Использованиечастицванимации
Улучшения визуализации частиц при помощи вершинных шейдеров
Что бы я мог показать такого, что бы улучшило возможности визуализации частиц? Скажу вам прямо: используя вершинные шейдеры, вы можете смешать простоту использования квадратов и скорость визуализации точечных спрайтов.
Ранее, в разделе "Рисование частиц с помощью квадратных полигонов", я показывал, как рисовать частицу, устанавливая координаты четырех ее вершин, образующих квадрат, и потом используя матрицу обратного преобразования вида, смешанную с мировыми координатами частицы, таким образом визуализируя многоугольники. За один раз рисовалась одна частица, т. е. каждый раз приходилось блокировать, заполнять и разблокировать буфер вершин.
Даже если частица не меняла свой размер, т. е. не было необходимости блокировать и разблокировать буфер вершин для каждой рисуемой частицы, все равно приходилось каждый раз изменять и устанавливать матрицу преобразования, чтобы убедиться, что частицы находятся в правильном положении в трехмерном мире перед визуализацией. Подумайте об этом - тысяча частиц означает тысячу вызовов функции SetTransform!
Т. к. вершинные шейдеры работают параллельно с конвейером визуализации, нет нужды каждый раз иметь дело с преобразованиями. Все правильно - больше нет нужды рисовать только одну частицу за один раз! Используя вершинные шейдеры, вы можете заполнить буфер вершин каким угодно количеством вершин и рисовать сразу набор частиц за один вызов. Это означает, что скорость частиц буфера вершин будет такой же, как и скорость точечных спрайтов!
При использовании вершинных шейдеров структуры вершин очень похожи на структуры точечных спрайтов. На рис. 12.5 и следующей далее структуре вершин показаны координаты центра частицы в трехмерном мире, рассеянный цвет и текстурные координаты. Единственной разницей между следующей далее структурой вершин и используемой в точечных спрайтах является хранимый немного по другому размер частицы.
typedef struct {
D3DXVECTOR3 vecPos; // Координаты частицы D3DXVECTOR2 vecOffset; // Координаты смещения вершины DWORD Diffuse; // Рассеянный цвет частицы
float u, v; // Текстурные координаты } sShaderVertex;
348 |
Глава12 |
Вершины 
Рис. 12.5. При использовании вершинного шейдера частица состоит из четырех вершин, определяемых центральной точкой, смещением от центра, рассеянным цветом и текстурными координатами
Рис. 12.5 показывает, что каждая вершина определяется расстоянием от центра частицы, называемым смещением. Смещение хранится в объекте D3DXVECTOR2, причем каждая компонента вектора относится к соответствующей оси (vecOffset.x для оси х и vecOffset.y для оси у).
Значения вектора смещения являются аналогом переменных размера в стандартных многоугольниках и точечных спрайтах; они определяют размер частицы по каждой оси. Например, значение смещения по оси х 10 означает, что частица лежит от -10 до 10 по оси х (при этом результирующая ширина частицы равна 20 единицам). То же самое справедливо и для оси у; значение смещения может быть любым числом, определяющим размер частицы по оси у. Обычно эти значения устанавливаются одинаковыми по обеим осям для получения квадратных частиц.
Для создания частицы, используя только что объявленную структуру, создается буфер вершин, содержащий достаточно вершин для каждой визуализируемой частицы. При использовании списков треугольников, когда каждая частица использует шесть вершин и буферов индексов, вы можете сократить количество вершин до четырех.
