第十章 DirectX 绘制简单场景，地形，天空盒和跟随摄像机（上）

本章节，我们将要创建一个简单的创建，其中包括地形，天空盒以及跟随摄像机三种对象类。

首先我们使用3ds max创建一个地形：

第一步，在3ds max中创建一个平面，长度和宽度都是10000，长宽分段都是100。这样，我们就会创建一个拥有10000个正四边形组成的大平面（大正四边形）了。注意，每个正四边形的边长也是100。这跟我们在DirectX中使用灵活顶点构造一个超大四边形，其实是一个原理。很显然，使用3ds max制作要比DirectX简单容易多了。虽然我们在3ds max中看到整个大的平面是由10000个正四边形构成的，但是在DirectX中绘制这个平面的时候，每个四边形其实还是由两个三角形组成的。游戏引擎中最基本的图元还是三角形。需要注意的是，我们要将平面的中心点移动到世界坐标系的原点，具体操作就是选中平面，按W键(移动工具)后，将下面的x/y/z值改成0即可。

为了方便查看平面的样子，我们可以滚动鼠标中间的滚轮，来放大/缩小视图，这样可以更大范围的看到整个平面。同时也可以按下鼠标中间的滚轮拖动，来移动视图，使用更好的角度来观察整个平面。这是3ds max最基本的视图操作。

第二步，将我们提前准备好的一张草地的纹理贴图，直接拖拽到平面上。这个简便的操作实际就是给平面施加一个纹理材质，效果如下：

第三步，给草地做出高度，将平面转换成“可编辑多边形”，然后选择“面”的操作级别，这样，我们就能选中平面中的任意一个四边形了，按住Ctrl键可以帮我们加选四边形。

选中几个四边形，使用移动工具(按W键)，将其沿Z轴向上拖动，使其选中的四边形向上移动。这里，我们选中的是世界坐标系原点附近的四边形。使用Ctrl键可以加选多个四边形面。

当然，我们也可以直接修改右下角的Z值，来明确向上移动的距离数值，这里我们设置为100。

第四步，使用”软选择”工具，给草地做出平滑的高度。

我们将平面的编辑模式改成”顶点”，而不是之前的”面”模式，这样，我们选中的则是平面的顶点，而不是之前的四边形。

在“顶点”选择模式的下方，由一个“软选择”工具，勾选“使用软选择”，然后设置“衰减”值，这个数值越大，影响的顶点范围就越广。此时，你点击平面上的一点，就会发下效果如下：

此时，我们同样使用移动工具（W键）来移动我们选中的顶点，就会发现附近的顶点会跟着一起移动，这样就会形成一个平滑的坡度。

其实，我们可以从顶点颜色能够推算出来，红色区域的顶点，移动距离大，橙色顶点小一些，绿色会再小一些，蓝色基本上影响不大了。在3ds max中使用颜色来区分影响程度的方式，在蒙皮的时候也会用到。当然，我们可以继续选择其他顶点，继续拖拽形成高低起伏的效果。

第五步，将我们的模型导出为X格式即可。

默认情况下，3ds max不支持导出X格式模型，我们需要借助Axe_free 插件来完成。这个插件是免费的，根据你的3ds max版本下载对应的Axe_free版本即可。解压Axe_free之后，直接放到 3ds max安装目录下的plugins下即可，非常简单。

接下来我们使用VS2019来创建新项目“D3D_10_Terrain”，首先创建公共头文件“main.h”文件，该文件中包含了我们以往用到的所有头文件，以及释放对象的宏，代码如下：

