D3D12渲染技术之光源

灯光有Point光源，Spot光源，Directional光源，Area光源等等，网上这方面的文章很多，在此我们就不详细介绍每个光源的计算公式了，我们直接介绍将光源应用到我们的案例中。先看我们已经实现好的案例截图：

顶点格式

照明计算需要表面法线， 我们使用顶点定义法线，然后在三角形的像素上插入这些法线，以便我们可以对每个像素进行光照计算。 而且，我们不再指定顶点颜色， 相反，通过对每个像素应用照明方程来生成像素颜色， 为了支持顶点法线，我们修改我们的顶点结构，如下所示：

// C++ Vertex structure
struct Vertex
{DirectX::XMFLOAT3 Pos;DirectX::XMFLOAT3 Normal;
};// Corresponding HLSL vertex structure
struct VertexIn
{float3 PosL  : POSITION;float3 NormalL : NORMAL;
};
When we add a new vertex format, we need to describe it with a new input layout description:
mInputLayout =，
{{ "POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0，D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0 },{ "NORMAL", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 12, D3D12_INPUT_CLASSIFICATION_PER_VERTEX_DATA, 0 }
};

法线计算

GeometryGenerator中的形状函数已经创建了具有顶点法线的数据，因此我们都设置在那里。 但是，因为我们在这个演示中修改网格的高度使其看起来像地形，我们需要自己为地形生成法线向量。
因为我们的地形表面由函数y = f（x，z）给出，我们可以使用微积分直接计算法向量，而不是前面描述的常规平均计算。 对于曲面上的每个点，我们通过取偏导数在+ x-和+ z-方向上形成两个切向量：

这两个矢量位于表面点的切平面中， 计算法线向量得到：

我们用于生成地形网格的函数是：

偏导数是：

因此，表面点（x，f（x，z），z）处的表面法线由下式给出：

我们注意到这个曲面法线不是单位长度，因此需要在光照计算之前进行标准化。特别是，我们在每个顶点处进行上述常规计算以获得顶点法线：

XMFLOAT3 LitWavesApp::GetHillsNormal(float x, float z)const
{// n = (-df/dx, 1, -df/dz)XMFLOAT3 n( -0.03f*z*cosf(0.1f*x) - 0.3f*cosf(0.1f*z),1.0f,-0.3f*sinf(0.1f*x) + 0.03f*x*sinf(0.1f*z));XMVECTOR unitNormal = XMVector3Normalize(XMLoadFloat3(&n));XMStoreFloat3(&n, unitNormal);return n;
}

水面的法向矢量以类似的方式完成， 可以使用有限差分方案来近似每个顶点处的切向量。

更新灯光方向

我们的Lights数组被放入per-pass常量缓冲区， 该案例使用一个方向灯来表示太阳，并允许用户使用向左，向右，向上和向下箭头键旋转太阳位置。 因此，每一帧，我们都需要从太阳计算新的光方向，并将其设置为通道常量缓冲区。
我们以球坐标（ρ，θ，φ）跟踪太阳位置，但半径ρ无关紧要，因为我们假设太阳是无限远的。 特别是，我们只使用ρ= 1使其位于单位球面上并将（1，θ，φ）解释为朝向太阳的方向，以下是更新太阳的相关代码。

float mSunTheta = 1.25f*XM_PI;
float mSunPhi = XM_PIDIV4;void LitWavesApp::OnKeyboardInput(const GameTimer& gt)
{const float dt = gt.DeltaTime();if(GetAsyncKeyState(VK_LEFT) & 0x8000)mSunTheta -= 1.0f*dt;if(GetAsyncKeyState(VK_RIGHT) & 0x8000)mSunTheta += 1.0f*dt;if(GetAsyncKeyState(VK_UP) & 0x8000)mSunPhi -= 1.0f*dt;if(GetAsyncKeyState(VK_DOWN) & 0x8000)mSunPhi += 1.0f*dt;mSunPhi = MathHelper::Clamp(mSunPhi, 0.1f, XM_PIDIV2);
}void LitWavesApp::UpdateMainPassCB(const GameTimer& gt)
{…XMVECTOR lightDir = -MathHelper::SphericalToCartesian(1.0f, mSunTheta, mSunPhi);XMStoreFloat3(&mMainPassCB.Lights[0].Direction, lightDir);mMainPassCB.Lights[0].Strength = { 0.8f, 0.8f, 0.7f };auto currPassCB = mCurrFrameResource->PassCB.get();currPassCB->CopyData(0, mMainPassCB);
}

Light数组放入per-pass常量缓冲区意味着每个渲染通道不能超过16个（我们支持的最大光数）灯， 这对于Demo来说已经足够了。 然而，对于大型游戏世界来说，这还不够，因为你可以想象有数百个灯光的游戏关卡遍布整个关卡， 解决此问题的一种方法是将Light数组移动到每个对象的常量缓冲区。 然后，对于每个对象，搜索场景并找到影响对象的灯光，并将这些灯光绑定到常量缓冲区。 影响对象的灯光是其体积（点光源和聚光灯锥体）与其相交的灯光， 另一种流行的策略是使用延迟渲染或前向+渲染。

Lighting为我们的着色器程序引入了一个新的材质常量缓冲区， 为了支持这一点，我们需要更新根签名以支持额外的常量缓冲区。 与每个对象常量缓冲区一样，我们使用材质常量缓冲区的根描述符来支持直接绑定常量缓冲区，而不是通过描述符堆。

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