Я вернусь к буферу индексов немного позднее. А пока я хочу поговорить о буферах вершин. Т. к. вы используете вершинные шейдеры для визуализации частиц, для создания буфера вершин необходимо создать объявление элементов вершин и привязать компоненты структуры вершин к соответствующим регистрам шейдера. Для пользователей DirectX9 это означает создание массива структур D3DVERTEXELEMENT9, как показано тут:
Использованиечастицванимации
D3DVERTEXELEMENT9 ParticleDecl[] =
{
// Координаты вершины - D3DXVECTOR3 vecPos
{ 0, 0, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, \ D3DDECLUSAGE_POSITION, 0 },
// Смещение угла вершины D3DXVECTOR2 vecOffset
{ 0, 12, D3DDECLTYPE_FLOAT2, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, \ D3DDECLUSAGE_POSITION, 1 },
// Рассеянный цвет - DWORD Diffuse
{ 0, 20, D3DDECLTYPE_D3DCOLOR, D3DDECLMETH0D_DEFAULT, \ D3DDECLUSAGE_C0L0R, 0 },
// Текстурные координаты - float u, v
{ 0, 24, D3DDECLTYPE_FLOAT2, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, \ D3DDECLUSAGE_TEXCOORD, 0 },
D3DDECL_END()
};
Объявление элементов вершин ParticleDecl является простым - оно связывает компоненты структуры вершины и соответствующие части вершинного шейдера. Во-первых, две компоненты положения (трехмерные координаты и вектор смещения угла). После них следует рассеянная составляющая цвета и текстурные координаты. Каждая компонента использует индекс #0, за исключением вектора смещения угла, использующего индекс #1 в типе положения.
Элементы вершин станут более понятны, когда вы увидите вершинный шейдер. А пока, просто создайте буфер вершин и заполните его данными частицы. Предположим, вы хотите разместить четыре частицы, которые образуют шестнадцать вершин.(четыре вершина на каждую частицу, причем каждая вершина соответствует углу частицы). Следующий кусочек кода создает буфер вершин, используя объявленные выше элементы вершин:
IDirect3DVertexBuffer9 *pVB = NULL; pDevice->CreateVertexBuffer(16 * sizeof(sShaderVertex), \
D3DUSAGE_WRITEONLY, 0, \ D3DPOOL_DEFAULT, &pVB, 0);
Как я замечал ранее, для визуализации частиц необходимо также создать буфер индексов. Т. к. каждая частица использует два многоугольника (каждый из которых содержит по три вершины), необходимо шесть индексов на каждую частицу. В случае, если имеется четыре частицы, необходимо создать буфер индексов, содержащий 24 элемента.
IDirect3DIndexBuffer9 *pIB = NULL; pDevice->CreateIndexBuffer(24 * sizeof(short), \
D3DUSAGE_WRITEONLY, D3DFMT_INDEX16, \ D3DPOOL_DEFAULT, &pIB, 0);
350
unsigned short *IBPtr;
pIB->Lock(0, 0, (void**)&IBPtr, 0); for(DWORD i=0;i<4;i++) { // # частиц
IBPtr[i*6+0] = i * 4 + 0;
IBPtr[i*6+1] = i * 4 + 1;
IBPtr[i*6+2] = i * 4 + 2;
IBPtr[i*6+3] = i * 4 + 3;
IBPtr[i*6+4] = i * 4 + 2;
IBPtr[i*6+5] = i * 4 + 1;
}
pIB->Unlock();
Все, что осталось сделать на данном этапе, это заблокировать буфер вершин, заполнить данными, разблокировать и визуализировать его! При заполнении буфера вершин убедитесь, что вы устанавливаете правильные значения вектора смещения угла для каждого из углов визуализируемой частицы и координаты центра в каждой вершине. Следующий код демонстрирует установку четырех частиц, имеющих случайное положение и размер:
// Заблокировать буфер вершин sShaderVertex *VPtr = NULL; pVB->Lock(0, 0, (void**)VPtr, 0);
for(DWORD i=0;i<4;i++) {
//Получить случайное положение частицы float x = (float)(rand()%20)-10.0f; float у = (float)(rand()%20)-10.0f; float z = (float)(rand()%20)-10.0f;
//Получить случайный размер частицы float Size = (float)(rand()%10)+1.0f;
