Direct3D 初涉：绘制流水线

绘制流水线(rendering pipeline)：从 3D 场景到 2D 场景，必须实施的一系列运算。

 

局部坐标系->世界坐标系->观察坐标系->背面消隐->光照->裁剪->投影->视口坐标系->光栅化

 

1. 局部坐标系(local space)

局部坐标系(local space)或者建模坐标系(modeling space)，是用于建立构成物体的三角形单元列表的坐标系。采用局部坐标系的优势体现在它可以简化建模过程。 

 

个人理解：局部坐标系即以物体本身建模，假如你要为一个茶壶建模，那么局部坐标系的原点可以为茶壶中心；再如你要为一个球体建模，那么局部坐标系的原点可以为球的中心。

 

2. 世界坐标系 (world space)

将所有建立在局部坐标系上的物体组织在一起构成世界坐标系。将局部坐标系变换到世界坐标系中，称为世界变换(world transform)。

 

Direct3D 通过 IDirect3DDevice9::SetTransform 方法进行变换。

 

3. 观察坐标系

为了简化运算，我们将摄像头变换至世界坐标系的原点，并将其旋转，使摄像机的光轴与世界坐标系 z 轴方向一致。(个人理解：也就是相当于人站在坐标原点向 z 轴方向看) 这种变换称为取景变换(view space transformation)，变换后的几何体位于观察坐标系(view space)中。

 

Direct3D 由 D3DXMatrixLookAtLH 函数计算得到。

 

4. 背面消隐

每个多边形都有两个侧面，其中一个侧面标记为正面(front side)，另一个侧面标记为背面(back side)。通常多边形的背面是不可见的，这是由于场景中的多数物体都是封闭体。正面朝向的多边形称为正面朝向(front facing)多边形，正面偏离摄像机的多边形称为背面朝向(back facing)多边形。

 

正面朝向多边形遮挡了位于其后面的背面朝向多边形。 Direct3D 利用这一点将背面朝向的多边形加以剔除，这称为背面消隐。

 

为了实现背面消隐，Direct3D 需要区分哪些多边形是正面朝向的，哪些多边形是背面朝向的。默认状态下，Direct3D 认为顶点排列顺序为顺时针(观察坐标系中)的三角形单元是正面朝向的，顶点排列顺序是逆时针(观察坐标系中)的三角形单元式背面朝向的。

 

如果由于某些原因默认的消隐方式不能满足应用的要求，我们可通过修改绘制状态(render state) D3DRS_CULLMODE 来达到目的。

 

5. 光照

光源是在世界坐标系中定义的，但必须经过取景变换至观察坐标系方可使用。在观察坐标系中，光源照亮了场景中的物体，从而可以获得较为逼真的显示效果。

 

6. 裁剪

将位于视域体以外的几何体剔除掉，这个过程称为裁剪(clipping)。个人理解：类似于用人的眼睛看外界事物，有些物体可以完全被看见(我面前的显示器)，有些物体完全看不见(我背后的门)，有些物体可以看到一部分(我右边的床，我只能看到床头)。

 

7. 投影

在观察坐标系中，我们的任务是获取 3D 场景的 2D 表示。从 n 维变换为 n-1 维的过程称为投影。实现投影的方式有很多，我们只对其中一种感兴趣，即透视投影(perspective projection)。透视投影会产生“透视缩短”(foreshortenning)的视觉效果，即近大远小。

 

Direct3D 使用 D3DXMatrixPerspectiveFovLH 来创建一个投影矩阵。

 

8. 视口变换

视口变换(view port transform) 的任务是将顶点坐标从投影窗口转换到屏幕的一个矩形区域，该矩形区域称为视口(viewport)。个人理解：视口就是电脑桌面上的窗体而已。

 

Direct3D ，视口用结构 D3DVIEWPORT9 来表示。

 

9. 光栅化

顶点坐标变换为屏幕坐标后，我们就有了一个 2D 三角形单元的列表。光栅化(rasterization)的任务是为了绘制每个三角形单元，如何计算构成三角形单元的每个像素的颜色值。

 

光栅化过程的计算量非常大，我们应借助专用图形卡的加速功能。光栅化的最终结果是现实屏幕上的一幅 2D 图像。

 

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** 小弟初学 Direct3D，文章中如果存在错误，烦请指证，不胜感激！

** 参考书籍：《DirectX 9.0 3D 游戏开发编程基础》 

** 时间：2011.11.15

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