DirectX3D中的霧化效果及其實(shí)現(xiàn)

徐成虎, 田東平

(1.寶雞文理學(xué)院教育科學(xué)與技術(shù)系， 陜西 寶雞 721007； 2.寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)軟件研究所， 陜西 寶雞 721007)

0 前 言

霧化是Direct3D程序模擬真實(shí)世界的云霧、水汽和灰塵等自然景觀.在霧氣比較嚴(yán)重的地區(qū)，往往距離觀察點(diǎn)很近的物體比較清晰，而遠(yuǎn)處的物體隨著距離的增加會(huì)變得越來(lái)越模糊，霧化效果正是能夠增加三維場(chǎng)景真實(shí)感的一種技術(shù).隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)硬件支持更多、更好、更快的三維圖形顯示效果，利用Direct3D開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)三維圖形已經(jīng)可以和電影效果相媲美.

1 霧化計(jì)算及其實(shí)現(xiàn)

有兩種方法可以將霧化添加到場(chǎng)景中：像素霧化和頂點(diǎn)霧化.本文著重闡述了霧化方程式中用到的公式以及實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)霧化和像素霧化.一個(gè)應(yīng)用程序使用頂點(diǎn)渲染可以實(shí)現(xiàn)霧化，與此同時(shí)，亦可實(shí)現(xiàn)像素霧化.

C++應(yīng)用程序可以通過(guò)變換距離進(jìn)行霧化效果處理，從而改變場(chǎng)景中物體的顏色.枚舉型D3DFOGMODE識(shí)別包含了3種霧化公式[1]，所有的公式都計(jì)算一個(gè)霧化因子并作為距離函數(shù)，在此假定參數(shù)由應(yīng)用程序設(shè)置.

1.1 線性霧化

1.2 指數(shù)霧化

像素霧化和頂點(diǎn)霧化都支持線性及指數(shù)霧化公式.用D3DFOG_EXP設(shè)置f=1/ed×density，其中e為自然對(duì)數(shù)的基(近似為2.718 28)，density是從0到1之間變化的任意霧密度，d含義同上.用D3DFOG_EXP2設(shè)置f=1/e(d×density)2，其中e，density和d的含義均同前所述.

系統(tǒng)將霧化因子保存在頂點(diǎn)鏡面顏色的Alpha組件中.如果應(yīng)用程序執(zhí)行自身的變換和光照，則可手動(dòng)地插入霧化因子的值，系統(tǒng)在渲染階段會(huì)用到它，圖1給出了這些公式的量化曲線.

圖1 不同指數(shù)和霧密度對(duì)應(yīng)的量化曲線

D3DFOG_LINEAR以1作為起始點(diǎn)，0.0作為最大點(diǎn)，它不是相對(duì)于近平面或遠(yuǎn)平面進(jìn)行測(cè)量.當(dāng)D3D計(jì)算霧化處理效果時(shí)，從前述3個(gè)方程式中選擇一個(gè)用于計(jì)算混合公式中所需的霧化因子，公式為C=f×Ci+(1-f)×Cf.此公式通過(guò)霧化因子f可以對(duì)當(dāng)前多邊形C的顏色進(jìn)行有效換算，并將它們的乘積加到霧化顏色C上，這主要是對(duì)霧化因子逐位求逆來(lái)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顏色值作為一個(gè)距離因子是霧化顏色和物體原顏色的混合.該公式適用于支持所有DirectX7.0以及其后的更高設(shè)備.

1.3 霧化參數(shù)

設(shè)備渲染狀態(tài)控制霧化參數(shù).像素霧化和頂點(diǎn)霧化均支持前述所有的霧化公式.枚舉型D3DFOGMODE定義了一些常量，可以用它們來(lái)標(biāo)識(shí)D3D所要使用的霧化公式，其中渲染狀態(tài)D3DRS_FOGTABLEMODE控制像素霧化方式，D3DRS_FOGVERTEXMODE控制頂點(diǎn)霧化方式.當(dāng)使用線性霧化公式時(shí)，可通過(guò)渲染狀態(tài)D3DRS_FOGSTART與D3DRS_FOGEND設(shè)置初始距離和最大距離.系統(tǒng)如何識(shí)別這些值，主要依賴于應(yīng)用程序所使用的霧化類型.當(dāng)使用像素霧化時(shí)，若基于z和w的深度被使用，則相應(yīng)的霧化類型與它們的起始和最大單元對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

Fog type Fog start/end units

Pixel(Z) Device space[0.0,1.0]

Pixel(W) Camera space

Vertex Camera space

當(dāng)使用一個(gè)指數(shù)霧化公式時(shí)，渲染狀態(tài)D3DRS_FOGDENSITY控制所用的霧化密度.霧化密度實(shí)際上是一個(gè)加權(quán)因子，它在包含端點(diǎn)1的0～1范圍內(nèi)變化，用來(lái)縮放指數(shù)中的距離.系統(tǒng)所使用的霧化混合的顏色通過(guò)渲染狀態(tài)設(shè)備D3DRS_FOGCOLOR來(lái)控制.

