DirectX11 With Windows SDK--13 动手实现一个简易Effects框架、阴影效果绘制

前言

到现在为止，所有的教程项目都没有使用Effects11框架类来管理资源。因为在D3DCompile API (#47)版本中，如果你尝试编译fx_5_0的效果文件，会收到这样的警告：

X4717: Effects deprecated for D3DCompiler_47

在未来的版本中，D3DCompiler可能会停止对FX11的支持，所以我们需要自行去管理各种特效，并改用HLSL编译器去编译每一个着色器。同时，在阅读本章之前，你需要先学习本系列前面的一些重点章节再继续：

章节目录

01 DirectX11初始化

02 顶点/像素着色器的创建、顶点缓冲区

03 索引缓冲区、常量缓冲区

09 纹理映射与采样器状态

11 混合状态与光栅化状态

12 深度/模板状态、反射绘制

在DirectXTK中的Effects.h可以看到它实现了一系列Effects管理类，相比Effects11框架库，它缺少了反射机制，并且使用的是它内部已经写好、编译好的着色器。DirectXTK的Effects也只不过是为了简化游戏开发流程而设计出来的。当然，里面的一部分源码实现也值得我们去学习。

注意：这章经历了一次十分大的改动，原先所使用的BasicEffect类因为在后续的章节中发现很难扩展，所以进行了一次大幅度重构。并会逐渐替换掉后面教程的项目源码所使用的BasicEffect。

在这一章的学习过后，你将会理解Effects11的一部分运作机制是怎样的。如果想更深入了解的话，推荐阅读下面这篇，内部实现了一个功能和Effects11相仿的EffectHelper类，可以更好地帮助你简化代码：

章节目录

深入理解Effects11、使用着色器反射机制(Shader Reflection)实现一个复杂Effects框架

DirectX11 With Windows SDK完整目录

Github项目源码

欢迎加入QQ群: 727623616 可以一起探讨DX11，以及有什么问题也可以在这里汇报。

回顾RenderStates类

目前的RenderStates类存放有比较常用的各种状态，原来在Effects11框架下是可以在fx文件初始化各种渲染状态，并设置到Technique11中。但现在我们只能在C++代码层中一次性创建好各种所需的渲染状态：

class RenderStates
{
public:
	template <class T>
	using ComPtr = Microsoft::WRL::ComPtr<T>;

	static bool IsInit();

	static void InitAll(ID3D11Device * device);
	// 使用ComPtr无需手工释放

public:
	static ComPtr<ID3D11RasterizerState> RSWireframe;		    // 光栅化器状态：线框模式
	static ComPtr<ID3D11RasterizerState> RSNoCull;			    // 光栅化器状态：无背面裁剪模式
	static ComPtr<ID3D11RasterizerState> RSCullClockWise;	    // 光栅化器状态：顺时针裁剪模式

	static ComPtr<ID3D11SamplerState> SSLinearWrap;			    // 采样器状态：线性过滤
	static ComPtr<ID3D11SamplerState> SSAnistropicWrap;		    // 采样器状态：各项异性过滤

	static ComPtr<ID3D11BlendState> BSNoColorWrite;		        // 混合状态：不写入颜色
	static ComPtr<ID3D11BlendState> BSTransparent;		        // 混合状态：透明混合
	static ComPtr<ID3D11BlendState> BSAlphaToCoverage;	        // 混合状态：Alpha-To-Coverage

	static ComPtr<ID3D11DepthStencilState> DSSWriteStencil;		// 深度/模板状态：写入模板值
	static ComPtr<ID3D11DepthStencilState> DSSDrawWithStencil;	// 深度/模板状态：对指定模板值的区域进行绘制
	static ComPtr<ID3D11DepthStencilState> DSSNoDoubleBlend;	// 深度/模板状态：无二次混合区域
	static ComPtr<ID3D11DepthStencilState> DSSNoDepthTest;		// 深度/模板状态：关闭深度测试
	static ComPtr<ID3D11DepthStencilState> DSSNoDepthWrite;		// 深度/模板状态：仅深度测试，不写入深度值
};

具体的设置可以参照源码或者上一章内容。

简易Effects框架

该Effects框架支持的功能如下：

1. 管理/修改常量缓冲区的内容，并应用(Apply)变更
2. 编译HLSL着色器而不是fx文件
3. 管理/使用四种渲染状态
4. 切换渲染模式(涉及到渲染管线各种资源的绑定、切换)
5. 仅更新修改的变量所对应的常量缓冲区块

不过它也有这样的缺陷：

1. 一个特效类对应一套着色器和所使用的常量缓冲区，所属着色器代码的变动很可能会引起对框架类的修改，因为缺乏反射机制而导致灵活性差。

此外，该框架内部会对矩阵进行转置，因此在传递矩阵给Effects时只需要传递默认的行主矩阵即可。

文件结构

首先是文件结构：

其中能够暴露给程序使用的只有头文件Effects.h，里面可以存放多套不同的特效框架类的声明，而关于每个框架类的实现部分都应当用一个独立的源文件存放。而EffectHelper.h则是用来帮助管理常量缓冲区的，服务于各种框架类的实现部分以及所属的源文件，因此不应该直接使用。