//Получить размер, деленный пополам float HalfSize = Size / 2.0f;
//Верхняя левая вершина
pVB[0].vecPos = D3DXVECTOR3(x, у, z); pVB[0].vecOffset = D3DXVECTOR2(-HalfSize, HalfSize); pVB[0].Diffuse = D3DCOLOR_RGBA(255,255,255,255); pVB[0].u = 0.0f; pVB[0].v = 0.0f;
//Верхняя правая вершина pVB[1].vecPos = D3DXVECTOR3(x, y, z);
pVB[1].vecOffset = D3DXVECTOR2(HalfSize, HalfSize); pVB[1].Diffuse = D3DCOLOR_RGBA(255,255,255,255); pVB[1].u = 1.0f; pVB[0].v = 0.0f;
//Нижняя левая вершина
pVB[2].vecPos = D3DXVECTOR3(x, y, z); pVB[2].vecOffset = D3DXVECTOR2(-HalfSize, -HalfSize); pVB[2].Diffuse = D3DCOLOR_RGBA(255,255,255,255); pVB[2].u = 0.0f; pVB[0].v = 1.0f;
Использованиечастицванимации
//Нижняя правая вершина pVB[3].vecPos = D3DXVECTOR3(х, у, z) ;
pVB[3].vecOffset = D3DXVECTOR2(HalfSize, -HalfSize); pVB[3].Diffuse = D3DCOLOR_RGBA(255,255,255,255); pVB[3].u = 1.0f; pVB[0].v = 1.0f;
//Перейти к следующем четырем вершинам
pVB+=4;
}
После того как вы установили буфер вершин, можно визуализировать частицы. Ну, хотя это не совсем правда - все еще нужно создать и загрузить вершинный шейдер; создайте интерфейс объявления; установите источники вершин, текстуры, альфатестирование и смешивание; установите константы вершинного шейдера.
Загрузка вершинного шейдера и создание интерфейса объявления стандартны в DirectX9, поэтому я их пропущу. (Если вам необходима помощь, можете посмотреть код демонстрационной программы этой главы ParticlesVS или вспомогательные функции первой главы.) Вы также видели, как устанавливать источники вершин, текстуры, альфа-тестирование и смешивание, так что я пропущу их тоже. А теперь я хочу показать вам фактический вершинный шейдер, используемый для визуализации частиц.
Помните, что каждая частица состоит из четырех вершин. Ранее в этой главе, вы узнали, что необходимо было располагать каждую из этих вершин при помощи матрицы обратного преобразования вида, прежде чем визуализировать частицу. Однако в вершинном шейдере все будет немного по-другому. Прежде чем продолжить, я хочу показать вам компоненты направленного вектора преобразования вида.
Чтобы не быть обманщиком, скажу: компоненты направленного вектора описывают направление вида - вперед, вверх и вправо (как показано на рис. 12.6)
Чтобы лучше понять концепцию направленных компонент, встаньте и посмотрите вперед. Направление вашего взгляда называется вектор глаза, который описывает направление, куда вы смотрите. Мысленно проведите линию от пяток до верхней части головы. Направление этой линии называется вектор вверх, он указывает вверх от вашей текущей ориентации. Наконец, поднимите правую руку на 90 градусов и вытяните палец. Направление, которое вы указываете, называется вектор вправо, он всегда указывает направление вправо относительно текущей ориентации.
Эти векторы (глаза, вверх и вправо) определяют, какие направления относительны текущей ориентации. Например, если вы движетесь вперед, тогда вектор глаза является направлением движения; если вы идете назад, то обратный вектор глаза определяет направление движения. Аналогично, если вы движетесь вправо, то вы перемещаетесь в направлении вектора вправо. Идите влево, и тогда вы
352 |
Глава12 |
11 12 13 14
21 22 23 24
31 32 33 34
41 42 43 44
Рис. 12.6. Преобразование вида указывает его направление: какие направления справа, а какие сверху от его ориентации
будете перемещаться по направлению обратного вектора вправо. То же самое относится и к вектору вверх, если вы движетесь вверх или вниз по воображаемой линии от ноги до головы.