1.4 霧化混合

正如在霧化公式中所描述的，霧化混合指霧化因子和物體顏色在場(chǎng)景中共同作用，以產(chǎn)生最終的效果顏色[2-4].渲染狀態(tài)D3DRS_FOGENABLE控制霧化混合，設(shè)置渲染狀態(tài)為TRUE時(shí)使用霧化混合的代碼示例如下，缺省值為FALSE：

//For this example,g_pDevice is a valid pointer

//to an IDirect3DDevice9 interface.

HRESULT hr;

hr= g_pDevice-> SetRenderState (D3DRS_FOGENABLE,TRUE);

If FAILED(hr)

Return hr;

1.5 霧化顏色

像素霧化和頂點(diǎn)霧化的顏色都是通過(guò)渲染狀態(tài)D3DRS_FOGCOLOR來(lái)進(jìn)行設(shè)置，渲染狀態(tài)值可以是任意RGB色，指定值為RGBA色，其中Alpha組件忽略不計(jì).如下的C++示例將霧化顏色設(shè)置為白色：

/*For this example,the d3dDevice variable is a

/* valid pointer to an IDirect3DDevice9 interface.

HRESULT hr;

hr=d3dDevice->SetRenderState(

D3DRS_FOGCOLOR,

0x00FFFFFF);//Highest 8 bits are not used.

If (FAILED(hr))

Return hr;

固定函數(shù)流水線與可編程流水線對(duì)霧化的運(yùn)用完全不同：(1)驅(qū)動(dòng)程序支持D3DPMISCCAPS_FOGANDSPECULARALPHA時(shí)，如果使用固定函數(shù)流水線并對(duì)D3DRS_FOGCOLOR進(jìn)行設(shè)置，則像素渲染中的v1.w等于霧化渲染狀態(tài)中的值域；如果使用可編程流水線，盡管d1.w被顯式地寫入頂點(diǎn)渲染，但像素渲染中的v1.w仍等于0.(2)驅(qū)動(dòng)程序不支持D3DPMISCCAPS_FOGANDSPECULARALPHA時(shí)，如果使用固定函數(shù)流水線并對(duì)D3DRS_FOGACOLOR進(jìn)行設(shè)置，則像素渲染中的v1.w等于霧化渲染狀態(tài)中的值；如果霧化被顯式寫入頂點(diǎn)渲染，則像素渲染中的v1.w等于霧化值，且介于0～1之間；如果上述兩種情況都不適用，即使d1.w被顯式寫入頂點(diǎn)渲染，但像素渲染中的v1.w仍為0.

1.6 頂點(diǎn)霧化

系統(tǒng)執(zhí)行頂點(diǎn)霧化時(shí)，對(duì)多邊形中每一頂點(diǎn)進(jìn)行霧化計(jì)算，在光柵化過(guò)程中再對(duì)多邊形面上的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行插值運(yùn)算[5，6].頂點(diǎn)霧化效果由D3D光照和變換引擎來(lái)計(jì)算.

如果應(yīng)用程序不使用D3D進(jìn)行變換和光照處理，那么應(yīng)用程序必須執(zhí)行霧化計(jì)算，在這種情況下，把在鏡面顏色中Alpha組件里計(jì)算出的霧化因子放置于每一個(gè)頂點(diǎn)中.此時(shí)，用戶可以隨心所欲地使用自己想要的基于發(fā)散的、變體積的或其他的任何公式.D3D使用被提供的霧化因子在每一個(gè)多邊形的面上進(jìn)行插值計(jì)算，那些執(zhí)行自身變換和光照的應(yīng)用程序也必須進(jìn)行自己的頂點(diǎn)霧化計(jì)算.因此，如在霧化混合和霧化顏色中所敘述的，這樣的應(yīng)用程序僅需通過(guò)相關(guān)的渲染狀態(tài)使用霧化混合和設(shè)置霧化顏色即可.

按照下列步驟可以使用應(yīng)用程序中的頂點(diǎn)霧化：

(1)設(shè)置D3DRS_FOGENABLE為TRUE啟用霧化混合；

(2)在渲染狀態(tài)D3DRS_FOGCOLOR中設(shè)置霧化顏色；

(3)通過(guò)設(shè)置枚舉型D3DFOGMODE中的變量渲染狀態(tài)D3DRS_FOGVERT-EXMODE來(lái)選擇所需的霧化公式；

(4)針對(duì)在渲染狀態(tài)中選擇的霧化公式，設(shè)置相應(yīng)的霧化參數(shù).