理论上它也是可以做成静态库使用的，然后着色器代码稳定后也不应当变动。在使用的时候只需要包含头文件Effects.h即可。

EffectHelper.h

该头文件包含了一些有用的东西，但它需要在包含特效类实现的源文件中使用，且必须晚于Effects.h和d3dUtil.h包含。

在堆上进行类的内存对齐

有些类型需要在堆上按16字节对齐，比如XMVECTOR和XMMATRIX，虽然说拿这些对象作为类的成员不太合适，毕竟分配在堆上的话基本上无法保证内存按16字节对齐了，但还是希望能够做到。在VS的corecrt_malloc.h(只要有包含stdlib.h, malloc.h之一的头文件都可以)中有这样的一个函数：_aligned_malloc，它可以指定需要分配的内存字节大小以及按多少字节对齐。其中对齐值必须为2的整数次幂的字节数。

void * _aligned_malloc(
    size_t size,        // [In]分配内存字节数
    size_t alignment    // [In]按多少字节内存来对齐
);  

若一个类中包含有已经指定内存对齐的成员，则需要优先把这些成员放到最前。

然后与之对应的就是_aligned_free函数了，它可以释放之前由_aligned_malloc分配得到的内存。

下面是类模板AlignedType的实现，让需要内存对齐的类去继承该类即可。它重载了operator new和operator delete的实现：

// 若类需要内存对齐，从该类派生
template<class DerivedType>
struct AlignedType
{
	static void* operator new(size_t size)
	{
		const size_t alignedSize = __alignof(DerivedType);

		static_assert(alignedSize > 8, "AlignedNew is only useful for types with > 8 byte alignment! Did you forget a __declspec(align) on DerivedType?");

		void* ptr = _aligned_malloc(size, alignedSize);

		if (!ptr)
			throw std::bad_alloc();

		return ptr;
	}

	static void operator delete(void * ptr)
	{
		_aligned_free(ptr);
	}
};

需要注意的是，继承AlignedType的类或者其成员必须本身有__declspec(align)的标识。若是内部成员，在所有包含该标识的值中最大的align值 必须是2的整数次幂且必须大于8。

下面演示了正确的和错误的行为：

// 错误！VertexPosColor按4字节对齐！
struct VertexPosColor : AlignedType<VertexPos>
{
    XMFLOAT3 pos;
    XMFLOAT4 color;
};

// 正确！Data按16字节对齐，因为pos本身是按16字节对齐的。
struct Data : AlignedType<VertexPos>
{
    XMVECTOR pos;
    int val;
};

// 正确！Vector类按16字节对齐
__declspec(align(16))
struct Vector : AlignedType<Vector>
{
	float x;
	float y;
	float z;
	float w;
};

这里AlignedType<T>主要是用于BasicEffect::Impl类，因为其内部包含了XMVECTOR和XMMATRIX类型的成员，且该类需要分配在堆上。

常量缓冲区管理

一个常量缓冲区可能会被创建、更新或者绑定到管线。若常量缓冲区的值没有发生变化，我们不希望它进行无意义的更新。这里可以使用一个dirty标记，确认它是否被修改过。在Effects调用Apply后，如果常量缓冲区的任一内部成员发生修改的话，我们就将数据更新到常量缓冲区并恢复该标记。

首先是抽象基类CBufferBase：

struct CBufferBase
{
	template<class T>
	using ComPtr = Microsoft::WRL::ComPtr<T>;

	CBufferBase() : isDirty() {}
	~CBufferBase() = default;

	BOOL isDirty;
	ComPtr<ID3D11Buffer> cBuffer;

	virtual HRESULT CreateBuffer(ID3D11Device * device) = 0;
	virtual void UpdateBuffer(ID3D11DeviceContext * deviceContext) = 0;
	virtual void BindVS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) = 0;
	virtual void BindHS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) = 0;
	virtual void BindDS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) = 0;
	virtual void BindGS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) = 0;
	virtual void BindCS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) = 0;
	virtual void BindPS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) = 0;
};

这么做是为了方便我们放入数组进行遍历。

然后是派生类CBufferObject，startSlot指定了HLSL对应cbuffer的索引，T则是C++对应的结构体，存储临时数据：

template<UINT startSlot, class T>
struct CBufferObject : CBufferBase
{
	T data;

	CBufferObject() : CBufferBase(), data() {}

	HRESULT CreateBuffer(ID3D11Device * device) override
	{
		if (cBuffer != nullptr)
			return S_OK;
		D3D11_BUFFER_DESC cbd;
		ZeroMemory(&cbd, sizeof(cbd));
		cbd.Usage = D3D11_USAGE_DYNAMIC;
		cbd.BindFlags = D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER;
		cbd.CPUAccessFlags = D3D11_CPU_ACCESS_WRITE;
		cbd.ByteWidth = sizeof(T);
		return device->CreateBuffer(&cbd, nullptr, cBuffer.GetAddressOf());
	}

	void UpdateBuffer(ID3D11DeviceContext * deviceContext) override
	{
		if (isDirty)
		{
			isDirty = false;
			D3D11_MAPPED_SUBRESOURCE mappedData;
			deviceContext->Map(cBuffer.Get(), 0, D3D11_MAP_WRITE_DISCARD, 0, &mappedData);
			memcpy_s(mappedData.pData, sizeof(T), &data, sizeof(T));
			deviceContext->Unmap(cBuffer.Get(), 0);
		}
	}

	void BindVS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) override
	{
		deviceContext->VSSetConstantBuffers(startSlot, 1, cBuffer.GetAddressOf());
	}

	void BindHS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) override
	{
		deviceContext->HSSetConstantBuffers(startSlot, 1, cBuffer.GetAddressOf());
	}

	void BindDS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) override
	{
		deviceContext->DSSetConstantBuffers(startSlot, 1, cBuffer.GetAddressOf());
	}

	void BindGS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) override
	{
		deviceContext->GSSetConstantBuffers(startSlot, 1, cBuffer.GetAddressOf());
	}

	void BindCS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) override
	{
		deviceContext->CSSetConstantBuffers(startSlot, 1, cBuffer.GetAddressOf());
	}

	void BindPS(ID3D11DeviceContext * deviceContext) override
	{
		deviceContext->PSSetConstantBuffers(startSlot, 1, cBuffer.GetAddressOf());
	}
};

