DirectX 10 教程7：绘制3D模型
原文地址：Tutorial 7: 3D Model Rendering(http://www.rastertek.com/dx10tut07.htm)。
源代码：dx10tut07.zip。
本教程介绍在DirectX 10中使用HLSL绘制3D模型，代码基于上一个漫反射光照的教程。
在上一个教程中我们绘制了一个3D模型，只是一个简单的三角形很容易理解。本教程我们要绘制一个更复杂的对象——立方体，但在这之前需要讨论一下模型格式。
有很多工具可以创建3D模型，Maya和3D Studio Max是两个较为流行的建模工具，其他的工具功能弱一点，但都能完成基本的工作。
无论使用的是何种工具，你总要将做好的模型导出为不同的格式。建议你定义自己的模型格式，然后编写一个转换程序将输出格式转换为自己的格式。因为你有可能改变使用的3D建模工具，模型格式也会随之改变，因此会处理不同的格式。如果你使用自己的格式，并将不同的其他格式转换为自己的格式，那么你的程序就无需进行修改，只需修改你的格式转换程序即可。而且大多数3D建模工具会导出只适用于它们的无关数据，在你的模型格式中无需使用这些数据。
使用自己的格式最重要的就是格式是否满足你的需要，使用起来是否简便。你也可以考虑对不同的对象使用不同的格式，例如有些模型包含动画，而有些模型是静态的。
我要介绍的模型格式非常基本。每行对应一个顶点，包含位置矢量(x, y, z)，纹理坐标(tu, tv)和法线矢量(nx, ny, nz)。在文件顶部还包含顶点的数量，你可以在第一行就读取这个信息，这样在读取顶点数据之前就可以分配大小正确的内存用于数组。此文件格式每三行数据构成一个三角形，顶点的排列顺序是是顺时针方向。下面是模型文件的内容：
Cube.txt
Vertex Count: 36 Data: -1.0 1.0 -1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 -1.0 1.0 1.0 -1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 -1.0 1.0 1.0 -1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 -1.0 1.0 -1.0 -1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 -1.0 1.0 1.0 -1.0 0.0 0.0 1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 1.0 -1.0 -1.0 0.0 1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 -1.0 -1.0 0.0 1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 1.0 -1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 -1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 1.0 1.0 -1.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 -1.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 1.0 -1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 1.0 -1.0 -1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 -1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 -1.0 0.0 0.0 -1.0 1.0 -1.0 1.0 0.0 -1.0 0.0 0.0 -1.0 -1.0 1.0 0.0 1.0 -1.0 0.0 0.0 -1.0 -1.0 1.0 0.0 1.0 -1.0 0.0 0.0 -1.0 1.0 -1.0 1.0 0.0 -1.0 0.0 0.0 -1.0 -1.0 -1.0 1.0 1.0 -1.0 0.0 0.0 -1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 0.0 -1.0 1.0 -1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 -1.0 1.0 -1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 -1.0 1.0 1.0 0.0 1.0 0.0 -1.0 -1.0 -1.0 0.0 0.0 0.0 -1.0 0.0 1.0 -1.0 -1.0 1.0 0.0 0.0 -1.0 0.0 -1.0 -1.0 1.0 0.0 1.0 0.0 -1.0 0.0 -1.0 -1.0 1.0 0.0 1.0 0.0 -1.0 0.0 1.0 -1.0 -1.0 1.0 0.0 0.0 -1.0 0.0 1.0 -1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 -1.0 0.0
你可以看到有36行x，y，z，tu，tv，nx，ny，nz数据。每三行构成一个三角形，一共12个三角形构成一个立方体。数据格式非常简单，可以不加修改被读取到顶点缓存。
值得注意的是，有些3D建模工具以不同的顺序输出数据，例如顺时针方向和逆时针方向坐标系统，你需要记住DirectX 10默认为左手坐标系，所以模型数据也必须加以匹配。留心这些区别，确保你的转换程序将数据转换为正确的格式/顺序。
Modelclass.h
本教程中我们需要对ModelClass做一点小的修改使之可以绘制来自于文本文件中的3D模型。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Filename: modelclass.h //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// #ifndef _MODELCLASS_H_ #define _MODELCLASS_H_
需要包含fstream库处理模型文本文件的读取。