#pragma once
#include <windows.h>
#include <d3d9.h>
#include <d3dx9.h>
#include <dinput.h>
#include <time.h>
#include <math.h>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>// 引入依赖的库文件
#pragma comment(lib,"d3d9.lib")
#pragma comment(lib,"d3dx9.lib")
#pragma comment(lib,"dinput8.lib")
#pragma comment(lib,"dxguid.lib")
#pragma comment(lib,"winmm.lib")#define WINDOW_LEFT       200             // 窗口位置
#define WINDOW_TOP      100             // 窗口位置
#define WINDOW_WIDTH    800             // 窗口宽度
#define WINDOW_HEIGHT   600             // 窗口高度
#define WINDOW_TITLE    L"D3D游戏开发"    // 窗口标题
#define CLASS_NAME      L"D3D游戏开发"    // 窗口类名// 自定义一个SAFE_RELEASE()宏, 释放指针对象
#ifndef SAFE_DELETE
#define SAFE_DELETE(p){ if (p) { delete (p); (p)=NULL; } }
#endif// 自定义一个SAFE_RELEASE()宏, 释放COM对象
#ifndef SAFE_DELETE_ARRAY
#define SAFE_DELETE_ARRAY(p){ if (p) { delete[] (p); (p)=NULL; } }
#endif// 自定义一个SAFE_DELETE_ARRAY()宏, 释放数组对象
#ifndef SAFE_RELEASE
#define SAFE_RELEASE(p){ if (p) { (p)->Release(); (p)=NULL; } }
#endif// 记录日志
void log(std::string txt);// wchar_t* 转 char*
char* convert(const wchar_t* wstr);

接下来，我们将对Input的输入做一个封装，这个类之前我们封装过，可以直接拿过来使用，也就是“InputClass.h”和“InputClass.cpp”两个文件。接下来，我们要创建一个可以自由移动的透视摄像机类。我们之前做的摄像机只能沿着世界坐标系X/Y/Z轴移动，并不能自由移动。这样的摄像机对于2D游戏已经够用了，但是3D游戏还是不行的。在3D游戏中，我们可以随意的移动和旋转摄像机来查看场景中的任何物体。这个自由移动的摄像机的实现，主要是一个局部坐标系的概念。我们为摄像机声明三个方向向量，向上的方向，向右的方向，以及向观察点的方向。摄像机移动或旋转的时候，就可以按照这三个方向来调整。由于这个三个方向向量是局部坐标系的概念，因此它是跟随摄像机的变动而变动的。也就是说，我们向前移动的时候，实际就是向着观察点的方向移动。当我们旋转之后，观察点也随之变动，那么我们继续向前移动的话，还是向着观察点的方向移动。也就是说，摄像机向前移动，永远都是相对于自己的前面而言的。我们创建“CameraClass.h”和“CameraClass.cpp”两个文件，首先是“CameraClass.h”文件内容：

#pragma once
#include "main.h"// 自由移动摄像机
class CameraClass {public:D3DXVECTOR3 _right;   // 右方向D3DXVECTOR3 _up;  // 上方向D3DXVECTOR3 _look;    // 观察方向D3DXVECTOR3 _pos;    // 位置public:// 构造方法CameraClass();// 有参构造函数CameraClass(float x, float y, float z);// 析构方法~CameraClass();// 前后移动void frontBackMove(float step);// 左右移动void leftRightMove(float step);// 上下移动void upDownMove(float step);// 围绕 _up 方向旋转，也就是左右旋转（摇头）void leftRightRotate(float angle);// 围绕 _right 方向旋转，也就是上下旋转（点头）void upDownRotate(float angle);// 围绕 _look 方向旋转，相当于侧头void sideRotate(float angle);// 计算取景变换矩阵void getViewMatrix(D3DXMATRIX* V);};

我们声明的三个方向向量和摄像机为位置信息，其中分别针对这三个方向定义了移动和旋转的函数。最后一个就是根据方向和位置来计算一个取景变换矩阵。“CameraClass.cpp”内容：