关于常量缓冲区临时变量的修改则在后续的内容。

BasicEffect类--管理对象绘制的资源

首先是抽象基类IEffects，它仅允许被移动，并且仅包含Apply方法。

class IEffect
{
public:
	// 使用模板别名(C++11)简化类型名
	template <class T>
	using ComPtr = Microsoft::WRL::ComPtr<T>;

	IEffect() = default;

	// 不支持复制构造
	IEffect(const IEffect&) = delete;
	IEffect& operator=(const IEffect&) = delete;

	// 允许转移
	IEffect(IEffect&& moveFrom) = default;
	IEffect& operator=(IEffect&& moveFrom) = default;

	virtual ~IEffect() = default;

	// 更新并绑定常量缓冲区
	virtual void Apply(ID3D11DeviceContext * deviceContext) = 0;
};

原来的ID3DX11EffectPass包含的方法Apply用于在各个着色器阶段绑定所需要的常量缓冲区、纹理等资源，并更新之前有所修改的常量缓冲区。现在我们实现Effects框架中的Apply方法也是这么做的。

然后是派生类BasicEffect，从它的方法来看，包含了单例获取、渲染状态的切换、修改常量缓冲区某一成员的值、应用变更四个大块：

class BasicEffect : public IEffect
{
public:

	BasicEffect();
	virtual ~BasicEffect() override;

	BasicEffect(BasicEffect&& moveFrom) noexcept;
	BasicEffect& operator=(BasicEffect&& moveFrom) noexcept;

	// 获取单例
	static BasicEffect& Get();

	// 初始化Basic.hlsli所需资源并初始化渲染状态
	bool InitAll(ID3D11Device * device);

	//
	// 渲染模式的变更
	//

	// 默认状态来绘制
	void SetRenderDefault(ID3D11DeviceContext * deviceContext);
	// Alpha混合绘制
	void SetRenderAlphaBlend(ID3D11DeviceContext * deviceContext);
	// 无二次混合
	void SetRenderNoDoubleBlend(ID3D11DeviceContext * deviceContext, UINT stencilRef);
	// 仅写入模板值
	void SetWriteStencilOnly(ID3D11DeviceContext * deviceContext, UINT stencilRef);
	// 对指定模板值的区域进行绘制，采用默认状态
	void SetRenderDefaultWithStencil(ID3D11DeviceContext * deviceContext, UINT stencilRef);
	// 对指定模板值的区域进行绘制，采用Alpha混合
	void SetRenderAlphaBlendWithStencil(ID3D11DeviceContext * deviceContext, UINT stencilRef);
	// 2D默认状态绘制
	void Set2DRenderDefault(ID3D11DeviceContext * deviceContext);
	// 2D混合绘制
	void Set2DRenderAlphaBlend(ID3D11DeviceContext * deviceContext);

	//
	// 矩阵设置
	//

	void XM_CALLCONV SetWorldMatrix(DirectX::FXMMATRIX W);
	void XM_CALLCONV SetViewMatrix(DirectX::FXMMATRIX V);
	void XM_CALLCONV SetProjMatrix(DirectX::FXMMATRIX P);

	void XM_CALLCONV SetReflectionMatrix(DirectX::FXMMATRIX R);
	void XM_CALLCONV SetShadowMatrix(DirectX::FXMMATRIX S);
	void XM_CALLCONV SetRefShadowMatrix(DirectX::FXMMATRIX RefS);

	//
	// 光照、材质和纹理相关设置
	//

	// 各种类型灯光允许的最大数目
	static const int maxLights = 5;

	void SetDirLight(size_t pos, const DirectionalLight& dirLight);
	void SetPointLight(size_t pos, const PointLight& pointLight);
	void SetSpotLight(size_t pos, const SpotLight& spotLight);

	void SetMaterial(const Material& material);

	void SetTexture(ID3D11ShaderResourceView * texture);

	void XM_CALLCONV SetEyePos(DirectX::FXMVECTOR eyePos);

	//
	// 状态开关设置
	//

	void SetReflectionState(bool isOn);
	void SetShadowState(bool isOn);

	// 应用常量缓冲区和纹理资源的变更
	void Apply(ID3D11DeviceContext * deviceContext);

private:
	class Impl;
	std::unique_ptr<Impl> pImpl;
};

XM_CALLCONV即在第五章之前提到的__vectorcall或__fastcall约定。

BasicEffect::Impl类

之前在BasicEffect中声明了Impl类，主要目的是为了将类的成员和方法定义都转移到源文件中，并且还包含了HLSL五个cbuffer的C++结构体。不仅可以减少BasicEffect类的压力，还可以避免暴露上面的五个结构体：

class BasicEffect::Impl : public AlignedType<BasicEffect::Impl>
{
public:

	//
	// 这些结构体对应HLSL的结构体。需要按16字节对齐
	//

	struct CBChangesEveryDrawing
	{
		DirectX::XMMATRIX world;
		DirectX::XMMATRIX worldInvTranspose;
		Material material;
	};

	struct CBDrawingStates
	{
		int isReflection;
		int isShadow;
		DirectX::XMINT2 pad;
	};

	struct CBChangesEveryFrame
	{
		DirectX::XMMATRIX view;
		DirectX::XMVECTOR eyePos;
	};

	struct CBChangesOnResize
	{
		DirectX::XMMATRIX proj;
	};

	struct CBChangesRarely
	{
		DirectX::XMMATRIX reflection;
		DirectX::XMMATRIX shadow;
		DirectX::XMMATRIX refShadow;
		DirectionalLight dirLight[BasicEffect::maxLights];
		PointLight pointLight[BasicEffect::maxLights];
		SpotLight spotLight[BasicEffect::maxLights];
	};

public:
	// 必须显式指定
	Impl() : m_IsDirty() {}
	~Impl() = default;

public:
	// 需要16字节对齐的优先放在前面
	CBufferObject<0, CBChangesEveryDrawing> m_CBDrawing;		// 每次对象绘制的常量缓冲区
	CBufferObject<1, CBDrawingStates>       m_CBStates;		    // 每次绘制状态变更的常量缓冲区
	CBufferObject<2, CBChangesEveryFrame>   m_CBFrame;		    // 每帧绘制的常量缓冲区
	CBufferObject<3, CBChangesOnResize>     m_CBOnResize;		// 每次窗口大小变更的常量缓冲区
	CBufferObject<4, CBChangesRarely>		m_CBRarely;		    // 几乎不会变更的常量缓冲区
	BOOL m_IsDirty;												// 是否有值变更
	std::vector<CBufferBase*> m_pCBuffers;					    // 统一管理上面所有的常量缓冲区

	ComPtr<ID3D11VertexShader> m_pVertexShader3D;				// 用于3D的顶点着色器
	ComPtr<ID3D11PixelShader>  m_pPixelShader3D;				// 用于3D的像素着色器
	ComPtr<ID3D11VertexShader> m_pVertexShader2D;				// 用于2D的顶点着色器
	ComPtr<ID3D11PixelShader>  m_pPixelShader2D;				// 用于2D的像素着色器

	ComPtr<ID3D11InputLayout>  m_pVertexLayout2D;				// 用于2D的顶点输入布局
	ComPtr<ID3D11InputLayout>  m_pVertexLayout3D;				// 用于3D的顶点输入布局

	ComPtr<ID3D11ShaderResourceView> m_pTexture;				// 用于绘制的纹理

};

构造/析构/单例

这里用一个匿名空间保管单例对象的指针。当有一个实例被构造出来的时候就会给其赋值。后续就不允许再被实例化了，可以使用Get方法获取该单例。

namespace
{
	// BasicEffect单例
	static BasicEffect * g_pInstance = nullptr;
}

BasicEffect::BasicEffect()
{
	if (g_pInstance)
		throw std::exception("BasicEffect is a singleton!");
	g_pInstance = this;
	pImpl = std::make_unique<BasicEffect::Impl>();
}

BasicEffect::~BasicEffect()
{
}

BasicEffect::BasicEffect(BasicEffect && moveFrom) noexcept
{
	pImpl.swap(moveFrom.pImpl);
}

BasicEffect & BasicEffect::operator=(BasicEffect && moveFrom) noexcept
{
	pImpl.swap(moveFrom.pImpl);
	return *this;
}

BasicEffect & BasicEffect::Get()
{
	if (!g_pInstance)
		throw std::exception("BasicEffect needs an instance!");
	return *g_pInstance;
}

BasicEffect::InitAll方法

BasicEffect::InitAll方法负责创建出所有的着色器和常量缓冲区，以及所有的渲染状态：

bool BasicEffect::InitAll(ID3D11Device * device)
{
	if (!device)
		return false;

	if (!pImpl->m_pCBuffers.empty())
		return true;

	if (!RenderStates::IsInit())
		throw std::exception("RenderStates need to be initialized first!");

	ComPtr<ID3DBlob> blob;

	// 创建顶点着色器(2D)
	HR(CreateShaderFromFile(L"HLSL\\Basic_VS_2D.cso", L"HLSL\\Basic_VS_2D.hlsl", "VS_2D", "vs_5_0", blob.GetAddressOf()));
	HR(device->CreateVertexShader(blob->GetBufferPointer(), blob->GetBufferSize(), nullptr, pImpl->m_pVertexShader2D.GetAddressOf()));
	// 创建顶点布局(2D)
	HR(device->CreateInputLayout(VertexPosTex::inputLayout, ARRAYSIZE(VertexPosTex::inputLayout),
		blob->GetBufferPointer(), blob->GetBufferSize(), pImpl->m_pVertexLayout2D.GetAddressOf()));

	// 创建像素着色器(2D)
	HR(CreateShaderFromFile(L"HLSL\\Basic_PS_2D.cso", L"HLSL\\Basic_PS_2D.hlsl", "PS_2D", "ps_5_0", blob.ReleaseAndGetAddressOf()));
	HR(device->CreatePixelShader(blob->GetBufferPointer(), blob->GetBufferSize(), nullptr, pImpl->m_pPixelShader2D.GetAddressOf()));

	// 创建顶点着色器(3D)
	HR(CreateShaderFromFile(L"HLSL\\Basic_VS_3D.cso", L"HLSL\\Basic_VS_3D.hlsl", "VS_3D", "vs_5_0", blob.ReleaseAndGetAddressOf()));
	HR(device->CreateVertexShader(blob->GetBufferPointer(), blob->GetBufferSize(), nullptr, pImpl->m_pVertexShader3D.GetAddressOf()));
	// 创建顶点布局(3D)
	HR(device->CreateInputLayout(VertexPosNormalTex::inputLayout, ARRAYSIZE(VertexPosNormalTex::inputLayout),
		blob->GetBufferPointer(), blob->GetBufferSize(), pImpl->m_pVertexLayout3D.GetAddressOf()));

