山峰与河谷示例Demo

1. 山峰与河谷示例Demo原理

本章还包含了一个“山峰与河谷”的例子，完整项目源代码请在DirectX11龙书源代码网站下载，建议使用VS来阅读源代码。它使用了与颜色立方体演示程序相同的Direct3D方法，只是它绘制的几何体更复杂一些。它主要讲解的是如何使用代码来生成三角形网格；这种几何体在实现地形渲染和水体渲染时非常有用。

实数函数y = f(x , z)可以生成一个“漂亮的”曲面。我们可以通过构造一个xz平面上的网格来模拟该曲面，其中每个四边形都由两个三角形构成。然后，我们将每个网格点代入该函数；参见下图。

这里写图片描述

（（上）建立xz平面上的网格。（下）将每个网格点代入函数f(x ,z)，得到y坐标。通过将大量的点(x, f(x, z), z)连接起来，即可形成上述曲面。）

2. 如何生成网格顶点？

下面的主要任务是创建xz平面上的网格，至于y高度后面再继续讲解。一个包含m×n个顶点的网格可以生成(m − 1)× (n− 1)个多边形（或单元格），如下图所示。每个多边形由两个三角形组成，一共2×(m − 1)× (n− 1)个三角形。如果网格的宽度为w、深度为d，则x轴方向上的单元格间距为dx = w/(n-1)、轴方向上的单元格间距为dz=d/(m-1)。我们从左上角开始生成顶点，逐行计算每个顶点的坐标。在xz平面上，第ij个网格顶点的坐标为：

vij= (−0.5w + j ∙ dx , 0.0 , 0.5d – i ∙ dz)

这里写图片描述

下面的代码实现了这一工作。

void GeometryGenerator::CreateGrid(float width, float depth, UINT m, UINT n, MeshData& meshData){    UINT vertexCount = m*n;    UINT faceCount   = (m-1)*(n-1)*2;    //    // 创建顶点    //    float halfWidth = 0.5f*width;    float halfDepth = 0.5f*depth;    float dx = width / (n-1);    float dz = depth / (m-1);    float du = 1.0f / (n-1);    float dv = 1.0f / (m-1);    meshData.Vertices.resize(vertexCount);    for(UINT i = 0; i < m; ++i)    {        float z = halfDepth - i*dz;        for(UINT j = 0; j < n; ++j)        {            float x = -halfWidth + j*dx;            meshData.Vertices[i*n+j].Position = XMFLOAT3(x, 0.0f, z);            meshData.Vertices[i*n+j].Normal   = XMFLOAT3(0.0f, 1.0f, 0.0f);            meshData.Vertices[i*n+j].TangentU = XMFLOAT3(1.0f, 0.0f, 0.0f);            // Stretch texture over grid.            meshData.Vertices[i*n+j].TexC.x = j*du;            meshData.Vertices[i*n+j].TexC.y = i*dv;        }    }}

GeometryGenerator是一个工具类，用于生成诸如网格、球、圆柱体、盒子之类的几何形状，在本书的其他示例中都会用到这些形状。这个类在系统内存中生成数据，我们必须将这些数据复制到顶点和索引缓冲中。GeometryGenerator创建的某些顶点数据在后面的章节中才会用到，这个演示程序不会用到，所以也无需将这些数据复制到顶点缓冲中。MeshData结构体用于存储顶点和索引的集合列表。

class GeometryGenerator{public:    struct Vertex    {        Vertex(){}        Vertex(const XMFLOAT3& p, const XMFLOAT3& n, const XMFLOAT3& t, const XMFLOAT2& uv)            : Position(p), Normal(n), TangentU(t), TexC(uv){}        Vertex(            float px, float py, float pz,            float nx, float ny, float nz,            float tx, float ty, float tz,            float u, float v)            : Position(px,py,pz), Normal(nx,ny,nz),              TangentU(tx, ty, tz), TexC(u,v){}        XMFLOAT3 Position;        XMFLOAT3 Normal;        XMFLOAT3 TangentU;        XMFLOAT2 TexC;    };    struct MeshData    {        std::vector
   
     Vertices;        std::vector
    
      Indices;    };…};

3. 如何生成网格索引？

在完成顶点的计算之后，我们必须通过索引来定义网格三角形。我们再次从左上角开始逐行遍历每个四边形，通过计算索引来定义构成四边形的两个三角形。如下图所示，对于一个由m×n个顶点构成的网格来说，两个三角形的线性数组索引为：