////////////// // INCLUDES // ////////////// #includeusing namespace std; /////////////////////// // MY CLASS INCLUDES // /////////////////////// #include "textureclass.h" //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Class name: ModelClass //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// class ModelClass { private: struct VertexType { D3DXVECTOR3 position; D3DXVECTOR2 texture; D3DXVECTOR3 normal; };
下一个变化是添加了一个新结构表示模型格式，名称为ModelType。它包含了位置，纹理坐标和法线矢量。
struct ModelType
{
float x, y, z;
float tu, tv;
float nx, ny, nz;
};
public:
ModelClass();
ModelClass(const ModelClass&);
~ModelClass();
Initialize方法的一个参数为要加载的模型的文件名称。
bool Initialize(ID3D10Device*, char*, WCHAR*); void Shutdown(); void Render(ID3D10Device*); int GetIndexCount(); ID3D10ShaderResourceView* GetTexture(); private: bool InitializeBuffers(ID3D10Device*); void ShutdownBuffers(); void RenderBuffers(ID3D10Device*); bool LoadTexture(ID3D10Device*, WCHAR*); void ReleaseTexture();
还添加了两个新方法加载和卸载来自于文本文件的模型数据。
bool LoadModel(char*); void ReleaseModel(); private: ID3D10Buffer *m_vertexBuffer, *m_indexBuffer; int m_vertexCount, m_indexCount; TextureClass* m_Texture;
最后的变化是一个叫做m_model的私有变量，对应新的结构体ModelType的数组。这个变量用来在发送到顶点缓存之前读取和保存模型数据。
ModelType* m_model; }; #endif
Modelclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: modelclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "modelclass.h"
ModelClass::ModelClass()
{
m_vertexBuffer = 0;
m_indexBuffer = 0;
m_Texture = 0;
在构造函数中将模型结构体设置为null。
m_model = 0;
}
ModelClass::ModelClass(const ModelClass& other)
{
}
ModelClass::~ModelClass()
{
}
Initialize方法的一个参数为模型文件的名称。
bool ModelClass::Initialize(ID3D10Device* device, char* modelFilename, WCHAR* textureFilename)
{
bool result;
在Initialize方法中我们首先调用LoadModel方法，这个方法将模型数据加载到m_model数组中。填充了这个数组后，我们就可以基于它创建顶点和索引缓存了。因为InitializeBuffers方法需要使用模型数据，所以你需要确保以正确的顺序调用这个方法。
// Load in the model data.
result = LoadModel(modelFilename);
if(!result)
{
return false;
}
// Initialize the vertex and index buffer that hold the geometry for the triangle.
result = InitializeBuffers(device);
if(!result)
{
return false;
}
// Load the texture for this model.
result = LoadTexture(device, textureFilename);
if(!result)
{
return false;
}
return true;
}
void ModelClass::Shutdown()
{
// Release the model texture.
ReleaseTexture();
// Release the vertex and index buffers.
ShutdownBuffers();
在Shutdown方法中，我们添加了调用ReleaseModel方法，用来清除m_model数组数据。
ID3D10ShaderResourceView* ModelClass::GetTexture()
{
return m_Texture->GetTexture();
}
bool ModelClass::InitializeBuffers(ID3D10Device* device)
{
VertexType* vertices;
unsigned long* indices;
D3D10_BUFFER_DESC vertexBufferDesc, indexBufferDesc;
D3D10_SUBRESOURCE_DATA vertexData, indexData;
HRESULT result;
int i;
注意我们现在不需要手动设置顶点和索引数量，我们可以在ModelClass::LoadModel方法中读取顶点和索引数量。
// Create the vertex array.
