Windows 8 Directx 开发学习笔记（十一）地形纹理贴图

前一篇实现木箱贴图时，木箱的六个面都正好用一整张纹理图，即六个面的纹理坐标均在[0，1]内。然而在为比较大的模型贴图时，像山峰河谷模型，如果只用一张纹理图，那么每个三角形只得到几个纹理元素，无法为提供足够高的分辨率。这时可以在模型表面上平铺纹理贴图，像给墙面贴磁砖一样，只需要知道一个单位的贴图，就能铺满整个表面，从而获得较高的分辨率。实现起来其实很简单，只要变换纹理坐标的范围，同时将纹理寻址模式设置为重复即可。

纹理坐标范围变换有两种方式，很简单，如图1：

其中x,y是原始纹理坐标，为了能与4*4的变换矩阵相乘，将其扩展为4元向量。等号左边是一种变换方式，使用变换矩阵进行纹理坐标变换，可用GPU计算。等号右边是第二种变换方式，直接生成变换后的纹理坐标，由CPU计算。本文选择的是第一种变换方式。

下面就开始给学习笔记（九）实现的山峰和水面模型贴图。

依然是先修改HLSL代码。在顶点着色器的输入输出结构中添加用于存储纹理坐标的成员tex。并在ModelViewProjectionConstantBuffer里添加texTransform成员，用于存储缩放和平移变换矩阵。

struct VertexShaderInput
{
    float3 pos : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
    float2 tex : TEXCOOD;
};
 
struct VertexShaderOutput
{
    float4 posH : SV_POSITION;
    float3 posW   : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
    float2 tex : TEXCOOD;
};
 
cbuffer ModelViewProjectionConstantBuffer : register(b0)
{
    matrix model;
    matrix view;
    matrix projection;
    matrix texTransform;
};

变换纹理坐标时只要在main方法中添加下面的语句即可：

// 纹理坐标变换
output.tex = mul(float4(input.tex, 0.0f, 1.0f),texTransform).xy;

在像素着色器中要定义采样器和纹理资源，并更改输入结构体，与顶点着色器的输出对应。

SamplerState samplerLinear : register(s0);
Texture2D texDiffuse : register(t0);
 
struct PixelShaderInput
{
    float4 posH : SV_POSITION;
    float3 posW : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
    float2 tex : TEXCOOD;
};

为了减少更改，在main方法中还是使用Material结构进行光照计算，只是Diffuse成员由纹理采样获得。

Material textureMat = gMaterial;
textureMat.Diffuse = texDiffuse.Sample(samplerLinear,input.tex);

HLSL代码修改至此完成，接下来就要修改C++代码。

结构先行，修改Directl3DBase.h中的顶点结构体和常量缓冲区定义，保证它们的结构和顶点着色器中定义的一致。

struct VertexPosition
{
    DirectX::XMFLOAT3 pos;
    DirectX::XMFLOAT3 normal;
    DirectX::XMFLOAT2 tex;
};
struct ModelViewProjectionConstantBuffer
{
    DirectX::XMFLOAT4X4 model;
    DirectX::XMFLOAT4X4 view;
    DirectX::XMFLOAT4X4 projection;
    DirectX::XMFLOAT4X4 gTexTransform;
};

由于顶点结构体改变，HillModel和WaterModel里顶点初始化代码需要修改。HillModel的Initialize方法里，顶点初始化代码修改如下：

const float dx = 1.0f;
const float du = 1.0f/(xRange-1);
const float dv = 1.0f/(zRange-1);
 
VertexPosition *Vertices = new VertexPosition[xRange*zRange];
 
for(int row=0; row<zRange; ++row)
{
    float zPos = row*dx;
 
    for(int col=0;col<xRange; ++col)
    {
       float xPos = col*dx;
       float yPos = 0.3f *(zPos*sinf(0.1f*xPos) + xPos*cosf(0.1f*zPos));
       Vertices[xRange*row+ col].pos = XMFLOAT3(xPos, yPos, zPos);
       Vertices[xRange*row+ col].normal = GetHillNormal(xPos, zPos);
       Vertices[xRange*row+ col].tex.x = row*du;
       Vertices[xRange*row+ col].tex.y = col*dv;
    }
}

du和dv可保证生成的纹理坐标正好在[0,1]范围内，目的是方便理解缩放比例，并不是必须的。WaterModel生成纹理坐标的过程与上面类似，是在Update方法中进行的。

// 更新顶点缓冲区
const float du = 1.0f/xRange;
const float dv = 1.0f/zRange;
 
for(uint32 i = 0; i < m_vertexCount; ++i)
{
    vertex[i].pos =mCurrSolution[i];
    vertex[i].tex.x= (i/xRange)*du;
    vertex[i].tex.y= (i%zRange)*dv;
    vertex[i].normal= mNormal[i];
}

这里虽然每次更新都要重新计算一样的纹理坐标，效率很低，不过鉴于规模小，方便理解就直接修改了。

完成以上工作后就可以开始载入纹理。与木箱贴图一样，向工程中添加WICTextureLoader的头文件和源文件。然后在Renderer类里添加以下成员，保存两种纹理资源，分别代表陆地和水面。

