)允許我們定義表面反射燈光的百分比。在代碼中通過D3DMATERIAL9結(jié)構(gòu)描述一個材質(zhì)。

typedef struct _D3DMATERIAL9 {

D3DCOLORVALUE Diffuse, Ambient, Specular, Emissive;

float Power;

} D3DMATERIAL9;

Diffuse——指定此表面反射的漫射光數(shù)量。

Ambient——指定此表面反射的環(huán)境光數(shù)量。

Specular——指定此表面反射的鏡面光數(shù)量

Emissive——這個是被用來給表面添加顏色，它使得物體看起來就象是它自己發(fā)出的光一樣。

Power——指定銳利的鏡面高光；它的值是高光的銳利值。

舉例，想得到一個紅色的球。我們將定義球的材質(zhì)來只反射紅光吸收其他顏色的所有光：

D3DMATERIAL9 red;

::ZeroMemory(&red, sizeof(red));

red.Diffuse = D3DXCOLOR(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f); // red

red.Ambient = D3DXCOLOR(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f); // red

red.Specular = D3DXCOLOR(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f); // red

red.Emissive = D3DXCOLOR(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f); // no emission

red.Power = 5.0f;

這里我們設(shè)置綠色和藍(lán)色的值為0，這表明材質(zhì)反射0%此顏色的光。我們設(shè)置紅色為1，表示材質(zhì)反射100%的紅光。注意，我們能夠控制每種燈光反射的顏色（環(huán)境、漫射和鏡面光）。

同樣假如我們定義一個只發(fā)出藍(lán)色光的光源，對球的光照將失敗因為藍(lán)色光將被全部吸收而沒有紅光被反射。當(dāng)物體吸收了所有光以后，物體看起來就為黑色。同樣的，當(dāng)物體反射100%的紅、綠和藍(lán)光，物體就將呈現(xiàn)為白色。

因為手工填充一個材質(zhì)結(jié)構(gòu)將是乏味的工作，我們添加下列有用的函數(shù)和全局材質(zhì)常數(shù)到d3dUtility.h/cpp文件中：

// lights
D3DLIGHT9 init_directional_light(D3DXVECTOR3* direction, D3DXCOLOR* color);
D3DLIGHT9 init_point_light(D3DXVECTOR3* position, D3DXCOLOR* color);
D3DLIGHT9 init_spot_light(D3DXVECTOR3* position, D3DXVECTOR3* direction, D3DXCOLOR* color);

// materials
D3DMATERIAL9 init_material(D3DXCOLOR ambient, D3DXCOLOR diffuse, D3DXCOLOR specular,
                           D3DXCOLOR emissive, float power);

const D3DMATERIAL9 WHITE_MATERIAL  = init_material(WHITE,  WHITE,  WHITE,  BLACK, 2.0f);
const D3DMATERIAL9 RED_MATERIAL       = init_material(RED,       RED,       RED,    BLACK, 2.0f);
const D3DMATERIAL9 GREEN_MATERIAL  = init_material(GREEN,  GREEN,  GREEN,  BLACK, 2.0f);
const D3DMATERIAL9 BLUE_MATERIAL   = init_material(BLUE,   BLUE,   BLUE,   BLACK, 2.0f);
const D3DMATERIAL9 YELLOW_MATERIAL = init_material(YELLOW, YELLOW, YELLOW, BLACK, 2.0f);

D3DLIGHT9 init_directional_light(D3DXVECTOR3* direction, D3DXCOLOR* color)
{
    D3DLIGHT9 light;
    ZeroMemory(&light, sizeof(light));

    light.Type        = D3DLIGHT_DIRECTIONAL;
    light.Ambient    = *color * 0.6f;
    light.Diffuse    = *color;
    light.Specular    = *color * 0.6f;
    light.Direction = *direction;

    return light;
}

D3DLIGHT9 init_point_light(D3DXVECTOR3* position, D3DXCOLOR* color)
{
    D3DLIGHT9 light;
    ZeroMemory(&light, sizeof(light));

    light.Type            = D3DLIGHT_POINT;
    light.Ambient        = *color * 0.6f;
    light.Diffuse        = *color;
    light.Specular        = *color * 0.6f;
    light.Position        = *position;
    light.Range            = 1000.0f;
    light.Falloff        = 1.0f;
    light.Attenuation0    = 1.0f;
    light.Attenuation1    = 0.0f;
    light.Attenuation2    = 0.0f;

    return light;
}

D3DLIGHT9 init_spot_light(D3DXVECTOR3* position, D3DXVECTOR3* direction, D3DXCOLOR* color)
{
    D3DLIGHT9 light;
    ZeroMemory(&light, sizeof(light));