	// 创建像素着色器(3D)
	HR(CreateShaderFromFile(L"HLSL\\Basic_PS_3D.cso", L"HLSL\\Basic_PS_3D.hlsl", "PS_3D", "ps_5_0", blob.ReleaseAndGetAddressOf()));
	HR(device->CreatePixelShader(blob->GetBufferPointer(), blob->GetBufferSize(), nullptr, pImpl->m_pPixelShader3D.GetAddressOf()));

	pImpl->m_pCBuffers.assign({
		&pImpl->m_CBDrawing,
		&pImpl->m_CBFrame,
		&pImpl->m_CBStates,
		&pImpl->m_CBOnResize,
		&pImpl->m_CBRarely});

	// 创建常量缓冲区
	for (auto& pBuffer : pImpl->m_pCBuffers)
	{
		HR(pBuffer->CreateBuffer(device));
	}

	return true;
}

各种渲染状态的切换

下面所有的渲染模式使用的是线性Wrap采样器。

BasicEffect::SetRenderDefault方法--默认渲染

BasicEffect::SetRenderDefault方法使用了默认的3D像素着色器和顶点着色器，并且其余各状态都保留使用默认状态：

void BasicEffect::SetRenderDefault(ID3D11DeviceContext * deviceContext)
{
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
	deviceContext->IASetInputLayout(pImpl->m_pVertexLayout3D.Get());
	deviceContext->VSSetShader(pImpl->m_pVertexShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->RSSetState(nullptr);
	deviceContext->PSSetShader(pImpl->m_pPixelShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, RenderStates::SSLinearWrap.GetAddressOf());
	deviceContext->OMSetDepthStencilState(nullptr, 0);
	deviceContext->OMSetBlendState(nullptr, nullptr, 0xFFFFFFFF);
}

BasicEffect::SetRenderAlphaBlend方法--Alpha透明混合渲染

该绘制模式关闭了光栅化裁剪，并采用透明混合方式。

void BasicEffect::SetRenderAlphaBlend(ID3D11DeviceContext * deviceContext)
{
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
	deviceContext->IASetInputLayout(pImpl->m_pVertexLayout3D.Get());
	deviceContext->VSSetShader(pImpl->m_pVertexShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->RSSetState(RenderStates::RSNoCull.Get());
	deviceContext->PSSetShader(pImpl->m_pPixelShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, RenderStates::SSLinearWrap.GetAddressOf());
	deviceContext->OMSetDepthStencilState(nullptr, 0);
	deviceContext->OMSetBlendState(RenderStates::BSTransparent.Get(), nullptr, 0xFFFFFFFF);
}

BasicEffect::SetRenderNoDoubleBlend方法--无重复混合(单次混合)

该绘制模式用于绘制阴影，防止过度混合。需要指定绘制区域的模板值。

void BasicEffect::SetRenderNoDoubleBlend(ID3D11DeviceContext * deviceContext, UINT stencilRef)
{
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
	deviceContext->IASetInputLayout(pImpl->m_pVertexLayout3D.Get());
	deviceContext->VSSetShader(pImpl->m_pVertexShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->RSSetState(RenderStates::RSNoCull.Get());
	deviceContext->PSSetShader(pImpl->m_pPixelShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, RenderStates::SSLinearWrap.GetAddressOf());
	deviceContext->OMSetDepthStencilState(RenderStates::DSSNoDoubleBlend.Get(), stencilRef);
	deviceContext->OMSetBlendState(RenderStates::BSTransparent.Get(), nullptr, 0xFFFFFFFF);
}

BasicEffect::SetWriteStencilOnly方法--仅写入模板值

该模式用于向模板缓冲区写入用户指定的模板值，并且不写入到深度缓冲区和后备缓冲区。

void BasicEffect::SetWriteStencilOnly(ID3D11DeviceContext * deviceContext, UINT stencilRef)
{
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
	deviceContext->IASetInputLayout(pImpl->m_pVertexLayout3D.Get());
	deviceContext->VSSetShader(pImpl->m_pVertexShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->RSSetState(nullptr);
	deviceContext->PSSetShader(pImpl->m_pPixelShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, RenderStates::SSLinearWrap.GetAddressOf());
	deviceContext->OMSetDepthStencilState(RenderStates::DSSWriteStencil.Get(), stencilRef);
	deviceContext->OMSetBlendState(RenderStates::BSNoColorWrite.Get(), nullptr, 0xFFFFFFFF);
}

BasicEffect::SetRenderDefaultWithStencil方法--对指定模板值区域进行常规绘制

该模式下，仅对模板缓冲区的模板值和用户指定的相等的区域进行常规绘制。

void BasicEffect::SetRenderDefaultWithStencil(ID3D11DeviceContext * deviceContext, UINT stencilRef)
{
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
	deviceContext->IASetInputLayout(pImpl->m_pVertexLayout3D.Get());
	deviceContext->VSSetShader(pImpl->m_pVertexShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->RSSetState(RenderStates::RSCullClockWise.Get());
	deviceContext->PSSetShader(pImpl->m_pPixelShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, RenderStates::SSLinearWrap.GetAddressOf());
	deviceContext->OMSetDepthStencilState(RenderStates::DSSDrawWithStencil.Get(), stencilRef);
	deviceContext->OMSetBlendState(nullptr, nullptr, 0xFFFFFFFF);
}