Теперь вы знаете, что весь этот материал о компонентах вектора был не просто так, не так ли? Хорошо, преобразования вида фактически содержатся в трех направленных векторах, как я только что заметил. Каждая компонента хранится в столбце преобразования вида. Как показано на рис. 12.7, вектор вправо является столбцом 1, вектор вверх столбцом 2, вектор глаза столбцом 3, четвертый столбец не задействован.
|
Преобразованиевида |
|
|
Right•X |
Up • X |
Eye • X |
14 |
Right•Y |
Up • Y |
Eye • Y |
24 |
Right•Z |
Up • Z |
Eye • Z |
34 |
Right•W |
Up • W |
Eye • W |
44 |
Рис. 12.7. Каждый столбец преобразования вида содержит вектор направления, который вы можете использовать для расположения вершин частиц
Теперь я хочу вернуться к сути. Используя эти три вектора направления (или фактически нормальные векторы направлений), вы можете расположить угловые вершины частицы в соответствующих направлениях - вверх, вниз, влево или вправо, как
Использованиечастицванимации
определено векторами направлений вверх и вправо. Эти векторы масштабируются на координаты смещения частицы.
Говоря по простому, сначала вы помещаете каждую вершину в начало координат мира. Далее вы передвигаете каждую вершину влево или вправо, используя нормальный вектор направления вправо, масштабированный на смещение частицы по х (sShaderParticle::vecOffset.x). После этого вы перемещаете вершину вверх или вниз, используя нормальный вектор направления вверх, масштабированный на смещение частицы по у (sShaderParticle::vecOffset.y). Наконец вы добавляете координаты центра частицы для получения результирующих координат вершин. Смыть, намылить и повторять для каждой вершины. Теперь вершины находятся в корректных положениях в мире, и можно их визуализировать!
Я покажу вам, как получить эти компоненты векторов направления из преобразования вида немного позднее; а пока я хочу вернуться к вершинному шейдеру. В начале шейдера, в комментариях, я привел список используемых привязок, констант и необходимую версию:
;v0 = Координаты частицы
;v1 = Смещения X/Y, необходимые для расположения вершин
;v2 = Рассеянный цвет частицы
;v3 = Текстурные координаты
;с0-с3 = Матрица вид*проекция
;с4 = Нормальный вектор направления вправо
;с5 = Нормальный вектор направления вверх
vs. 1.1
Как вы можете видеть, используемые константы являются комбинированной матрицей вида и проекции, которую вы помещаете в константы от с0 до с3. Далее следуют нормальные векторы направлений вправо и вверх, о которых я говорил ранее. Они помещаются в константы с4 и с5. Я вернусь к установке констант немного позднее; а пока, я хочу продолжить рассмотрение кода шейдера.
Далее следует фактическая привязка объявлений вершинных регистров, необходимая для того, чтобы можно было получить доступ к соответствующим компонентам структуры вершин через вершинный шейдер.
dcl_position v0 dcl_positionl v1 dcl_color v2 dcl_texcoord v3
354 |
Глава 12 |
А теперь начинается веселье! Помните, ранее в этом разделе я сказал, что сначала необходимо расположить вершину в начале координат мира и передвинуть ее вдоль масштабированных векторов вверх и вправо? Хорошо, этой цели служит приведенный ниже код вершинного шейдера.
; Масштабировать смещения углов на векторы вправо и вверх mov r2, v1
mad r1, r2.xxx, c4, v0 mad r1, r2.yyy, c5, r1
Предыдущий кусочек кода берет нормальные векторы масштабирования (расположенные в регистрах с4 и с5) и умножает их на значения смещения вершинной структуры. После чего результаты добавляются к координатам центра частицы для получения результирующих координат вершины. Все, что вам необходимо сделать, это применить преобразование вид*проекция к координатам вершины и сохранить рассеянный цвет и текстурные координаты.
