13.1 使用DirectX9繪圖引擎

lyshark發表於2023-10-10
繪圖

DirectX 9 是由微軟開發的一組多媒體應用程式介面API，用於建立和執行基於Windows平臺的多媒體應用程式，尤其是遊戲。它是DirectX系列中的一個版本，於2002年釋出，是DirectX系列中的一個重要版本，DirectX 9在其釋出時引入了許多新的功能和效能最佳化，成為當時PC遊戲開發的主要標準，許多經典的PC遊戲使用了DX9作為其圖形和音訊渲染引擎。雖然後續出現了更多強大的引擎，但本質上都是可以相容Dx9的。

在使用Dx9引擎之前讀者需要自行下載該繪製庫，當然在課件中筆者已經為大家準備了綠色版，讀者可自行解壓到指定目錄下，在目錄下有一個Developer Runtime其內部是引擎執行時所需要的執行環境，讀者可根據不同的需求安裝對應位數的執行庫，安裝成功後則可配置開發目錄，一般而言我們只需要關注Include引入目錄，以及Lib庫目錄即可。

讀者可自行開啟屬性頁面，並選中VC++目錄自行配置，如下圖所示；

13.1.1 初始化變數

在開始使用繪製庫之前我們需要一個可被自由繪製的畫布程式，該程式必須使用D3Dx9引擎生成以便於後續文章的測試工作，一般而言，使用DirectX 9繪製圖形的流程包括初始化、建立資源、設定渲染狀態和頂點格式、更新資料、繪製圖形、渲染和清理資源構成，在使用之前讀者需要引入Dx9的標頭檔案以及所需定義部分，如下所示；

#include <windows.h> 
#include <tchar.h> 
#include <d3d9.h>
#pragma comment( lib, "d3d9.lib") 

#define null NULL
#define RETURN return
#define FVF ( D3DFVF_XYZRHW | D3DFVF_DIFFUSE ) 

LPDIRECT3D9             g_pD3D = NULL;
LPDIRECT3DDEVICE9       g_pd3dDevice = NULL;
LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 g_pVB = NULL;

struct CUSTOMVERTEX
{
    float x, y, z, rhw;
    DWORD color;
};

13.1.2 LPDIRECT3D9

其中定義的全域性指標LPDIRECT3D9是DX9中的一個指標型別，表示一個Direct3D 9的頂層物件。頂層物件是Direct3D物件模型的頂級結構，它為應用程式提供了一組方法來進行3D圖形渲染。LPDIRECT3D9介面可以用來建立和操作Direct3D 9裝置物件IDirect3DDevice9以及其他與圖形渲染相關的物件。在使用DX9進行圖形渲染之前，必須透過呼叫Direct3DCreate9函式來建立一個IDirect3D9介面的例項，並透過LPDIRECT3D9型別的指標進行訪問和操作。例如，使用下面的程式碼可以建立一個LPDIRECT3D9物件：

LPDIRECT3D9 d3d9 = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);

這將建立一個指向Direct3D 9的頂層物件的指標，並將其分配給變數d3d9。透過這個LPDIRECT3D9物件，應用程式就可以執行各種與圖形渲染相關的操作，如建立頂點快取、紋理物件等。在程式結束時，應用程式必須透過呼叫LPDIRECT3D9物件的Release方法來釋放所有建立的Direct3D物件，以防止記憶體洩漏。

d3d9->Release();

13.1.3 LPDIRECT3DDEVICE9

第二個全域性變數LPDIRECT3DDEVICE9是DirectX 9中表示3D裝置的指標型別，它是使用Direct3D進行3D渲染的關鍵物件。LPDIRECT3DDEVICE9物件表示著本次渲染中的3D物件在硬體上的運算環境，透過它可以對3D物件進行變換、光照和紋理等操作。透過LPDIRECT3D9物件建立的步驟通常包括以下幾個步驟：

1.建立一個LPDIRECT3D9物件，透過Direct3DCreate9函式建立，如下所示：

LPDIRECT3D9 d3d9 = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);

2.使用LPDIRECT3D9物件建立一個IDirect3DDevice9物件，可以透過呼叫LPDIRECT3D9物件的CreateDevice方法來建立，如下所示：

LPDIRECT3DDEVICE9 d3dDevice;

D3DPRESENT_PARAMETERS presentParams = {0};
presentParams.Windowed = TRUE;
presentParams.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;

d3d9->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING, &presentParams, &d3dDevice);