BasicEffect::SetRenderAlphaBlendWithStencil方法--对指定模板值区域进行Alpha透明混合绘制

该模式下，仅对模板缓冲区的模板值和用户指定的相等的区域进行Alpha透明混合绘制。

void BasicEffect::SetRenderAlphaBlendWithStencil(ID3D11DeviceContext * deviceContext, UINT stencilRef)
{
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
	deviceContext->IASetInputLayout(pImpl->m_pVertexLayout3D.Get());
	deviceContext->VSSetShader(pImpl->m_pVertexShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->RSSetState(RenderStates::RSNoCull.Get());
	deviceContext->PSSetShader(pImpl->m_pPixelShader3D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, RenderStates::SSLinearWrap.GetAddressOf());
	deviceContext->OMSetDepthStencilState(RenderStates::DSSDrawWithStencil.Get(), stencilRef);
	deviceContext->OMSetBlendState(RenderStates::BSTransparent.Get(), nullptr, 0xFFFFFFFF);
}

BasicEffect::Set2DRenderDefault方法--2D默认绘制

该模式使用的是2D顶点着色器和像素着色器，并修改为2D输入布局。

void BasicEffect::Set2DRenderDefault(ID3D11DeviceContext * deviceContext)
{
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
	deviceContext->IASetInputLayout(pImpl->m_pVertexLayout2D.Get());
	deviceContext->VSSetShader(pImpl->m_pVertexShader2D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->RSSetState(nullptr);
	deviceContext->PSSetShader(pImpl->m_pPixelShader2D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, RenderStates::SSLinearWrap.GetAddressOf());
	deviceContext->OMSetDepthStencilState(nullptr, 0);
	deviceContext->OMSetBlendState(nullptr, nullptr, 0xFFFFFFFF);
}

BasicEffect::Set2DRenderAlphaBlend方法--2D透明混合绘制

相比上面，多了透明混合状态。

void BasicEffect::Set2DRenderAlphaBlend(ID3D11DeviceContext * deviceContext)
{
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
	deviceContext->IASetInputLayout(pImpl->m_pVertexLayout2D.Get());
	deviceContext->VSSetShader(pImpl->m_pVertexShader2D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->RSSetState(RenderStates::RSNoCull.Get());
	deviceContext->PSSetShader(pImpl->m_pPixelShader2D.Get(), nullptr, 0);
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, RenderStates::SSLinearWrap.GetAddressOf());
	deviceContext->OMSetDepthStencilState(nullptr, 0);
	deviceContext->OMSetBlendState(RenderStates::BSTransparent.Get(), nullptr, 0xFFFFFFFF);
}

更新常量缓冲区

下面这些所有的方法会更新CBufferObject中的临时数据，数据脏标记被设为true：

void XM_CALLCONV BasicEffect::SetWorldMatrix(DirectX::FXMMATRIX W)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBDrawing;
	cBuffer.data.world = XMMatrixTranspose(W);
	cBuffer.data.worldInvTranspose = XMMatrixInverse(nullptr, W);	// 两次转置抵消
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void XM_CALLCONV BasicEffect::SetViewMatrix(FXMMATRIX V)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBFrame;
	cBuffer.data.view = XMMatrixTranspose(V);
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void XM_CALLCONV BasicEffect::SetProjMatrix(FXMMATRIX P)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBOnResize;
	cBuffer.data.proj = XMMatrixTranspose(P);
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void XM_CALLCONV BasicEffect::SetReflectionMatrix(FXMMATRIX R)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBRarely;
	cBuffer.data.reflection = XMMatrixTranspose(R);
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void XM_CALLCONV BasicEffect::SetShadowMatrix(FXMMATRIX S)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBRarely;
	cBuffer.data.shadow = XMMatrixTranspose(S);
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void XM_CALLCONV BasicEffect::SetRefShadowMatrix(DirectX::FXMMATRIX RefS)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBRarely;
	cBuffer.data.refShadow = XMMatrixTranspose(RefS);
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void BasicEffect::SetDirLight(size_t pos, const DirectionalLight & dirLight)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBRarely;
	cBuffer.data.dirLight[pos] = dirLight;
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void BasicEffect::SetPointLight(size_t pos, const PointLight & pointLight)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBRarely;
	cBuffer.data.pointLight[pos] = pointLight;
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void BasicEffect::SetSpotLight(size_t pos, const SpotLight & spotLight)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBRarely;
	cBuffer.data.spotLight[pos] = spotLight;
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void BasicEffect::SetMaterial(const Material & material)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBDrawing;
	cBuffer.data.material = material;
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void BasicEffect::SetTexture(ID3D11ShaderResourceView * m_pTexture)
{
	pImpl->m_pTexture = m_pTexture;
}

void XM_CALLCONV BasicEffect::SetEyePos(FXMVECTOR eyePos)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBFrame;
	cBuffer.data.eyePos = eyePos;
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void BasicEffect::SetReflectionState(bool isOn)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBStates;
	cBuffer.data.isReflection = isOn;
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

void BasicEffect::SetShadowState(bool isOn)
{
	auto& cBuffer = pImpl->m_CBStates;
	cBuffer.data.isShadow = isOn;
	pImpl->m_IsDirty = cBuffer.isDirty = true;
}