#include "CameraClass.h"// 自由移动摄像机: 构造方法
CameraClass::CameraClass() {_pos = D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, 0.0f);_right = D3DXVECTOR3(1.0f, 0.0f, 0.0f);_up = D3DXVECTOR3(0.0f, 1.0f, 0.0f);_look = D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, 1.0f);
}// 自由移动摄像机: 有参构造方法
CameraClass::CameraClass(float x, float y, float z) {_pos = D3DXVECTOR3(x, y, z);_right = D3DXVECTOR3(1.0f, 0.0f, 0.0f);_up = D3DXVECTOR3(0.0f, 1.0f, 0.0f);_look = D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, 1.0f);
}// 自由移动摄像机: 析构方法
CameraClass::~CameraClass() {}// 自由移动摄像机: 前后移动
void CameraClass::frontBackMove(float step) {_pos += D3DXVECTOR3(_look.x, 0.0f, _look.z) * step;
}// 自由移动摄像机: 左右移动
void CameraClass::leftRightMove(float step) {_pos += D3DXVECTOR3(_right.x, 0.0f, _right.z) * step;
}// 自由移动摄像机: 上下移动
void CameraClass::upDownMove(float step) {_pos.y += step;
}// 自由移动摄像机: 围绕 _up 方向旋转，也就是左右旋转（摇头）
void CameraClass::leftRightRotate(float angle) {D3DXMATRIX M;D3DXMatrixRotationY(&M, angle);D3DXVec3TransformCoord(&_right, &_right, &M);D3DXVec3TransformCoord(&_look, &_look, &M);
}// 自由移动摄像机: 围绕 _right 方向旋转，也就是上下旋转（点头）
void CameraClass::upDownRotate(float angle) {D3DXMATRIX M;D3DXMatrixRotationAxis(&M, &_right, angle);D3DXVec3TransformCoord(&_up, &_up, &M);D3DXVec3TransformCoord(&_look, &_look, &M);
}// 自由移动摄像机: 围绕 _look 方向旋转，相当于侧头
void CameraClass::sideRotate(float angle) {D3DXMATRIX M;D3DXMatrixRotationAxis(&M, &_look, angle);D3DXVec3TransformCoord(&_right, &_right, &M);D3DXVec3TransformCoord(&_up, &_up, &M);
}// 自由移动摄像机: 计算取景变换矩阵
void CameraClass::getViewMatrix(D3DXMATRIX* V) {D3DXVec3Normalize(&_look, &_look);D3DXVec3Cross(&_up, &_look, &_right);D3DXVec3Normalize(&_up, &_up);D3DXVec3Cross(&_right, &_up, &_look);D3DXVec3Normalize(&_right, &_right);float x = -D3DXVec3Dot(&_right, &_pos);float y = -D3DXVec3Dot(&_up, &_pos);float z = -D3DXVec3Dot(&_look, &_pos);(*V)(0, 0) = _right.x; (*V)(0, 1) = _up.x; (*V)(0, 2) = _look.x; (*V)(0, 3) = 0.0f;(*V)(1, 0) = _right.y; (*V)(1, 1) = _up.y; (*V)(1, 2) = _look.y; (*V)(1, 3) = 0.0f;(*V)(2, 0) = _right.z; (*V)(2, 1) = _up.z; (*V)(2, 2) = _look.z; (*V)(2, 3) = 0.0f;(*V)(3, 0) = x;        (*V)(3, 1) = y;     (*V)(3, 2) = z;       (*V)(3, 3) = 1.0f;
}

上面的函数中，D3DXMatrixRotationAxis是生成一个围绕指定方向旋转指定角度的旋转矩阵。D3DXVec3TransformCoord就是将一个向量做旋转操作。最后就是计算取景变换矩阵，这个过程不需要大家掌握。接下来就是我们的地形类，首先地形是一个网格对象，因此我们需要先对网格对象进行封装，创建“MeshClass.h”和“MeshClass.cpp”两个文件，其实我们之前就已经对网格进行了封装，可以拿过来直接使用。有了基本模型的封装，那么我们的地形类就可以继承MeshClass，并在此基础上做一个调整了。我们上文中创建了一个地形模型，也就是一个大的四边形纹理，直接使用MeshClass加载进来不就得嘛。为什么还要创建一个地形类呢，答案就是地形高度的计算，也就是根据X/Z值，计算Y值。我们的地形四边形中，每个顶点记录了X/Y/Z的数值。但是，小四边形的边长是100，那么小四边形内部的X/Y/Z值怎么计算呢？X和Z是根据角色的移动计算出来的，那么我们就需要根据X/Z的值来计算Y值。计算Y值得的原理就是三角形的线性高度变化。

