69.조명 예제

Lighting.zip

5.36MB

지향광원, 점광원, 점적광원 총 세 개의 광원이 구현되어있다. 

 

1.셰이더 파일

#include "LightHelper.fx"
 
cbuffer cbPerFrame
{
	DirectionalLight gDirLight;
	PointLight gPointLight;
	SpotLight gSpotLight;
	float3 gEyePosW;
};

cbuffer cbPerObject
{
	float4x4 gWorld;
	float4x4 gWorldInvTranspose;
	float4x4 gWorldViewProj;
	Material gMaterial;
};

struct VertexIn
{
	float3 PosL    : POSITION;
	float3 NormalL : NORMAL;
};

struct VertexOut
{
	float4 PosH    : SV_POSITION;
    float3 PosW    : POSITION;
    float3 NormalW : NORMAL;
};

VertexOut VS(VertexIn vin)
{
	VertexOut vout;
	
	//월드 공간으로 변환
	vout.PosW    = mul(float4(vin.PosL, 1.0f), gWorld).xyz;
	vout.NormalW = mul(vin.NormalL, (float3x3)gWorldInvTranspose);
		
	//동차 절단 공간으로 변환
	vout.PosH = mul(float4(vin.PosL, 1.0f), gWorldViewProj);
	
	return vout;
}
  
float4 PS(VertexOut pin) : SV_Target
{
	//보간 때문에 법선이 더이상 단위벡터가 아닐 수 있으므로 다시 정규화
    	pin.NormalW = normalize(pin.NormalW); 

	float3 toEyeW = normalize(gEyePosW - pin.PosW);

	//성분들의 합이 0인 재질들로 시작
	float4 ambient = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
	float4 diffuse = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);
	float4 spec    = float4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);

	//각 광원이 기여한 빛을 합한다.
	float4 A, D, S;

	//지향광
	ComputeDirectionalLight(gMaterial, gDirLight, pin.NormalW, toEyeW, A, D, S);
	ambient += A;  
	diffuse += D;
	spec    += S;

	//점적광
	ComputePointLight(gMaterial, gPointLight, pin.PosW, pin.NormalW, toEyeW, A, D, S);
	ambient += A;
	diffuse += D;
	spec    += S;

	//점적광원
	ComputeSpotLight(gMaterial, gSpotLight, pin.PosW, pin.NormalW, toEyeW, A, D, S);
	ambient += A;
	diffuse += D;
	spec    += S;
	   
	float4 litColor = ambient + diffuse + spec;

	//분산광 재질의 알파와 텍스처의 알파의 곱을 전체적인 알파 값으로 사용한다.
	litColor.a = gMaterial.Diffuse.a;

    return litColor;
}

technique11 LightTech
{
    pass P0
    {
        SetVertexShader( CompileShader( vs_5_0, VS() ) );
		SetGeometryShader( NULL );
        SetPixelShader( CompileShader( ps_5_0, PS() ) );
    }
}

 

 

2.C++ 응용 프로그램 코드

조명 계산을 위해서 표면 법선이 필요하다. 이 예제는 법선 벡터들을 정점별로 설정한다. 래스터화 과정에서 그 법선들이 삼각형 표면을 따라 보간되어 표면의 각 픽셀의 법선이 결정되고, 그 법선을 이용해서 각 픽셀마다 조명 값을 계산한다. 이전과 다르게 정점 색상을 지정하지 않고, 각 픽셀마다 조명 방정식을 적용하여 표면의 색을 결정한다.

입력 배치 서술 배열을 다음과 같다.

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}
};

 

광원과 재질의 구조체는 LightHelper.h에 정의되어 있다.

struct DirectionalLight
{
	DirectionalLight() { ZeroMemory(this, sizeof(this)); }

	XMFLOAT4 Ambient;
	XMFLOAT4 Diffuse;
	XMFLOAT4 Specular;
	XMFLOAT3 Direction;
	float Pad;
};

struct PointLight
{
	PointLight() { ZeroMemory(this, sizeof(this)); }

	XMFLOAT4 Ambient;
	XMFLOAT4 Diffuse;
	XMFLOAT4 Specular;

	XMFLOAT3 Position;
	float Range;

	XMFLOAT3 Att;
	float Pad;
};

struct SpotLight
{
	SpotLight() { ZeroMemory(this, sizeof(this)); }

	XMFLOAT4 Ambient;
	XMFLOAT4 Diffuse;
	XMFLOAT4 Specular;

	XMFLOAT3 Position;
	float Range;

	XMFLOAT3 Direction;
	float Spot;

	XMFLOAT3 Att;
	float Pad;
};

struct Material
{
	Material() { ZeroMemory(this, sizeof(this)); }

	XMFLOAT4 Ambient;
	XMFLOAT4 Diffuse;
	XMFLOAT4 Specular;
	XMFLOAT4 Reflect;
};

위의 구조체를 생성자에서 아래와 같이 초기화한다.

LightingApp::LightingApp(HINSTANCE hInstance)
: D3DApp(hInstance), mLandVB(0), mLandIB(0), mWavesVB(0), mWavesIB(0), 
  mFX(0), mTech(0), mfxWorld(0), mfxWorldInvTranspose(0), mfxEyePosW(0), 
  mfxDirLight(0), mfxPointLight(0), mfxSpotLight(0), mfxMaterial(0),
  mfxWorldViewProj(0), 
  mInputLayout(0), mEyePosW(0.0f, 0.0f, 0.0f), mTheta(1.5f*MathHelper::Pi), mPhi(0.1f*MathHelper::Pi), mRadius(80.0f)
{
	...