BasicEffect::Apply方法--应用缓冲区、纹理资源并进行更新

BasicEffect::Apply首先将所需要用到的缓冲区绑定到渲染管线上，并设置纹理，然后才是视情况更新常量缓冲区。

下面的缓冲区数组索引值同时也对应了之前编译期指定的startSlot值。

首先检验总的脏标记是否为true，若有任意数据被修改，则检验每个常量缓冲区的脏标记，并根据该标记决定是否要更新常量缓冲区。

void BasicEffect::Apply(ID3D11DeviceContext * deviceContext)
{
	auto& pCBuffers = pImpl->m_pCBuffers;
	// 将缓冲区绑定到渲染管线上
	pCBuffers[0]->BindVS(deviceContext);
	pCBuffers[1]->BindVS(deviceContext);
	pCBuffers[2]->BindVS(deviceContext);
	pCBuffers[3]->BindVS(deviceContext);
	pCBuffers[4]->BindVS(deviceContext);

	pCBuffers[0]->BindPS(deviceContext);
	pCBuffers[1]->BindPS(deviceContext);
	pCBuffers[2]->BindPS(deviceContext);
	pCBuffers[4]->BindPS(deviceContext);

	// 设置纹理
	deviceContext->PSSetShaderResources(0, 1, pImpl->m_pTexture.GetAddressOf());

	if (pImpl->m_IsDirty)
	{
		pImpl->m_IsDirty = false;
		for (auto& pCBuffer : pCBuffers)
		{
			pCBuffer->UpdateBuffer(deviceContext);
		}
	}
}

当然，目前BasicEffect能做的事情还是比较有限的，并且还需要随着HLSL代码的变动而随之调整。更多的功能会在后续教程中实现。

绘制平面阴影

使用XMMatrixShadow可以生成阴影矩阵，根据光照类型和位置对几何体投影到平面上的。

XMMATRIX XMMatrixShadow(
	FXMVECTOR ShadowPlane,		// 平面向量(nx, ny, nz, d)
	FXMVECTOR LightPosition);	// w = 0时表示平行光方向， w = 1时表示光源位置

通常指定的平面会稍微比实际平面高那么一点点，以避免深度缓冲区资源争夺导致阴影显示有问题。

使用模板缓冲区防止过度混合

一个物体投影到平面上时，投影区域的某些位置可能位于多个三角形之内，这会导致这些位置会有多个像素通过测试并进行混合操作，渲染的次数越多，显示的颜色会越黑。

我们可以使用模板缓冲区来解决这个问题。

1. 在之前的例子中，我们用模板值为0的区域表示非镜面反射区，模板值为1的区域表示为镜面反射区；
2. 使用RenderStates::DSSNoDoubleBlend的深度模板状态，当给定的模板值和深度/模板缓冲区的模板值一致时，通过模板测试并对模板值加1，绘制该像素的混合，然后下一次由于给定的模板值比深度/模板缓冲区的模板值小1，不会再通过模板测试，也就阻挡了后续像素的绘制；
3. 应当先绘制镜面的阴影区域，再绘制正常的阴影区域。

着色器代码的变化

Basic_PS_2D.hlsl文件变化如下：

#include "Basic.hlsli"

// 像素着色器(2D)
float4 PS_2D(VertexPosHTex pIn) : SV_Target
{
    float4 color = g_Tex.Sample(g_Sam, pIn.Tex);
    clip(color.a - 0.1f);
    return color;
}

Basic_PS_3D.hlsl文件变化如下：

#include "Basic.hlsli"

// 像素着色器(3D)
// 像素着色器(3D)
float4 PS_3D(VertexPosHWNormalTex pIn) : SV_Target
{
	// 提前进行裁剪，对不符合要求的像素可以避免后续运算
    float4 texColor = g_Tex.Sample(g_Sam, pIn.Tex);
    clip(texColor.a - 0.1f);

    // 标准化法向量
    pIn.NormalW = normalize(pIn.NormalW);

    // 顶点指向眼睛的向量
    float3 toEyeW = normalize(g_EyePosW - pIn.PosW);

    // 初始化为0
    float4 ambient = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    float4 diffuse = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    float4 spec = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    float4 A = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    float4 D = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    float4 S = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
    int i;

    [unroll]
    for (i = 0; i < 5; ++i)
    {
        DirectionalLight dirLight = g_DirLight[i];
        [flatten]
        if (g_IsReflection)
        {
            dirLight.Direction = mul(dirLight.Direction, (float3x3) (g_Reflection));
        }
        ComputeDirectionalLight(g_Material, g_DirLight[i], pIn.NormalW, toEyeW, A, D, S);
        ambient += A;
        diffuse += D;
        spec += S;
    }

    // 若当前在绘制反射物体，需要对光照进行反射矩阵变换
    PointLight pointLight;
    [unroll]
    for (i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pointLight = g_PointLight[i];
        [flatten]
        if (g_IsReflection)
        {
            pointLight.Position = (float3) mul(float4(pointLight.Position, 1.0f), g_Reflection);
        }
        ComputePointLight(g_Material, pointLight, pIn.PosW, pIn.NormalW, toEyeW, A, D, S);
        ambient += A;
        diffuse += D;
        spec += S;
    }

    SpotLight spotLight;
    // 若当前在绘制反射物体，需要对光照进行反射矩阵变换
    [unroll]
    for (i = 0; i < 5; ++i)
    {
        spotLight = g_SpotLight[i];
        [flatten]
        if (g_IsReflection)
        {
            spotLight.Position = (float3) mul(float4(spotLight.Position, 1.0f), g_Reflection);
            spotLight.Direction = mul(spotLight.Direction, (float3x3) g_Reflection);
        }
        ComputeSpotLight(g_Material, spotLight, pIn.PosW, pIn.NormalW, toEyeW, A, D, S);
        ambient += A;
        diffuse += D;
        spec += S;
    }

    float4 litColor = texColor * (ambient + diffuse) + spec;
    litColor.a = texColor.a * g_Material.Diffuse.a;
    return litColor;
}