在上面的图例中，点P位于AB中间位置，如果AA´的距离是10，也就是说A的高度是10。那么点P的高度就应该是5，也就是P´的高度。这就是线性变化的原理。因为P是AB的一半，因此P点的高度就应该是A高度的一半。明白原理后，我们创建“TerrainClass.h”和“TerrainClass.cpp”两个文件，其中“TerrainClass.h”文件如下：

#pragma once
#include "MeshClass.h"// 地形类，主要是地形高度的计算
class TerrainClass : public MeshClass {public:// 模型顶点数组，里面包含x,y,z值D3DXVECTOR3* meshVertexes;// 模型中四边形的长度float interval = 0.0f;public:// 构造方法TerrainClass(LPDIRECT3DDEVICE9 _device, const wchar_t* _dir, const wchar_t* _file, float _interval);// 析构方法~TerrainClass();// 获取草地模型顶点数组void getMeshVertexes();// 获取草地模型顶点Y值float getMeshVertexY(float x, float z);// 获取地形高度值（Y值）float getTerrainHeight(float x, float z);};

我们提供了三个函数，getMeshVertexes函数用于获取模型中所有顶点的坐标信息。getMeshVertexY函数用于根据给定的X/Z值来获取所在小四边形的四个顶点的Y值。也就是说，我们需要确定给定的X/Z值的点，来确定该点在那个小四边形中，并获取这个小四边形的四个顶点坐标，还有进一步确认该点在这个小四边形中那个三角形中。我们知道这个小四边形是由两个三角形组成的。这个信息确认后，我们就可以借助上文的图例算法来计算了。接下来就是“TerrainClass.cpp”文件的内容：

#include "TerrainClass.h"// 地形类: 构造方法
TerrainClass::TerrainClass(LPDIRECT3DDEVICE9 _device, const wchar_t* _dir, const wchar_t* _file, float _interval) : MeshClass(_device, _dir, _file), interval(_interval) {// 获取草地模型顶点数组init();getMeshVertexes();
};// 地形类: 析构方法
TerrainClass::~TerrainClass() {delete[] meshVertexes;
};// 地形类: 获取草地模型顶点数组
void TerrainClass::getMeshVertexes() {// 顶点数量const int size = meshObj->GetNumVertices();meshVertexes = new D3DXVECTOR3[size];// 先克隆一份顶点数据LPD3DXMESH cloneMesh = 0;meshObj->CloneMeshFVF(meshObj->GetOptions(), D3DFVF_XYZ, D3DDevice, &cloneMesh);// 获取顶点缓冲数据LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 cloneMeshVertexBuffer;cloneMesh->GetVertexBuffer(&cloneMeshVertexBuffer);// 读取顶点缓存D3DXVECTOR3* pVertices;cloneMeshVertexBuffer->Lock(0, sizeof(meshVertexes), (void**)&pVertices, 0);for (DWORD i = 0; i < size; i++){meshVertexes[i].x = round(pVertices[i].x);meshVertexes[i].y = round(pVertices[i].y);meshVertexes[i].z = round(pVertices[i].z);}cloneMeshVertexBuffer->Unlock();// 是否克隆网格对象cloneMesh->Release();cloneMesh = NULL;
};// 地形类: 获取草地模型顶点Y值
float TerrainClass::getMeshVertexY(float x, float z) {int size = meshObj->GetNumVertices();for (int i = 0; i < size; i++) {D3DXVECTOR3 temp = meshVertexes[i];if (temp.x == x && temp.z == z) {return temp.y;}}return 0;
};// 地形类: 获取地形高度值（Y值）
float TerrainClass::getTerrainHeight(float x, float z) {// 根据坐标获取所在四边形的四个顶点float vx_min = 0, vx_max = 0, vz_min = 0, vz_max;if (x >= 0) {vx_min = (int)(x / 100) * 100;vx_max = vx_min + interval;}else {vx_max = (int)(x / 100) * 100;vx_min = vx_max - interval;}if (z >= 0) {vz_min = (int)(z / 100) * 100;vz_max = vz_min + interval;}else {vz_max = (int)(z / 100) * 100;vz_min = vz_max - interval;}// 四边形四条边平行于X/Z轴// 两个顶点的间距为 100// 下图可以理解为俯视角度// //  V1   V2//  *---*//  | / |//  *---*  //  V0   V3// // 获取四个顶点的Y值float V0 = getMeshVertexY(vx_min, vz_min);float V1 = getMeshVertexY(vx_min, vz_max);float V2 = getMeshVertexY(vx_max, vz_max);float V3 = getMeshVertexY(vx_max, vz_min);// 如果四个顶点的高度是一样的，就直接返回任意一个高度即可//if (V0 == V1 && V1 == V2 && V2 == V3) {//return V0;//}// 判断(x,z)坐标在四边形中的位置// 四边形是一个边长为100的正方形// 如果 x == z 则该点在对角线V0V2上// 如果 x < z 则该点在三角形V0V1V2中// 如果 x > z 则该点在三角形V0V2V3中// 地形高度值（Y值）float height = 0.0f;// 在三角形V0V1V2中if (x <= z){// V2和V1之间的高度差（可正可负）float uy = V2 - V1;// 点(x,z)与V1的水平差（x轴方向）float ux = x - vx_min;// 点(x,z)在V1V2的比率float ux_rate = ux / interval;// V0和V1之间的高度差（可正可负）float vy = V0 - V1;// 点(x,z)与V1的水平差（z轴方向）float vz = vz_max - z;// 点(x,z)在V1V0的比率float vz_rate = vz / interval;// 点(x,z)的高度为：V1高度 + x轴高度差 + z轴高度差// x/z轴的高度差计算公式为：V1点到V2点在x轴上的高度是线性变化的，如果V1到V2高度下降2米，则一半位置的时候，下降1米// 我们根据x轴的距离比率来计算高度差的height = V1 + uy * ux_rate + vy * vz_rate;}else{float uy = V0 - V3;float ux = vx_max - x;float ux_rate = ux / interval;float vy = V2 - V3;float vz = z - vz_min;float vz_rate = vz / interval;height = V3 + uy * ux_rate + vy * vz_rate;}// 返回地形高度return height;
};