vertices = new VertexType[m_vertexCount];
if(!vertices)
{
return false;
}
// Create the index array.
indices = new unsigned long[m_indexCount];
if(!indices)
{
return false;
}
加载顶点和索引数组有一点变化。现在不需要手动设置，而是遍历m_model数组中的数据，将它们复制到顶点数组中。索引数组很容易创建，因为每个顶点的索引值与数组中的索引值相同。
// Load the vertex array and index array with data.
for(i=0; i<m_vertexCount; i++)
{
vertices[i].position = D3DXVECTOR3(m_model[i].x, m_model[i].y, m_model[i].z);
vertices[i].texture = D3DXVECTOR2(m_model[i].tu, m_model[i].tv);
vertices[i].normal = D3DXVECTOR3(m_model[i].nx, m_model[i].ny, m_model[i].nz);
indices[i] = i;
}
// Set up the description of the vertex buffer.
vertexBufferDesc.Usage = D3D10_USAGE_DEFAULT;
vertexBufferDesc.ByteWidth = sizeof(VertexType) * m_vertexCount;
vertexBufferDesc.BindFlags = D3D10_BIND_VERTEX_BUFFER;
vertexBufferDesc.CPUAccessFlags = 0;
vertexBufferDesc.MiscFlags = 0;
// Give the subresource structure a pointer to the vertex data.
vertexData.pSysMem = vertices;
// Now finally create the vertex buffer.
result = device->CreateBuffer(&vertexBufferDesc, &vertexData, &m_vertexBuffer);
if(FAILED(result))
{
return false;
}
// Set up the description of the index buffer.
indexBufferDesc.Usage = D3D10_USAGE_DEFAULT;
indexBufferDesc.ByteWidth = sizeof(unsigned long) * m_indexCount;
indexBufferDesc.BindFlags = D3D10_BIND_INDEX_BUFFER;
indexBufferDesc.CPUAccessFlags = 0;
indexBufferDesc.MiscFlags = 0;
// Give the subresource structure a pointer to the index data.
indexData.pSysMem = indices;
// Create the index buffer.
result = device->CreateBuffer(&indexBufferDesc, &indexData, &m_indexBuffer);
if(FAILED(result))
{
return false;
}
// Release the arrays now that the vertex and index buffers have been created and loaded.
delete [] vertices;
vertices = 0;
delete [] indices;
indices = 0;
return true;
}
void ModelClass::ShutdownBuffers()
{
// Release the index buffer.
if(m_indexBuffer)
{
m_indexBuffer->Release();
m_indexBuffer = 0;
}
// Release the vertex buffer.
if(m_vertexBuffer)
{
m_vertexBuffer->Release();
m_vertexBuffer = 0;
}
return;
}
void ModelClass::RenderBuffers(ID3D10Device* device)
{
unsigned int stride;
unsigned int offset;
// Set vertex buffer stride and offset.
stride = sizeof(VertexType);
offset = 0;
// Set the vertex buffer to active in the input assembler so it can be rendered.
device->IASetVertexBuffers(0, 1, &m_vertexBuffer, &stride, &offset);
// Set the index buffer to active in the input assembler so it can be rendered.
device->IASetIndexBuffer(m_indexBuffer, DXGI_FORMAT_R32_UINT, 0);
// Set the type of primitive that should be rendered from this vertex buffer, in this case triangles.
device->IASetPrimitiveTopology(D3D10_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
return;
}
bool ModelClass::LoadTexture(ID3D10Device* device, WCHAR* filename)
{
bool result;
// Create the texture object.
m_Texture = new TextureClass;
if(!m_Texture)
{
return false;
}
// Initialize the texture object.
result = m_Texture->Initialize(device, filename);
if(!result)
{
return false;
}
return true;
}
void ModelClass::ReleaseTexture()
{
// Release the texture object.