    light.Type            = D3DLIGHT_SPOT;
    light.Ambient        = *color * 0.6f;
    light.Diffuse        = *color;
    light.Specular        = *color * 0.6f;
    light.Position        = *position;
    light.Direction        = *direction;
    light.Range            = 1000.0f;
    light.Falloff        = 1.0f;
    light.Attenuation0    = 1.0f;
    light.Attenuation1    = 0.0f;
    light.Attenuation2    = 0.0f;
    light.Theta            = 0.4f;
    light.Phi            = 0.9f;

    return light;
}

D3DMATERIAL9 init_material(D3DXCOLOR ambient, D3DXCOLOR diffuse, D3DXCOLOR specular,
                           D3DXCOLOR emissive, float power)
{
    D3DMATERIAL9 material;

    material.Ambient  = ambient;
    material.Diffuse  = diffuse;
    material.Specular = specular;
    material.Emissive = emissive;
    material.Power      = power;

    return material;
}

頂點結(jié)構(gòu)沒有材質(zhì)屬性；一個通用的材質(zhì)必須被設(shè)置。設(shè)置它我們使用IDirect3DDevice9::SetMaterial(CONST D3DMATERIAL9*pMaterial)方法。

假設(shè)我們想渲染幾個不同材質(zhì)的物體；我們將按照如下的寫法去做：

D3DMATERIAL9 blueMaterial, redMaterial;

// set up material structures

Device->SetMaterial(&blueMaterial);

drawSphere(); // blue sphere

Device->SetMaterial(&redMaterial);

drawSphere(); // red sphere

5.3頂點法線

面法線（face normal）是描述多邊形表面方向的一個向量（如圖5.1）。

頂點法線（Vertex normals）也是基于同樣的概念，但是我們與其指定每個多邊形的法線，還不如為每個頂點指定（如圖5.2）。

Direct3D需要知道頂點法線以便它能夠確定燈光照射到物體表面的角度，并且一旦計算了每個頂點的燈光，Direct3D需要知道每個頂點的表面方向。注意頂點法線不一定和面法線相同。球體/環(huán)形物就是很好的實物例子，它們的頂點法線和三角形法線是不相同的（如圖5.3）。

為了描述頂點的頂點法線，我們必須更新原來的頂點結(jié)構(gòu)：：

class cLightVertex
{
public:
    float m_x, m_y, m_z;
    float m_nx, m_ny, m_nz;

    cLightVertex() {}

    cLightVertex(float x, float y, float z, float nx, float ny, float nz)
    {
        m_x  = x;    m_y  = y;    m_z  = z;
        m_nx = nx;    m_ny = ny;    m_nz = nz;
    }
};

const DWORD LIGHT_VERTEX_FVF = D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL;

作為一個簡單的物體比如立方體和球體，我們能夠通過觀察看見頂點法線。對于更多復(fù)雜的網(wǎng)格，我們需要一個更多的機械方法。假設(shè)一個由p0,p1,p2構(gòu)成的三角形，我們需要計算每個頂點的法線n0,n1,n2。

簡單的步驟，我們列舉它是為了找到由三個點構(gòu)成的三角形的面法線，同時使用面法線作為頂點法線。首先計算三角形上的兩個向量：

p₁ – p₀ = u
p₂ – p₀ = v

Then the face normal is:

n = u × v

Since each vertex normal is the same as the face normal:

n₀ = n₁ = n₂ = n

下面是一個C函數(shù)，它通過三角形的三個頂點計算三角形的面法線。注意這個函數(shù)的三個頂點是按照順時針方向指定的。假如不是這樣，那么法線方向?qū)⑹窍喾吹摹?/p>

void ComputeNormal(D3DXVECTOR3* p0, D3DXVECTOR3* p1, D3DXVECTOR3* p2, D3DXVECTOR3* out)

{

       D3DXVECTOR3 u = *p1 - *p0;

       D3DXVECTOR3 v = *p2 - *p0;

       D3DXVec3Cross(out, &u, &v);

       D3DXVec3Normalize(out, out);

}

當(dāng)用三角形近似表示曲面時，使用面法線作為頂點法線不能表現(xiàn)一個平滑的結(jié)果。一個更好的方法是找到頂點法線的平均法線。為了找到頂點v的頂點法線v_n，我們找到網(wǎng)格模型中所有三角形的面法線記為頂點v。v_n是通過計算他們的平均面法線得到的。這里有一個例子，假設(shè)有3個三角形它們的面法線分別是n₀，n₁，n₂，指定為頂點v。那么v_n的平均法線就是：

v_n = (1/3) . (n₀ + n₁ + n₂)

變換過程中把頂點法線變?yōu)閚on-normal,這是有可能的。因此最好通過D3DRS_NORMALIZENORMALS設(shè)置渲染狀態(tài)，Direct3D重新單位化所有法線。

Device->SetRenderState(D3DRS_NORMALIZENORMALS, true);

posted on 2008-03-16 13:39 lovedday 閱讀(1150) 評論(0) 編輯收藏引用

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