这个实现类可能有些复杂，需要认真的去思考，里面涉及的一些细节比较多。比如如何确定指定点在那个三角形中，以及正负数的判断等等。所有类都封装完毕之后，我们就开始“main.cpp”文件的内容，首先是全局变量的声明：

// 引入头文件
#include "main.h"
#include "MeshClass.h"
#include "InputClass.h"
#include "CameraClass.h"
#include "TerrainClass.h"// Direct3D设备指针对象
LPDIRECT3DDEVICE9 D3DDevice = NULL;// 输入类
InputClass* input;// 摄像机
CameraClass* camera;// 草地模型
TerrainClass* land;// 胶囊体模型
float x, y, z;
MeshClass* capsule;// 摄像机移动和胶囊体移动速度
float distance = 5.0f;

在这里，我们使用一个胶囊体模型在草地上面进行移动，来测试我们的地形高度计算是否正确。摄像机可以根据“WASD”来进行左右前后移动，“QE”来进行左右旋转，“CV”来进行上下移动。而胶囊体模型的移动就是“IJKL”在世界坐标系的X轴和Z轴方向进行移动。注意，两者的移动是不一样的，摄像机是一个自由移动的，而胶囊体的移动仅能够在世界坐标系的X/Z轴方向移动。后期我们也会给这个胶囊体设置为一个自由移动的物体，并且让摄像机跟随起移动而移动。接下来就是initScene函数，代码如下：

// 初始化输入
input = new InputClass(D3DDevice, hwnd, hInstance);// 初始化摄像机，参数是摄像机位置
camera = new CameraClass(500, 300, -300);// 草地模型边长为10000，分段为100，因此每两个顶点间隔就是100
float interval = 100.0f;// 初始化草地模型
land = new TerrainClass(D3DDevice, L"asset/", L"ground.X", interval);// 创建一个胶囊体
x = 500.0f, y = 0.0f, z = 100.0f;
capsule = new MeshClass(D3DDevice, L"asset/", L"capsule.X");
capsule->init();// 线性纹理
D3DDevice->SetSamplerState(0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR);
D3DDevice->SetSamplerState(0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR);// 初始化投影变换
initProjection();// 初始化光照
initLight();