這個程式碼片段建立了一個視窗化的3D裝置並將其儲存到變數d3dDevice中。其中D3DADAPTER_DEFAULT和D3DDEVTYPE_HAL參數列示選擇預設顯示介面卡和硬體抽象層，hWnd引數為視窗控制程式碼，D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING表示使用硬體進行頂點計算，&presentParams為一個D3DPRESENT_PARAMETERS結構體指標，用於配置呈現引數。

3.初始化3D裝置物件，可以設定一些統一的裝置狀態，如渲染狀態、混合模式等，它將禁用光照計算。如下所示：

d3dDevice->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, FALSE);

4.在進行有效的渲染之前，必須在每一幀開始時呼叫BeginScene方法，以告知Direct3D例項開始渲染，如下所示：

d3dDevice->BeginScene();

5.渲染3D物件，透過LPDIRECT3DDEVICE9物件進行繪製，並進行相應的3D資料應用操作，如下所示：

d3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 1);

渲染結束後，可以呼叫EndScene方法通知Direct3D例項結束渲染並顯示影像，如下所示：

d3dDevice->EndScene();

最後，使用SwapChain顯示影像，如下所示：

d3dDevice->Present(NULL, NULL, NULL, NULL);

在程式退出時，藉助於LPDIRECT3DDEVICE9物件的Release方法釋放所有建立的Direct3D物件，以避免記憶體洩漏。

d3dDevice->Release();

13.1.4 LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9

LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9是DirectX 9中表示頂點緩衝區的指標型別，它被用來儲存3D網格的頂點資料，是Direct3D遊戲開發中的一個重要概念之一。頂點緩衝區是一個可以包含頂點資料的記憶體塊，它可以儲存可繪製的幾何體（三角形、四邊形等）的頂點資料。

使用LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9物件儲存頂點資料，可以充分利用硬體加速能力，提高渲染效率和圖形效能，最佳化遊戲效能。

頂點緩衝區由頂點格式和頂點資料兩部分組成：

  • 頂點格式（Vertex Format）: 表示頂點資料的結構和排列方式。使用D3DVertexElement9和D3DVertexDeclaration9等API進行建立、宣告以及管理。
  • 頂點資料（Vertex Data）: 包含了網格的所有頂點資料，如座標、法線、顏色、紋理座標等。可以使用LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9物件儲存，同時還可以使用其他緩衝區型別如索引緩衝區（LPDIRECT3DINDEXBUFFER9）來儲存索引資料，方便後續渲染處理。

建立LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9物件的步驟通常如下：

首先，宣告並建立一個頂點緩衝區物件。在建立LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9物件時，需要指定緩衝區大小、緩衝區用法等引數。

LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 pVertexBuffer = NULL;

device->CreateVertexBuffer(vertexBufferSize, D3DUSAGE_WRITEONLY, FVF, D3DPOOL_MANAGED, &pVertexBuffer, NULL);

寫入頂點資料到頂點緩衝區，使用Lock方法可以將頂點緩衝區鎖定，返回已鎖定的頂點緩衝區指標，並且允許應用程式與鎖定的資料進行讀寫操作，然後使用Unlock方法來解鎖。

float* pBuffer = NULL;

pVertexBuffer->Lock(0, 0, (void**)&pBuffer, 0);

memcpy(pBuffer, vertices, vertexBufferSize);

pVertexBuffer->Unlock();

繪製幾何體時，可以使用SetStreamSource方法指定頂點緩衝區、頂點格式以及偏移量。最後呼叫DrawPrimitive方法進行繪製。

device->SetFVF(FVF);
device->SetStreamSource(0, pVertexBuffer, 0, sizeof(Vertex));
device->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, numTriangles);

13.1.5 初始化繪圖引擎

接著我們來看一下我們是如何初始化一個D3D引擎的，InitD3D函式會在遊戲程式啟動時被呼叫，以初始化3D裝置和相關環境，為後續的3D圖形渲染操作做好準備。初始化部分答題可總結為三步，首先呼叫Direct3DCreate9用於建立一個Dx9引擎畫布，接著填充D3DPRESENT_PARAMETERS結構，最後透過使用CreateDevice實現對裝置的建立，當建立成功則會將指標儲存在LPDIRECT3D9這個全域性結構指標內。

HRESULT InitD3D(HWND hWnd)
{
  g_pD3D = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);
  D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
  ZeroMemory(&d3dpp, sizeof(d3dpp));
  d3dpp.Windowed = TRUE;
  d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN;
  d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
  g_pD3D->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &g_pd3dDevice);
  return S_OK;
}