;Наложить преобразование вид*проекция m4х4 oPos, r1, c0
;Сохранить рассеянный цвет
mov oD0, v2
; Сохранить текстурные координаты mov oT0.xy, v3
Ничего себе, вот это маленький и эффективный шейдер! Все, что остается сделать после создания и загрузки нового вершинного шейдера, это установить его константы и визуализировать! Эти константы содержат преобразование вид*проекция и векторы направлений вправо и вверх. Давайте разберемся с преобразованием и перейдем
квекторам направлений.
Яполагаю, что матрицы преобразования вида и проекции хранятся в двух отдельных объектах D3DXMATRIX. Все, что вам необходимо сделать, это просто перемножить их, транспонировать результирующую матрицу и сохранить результат в константах, используя функцию SetVertexShaderConstantF.
//matView = матрица преобразования вида
//matProj = матрица преобразования проекции
D3DXMATRIX matViewProj = matView * matProj; D3DXMatrixTranspose(&matViewProj, &matViewProj); pDevice->SetVertexShaderConstantF(0, (float*)matViewProj, 4);
Теперь перейдем к векторам направлений. Помните, я сказал, что векторы направлений хранятся в столбцах преобразования вида? Т. к. у нас уже есть объект матрицы преобразования вида, то можно непосредственно получить эти компоненты
Использованиечастицванимации
и нормализовать их одновременно с помощью следующего кода. (Заметьте, что используются только компоненты вправо и вверх, не учитывая вектор глаза.)
//Получить нормальные векторы вправо/вверх из преобразования вида D3DXVECTOR4 vecRight, vecUp;
//Вектор вправо является первым столбцом D3DXVec4Normalize(&vecRight, \
&D3DXVECTOR4(matView._11, \ matview._21, \ matView._31, 0.0f));
//Вектор вверх является вторым столбцом
D3DXVec4Normalize(&vecUp, \ &D3DXVECTOR4(matView._12, \
matview._22, \ matView._32, 0.0f));
После того как вы нормализовали векторы, вы можете сохранить их в константах с4 и с5.
pDevice->SetVertexShaderConstantF(4, (float*)&vecRight, 1); pDevice->SetVertexShaderConstantF(5, (float*)&vecUp, 1);
Наконец-то! Все готово, и теперь вы можете визуализировать частицы с помощью замечательного вершинного шейдера! Убедитесь, что вы установили потоки, текстуру, шейдер, объявление и что вы используете индексные методы рисования примитивов, т. к. используются буферы индексов. Посмотрите на все это в следующем коде:
//pShader = интерфейс вершинного шейдера
//pDec = интерфейс объявления элементов вершин
//Установить вершинный шейдер, объявление и источники потоков pDevice->SetFVF(NULL);
pDevice->SetVertexShader(pShader); pDevice->SetVertexDeclaration(pDecl);
pDevice->SetStreamSource(0, pVB, 0, sizeof(sShaderVertex)); pDevice->SetIndices(pIB);
// Включить альфа-тестирование
pDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHATESTENABLE, TRUE); pDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHAREF, 0x08); pDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHAFUNC, D3DCMP_GREATEREQUAL);
//Включить альфа-смешивание (простого добавочного типа) pDevice->SetRenderState(D3DRS_ALPHABLENDENABLE, TRUE); pDevice->SetRenderState(D3DRS_SRCBLEND, D3DBLEND_SRCCOLOR); pDevice->SetRenderState(D3DRS_DESTBLEND, D3DBLEND_DESTCOLOR);
//Визуализировать частицы вершинного шейдера (четыре) pDevice->DrawIndexedPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST,0,0,16,0,8);