下面的C++代碼示例，給出了這些步驟在程序中的具體實(shí)現(xiàn)：

Void SetupVertexFog(DWORD Color, DWORD Mode, BOOL UseRange, FLOAT Density)

{

Float Start=0.5f, //Linear fog distances

End=0.8f;

g_pDevice->SetRenderState (D3DRS_FOGENABLE,TRUE);

}

g_pDevice->SetRenderState (D3DRS_FOGCOLOR, Color);

//Set the fog parameters.

If (D3DFOG_LINEAR==Mode)

{

g_pDevice->SetRenderState (D3DRS_FOGVERTEXMODE,Mode);

g_pDevice->SetRenderState (D3DRS_FOGSTART,*(DWORD*)(&Start));

g_pDevice->SetRenderState (D3DRS_FOGEND,*(DWORD*)(&End));

}

else

{

g_pDevice->SetRenderState (D3DRS_FOGVERTEXMODE,Mode);

g_pDevice->SetRenderState (D3DRS_FOGDENSITY,*(DWORD*)(&Density));

}

//Enable range-based fog if desired (only supported for vertex fog).For this

//example,it is assumed that UseRange is set to a nonzero value only if the driver

//exposes the D3DPRASTERCAPS_FOGRANGE capability. Note: This is slightly

//more performance intensive than non-range-based fog.

If (UseRange)

g_pDevice->SetRenderState (D3DRS_RANGEFOGENABLE,TRUE);

}

2 基于發(fā)散的霧化

圖2 基于發(fā)散霧化的俯視圖

只有D3D在使用帶有D3D變換和光照引擎的頂點(diǎn)霧化時(shí)，才使用基于發(fā)散的霧化計(jì)算，這是因?yàn)橄袼仂F化是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中完成的.目前不存在支持基于發(fā)散的單個(gè)像素霧化硬件，如果應(yīng)用程序執(zhí)行自身的變換和光照，則它也必須執(zhí)行自身的霧化計(jì)算和基于發(fā)散的霧化計(jì)算，否則不必計(jì)算.有時(shí)候，使用霧化會(huì)產(chǎn)生圖形贗象[7，8]，以致在非直覺(jué)方式下使物體和霧化顏色混為一體.例如，在一個(gè)有兩個(gè)可見(jiàn)物體的場(chǎng)景中一個(gè)在足夠遠(yuǎn)處，可通過(guò)霧化影響，另一個(gè)在足夠近處，不受霧化影響.如果視覺(jué)區(qū)域在空間旋轉(zhuǎn)，即使物體是靜止的，霧化效果也會(huì)明顯發(fā)生變化.圖2給出了這種情況的俯視圖.

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)使用頂點(diǎn)渲染時(shí)，必須使用頂點(diǎn)霧化，這是通過(guò)使用頂點(diǎn)渲染將每一頂點(diǎn)的霧化強(qiáng)度寫入霧化寄存器來(lái)完成的.像素渲染完成之后，對(duì)霧化數(shù)據(jù)與霧化顏色進(jìn)行線性插值運(yùn)算.該亮度在像素渲染中是不可用的.

(2)在基于發(fā)散的霧化中，D3D使用從觀察點(diǎn)(視點(diǎn))到頂點(diǎn)的有效距離(實(shí)際距離)進(jìn)行霧化計(jì)算，D3D會(huì)隨著兩點(diǎn)間距離的增大而增加霧化效果，而并非是增加場(chǎng)景中頂點(diǎn)的深度，因此避免了旋轉(zhuǎn)贗象.如果當(dāng)前設(shè)備支持基于發(fā)散的霧化，則當(dāng)調(diào)用GetDeviceCaps時(shí)，它可對(duì)D3DCAPS9成員RasterCaps中的D3DPRASTERCAPS_FOGRANGE進(jìn)行設(shè)置.

(3)使用基于發(fā)散的霧化，需將渲染狀態(tài)D3DRS_RANGEFOGNABLE設(shè)為TRUE.D3D在變換和光照過(guò)程中對(duì)基于發(fā)散的霧化進(jìn)行計(jì)算，不使用D3D變換和光照引擎的應(yīng)用程序必須執(zhí)行它們自己的頂點(diǎn)霧化計(jì)算.在這種情況下，鏡面組件中的Alpha組件為每個(gè)頂點(diǎn)提供基于發(fā)散的霧化因子.

參考文獻(xiàn)

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