Basic_VS_2D.hlsl变化如下：

#include "Basic.hlsli"

// 顶点着色器(2D)
VertexPosHTex VS_2D(VertexPosTex vIn)
{
    VertexPosHTex vOut;
    vOut.PosH = float4(vIn.PosL, 1.0f);
    vOut.Tex = vIn.Tex;
    return vOut;
}

Basic_VS_3D.hlsl变化如下：

#include "Basic.hlsli"

// 顶点着色器(3D)
VertexPosHWNormalTex VS_3D(VertexPosNormalTex vIn)
{
    VertexPosHWNormalTex vOut;

    matrix viewProj = mul(g_View, g_Proj);
    float4 posW = mul(float4(vIn.PosL, 1.0f), g_World);
    float3 normalW = mul(vIn.NormalL, (float3x3) g_WorldInvTranspose);
    // 若当前在绘制反射物体，先进行反射操作
    [flatten]
    if (g_IsReflection)
    {
        posW = mul(posW, g_Reflection);
        normalW = mul(normalW, (float3x3) g_Reflection);
    }
    // 若当前在绘制阴影，先进行投影操作
    [flatten]
    if (g_IsShadow)
    {
        posW = (g_IsReflection ? mul(posW, g_RefShadow) : mul(posW, g_Shadow));
    }

    vOut.PosH = mul(posW, viewProj);
    vOut.PosW = posW.xyz;
    vOut.NormalW = normalW;
    vOut.Tex = vIn.Tex;
    return vOut;
}

GameObject类与BasicEffect类的对接

由于GameObject类也承担了绘制方法，那么最后的Apply也需要交给游戏对象来调用。因此GameObject::Draw方法变更如下：

void GameObject::Draw(ID3D11DeviceContext * deviceContext, BasicEffect& effect)
{
	// 设置顶点/索引缓冲区
	UINT strides = m_VertexStride;
	UINT offsets = 0;
	deviceContext->IASetVertexBuffers(0, 1, m_pVertexBuffer.GetAddressOf(), &strides, &offsets);
	deviceContext->IASetIndexBuffer(m_pIndexBuffer.Get(), DXGI_FORMAT_R32_UINT, 0);

	// 更新数据并应用
	effect.SetWorldMatrix(m_Transform.GetLocalToWorldMatrixXM());
	effect.SetTexture(m_pTexture.Get());
	effect.SetMaterial(m_Material);
	effect.Apply(deviceContext);

	deviceContext->DrawIndexed(m_IndexCount, 0, 0);
}

场景绘制

现在场景只有墙体、地板、木箱和镜面。

第1步: 镜面区域写入模板缓冲区

// *********************
// 1. 给镜面反射区域写入值1到模板缓冲区
// 

m_BasicEffect.SetWriteStencilOnly(m_pd3dImmediateContext.Get(), 1);
m_Mirror.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);

第2步: 绘制不透明的反射物体

// ***********************
// 2. 绘制不透明的反射物体
//

// 开启反射绘制
m_BasicEffect.SetReflectionState(true);
m_BasicEffect.SetRenderDefaultWithStencil(m_pd3dImmediateContext.Get(), 1);

m_Walls[2].Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);
m_Walls[3].Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);
m_Walls[4].Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);
m_Floor.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);
m_WoodCrate.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);

第3步: 绘制不透明反射物体的阴影

// ***********************
// 3. 绘制不透明反射物体的阴影
//

m_WoodCrate.SetMaterial(m_ShadowMat);
m_BasicEffect.SetShadowState(true);	// 反射开启，阴影开启
m_BasicEffect.SetRenderNoDoubleBlend(m_pd3dImmediateContext.Get(), 1);

m_WoodCrate.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);

// 恢复到原来的状态
m_BasicEffect.SetShadowState(false);
m_WoodCrate.SetMaterial(m_WoodCrateMat);

第4步: 绘制透明镜面

// ***********************
// 4. 绘制透明镜面
//

// 关闭反射绘制
m_BasicEffect.SetReflectionState(false);
m_BasicEffect.SetRenderAlphaBlendWithStencil(m_pd3dImmediateContext.Get(), 1);

m_Mirror.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);

第5步：绘制不透明的正常物体

// ************************
// 5. 绘制不透明的正常物体
//
m_BasicEffect.SetRenderDefault(m_pd3dImmediateContext.Get());

for (auto& wall : m_Walls)
	wall.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);
m_Floor.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);
m_WoodCrate.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);

第6步：绘制不透明正常物体的阴影

// ************************
// 6. 绘制不透明正常物体的阴影
//
m_WoodCrate.SetMaterial(m_ShadowMat);
m_BasicEffect.SetShadowState(true);	// 反射关闭，阴影开启
m_BasicEffect.SetRenderNoDoubleBlend(m_pd3dImmediateContext.Get(), 0);

m_WoodCrate.Draw(m_pd3dImmediateContext.Get(), m_BasicEffect);

m_BasicEffect.SetShadowState(false);		// 阴影关闭
m_WoodCrate.SetMaterial(m_WoodCrateMat);

最终绘制效果如下：

注意该样例只生成点光灯到地板的阴影。你可以用各种摄像机模式来进行测试。

DirectX11 With Windows SDK完整目录

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