△ABC = (i∙n+j , i∙n + j + 1, (i + 1) ∙n + j)

△CBD = ((i +1) ∙n + j , i∙n + j + 1 ∙ (i + 1) ∙n + j + 1)

这里写图片描述

下面是对应的代码：

meshData.Indices.resize(faceCount*3); // 3 indices per face// 遍历所有四边形并计算索引UINT k = 0;for(UINT i = 0; i < m-1; ++i){    for(UINT j = 0; j < n-1; ++j)    {        meshData.Indices[k]   = i*n+j;        meshData.Indices[k+1] = i*n+j+1;        meshData.Indices[k+2] = (i+1)*n+j;        meshData.Indices[k+3] = (i+1)*n+j;        meshData.Indices[k+4] = i*n+j+1;        meshData.Indices[k+5] = (i+1)*n+j+1;        k += 6; // next quad    }}

4. 高度如何生成？

这个程序所用的生成高度函数f(x,z)由以下代码给出：

float HillsApp::GetHeight(float x, float z)const{    return 0.3f*( z*sinf(0.1f*x) + x*cosf(0.1f*z) );}

这个函利用了正弦和余弦函数生成的图形看起了就像是山峰和山谷，见程序运行结果截图。

创建了网格之后，我们要从MeshData中提取顶点元素，将平面网格转换为代表山丘的曲折表面，并基于顶点的高度（y坐标）设置它们的颜色。

struct Vertex{    XMFLOAT3 Pos;    XMFLOAT4 Color;};void HillsApp::BuildGeometryBuffers(){    GeometryGenerator::MeshData grid;    GeometryGenerator geoGen;    geoGen.CreateGrid(160.0f, 160.0f, 50, 50, grid);    mGridIndexCount = grid.Indices.size();    //    // 在每个顶点上附加高度函数。此外，还根据顶点的高度设置它们的颜色：    // 沙滩为沙的颜色，小山为绿色，山顶为白色的雪。    //    std::vector
   
     vertices(grid.Vertices.size());    for(size_t i = 0; i < grid.Vertices.size(); ++i)    {        XMFLOAT3 p = grid.Vertices[i].Position;        p.y = GetHeight(p.x, p.z);        vertices[i].Pos   = p;        // 根据顶点高度设置颜色        if( p.y < -10.0f )        {            // 沙滩色            vertices[i].Color = XMFLOAT4(1.0f, 0.96f, 0.62f, 1.0f);        }        else if( p.y < 5.0f )        {            // 淡绿色            vertices[i].Color = XMFLOAT4(0.48f, 0.77f, 0.46f, 1.0f);        }        else if( p.y < 12.0f )        {            // 深绿色            vertices[i].Color = XMFLOAT4(0.1f, 0.48f, 0.19f, 1.0f);        }        else if( p.y < 20.0f )        {            // 棕色            vertices[i].Color = XMFLOAT4(0.45f, 0.39f, 0.34f, 1.0f);        }        else        {            // 白色            vertices[i].Color = XMFLOAT4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);        }    }    D3D11_BUFFER_DESC vbd;    vbd.Usage = D3D11_USAGE_IMMUTABLE;    vbd.ByteWidth = sizeof(Vertex) * grid.Vertices.size();    vbd.BindFlags = D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER;    vbd.CPUAccessFlags = 0;    vbd.MiscFlags = 0;    D3D11_SUBRESOURCE_DATA vinitData;    vinitData.pSysMem = &vertices[0];    HR(md3dDevice->CreateBuffer(&vbd, &vinitData, &mVB));    //    // 将所有网格的索引放入一个索引缓冲中    //    D3D11_BUFFER_DESC ibd;    ibd.Usage = D3D11_USAGE_IMMUTABLE;    ibd.ByteWidth = sizeof(UINT) * mGridIndexCount;    ibd.BindFlags = D3D11_BIND_INDEX_BUFFER;    ibd.CPUAccessFlags = 0;    ibd.MiscFlags = 0;    D3D11_SUBRESOURCE_DATA iinitData;    iinitData.pSysMem = &grid.Indices[0];    HR(md3dDevice->CreateBuffer(&ibd, &iinitData, &mIB));}

5. 程序运行截图

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