ID3D11Resource* tex;
Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D11ShaderResourceView> m_LandSRV;
Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D11ShaderResourceView> m_WaterSRV;
Microsoft::WRL::ComPtr<ID3D11SamplerState> m_Sampler;

然后在CreateDeviceResources方法中载入并初始化纹理资源，初始化采样器，当然还要修改输入布局：

const D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC vertexDesc[] =
    {
       { "POSITION", 0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 0,  D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
       { "NORMAL",   0, DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT, 0, 12, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
       { "TEXCOOD",  0, DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT,    0, 24, D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA, 0 },
    };
 
……
 
auto createTexTask = (createPSTask &&createVSTask).then([this] () {
    // 载入纹理资源
    DX::ThrowIfFailed(
       CreateWICTextureFromFile(
       m_d3dDevice.Get(),
       m_d3dContext.Get(),
       L"Texture/grass.jpg",
       &tex,
       m_LandSRV.GetAddressOf()
       )
       );
 
    DX::ThrowIfFailed(
       CreateWICTextureFromFile(
       m_d3dDevice.Get(),
       m_d3dContext.Get(),
       L"Texture/water.jpg",
       &tex,
       m_WaterSRV.GetAddressOf()
       )
       );
 
    // 初始化采样器
    D3D11_SAMPLER_DESC samplerDesc;
    samplerDesc.Filter= D3D11_FILTER_MIN_MAG_MIP_LINEAR;
    samplerDesc.AddressU= D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
    samplerDesc.AddressV= D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
    samplerDesc.AddressW= D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
    samplerDesc.MipLODBias= 0;
    samplerDesc.MaxAnisotropy= 1;
    samplerDesc.ComparisonFunc= D3D11_COMPARISON_NEVER;
    samplerDesc.MinLOD= -3.402823466e+38F; // -FLT_MAX
    samplerDesc.MaxLOD= 3.402823466e+38F; // FLT_MAX
 
    DX::ThrowIfFailed(
       m_d3dDevice->CreateSamplerState(
       &samplerDesc,
       m_Sampler.GetAddressOf()
       )
       );
});

初始化完成后，就能在Render方法设置并使用纹理资源。

// 设置纹理采样器
m_d3dContext->PSSetSamplers(
   0,
   1,
   m_Sampler.GetAddressOf()
   );
 
// 设置陆地纹理
m_d3dContext->PSSetShaderResources(
    0,
    1,
    m_LandSRV.GetAddressOf()
    );
 
// 设置陆地纹理缩放
XMMATRIX landScale = XMMatrixScaling(5.0f, 5.0f, 0.0f);
XMStoreFloat4x4(&m_constantBufferData.gTexTransform,XMMatrixTranspose(landScale));
 
// 设置陆地材质
m_constantLightBufferData.gMaterial= m_landMat;
 
……
 
// 设置水面纹理
m_d3dContext->PSSetShaderResources(
    0,
    1,
    m_WaterSRV.GetAddressOf()
    );
 
// 设置水面纹理缩放
XMMATRIX waterScale = XMMatrixScaling(5.0f, 5.0f, 0.0f);
XMStoreFloat4x4(&m_constantBufferData.gTexTransform,XMMatrixTranspose(waterScale));
 
// 设置水面材质
m_constantLightBufferData.gMaterial = m_wavesMat;

DirectX里包含多个生成变换矩阵的方法，如上面的XMMatrixScaling方法生成缩放变换矩阵，后面将用到的XMMatrixTranslation方法可以生成平移变换矩阵。另外注意每次设置好纹理材质后，不但要调用UpdateSubresource方法更新m_constantLightBuffer，还要用它更新m_constantBuffer，因为纹理缩放矩阵是ModelViewProjectionConstantBuffer的成员。

图1载入的是grass纹理：

图2载入的是rock纹理：

以上两个模型中，水面纹理是不变的，而且没有流动的效果。简单的流动效果可以通过纹理坐标随时间偏移实现。

在Renderer类里添加偏移量成员：

XMFLOAT2 m_waterTexOffset;

在Update方法里添加代码，让偏移量随时间变化。

// 更新纹理偏移量
m_waterTexOffset.y += 0.1f*timeDelta;
m_waterTexOffset.x += 0.1f*timeDelta;

然后在Render方法中使用偏移量生成平移变换矩阵，并与缩放变换矩阵相乘，这样水面纹理坐标就会保持平铺效果，并随时间平移，实现类似流动的效果：

// 设置水面纹理缩放和偏移量
XMMATRIX waterScale = XMMatrixScaling(5.0f, 3.0f, 0.0f);
XMMATRIX waterOffset = XMMatrixTranslation(m_waterTexOffset.x,m_waterTexOffset.y, 0.0f);
XMStoreFloat4x4(&m_constantBufferData.gTexTransform,XMMatrixTranspose(waterScale*waterOffset));

本篇文章的源代码

Direct3DApp_HillWaveTexture