Direct3D基础渲染流水线.ppt
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1.本地空间 本地空间（或者称为模型空间）指定义组成物体的三角形列表时所
使用的坐标系统。本地空间在简化模型处理工作上相当有用。 例如:本地空间中创建物体时，不需要考虑物体的位置、大小以及
与世界空间中其他物体的关系。
2.世界空间 在完成各种模型的创建后，所有的物体都只在相应的本地空间中，
需要把这些模型组合到一起，形成一个场景。这个统一的坐标系统所决 定的空间称为世界空间。
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
);
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 投影变换
2. 透视投影
顶点从均匀转化为非均匀：
➢ 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。
➢ 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。
网络游戏引擎实现
专业教程 理论讲解部分
Ver3.1
第009课 Direct3D基础
▪ 概述：
➢ D3D中的空间 ➢ 渲染流水线
• 重点：
➢ 本地空间，世界空间，视图空间，视口的概念 ➢ 渲染流水线
• 难点：
➢ 渲染流水线
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.10 D3D中的空间
z’值为： z， ＝ z × （MaxZ － MinZ） ＋ MinZ
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.5 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。
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.4 视口变换
D3D通过IDirect3DDevice9::SetViewport（）函数设置视口：
HRESULT SetViewport(CONST D3DVIEWPORT9 *pViewport //视口);
2.1.11.3 投影变换 1. 正交投影
接下来，使用下面的函数来应用正交投影变换。
g_pD3DDevice->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProj); g_pD3DDevice为有效的Direct3D设备指针 matProj代表一个投影变换矩阵
第009课 Direct3D基础
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.4 视口变换 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
转换和照明（T&L） 在这个阶段里，每个对象的顶点被从一个抽象的、浮点坐标空间转换
到基于像素的屏幕空间，并考虑用于渲染该场景的虚拟摄像机的属性。另 外，可对顶点应用不同类型的照明效果。（其他诸如裁剪和视口缩放也都 放在第一个阶段进行）
光栅化处理 图元将这些经过转化并添加了照明效果的顶点组织为点、线和三角形。
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 投影变换 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(
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);
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.1 世界变换
D3DXMATRIX *D3DXMatrixLookAtLH( D3DXMATRIX *pOut, CONST D3DXVECTOR3 *pEye, CONST D3DXVECTOR3 *pAt, CONST D3DXVECTOR3 *pUp
);
//输出用于视图变换的矩阵 //摄像机的位置 //摄像机朝向的位置 //摄像机的正方向
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 投影变换 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。
光栅化处理程序将绘制结果显示在屏幕，同时应用纹理映射并添加多种属 性。光栅化处理程序同时决定深度缓冲的结果，判断哪些像素是用户可见 的，哪些被其他像素所遮掩。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 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。
g_pD3DDevice为有效的Direct3D设备指针 matWorld代表一个变换矩阵。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.2 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。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 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：
➢ 正交投影 ➢ 透视投影
第009课 Direct3D基础
4. 视口 游戏中，视口经常是整个屏幕，但是视口也可以是屏幕上的矩形区域。 可能是屏幕的一部分或者是处于窗口模式下窗口的客户区。视口与其所
在的窗口相关并且通过所在窗口的相对坐标来进行描述，通常，视口坐标 是按照像素的方式取值的。
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.5 光栅化
一个三角形在屏幕中被光栅化
2.1.11 渲染流水线
非T&L顶 T T&L顶点 光 渲染的象
Direct3D渲染图形可以
点
&
栅
素
分为两个阶段：
L
化
矩阵
阶 纹理
处
➢变换和照明（T&L） ➢光栅化处理
段
理
阶
照明
图元
段
渲染状态
更多渲染 状态
渲染图形的过程
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.4 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。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
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
);
接下来，使用下面的函数来应用透视投影变换:
g_pD3DDevice->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProj); g_pD3DDevice为有效的Direct3D设备指针 matProj代表一个投影变换矩阵。
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.2 视图变换
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
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。
Байду номын сангаас
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.4 视口变换
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
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);
物体在世界空间里除了自身的属性外，更重要的是要考虑和其他物体 之间的位置关系等。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.10 D3D中的空间
3. 视图空间 Direct3D允许在场景中设置一个虚拟摄像机，决定我们看到的场景，由
虚拟摄像机决定的空间称为视图空间。 在世界空间中,世界空间的坐标原点和坐标轴完全由程序员决定，对于 Direct3D而言，我们更需要考虑的是我们能看到些什么。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 投影变换
