Directx11学习笔记十七纹理贴图

Posted 2020-07-26 zhangbaochong

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      在之前的例子中，我们实现了光照和材质使得场景大大增加了真实感，然而材质提供的细节只是在顶点级别上，要想在像素级别提供细节还得借助于纹理，这次让我们学习dx11中一些有关纹理的基础。

1.纹理坐标

1

       在direct3d中，纹理坐标用一个二维向量(u,v)表示，纹理左上角为原点，u正方向沿纹理水平向右，v正方向沿纹理垂直向下，且0<=u,v<=1。所以，(0,0)代表左上角，(1,1)代表右下角，(0.5,0.25)代表图中点的位置。这样，我们在指定纹理坐标时就不需要考虑纹理大小了，无论对于256*256，512*512还是1024*1024的纹理，(0.5,0.5)表示的都是正中间。

       如果给出了一个三角形三个顶点对应的纹理坐标，那么三角形内部的纹理坐标就需要插值来计算了。如下图所示，一个三角形三个顶点(p1,p2,p3)对应纹理坐标(q1,q2,q3),那么三角形内部任意一点(x,y,z)=p0 + s(p1 - p0) + t(p2 - p0)，那么对应的纹理坐标(u,v)=q0 + s(q1 - q0) + t(q2 - q0)。

2.纹理过滤

       纹理贴图的元素实际上是由离散的颜色值组成的，而不能看做是一块矩形区域。理想情况是一张512*512纹理恰好投影在一块512*512大小的屏幕上，一个像素对应一个纹理值，但是通常情况并不是这样的。当屏幕像素不能和纹理值一一对应时应该怎么做呢？这种情况也分为两种：一种是摄像机不断靠近纹理，这时一张很小的纹理就可能覆盖整个屏幕，于是一个纹理值就要对应很多个像素；第二种情况恰恰相反，摄像机不断远离纹理图片，当投影在屏幕的足够小时，就有可能很多纹理值会投影在同一像素上。这种情况，就需要纹理过滤，两种情况也对应两种纹理过滤方式:Magnification和Minification情况。

2.1放大(Magnification)

      假设一张 256*256的纹理覆盖了1024*1024的屏幕大小，那么这时一个纹理对应16个屏幕像素，这16个像素对应同一个纹理值，如何取得颜色呢？d3d主要有两种过滤方式：取最近点和线性插值。

2.1.1取最近点(Nearest neighbor point)

      对于任意像素对应的纹理坐标值，取距离最近的纹理值。

    

2.1.2线性插值(Linear interpolate)

      与坐标最近的4个纹理值进行插值得到最终结果。看下图就很清楚了：

2.2缩小(Minification)

       在Minification情况下，多个纹理元素被投影在屏幕上同一个像素位置。比如一个1024*1024的纹理，投影在屏幕上256*256范围的空间内，平均每个像素覆盖16个纹理值。这种情况下，最流行的过滤方法称为Mipmaping。在该方法中，使用到一个Mipmap链。Mipmap链是原纹理组成的一个数组，数组中第一个纹理为原始纹理，后面的第一个纹理在u、v尺寸上为上一个纹理的一半，依次计算，直接纹理尺寸为1为止。如下图所示：

      这样在运行时，硬件会选择合适的纹理。选择合适的纹理也有两种方法：Point Filtering和Linear Filtering。原理与上面说的很相近就不再说明了。

2.3各向异性过滤(Anisotropic Filtering)

      还有一种高级的过滤方式称为各向异性过滤，这种过滤方式对于视线与物体表面法线成90度时情况的效果比较好。

右边图使用了各向异性过滤方式。

3.纹理坐标寻址(Address modes)

     纹理坐标被限制在(0,1)之间，但为顶点指点(0,1)之外的纹理坐标仍然是被允许的，这时解析出来的坐标值就和纹理坐标寻址方式有关了。d3d中支持的纹理寻址方式主要有以下几种：

3.1wrap

     贴图在物体表面重复，类似于我们设置桌面是图片的平铺方式。当坐标大于1时，通过去掉整数部分，根据得到的小数部分来得到纹理值；坐标小于0，则加上一个最小正数，让坐标大于0。

3.2border

     当纹理坐标不在(0,1)范围时，我们可以手动指定一个值来使用。

3.3clamp

       坐标超过正常范围时，使用在(0,1)范围的坐标与该坐标最近的点的纹理值。例如，坐标(u,v)，u在(0,1)范围内，而v>1，则使用(u,1)作为最终纹理值。如果u>1,v>1，则使用(1,1)作为纹理值。

3.4mirror

      每当纹理坐标越过一个整数值时，使用的纹理与越过整数值之前的纹理成镜像关系。

4.使用纹理

        d3d11中纹理对应的接口为ID3D11Texture2D，一个纹理可以在管线的多个阶段使用，使用的时候要先绑定到相应阶段。而真正绑定到管线的不是纹理本身，而是纹理对应的视图。下面来介绍一下c++和HLSL中纹理的使用方式。