上述流程具體分析，步驟如下：

使用Direct3DCreate9函式建立一個LPDIRECT3D9物件，該物件表示頂層Direct3D物件，負責管理和控制DX操作。

g_pD3D = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);

建立並配置D3DPRESENT_PARAMETERS結構體，該結構體用於描述渲染裝置的一些基本屬性，如視窗模式、後臺緩衝區格式、交換模式等。

D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
ZeroMemory(&d3dpp, sizeof(d3dpp));
d3dpp.Windowed = TRUE;
d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN;
d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;

在上述程式碼中，使用ZeroMemory()函式將d3dpp物件中除第1個成員外所有成員的值都重置為0。還設定了視窗模式（Windowed = TRUE，表示視窗化模式），後臺緩衝區格式（BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN，表示使用預設格式），以及交換模式（SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD，表示丟棄當前幀並替換為下一幀）。

使用CreateDevice函式建立一個IDirect3DDevice9物件，並儲存在變數g_pd3dDevice中。

g_pD3D->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &g_pd3dDevice);

在這裡，第1個引數（D3DADAPTER_DEFAULT）表示使用預設顯示介面卡；第2個引數（D3DDEVTYPE_HAL）指定使用硬體抽象層，表示硬體加速；第3個引數（hWnd）是視窗控制程式碼；第4個引數（D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING）表示使用硬體進行頂點處理。最後，使用&d3dpp、&g_pd3dDevice引數傳遞裝置建立資訊。最後，返回S_OK表示函式執行成功。

初始化部分的第二步則是呼叫InitVB這個函式，該函式用於建立頂點緩衝區，可以用於儲存3D網格的頂點資料，方便後續的渲染處理；

HRESULT InitVB()
{
  CUSTOMVERTEX v[] =
  {
    100, 000, 0, 1, 0xffff0000,
    300, 50, 0, 1, 0xff00ff00,
    500, 400, 0, 1, 0xff0000ff
  };

  g_pd3dDevice->CreateVertexBuffer(3 * sizeof(v), 0, FVF, D3DPOOL_DEFAULT, &g_pVB, 0);

  void* vb;
  g_pVB->Lock(0, 0, (void**)&vb, 0);
  memcpy(vb, v, sizeof(v));
  g_pVB->Unlock();
  return S_OK;
}

上述程式碼中，首先宣告一個CUSTOMVERTEX型別的陣列v，並將其作為輸入引數，其中每一個元素表示一個自定義的頂點，包括位置座標和顏色。

CUSTOMVERTEX v[] =
{
    100, 000, 0, 1, 0xffff0000,
    300, 50, 0, 1, 0xff00ff00,
    500, 400, 0, 1, 0xff0000ff
};

在程式碼中，每個元素都包含了頂點的x、y、z座標、齊次座標w，以及頂點的顏色。

呼叫CreateVertexBuffer函式，建立一個頂點緩衝區物件，並將其儲存在變數g_pVB中。該函式的第1個參數列示緩衝區大小，即儲存頂點資料的位元組數，這裡是3個頂點乘以每個頂點40個位元組（即一個CUSTOMVERTEX型別的大小）；第2個引數是填充位元組的數值，設為0表示不填充；第3個引數是頂點格式，表示每個頂點包含的資訊，和CUSTOMVERTEX資料結構一致；第4個引數是緩衝區型別，表示緩衝區的使用方式，D3DPOOL_DEFAULT表示快取區將用於GPU讀寫操作。最後，&g_pVB是返回的頂點緩衝區物件。

g_pd3dDevice->CreateVertexBuffer(3 * sizeof(v), 0, FVF, D3DPOOL_DEFAULT, &g_pVB, 0);

對頂點緩衝區進行鎖定，使用Lock函式使緩衝區可讀寫，並將頂點資料寫入緩衝區中。這裡使用void*型別的指標vb指向頂點緩衝區中的第一個元素，並使用memcpy()函式將頂點陣列的資料複製到頂點緩衝區中。並使用Unlock()函式解除頂點緩衝區的鎖定。最後返回S_OK，作為函式執行成功的標誌。

void* vb;
g_pVB->Lock(0, 0, (void**)&vb, 0);
memcpy(vb, v, sizeof(v));
g_pVB->Unlock();