2. 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
使用的坐标系统。本地空间在简化模型处理工作上相当有用。 例如:本地空间中创建物体时，不需要考虑物体的位置、大小以及
与世界空间中其他物体的关系。
2.世界空间 在完成各种模型的创建后，所有的物体都只在相应的本地空间中，
需要把这些模型组合到一起，形成一个场景。这个统一的坐标系统所决 定的空间称为世界空间。
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
);
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 投影变换
2. 透视投影
顶点从均匀转化为非均匀：
➢ 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。
➢ 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。
网络游戏引擎实现
专业教程 理论讲解部分
Ver3.1
第009课 Direct3D基础
▪ 概述：
➢ D3D中的空间 ➢ 渲染流水线
• 重点：
➢ 本地空间，世界空间，视图空间，视口的概念 ➢ 渲染流水线
• 难点：
➢ 渲染流水线
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.10 D3D中的空间
z’值为： z， ＝ z × （MaxZ － MinZ） ＋ MinZ
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.5 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。
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.4 视口变换
D3D通过IDirect3DDevice9::SetViewport（）函数设置视口：
HRESULT SetViewport(CONST D3DVIEWPORT9 *pViewport //视口);
2.1.11.3 投影变换 1. 正交投影
接下来，使用下面的函数来应用正交投影变换。
g_pD3DDevice->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProj); g_pD3DDevice为有效的Direct3D设备指针 matProj代表一个投影变换矩阵
第009课 Direct3D基础
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.4 视口变换 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
转换和照明（T&L） 在这个阶段里，每个对象的顶点被从一个抽象的、浮点坐标空间转换
到基于像素的屏幕空间，并考虑用于渲染该场景的虚拟摄像机的属性。另 外，可对顶点应用不同类型的照明效果。（其他诸如裁剪和视口缩放也都 放在第一个阶段进行）
光栅化处理 图元将这些经过转化并添加了照明效果的顶点组织为点、线和三角形。
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 投影变换 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(
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);
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.1 世界变换
D3DXMATRIX *D3DXMatrixLookAtLH( D3DXMATRIX *pOut, CONST D3DXVECTOR3 *pEye, CONST D3DXVECTOR3 *pAt, CONST D3DXVECTOR3 *pUp
);
//输出用于视图变换的矩阵 //摄像机的位置 //摄像机朝向的位置 //摄像机的正方向
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 投影变换 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。
光栅化处理程序将绘制结果显示在屏幕，同时应用纹理映射并添加多种属 性。光栅化处理程序同时决定深度缓冲的结果，判断哪些像素是用户可见 的，哪些被其他像素所遮掩。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 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。
g_pD3DDevice为有效的Direct3D设备指针 matWorld代表一个变换矩阵。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.2 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。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 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：
➢ 正交投影 ➢ 透视投影
第009课 Direct3D基础
4. 视口 游戏中，视口经常是整个屏幕，但是视口也可以是屏幕上的矩形区域。 可能是屏幕的一部分或者是处于窗口模式下窗口的客户区。视口与其所
在的窗口相关并且通过所在窗口的相对坐标来进行描述，通常，视口坐标 是按照像素的方式取值的。
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.5 光栅化
一个三角形在屏幕中被光栅化
2.1.11 渲染流水线
非T&L顶 T T&L顶点 光 渲染的象
Direct3D渲染图形可以
点
&
栅
素
分为两个阶段：
L
化
矩阵
阶 纹理
处
➢变换和照明（T&L） ➢光栅化处理
段
理
阶
照明
图元
段
渲染状态
更多渲染 状态
渲染图形的过程
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.4 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。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
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
);
接下来，使用下面的函数来应用透视投影变换:
g_pD3DDevice->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProj); g_pD3DDevice为有效的Direct3D设备指针 matProj代表一个投影变换矩阵。
第009课 Direct3D基础 2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.2 视图变换
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
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。
Байду номын сангаас
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.4 视口变换
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
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);
物体在世界空间里除了自身的属性外，更重要的是要考虑和其他物体 之间的位置关系等。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.10 D3D中的空间
3. 视图空间 Direct3D允许在场景中设置一个虚拟摄像机，决定我们看到的场景，由
虚拟摄像机决定的空间称为视图空间。 在世界空间中,世界空间的坐标原点和坐标轴完全由程序员决定，对于 Direct3D而言，我们更需要考虑的是我们能看到些什么。
第009课 Direct3D基础
2.1 Direct3D中的基础概念
2.1.11 渲染流水线
2.1.11.3 投影变换
2. 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