由于摄像机解决了取景变换矩阵，所以我们的initProjection函数改动如下：

// 设置取景变换矩阵
D3DXMATRIX V;
camera->getViewMatrix(&V);
D3DDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW, &V);// 设置透视投影变换矩阵
D3DXMATRIX projMatrix;
float angle = D3DX_PI * 0.5f;
float wh = (float)WINDOW_WIDTH / (float)WINDOW_HEIGHT;
D3DXMatrixPerspectiveFovLH(&projMatrix, angle, wh, 1.0f, 1000.0f);
D3DDevice->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &projMatrix);// 设置视口变换
D3DVIEWPORT9 viewport = { 0, 0, WINDOW_WIDTH, WINDOW_HEIGHT, 0, 1 };
D3DDevice->SetViewport(&viewport);

光照还是按照我们之前的旧代码，设置全局环境光以及默认材质。接下来我们renderScene函数，代码如下：

// 绘制草地
D3DXMATRIX worldMatrix;
D3DXMatrixTranslation(&worldMatrix, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
D3DDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD, &worldMatrix);
land->render();// 绘制胶囊体
D3DXMATRIX worldMatrix2;
D3DXMatrixTranslation(&worldMatrix2, x, y, z);
D3DDevice->SetTransform(D3DTS_WORLD, &worldMatrix2);
capsule->render();// 调整取景变换矩阵
D3DXMATRIX V;
camera->getViewMatrix(&V);
D3DDevice->SetTransform(D3DTS_VIEW, &V);

由于我们需要操作摄像机的移动，因此在renderScene函数添加取景变换矩阵的调整，这样移动和旋转摄像机，场景画面就会变化了。我们先运行代码看看效果：

我们可以看到在草地上面放置了一个木板材质的胶囊体。接下来，我们就来完成update函数，让摄像机和胶囊体能够移动，代码如下：

// 获取键盘信息
input->update();
char key = input->key[0];// 按键判断
switch (key) {case 'A':// 摄像机向左移动camera->leftRightMove(-distance);break;case 'D':// 摄像机 向右移动camera->leftRightMove(distance);break;case 'W':// 摄像机 向前移动camera->frontBackMove(distance);break;case 'S':// 摄像机 向后移动camera->frontBackMove(-distance);break;case 'Q':// 摄像机 向左旋转camera->leftRightRotate(-0.02);break;case 'E':// 摄像机 向右旋转camera->leftRightRotate(0.02);break;case 'C':// 摄像机 向上移动camera->upDownMove(distance);break;case 'V':// 摄像机 向下移动camera->upDownMove(-distance);break;case 'I':// 模型向 z 轴正方向移动z += distance;// 根据地形高度设置模型y轴位置y = land->getTerrainHeight(x, z);break;case 'K':// 模型向 z 轴负方向移动z -= distance;// 根据地形高度设置模型y轴位置y = land->getTerrainHeight(x, z);break;case 'J':// 模型向 x 轴负方向移动x -= distance;// 根据地形高度设置模型y轴位置y = land->getTerrainHeight(x, z);break;case 'L':// 模型向 x 轴正方向移动x += distance;// 根据地形高度设置模型y轴位置y = land->getTerrainHeight(x, z);break;
}

对于胶囊体的移动，我们只需要修改器x和z的数值，然后由地形类来就算y值，这样就完成了胶囊体的移动。而摄像机的自由移动则是调用起内部方法，但是，最终的取景变换还是在renderScene函数中完成的。运行效果如下：

通过移动胶囊体，我们发现，它的Y值计算还是正确的，但是，我们分别控制胶囊体和摄像机确实比较麻烦。

本课程的所有代码案例下载地址：

workspace.zip

备注：这是我们游戏开发系列教程的第二个课程，这个课程主要使用C++语言和DirectX来讲解游戏开发中的一些基础理论知识。学习目标主要依理解理论知识为主，附带的C++代码能够看懂且运行成功即可，不要求我们使用DirectX来开发游戏。课程中如果有一些错误的地方，请大家留言指正，感激不尽！

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