if(m_Texture)
{
m_Texture->Shutdown();
delete m_Texture;
m_Texture = 0;
}
return;
}
新的LoadModel方法处理从文本文件中将模型数据加载到m_model数组变量中。首先打开文本文件读取顶点数量，之后创建ModelType数组并读取每一行的数据到这个数组中。顶点或索引数量也是在这个方法中设置的。
bool ModelClass::LoadModel(char* filename)
{
ifstream fin;
char input;
int i;
// Open the model file.
fin.open(filename);
// If it could not open the file then exit.
if(fin.fail())
{
return false;
}
// Read up to the value of vertex count.
fin.get(input);
while(input != ':')
{
fin.get(input);
}
// Read in the vertex count.
fin >> m_vertexCount;
// Set the number of indices to be the same as the vertex count.
m_indexCount = m_vertexCount;
// Create the model using the vertex count that was read in.
m_model = new ModelType[m_vertexCount];
if(!m_model)
{
return false;
}
// Read up to the beginning of the data.
fin.get(input);
while(input != ':')
{
fin.get(input);
}
fin.get(input);
fin.get(input);
// Read in the vertex data.
for(i=0; i<m_vertexCount; i++)
{
fin >> m_model[i].x >> m_model[i].y >> m_model[i].z;
fin >> m_model[i].tu >> m_model[i].tv;
fin >> m_model[i].nx >> m_model[i].ny >> m_model[i].nz;
}
// Close the model file.
fin.close();
return true;
}
ReleaseModel方法删除模型数据数组。
void ModelClass::ReleaseModel()
{
if(m_model)
{
delete [] m_model;
m_model = 0;
}
return;
}
Graphicsclass.h
GraphicsClass的头文件与上一个教程一样。
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: graphicsclass.h
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#ifndef _GRAPHICSCLASS_H_
#define _GRAPHICSCLASS_H_
///////////////////////
// MY CLASS INCLUDES //
///////////////////////
#include "d3dclass.h"
#include "cameraclass.h"
#include "modelclass.h"
#include "lightshaderclass.h"
#include "lightclass.h"
/////////////
// GLOBALS //
/////////////
const bool FULL_SCREEN = true;
const bool VSYNC_ENABLED = true;
const float SCREEN_DEPTH = 1000.0f;
const float SCREEN_NEAR = 0.1f;
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Class name: GraphicsClass
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class GraphicsClass
{
public:
GraphicsClass();
GraphicsClass(const GraphicsClass&);
~GraphicsClass();
bool Initialize(int, int, HWND);
void Shutdown();
bool Frame();
private:
bool Render(float);
private:
D3DClass* m_D3D;
CameraClass* m_Camera;
ModelClass* m_Model;
LightShaderClass* m_LightShader;
LightClass* m_Light;
};
#endif
Graphicsclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: graphicsclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "graphicsclass.h"
GraphicsClass::GraphicsClass()
{
m_D3D = 0;
m_Camera = 0;
m_Model = 0;
m_LightShader = 0;
m_Light = 0;
}
GraphicsClass::GraphicsClass(const GraphicsClass& other)
{
}
GraphicsClass::~GraphicsClass()
{
}
bool GraphicsClass::Initialize(int screenWidth, int screenHeight, HWND hwnd)
{
bool result;
// Create the Direct3D object.
m_D3D = new D3DClass;
if(!m_D3D)
{
return false;
}
// Initialize the Direct3D object.
result = m_D3D->Initialize(screenWidth, screenHeight, VSYNC_ENABLED, hwnd, FULL_SCREEN, SCREEN_DEPTH, SCREEN_NEAR);
if(!result)
{
MessageBox(hwnd, L"Could not initialize Direct3D.", L"Error", MB_OK);
return false;
}
// Create the camera object.
m_Camera = new CameraClass;
if(!m_Camera)
{
return false;
}
// Set the initial position of the camera.
