Introduction to 3D Game Programming with DirectX.9.0 - F. D. Luna

		Y
	L
	F
	M
A
E
T

Introduction to 3D Game Programming with DirectX® 9.0

Frank D. Luna

Technical review by Rod Lopez

Wordware Publishing, Inc.

2003005834 CIP

Library of Congress Cataloging-in-Publication Data

Luna, Frank D.

Introduction to 3D game programming with DirectX 9.0 / by Frank D. Luna.

p.cm.

ISBN 1-55622-913-5 (pbk.)

1. Computer games--Programming. 2. DirectX. I. Title. QA76.76.C672L83 2003

794.8'15268--dc21

© 2003, Wordware Publishing, Inc.

All Rights Reserved

2320 Los Rios Boulevard

Plano, Texas 75074

No part of this book may be reproduced in any form or by any means without permission in writing from Wordware Publishing, Inc.

Printed in the United States of America

ISBN 1-55622-913-5

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

0305

DirectX is a registered trademark of Microsoft Corporation in the United States and/or other countries.

All brand names and product names mentioned in this book are trademarks or service marks of their respective companies. Any omission or misuse (of any kind) of service marks or trademarks should not be regarded as intent to infringe on the property of others. The publisher recognizes and respects all marks used by companies, manufacturers, and developers as a means to distinguish their products.

All inquiries for volume purchases of this book should be addressed to Wordware Publishing, Inc., at the above address. Telephone inquiries may be made by calling:

[phone]

To my parents, Frank and Kathryn

iii

This page intentionally left blank.

Contents

Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii

Part I Mathematical Prerequisites . . . . . . . . . . . . . . 1

Vectors in 3-Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Vector Equality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Computing the Magnitude of a Vector. . . . . . . . . . . . . 6 Normalizing a Vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Vector Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Vector Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Scalar Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Dot Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Cross Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Equality, Scalar Multiplication, and Addition. . . . . . . . . 12 Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 The Identity Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Inverses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 The Transpose of a Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 D3DX Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Basic Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 The Translation Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 The Rotation Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 The Scaling Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Combining Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Some Functions to Transform Vectors . . . . . . . . . . . . 25

Planes (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 D3DXPLANE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Point and Plane Spatial Relation . . . . . . . . . . . . . . . 27 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Normalizing a Plane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Transforming a Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Nearest Point on a Plane to a Particular Point . . . . . . . . 29

Rays (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Ray/Plane Intersection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

v

vi Contents

Part II	Direct3D Fundamentals. . . . . . . . .		. . . . . . . 33
Chapter 1	Direct3D Initialization . . . . . . . . .		. . . . . . . 35
	1.1	Direct3D Overview . . . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . 35
		1.1.1 The REF Device . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . 36
		1.1.2 D3DDEVTYPE . . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . 37
	1.2	COM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . 37
	1.3	Some Preliminaries . . . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . 37

1.3.1Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.3.2Multisampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.3.3Pixel Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.3.4Memory Pools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.3.5 The Swap Chain and Page Flipping . . . . . . . . . . 42

1.3.6Depth Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.3.7Vertex Processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.3.8Device Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.4Initializing Direct3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.4.1Acquiring an IDirect3D9 Interface . . . . . . . . . . . 46

1.4.2Checking for Hardware Vertex Processing . . . . . . 47

1.4.3Filling Out the D3DPRESENT_PARAMETERS Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.4.4Creating the IDirect3DDevice9 Interface . . . . . . . 50

1.5Sample Application: Initializing Direct3D . . . . . . . . . . . 51

1.5.1d3dUtility.h/cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

1.5.2Sample Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1.5.3Sample: D3D Init . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Chapter 2 The Rendering Pipeline. . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.1Model Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.1.1Vertex Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.1.2Triangles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.1.3Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.2The Virtual Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.3The Rendering Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.3.1Local Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.3.2World Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.3.3View Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.3.4 Backface Culling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.3.5Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3.6Clipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3.7Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.3.8 Viewport Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.3.9Rasterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

2.4Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Contents vii

Chapter 3 Drawing in Direct3D . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1Vertex/Index Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1.1Creating a Vertex and Index Buffer . . . . . . . . . . 76

3.1.2Accessing a Buffer’s Memory . . . . . . . . . . . . . 78

3.1.3Retrieving Information about a Vertex and

Index Buffer .	.	.	.	. . . .	.	.	. .	.	. . . . .	.	.	.	.	.	.	.	.	79
3.2 Render States	.	.	.	. . . .	.	.	. .	.	. . . . .	.	.	.	.	.	.	.	.	80

3.3Drawing Preparations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.4Drawing with Vertex/Index Buffers . . . . . . . . . . . . . . 82

3.4.1IDirect3DDevice9::DrawPrimitive. . . . . . . . . . . 82

3.4.2IDirect3DDevice9::DrawIndexedPrimitive . . . . . . 82

3.4.3Begin/End Scene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.5D3DX Geometric Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.6Sample Applications: Triangle, Cube, Teapot,

