图形API学习工程(10):基础光照
工程GIT地址:https://gitee.com/yaksue/yaksue-graphics
目标
在《图形API学习工程(6):创建并使用UniformBuffer》中,UniformBuffer的机制已经配置好,这其实可以让一大批功能得以实现。《图形API学习工程(7):进入3D空间》是其一,其中配置了相机矩阵和投影矩阵,使得能以一个虚拟的“相机”来观察3D世界。本篇的“光照”同样如此,它建立在UniformBuffer的功能上。
本篇的目标是创建一个有一定体积的“立方体”,并让它看起来“受到光照”。
此处概念介绍,可见DirectX11官方SDK中的教程范例【Direct3D11 - Tutorial 6: Lighting】
无光照的效果
为了测试,让“立方体”的所有顶点的颜色都是青色(0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f):
//作为测试的顶点缓冲数据:
std::vector<RawVertexData> vertices = { //六个面,颜色都是青色(0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f){ {-1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.7f, 0.7f, 1.0f} },
};
效果:
可以看出,虽然从轮廓可以辨别出它是一个立方体。但这和实际在现实中看到的立方体差别很大。在现实中,一个立方体,就算是纯色的,也能辨认出各个表面,辨认出棱角。
而这主要归功于——光照。由于不同的表面相对的光照方向角度不一样,因此他们受光的程度不同。这很容易想象:“光照方向垂直于平面”时,会比“光照方向平行于平面”时更亮。
法线
为了表示表面朝向,引入法线
。
(另外,我将颜色这个顶点属性去掉,因为所有顶点都是同一种颜色,因此我选择将值暂时硬编码在shader中)
1. 顶点数据调整
顶点数据类型修改:
数据:
//作为测试的顶点缓冲数据:
std::vector<RawVertexData> vertices = { //朝前:{ {-1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f} },{ {1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f} },{ {1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 1.0f, 0.0f} },//朝后:{ {-1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, -1.0f, 0.0f} },{ {1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, -1.0f, 0.0f} },{ {1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, -1.0f, 0.0f} },{ {-1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, -1.0f, 0.0f} },//朝左:{ {-1.0f, -1.0f, 1.0f}, {-1.0f, 0.0f, 0.0f} },{ {-1.0f, -1.0f, -1.0f}, {-1.0f, 0.0f, 0.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, -1.0f}, {-1.0f, 0.0f, 0.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, 1.0f}, {-1.0f, 0.0f, 0.0f} },//朝右:{ {1.0f, -1.0f, 1.0f}, {1.0f, 0.0f, 0.0f} },{ {1.0f, -1.0f, -1.0f}, {1.0f, 0.0f, 0.0f} },{ {1.0f, 1.0f, -1.0f}, {1.0f, 0.0f, 0.0f} },{ {1.0f, 1.0f, 1.0f}, {1.0f, 0.0f, 0.0f} },//朝下:{ {-1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.0f, -1.0f} },{ {1.0f, -1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.0f, -1.0f} },{ {1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.0f, -1.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, -1.0f}, {0.0f, 0.0f, -1.0f} },//朝上:{ {-1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f} },{ {1.0f, -1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f} },{ {1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f} },{ {-1.0f, 1.0f, 1.0f}, {0.0f, 0.0f, 1.0f} },
};
2. 顶点布局调整
将原先的颜色属性改为法线属性:
D3D11:
D3D12:
Vulkan:
OpenGL:
不过,由于OpenGL在创建顶点数据的时候还需要做些转换。因此也需要处理。
3. 着色器调整
将颜色的输入改为法线。
另外,加一个硬编码的光照方向,作为测试。
glsl版:
hlsl版:
效果
将光照方向加入UniformBuffer
在上一步骤中,光源方向被硬编码到着色器中,在实际中一般不会这么做。因为着色器中的代码应该只记录逻辑,而光源方向这种会被外部调整的数据,应该作为一个UniformBuffer传入。
将光照方向加入UniformBuffer结构体中:
当然,着色器中也要配合加入。
另外,由于是在像素着色器中获取这个信息,而之前只是在顶点着色器中,所以设置部分有需要改变:
OpenGL:
不需要调整
D3D11:
D3D12:
将UniformBuffer的可见从D3D12_SHADER_VISIBILITY_VERTEX
改为D3D12_SHADER_VISIBILITY_ALL
然后将之前管线中的flag去掉D3D12_ROOT_SIGNATURE_FLAG_DENY_PIXEL_SHADER_ROOT_ACCESS
Vulkan:
UniformBuffer的flag添加一个VK_SHADER_STAGE_FRAGMENT_BIT
鼠标控制光源
这里和《图形API学习工程(7):进入3D空间》中的相机类似,只不过将CameraManager
又向上抽象为一个MouseArmController
,供光源的控制使用。
另外,为了能分开控制相机和光源,我向MouseArmController
加入了“激活键”的概念,仅在这个键被按时才有效。
效果:
同时按住两个“激活键”就可以让光照方向时刻面对着相机
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