4.1 c++中

      在c++读取图片使用纹理主要有两个步骤：创建纹理和创建相应阶段的视图。在dx11龙书中这两个步骤是通过一个函数D3DX11CreateShaderResourceViewFromFile实现的，函数原型如下：

HRESULT D3DX11CreateShaderResourceViewFromFile(
  _In_  ID3D11Device             *pDevice,
  _In_  LPCTSTR                  pSrcFile,
  _In_  D3DX11_IMAGE_LOAD_INFO   *pLoadInfo,
  _In_  ID3DX11ThreadPump        *pPump,
  _Out_ ID3D11ShaderResourceView **ppShaderResourceView,
  _Out_ HRESULT                  *pHResult
);

      但是在最新的sdk中该方法已经废弃了，针对这一点MSDN的解释：

Note  The D3DX (D3DX 9, D3DX 10, and D3DX 11) utility library is deprecated for Windows 8 and is not supported for Windows Store apps.

Note  Instead of using this function, we recommend that you use these:

• DirectXTK library (runtime), CreateXXXTextureFromFile (where XXX is DDS or WIC)
• DirectXTex library (tools), LoadFromXXXFile (where XXX is WIC, DDS, or TGA; WIC doesn\'t support DDS and TGA; D3DX 9 supported TGA as a common art source format for games) then CreateShaderResourceView

     为了加载纹理图片，我们可以到github上下载DirectXTK或者DirectXTex，使用框架中的方法来代替D3DX11CreateShaderResourceViewFromFile。这里以DirectXTex为例，从github上下载下来，把DDSTextureLoader的代码载入到我们的工程中，使用CreateDDSTextureFromFile加载纹理图像(纹理格式为.dds,加载其他格式纹理请自行查看文档说明)，函数原型如下：

HRESULT CreateDDSTextureFromFile( _In_ ID3D11Device* d3dDevice,
                                      _In_z_ const wchar_t* szFileName,
                                      _Outptr_opt_ ID3D11Resource** texture,
                                      _Outptr_opt_ ID3D11ShaderResourceView** textureView,
                                      _In_ size_t maxsize = 0,
                                      _Out_opt_ DDS_ALPHA_MODE* alphaMode = nullptr
                                    );

　　c++程序中使用：首先定义一个 ID3D11ShaderResourceView接口保存创建的视图， 然后调用CreateDDSTextureFromFile函数创建。

hr = CreateDDSTextureFromFile(m_pd3dDevice, L"Texture/Wood.dds", nullptr, &m_pTexSRV);
    if (FAILED(hr))
    {
        MessageBox(nullptr, L"create texture failed!", L"error",MB_OK);
        return hr;
    }

         调用后相应的视图就创建好了。

         为了将纹理资源传递到effect文件中，我们还需要定义一个指向effect全局变量的接口：ID3DX11EffectShaderResourceVariable，然后在编译shader时得到：

m_pFxTex = m_pFx->GetVariableByName("g_tex")->AsShaderResource();

 

       在Update函数中调用SetResource方法将创建的纹理视图赋值给effect中的全局变量。

4.2 effect中    

      在HLSL中对应2D纹理的是Texture2D，但是要注意的是Texture2D的定义不能放在cbuffer中。

      在c++程序中我们可以通过ID3D11DeviceContext::PSSetSamplers来设置纹理过滤方式，在effect文件中我们同样可以设置过滤方式(推荐在effect中设置)，设置方法如下：

//设置过滤方式
SamplerState samTex
{
    Filter = MIN_MAG_MIP_LINEAR;
};

　　这里Minification、Magnification和Mipmap中纹理过滤方式全部使用线性过滤方法，如需要查看其它过滤方法，可以查看MSDN中D3D11_FILTER的说明。

      由于使用了纹理，顶点结构也需要改变。我们不再使用光照了，所以去掉法线，添加纹理坐标：

struct VertexIn
{
    float3 pos : POSITION;
    float2 tex : TEXCOORD;
};

struct VertexOut
{
    float4 posH  : SV_POSITION;
    float2 tex : TEXCOORD;           
};

　　顶点着色器很简单：

VertexOut VS(VertexIn vin)
{
    VertexOut vout;    
    vout.posH = mul(float4(vin.pos, 1.0f), g_worldViewProj);    
    vout.tex = vin.tex;    
    return vout;
}

　　像素着色器中需要使用纹理资源，通过函数Texture2D::sample(SamplerState samper, float2 texcoord)实现：

float4 PS(VertexOut pin) : SV_Target
{
    float4 texColor = g_tex.Sample(samTex,pin.tex);
    return texColor;
}

5.运行结果

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