接著對視窗中的圖形進行著色及初始化，

void Render()
{
  g_pd3dDevice->Clear(0, 0, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(176, 196, 222), 1, 0);
  // 設定背景色 黑色
  // g_pd3dDevice->Clear(0, 0, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 0), 1, 0);

  g_pd3dDevice->BeginScene();
  g_pd3dDevice->SetStreamSource(0, g_pVB, 0, sizeof(CUSTOMVERTEX));
  g_pd3dDevice->SetFVF(FVF);
  //g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 10);
  g_pd3dDevice->DrawIndexedPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 0, 4, 0, 4);
  g_pd3dDevice->EndScene();

  g_pd3dDevice->Present(0, 0, 0, 0);
}

使用Clear函式清除背景，並設定新的背景色。這裡使用D3DCOLOR_XRGB(176, 196, 222)，表示顏色值為R:176, G:196, B:222的淺藍色。

g_pd3dDevice->Clear(0, 0, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(176, 196, 222), 1, 0);

使用BeginScene函式開始渲染場景。

g_pd3dDevice->BeginScene();

設定頂點著色器的輸入資料來源。使用SetStreamSource函式設定使用的頂點緩衝區，其中第1個引數是流編號，第2個引數是頂點緩衝區物件，第3個引數是緩衝區內頂點資料的起始點，第4個引數是頂點結構體的大小。

g_pd3dDevice->SetStreamSource(0, g_pVB, 0, sizeof(CUSTOMVERTEX));

設定頂點格式。使用SetFVF函式描述頂點的結構，這裡的FVF常量是一個結構體標記符號，用於描述頂點的型別和結構。

g_pd3dDevice->SetFVF(FVF);

使用DrawPrimitive函式或DrawIndexedPrimitive函式繪製圖形，這裡使用的是後者。該函式繪製在緩衝區中的三角形列表，根據輸入的位置在緩衝區中查詢三角形點，再連線相鄰的三角形點，形成3D圖形。第1個引數（D3DPT_TRIANGLELIST）表示三角形列表，第2個引數是起始頂點索引，第3個引數是最小頂點索引，第4個引數是被繪製的總頂點數，第5個引數（0）表示要跳過的資料數量，第6個引數（4）表示每個圖元的頂點數。

g_pd3dDevice->DrawIndexedPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 0, 4, 0, 4);

使用EndScene函式結束本次渲染。

g_pd3dDevice->EndScene();

使用Present函式展示渲染結果到視窗中。

g_pd3dDevice->Present(0, 0, 0, 0);

當有了上述初始化函式的封裝後，接著我們就可以在主函式內透過CreateWindow函式建立一個窗體，並在初始化流程內透過呼叫InitD3D(hWnd)以及InitVB()對D3D引擎初始化，初始化後進入到該程式的訊息迴圈內，在訊息迴圈內除了透過TranslateMessage捕獲訊息外，還需要不間斷的呼叫Render()用於動態重新整理D3D窗體顯示，這樣則可實現動態繪製一個完整窗體並載入繪圖引擎的目的；

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
    message == WM_CLOSE ? PostQuitMessage(0) : (void)0;
    return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
}

int WINAPI _tWinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE, PTSTR, int)
{
    wchar_t cn[] = L"LySharkGame";
    WNDCLASS wc;
    wc.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
    wc.lpfnWndProc = WndProc;
    wc.cbClsExtra = 0;
    wc.cbWndExtra = 0;
    wc.hInstance = hInstance;
    wc.hIcon = LoadIcon(NULL, IDI_APPLICATION);
    wc.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
    wc.hbrBackground = (HBRUSH)GetStockObject(WHITE_BRUSH);
    wc.lpszMenuName = NULL;
    wc.lpszClassName = cn;
    RegisterClass(&wc);

    DWORD cxScreen = GetSystemMetrics(SM_CXSCREEN);
    DWORD cyScreen = GetSystemMetrics(SM_CYSCREEN);

    HWND hWnd = CreateWindow(cn, TEXT("LySharkGame"), WS_OVERLAPPEDWINDOW, (cxScreen - 1024) / 2, (cyScreen - 768) / 2, 1024, 768, NULL, NULL, hInstance, NULL);
    ShowWindow(hWnd, SW_SHOW);

    InitD3D(hWnd);
    InitVB();

    MSG msg;
    ZeroMemory(&msg, sizeof(msg));
    while (msg.message != WM_QUIT)
    {
        if (PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE))
        {
            TranslateMessage(&msg);
            DispatchMessage(&msg);
        }
        else
        {
            Render();
        }
    }
    return 0;
}

至此我們就得到了一個具有D3D功能的窗體，當讀者開啟該窗體時即可看到一個標題為LySharkGame的窗體，該窗體大小為標準的1024x768這個窗體輸出效果如下圖所示；

本文作者： 王瑞
本文連結： https://www.lyshark.com/post/c0fa8f9c.html
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