Конвейер преобразования Direct3D

В этой статье содержится техническое объяснение для разработчиков приложений Direct3D о том, как задать параметры конвейера преобразования Direct3D путем прямого обращения с матрицами Direct3D.

• Обзор
• Конвейер преобразования
• Советы по использованию

Общие сведения

В Direct3D используется три преобразования для перевода координат трехмерной модели в координаты пикселей (пространство экрана). Эти преобразования — мировое преобразование, видовое преобразование и проекционное преобразование.

Преобразование мира управляет тем, как координаты модели преобразуются в мировые координаты. Преобразование мира может включать переводы, повороты и масштабирование, но оно не применяется к свету. Дополнительные сведения о работе с преобразованиями мира см. в разделе Преобразование мира.

Преобразование представления управляет переходом от мировых координат к "пространству камеры", определяя положение камеры в мире. Пример работы с преобразованиями представлений см. в разделе Преобразование представления.

Преобразование проекции изменяет геометрию из пространства камеры в "пространство клипа" и применяет искажение перспективы. Термин "пространство клипа" относится к тому, как геометрия обрезается в томе представления во время этого преобразования. Пример работы с преобразованиями проекции см. в разделе Преобразование проекции.

Наконец, геометрия в пространстве клипа преобразуется в пиксельные координаты (пространство экрана). Это преобразование управляется параметрами окна просмотра.

Обрезка и преобразование вершин должны происходить в однородном пространстве (проще говоря, в пространстве, в котором система координат включает четвертый элемент), но конечным результатом для большинства приложений должны быть неоднородные трехмерные (трехмерные) координаты, определенные в "пространстве экрана". Это означает, что входные вершины и том обрезки должны быть преобразованы в однородное пространство для выполнения обрезки, а затем переведены обратно в неоднородное пространство для отображения.

Три преобразования Direct3D — мир, представление и преобразование проекции — определяются матрицами Direct3D. Матрица Direct3D — это однородная матрица 4x4, определяемая структурой D3DMATRIX . Хотя матрицы Direct3D не являются стандартными объектами, они не представлены интерфейсом COM, их можно создавать и задавать так же, как и любой другой объект Direct3D. Дополнительные сведения о матрицах Direct3D см. в разделе Преобразования.

Конвейер преобразования

Если вершина в координате модели задается pm = (Xm, Ym, Zm, 1), то преобразования, показанные на следующем рисунке, применяются к координатам экрана вычислений Ps = (Xs, Ys, Zs, Ws).

Ниже приведены описания этапов, показанных на предыдущем рисунке:

1. Мировая матрица Mworld преобразует вершины из пространства модели в мировое пространство. Эта матрица задается следующим образом:

       d3dDevice->SetTransform (D3DTRANSFORMSTATE_WORLD, matrix address) 
   

   Реализация Direct3D предполагает, что последний столбец этой матрицы — (0, 0, 0, 1). Ошибка не возвращается, если пользователь указывает матрицу с другим последним столбцом, но освещение и туман будут неправильными.

2. Матрица просмотра Mview преобразует вершины из мирового пространства в пространство камеры. Эта матрица задается следующим образом:

       d3dDevice->SetTransform (D3DTRANSFORMSTATE_VIEW, matrix address) 
   

   Реализация Direct3D предполагает, что последний столбец этой матрицы — (0, 0, 0, 1). Ошибка не возвращается, если пользователь указывает матрицу с другим последним столбцом, но освещение и туман будут неправильными.

3. Матрица проекции MPROJ преобразует вершины из пространства камеры в пространство проекции. Эта матрица задается следующим образом:

       d3dDevice->SetTransform (D3DTRANSFORMSTATE_PROJECTION, matrix address) 
   

   Последний столбец матрицы проекции должен быть (0, 0, 1, 0) или (0, 0, a, 0) для правильных эффектов тумана и освещения; Форма (0, 0, 1, 0) является предпочтительной.

   Объем обрезки для всех точек Xp = (Xp, Yp, Zp, Wp) в пространстве проекции определяется следующим образом:

       -Wp < Xp <= Wp 
       -Wp < Yp <= Wp 
       0 < Zp <= Wp 
   

   Все точки, которые не удовлетворяют этим уравнениям, будут обрезаются.

   Если том представления определен как:

   • Ширина окна sw-экрана в пространстве камеры в близкой плоскости обрезки
   • Высота окна sh-screen в пространстве камеры в близкой плоскости обрезки
   • Zn-расстояние до ближней плоскости обрезки вдоль осей Z в пространстве камеры
   • Zf-расстояние до дальней плоскости обрезки вдоль осей Z в пространстве камеры

   тогда матрицу проекции перспективы можно написать следующим образом:

   

   где Mij являются членами Mproj.

   Для ортогональной проекции мы имеем:

   

   Direct3D предполагает, что матрица проекции перспективы имеет вид:

   

   Если матрица проекции перспективы не имеет такой формы, будут присутствовать некоторые артефакты. Например, табличный туман не будет работать.

4. Direct3D позволяет пользователю изменять том клипа следующим образом:

   

   Это можно переписать следующим образом:

   

   где:

       Cx, Cy - dvClipX, dvClipY from D3DVIEWPORT9  
       Cw, Ch - dvClipWidth, dvClipHeight from D3DVIEWPORT9  
       Zmin, Zmax - dvMinZ, dvMaxZ from D3DVIEWPORT9  
   

   Это преобразование может обеспечить повышенную точность и эквивалентно масштабированию и смещению тома обрезки.

   Соответствующая матрица Маклипа:

   

   Вершина преобразуется следующим образом:

       dvClipWidth = 2   
       dvClipHeight = 2   
       dvClipX = -1   
       dvClipY = 1   
       dvMinZ = 0   
       dvMaxZ = 1   
   

   Если вы не хотите масштабировать том клипа, можно задать для параметров окна просмотра значения по умолчанию:

       (Xc, Yc, Zc, Wc) = (Xp, Yp, Zp, Wp) * Mclip   
   

5. Этап обрезки необязателен, если пользователь указывает флаг D3DDP_DONOTCLIP в вызове DrawPrimitive. В этом случае можно объединить все матрицы (включая Mvs).

6. Матрица масштабирования окна просмотра Mvs масштабирует координаты в пределах окна окна просмотра и переворачивает ось Y вверх вниз:

   

   где:

       dwX, dwY - viewport offsets in pixels from D3DVIEWPORT9 
       dwWidth, dwHeight - viewport width and height in pixels from D3DVIEWPORT9    
   

7. Наконец, вычисляются экранные координаты и передаются растеризатору:

   

Советы по использованию

Ниже приведены некоторые советы по использованию конвейера преобразования Direct3D.

• Последний столбец матриц мира и представления должен быть (0, 0, 0, 1), иначе освещение будет неправильным.

• Задайте параметры окна просмотра, чтобы создать матрицу Mclip для идентификации, если вы точно не понимаете, для чего она нужна.

      dvClipWidth = 2 
      dvClipHeight = 2
      dvClipX = -1
      dvClipY = 1
      dvMinZ = 0 
      dvMaxZ = 1