D3DXCreate* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Chapter 4 Color . . . . . . . . .	. . . . . . . . .	. . . . . . . 91
4.1 Color Representation	. . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . 91

4.2Vertex Colors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.3Shading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.4Sample Application: Colored Triangle . . . . . . . . . . . . . 95

4.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Chapter 5 Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.1Light Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.2Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3Vertex Normals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.4Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.5Sample Application: Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.6Additional Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Chapter 6 Texturing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.1Texture Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.2Creating and Enabling a Texture . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.3Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.4Mipmaps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.4.1Mipmap Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.4.2Using Mipmaps with Direct3D . . . . . . . . . . . . 116

6.5Address Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.6Sample Application: Textured Quad . . . . . . . . . . . . . 118

6.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

viii Contents

Chapter 7 Blending. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7.1The Blending Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7.2Blend Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

7.3Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

7.3.1 Alpha Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.3.2Specifying the Source of Alpha . . . . . . . . . . . . 125

7.4Creating an Alpha Channel Using the DirectX

Texture Tool. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

7.5Sample Application: Transparency . . . . . . . . . . . . . . 127

7.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Chapter 8 Stenciling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

8.1Using the Stencil Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

8.1.1Requesting a Stencil Buffer . . . . . . . . . . . . . . 133

8.1.2The Stencil Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8.1.3Controlling the Stencil Test . . . . . . . . . . . . . . 134

8.1.3.1Stencil Reference Value . . . . . . . . . . . 134

8.1.3.2Stencil Mask . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

8.1.3.3Stencil Value . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

8.1.3.4Comparison Operation . . . . . . . . . . . . 135

8.1.3	Updating the Stencil Buffer .	.	.	.	.	.	. . . . .	.	.	.	135
8.1.4	Stencil Write Mask . . . . .	.	.	.	.	.	. . . . .	.	.	.	137

8.2Sample Application: Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8.2.1The Mathematics of Reflection . . . . . . . . . . . . 137

8.2.2Mirror Implementation Overview . . . . . . . . . . 139

8.2.3Code and Explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

8.2.3.1Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8.2.3.2Part II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8.2.3.3Part III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

8.2.3.4 Part IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.2.3.5Part V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.3Sample Application: Planar Shadows. . . . . . . . . . . . . 144

8.3.1 Parallel Light Shadows . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.3.2Point Light Shadows. . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

8.3.3The Shadow Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

8.3.4Using the Stencil Buffer to Prevent Double

Blending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8.3.5Code and Explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

8.4Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

Part III	Applied Direct3D . . . . . . . . . . . . .	. . . .	.	151
Chapter 9	Fonts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	. . . .	.	153

9.1ID3DXFont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

9.1.1Creating an ID3DXFont . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Contents ix

9.1.2 Drawing Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

9.1.3Computing the Frames Rendered Per Second . . . . 155

9.2CD3DFont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

9.2.1Constructing a CD3DFont. . . . . . . . . . . . . . . 156

9.2.2	Drawing Text	. .	.	.	. . .	.	.	.	.	.	.	. . . . .	.	.	.	156
9.2.3	Cleanup . .	. . .	.	.	. . .	.	.	.	.	.	.	. . . . .	.	.	.	157

9.3D3DXCreateText . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

9.4Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Chapter 10 Meshes Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

10.1Geometry Info . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

10.2Subsets and the Attribute Buffer . . . . . . . . . . . . . . 161

10.3Drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

10.4Optimizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

10.5The Attribute Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

10.6Adjacency Info . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

10.7Cloning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

10.8Creating a Mesh (D3DXCreateMeshFVF) . . . . . . . . . 170

10.9Sample Application: Creating and Rendering a Mesh . . . 171

10.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Chapter 11 Meshes Part II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

11.1ID3DXBuffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

11.2XFiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

11.2.1Loading an XFile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

11.2.2XFile Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

11.2.3Sample Application: XFile . . . . . . . . . . . . . . 181

11.2.4Generating Vertex Normals . . . . . . . . . . . . . 184

11.3Progressive Meshes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

11.3.1Generating a Progressive Mesh . . . . . . . . . . . 186

11.3.2 Vertex Attribute Weights . . . . . . . . . . . . . . 187

11.3.3ID3DXPMesh Methods . . . . . . . . . . . . . . . 188

11.3.4Sample Application: Progressive Mesh . . . . . . . 190

11.4Bounding Volumes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

11.4.1Some New Special Constants . . . . . . . . . . . . 194

11.4.2Bounding Volume Types . . . . . . . . . . . . . . . 195

11.4.3Sample Application: Bounding Volumes. . . . . . . 196

11.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Chapter 12 Building a Flexible Camera Class . . . . . . . . . . 199

12.1 Camera Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

12.2Implementation Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 12.2.1 Computing the View Matrix . . . . . . . . . . . . . 201

12.2.1.1	Part 1:	Translation .	.	.	.	.	. . . . .	.	.	.	202
12.2.1.2	Part 2:	Rotation . . .	.	.	.	.	. . . . .	.	.	.	203