m_Camera->SetPosition(0.0f, 0.0f, -10.0f);
// Create the model object.
m_Model = new ModelClass;
if(!m_Model)
{
return false;
}
模型的初始化方法的参数包含要加载的模型文件名称，本教程中我用的是cube.txt。
// Initialize the model object.
result = m_Model->Initialize(m_D3D->GetDevice(), "../Engine/data/cube.txt", L"../Engine/data/seafloor.dds");
if(!result)
{
MessageBox(hwnd, L"Could not initialize the model object.", L"Error", MB_OK);
return false;
}
// Create the light shader object.
m_LightShader = new LightShaderClass;
if(!m_LightShader)
{
return false;
}
// Initialize the light shader object.
result = m_LightShader->Initialize(m_D3D->GetDevice(), hwnd);
if(!result)
{
MessageBox(hwnd, L"Could not initialize the light shader object.", L"Error", MB_OK);
return false;
}
// Create the light object.
m_Light = new LightClass;
if(!m_Light)
{
return false;
}
本教程中我将光线颜色变为白色。
// Initialize the light object.
m_Light->SetDiffuseColor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
m_Light->SetDirection(0.0f, 0.0f, 1.0f);
return true;
}
void GraphicsClass::Shutdown()
{
// Release the light object.
if(m_Light)
{
delete m_Light;
m_Light = 0;
}
// Release the light shader object.
if(m_LightShader)
{
m_LightShader->Shutdown();
delete m_LightShader;
m_LightShader = 0;
}
// Release the model object.
if(m_Model)
{
m_Model->Shutdown();
delete m_Model;
m_Model = 0;
}
// Release the camera object.
if(m_Camera)
{
delete m_Camera;
m_Camera = 0;
}
// Release the D3D object.
if(m_D3D)
{
m_D3D->Shutdown();
delete m_D3D;
m_D3D = 0;
}
return;
}
bool GraphicsClass::Frame()
{
bool result;
static float rotation = 0.0f;
// Update the rotation variable each frame.
rotation += (float)D3DX_PI * 0.01f;
if(rotation > 360.0f)
{
rotation -= 360.0f;
}
// Render the graphics scene.
result = Render(rotation);
if(!result)
{
return false;
}
return true;
}
bool GraphicsClass::Render(float rotation)
{
D3DXMATRIX worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix;
// Clear the buffers to begin the scene.
m_D3D->BeginScene(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
// Generate the view matrix based on the camera's position.
m_Camera->Render();
// Get the world, view, and projection matrices from the camera and d3d objects.
m_Camera->GetViewMatrix(viewMatrix);
m_D3D->GetWorldMatrix(worldMatrix);
m_D3D->GetProjectionMatrix(projectionMatrix);
// Rotate the world matrix by the rotation value so that the triangle will spin.
D3DXMatrixRotationY(&worldMatrix, rotation);
// Put the model vertex and index buffers on the graphics pipeline to prepare them for drawing.
m_Model->Render(m_D3D->GetDevice());
// Render the model using the light shader.
m_LightShader->Render(m_D3D->GetDevice(), m_Model->GetIndexCount(), worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix, m_Model->GetTexture(),
m_Light->GetDirection(), m_Light->GetDiffuseColor());
// Present the rendered scene to the screen.
m_D3D->EndScene();
return true;
}
总结
通过修改ModelClass，我们现在可以加载3D模型并进行绘制了。虽然本教程中使用的格式只能用于含有基本光照的静态对象，但这是一个理解模型格式非常好的一个入门教程。
练习
1．编译代码并运行程序，你可以看到一个带有纹理的旋转立方体，按escape键退出。
2．找一个不错的3D建模工具(希望是免费的)并创建一个简单的模型，导出后看看它们的格式。
3．编写一个简单的转换程序，将导出的模型转换为本教程使用的格式，替换掉cube.txt看看运行效果。
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