Трехмерная графика с использованием Direct3D

Схема графического конвейера

В данном разделе мы рассмотрим принципы построения трехмерных сцен с помощью графической библиотеки Direct3D. Вначале необходимо познакомиться со схемой работы графического конвейера. Графический конвейер представляет собой некое аппаратно-программное устройство, которое переводит объекты, описанные в трехмерном пространстве XYZ, с учетом положения наблюдателя, во множество пикселей на экране вашего монитора. Ниже приведена блок-схема работы графического конвейера.

"Жизнь" вершин начинается, когда они попадают в графический конвейер из приложения. На первом шаге графического конвейера все вершины объектов подвергаются аффинным преобразованиям - вращению, масштабированию и перемещению. За этот шаг отвечает блок трансформации и освещения либо же вершинный шейдер. По сути, выполняют они одну и ту же работу по преобразованию вершин, но блок трансформации и освещения жестко задает правила обработки, в то время как вершинный шейдер является программируемым элементом на данной стадии. Здесь же происходит расчет освещенности в вершинах в зависимости от количества, места положения и типа источников света. Вершинный шейдер получает на вход одну вершину, содержащую координаты в локальной системе координат, и выдает ее же, но уже трансформированную в координатах системы наблюдателя (камеры).

Отсечение невидимых граней "удаляет" все треугольники сцены, которые расположены нелицевыми сторонами к камере (наблюдателю). Программист может указать порядок обхода вершин треугольника (по часовой/против часовой стрелки), при котором библиотека будет блокировать вывод этих примитивов.

Пользователь может установить дополнительные плоскости отсечения, которые будут отсекать те вершины и треугольники, которые находятся в отрицательном полупространстве плоскостей.

Отсечение по видимому объему задает пирамиду видимости, и примитивы, которые находятся вне этой пирамиды, будут отсекаться.

На следующем шаге графического конвейера производится так называемое однородное преобразование, при котором x, y, z координаты вершин делятся на четвертую компоненту, называемую однородным множителем. После этого преобразования координаты треугольников будут нормализованы, а объем (пирамида) видимости трансформируется в единичный ортогональный куб.

Теперь нормализованные координаты отображаются в пространство экрана. На этом шаге "жизнь" вершин в графическом конвейере заканчивается.

Следующий этап начинается с растеризации треугольников и получении из них массива пикселей. Причем каждый растеризуемый пиксель обладает теми же атрибутами (цвет, текстурные координаты и т.д.) что и вершина после обработки вершинным шейдером. Значения же атрибутов пикселя вычисляются на основе линейной интерполяции вершин примитива.

Шаг мультитекстурирования может производиться либо с помощью механизма работы с текстурами, либо же с помощью пиксельных шейдеров. Пиксельные шейдеры можно рассматривать как некий программируемый механизм обработки пикселей. Причем способ и результат такой обработки зависит только от программиста. Именно с помощью пиксельных шейдеров получают визуальные эффекты, сравнимые с киноэффектами (моделирование воды, травяной поверхности, меха, микрорельефное и попиксельное освещение и др.).

После блока мультитекстурирования наступает фаза различных тестов, после успешного прохождения которых, пиксель попадает в буфер кадра (место в видеопамяти) и отображается на экране либо в заменяющую его текстуру.