	//지향광원 초기화
	mDirLight.Ambient  = XMFLOAT4(0.2f, 0.2f, 0.2f, 1.0f);
	mDirLight.Diffuse  = XMFLOAT4(0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f);
	mDirLight.Specular = XMFLOAT4(0.5f, 0.5f, 0.5f, 1.0f);
	mDirLight.Direction = XMFLOAT3(0.57735f, -0.57735f, 0.57735f);
 
	//점적광원 초기화
	mPointLight.Ambient  = XMFLOAT4(0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f);
	mPointLight.Diffuse  = XMFLOAT4(0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f);
	mPointLight.Specular = XMFLOAT4(0.7f, 0.7f, 0.7f, 1.0f);
	mPointLight.Att      = XMFLOAT3(0.0f, 0.1f, 0.0f);
	mPointLight.Range    = 25.0f;

	//점적광원 초기화
	mSpotLight.Ambient  = XMFLOAT4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
	mSpotLight.Diffuse  = XMFLOAT4(1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
	mSpotLight.Specular = XMFLOAT4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
	mSpotLight.Att      = XMFLOAT3(1.0f, 0.0f, 0.0f);
	mSpotLight.Spot     = 96.0f;
	mSpotLight.Range    = 10000.0f;

	mLandMat.Ambient  = XMFLOAT4(0.48f, 0.77f, 0.46f, 1.0f);
	mLandMat.Diffuse  = XMFLOAT4(0.48f, 0.77f, 0.46f, 1.0f);
	mLandMat.Specular = XMFLOAT4(0.2f, 0.2f, 0.2f, 16.0f);

	mWavesMat.Ambient  = XMFLOAT4(0.137f, 0.42f, 0.556f, 1.0f);
	mWavesMat.Diffuse  = XMFLOAT4(0.137f, 0.42f, 0.556f, 1.0f);
	mWavesMat.Specular = XMFLOAT4(0.8f, 0.8f, 0.8f, 96.0f);
}

 

지향광원의 경우 벡터가 변할일이 없지만, 점광원과 점적광원은 변할 일이 존재한다. 따라서 UpdateScene함수에서 업데이트를 한다.

void LightingApp::UpdateScene(float dt)
{
	//구면 좌표를 데카르트 좌표로 변환
	float x = mRadius*sinf(mPhi)*cosf(mTheta);
	float z = mRadius*sinf(mPhi)*sinf(mTheta);
	float y = mRadius*cosf(mPhi);

	mEyePosW = XMFLOAT3(x, y, z);

	//뷰 행렬
	XMVECTOR pos    = XMVectorSet(x, y, z, 1.0f);
	XMVECTOR target = XMVectorZero();
	XMVECTOR up     = XMVectorSet(0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f);

	...

	//광원이 지형 주위로 원을 그리면서 이동
	mPointLight.Position.x = 70.0f*cosf( 0.2f*mTimer.TotalTime() );
	mPointLight.Position.z = 70.0f*sinf( 0.2f*mTimer.TotalTime() );
	mPointLight.Position.y = MathHelper::Max(GetHillHeight(mPointLight.Position.x, 
		mPointLight.Position.z), -3.0f) + 10.0f;


	//점적광원은 카메라의 위치에서 카메라가 바라보는 방향으로 빛을 보낸다.
	mSpotLight.Position = mEyePosW;
	XMStoreFloat3(&mSpotLight.Direction, XMVector3Normalize(target - pos));
}

 

광원들과 재질들을 설정한 후 렌더링을 수행한다.

void LightingApp::DrawScene()
{
	...

	//매 프레임마다 바뀌는 상수 설정
	mfxDirLight->SetRawValue(&mDirLight, 0, sizeof(mDirLight));
	mfxPointLight->SetRawValue(&mPointLight, 0, sizeof(mPointLight));
	mfxSpotLight->SetRawValue(&mSpotLight, 0, sizeof(mSpotLight));
	mfxEyePosW->SetRawValue(&mEyePosW, 0, sizeof(mEyePosW));

	D3DX11_TECHNIQUE_DESC techDesc;
	mTech->GetDesc(&techDesc);
	for (UINT p = 0; p < techDesc.Passes; ++p)
	{
		//언덕 렌더링
		md3dImmediateContext->IASetVertexBuffers(0, 1, &mLandVB, &stride, &offset);
		md3dImmediateContext->IASetIndexBuffer(mLandIB, DXGI_FORMAT_R32_UINT, 0);

		XMMATRIX world = XMLoadFloat4x4(&mLandWorld);
		XMMATRIX worldInvTranspose = MathHelper::InverseTranspose(world);
		XMMATRIX worldViewProj = world * view*proj;

		mfxWorld->SetMatrix(reinterpret_cast<float*>(&world));
		mfxWorldInvTranspose->SetMatrix(reinterpret_cast<float*>(&worldInvTranspose));
		mfxWorldViewProj->SetMatrix(reinterpret_cast<float*>(&worldViewProj));
		mfxMaterial->SetRawValue(&mLandMat, 0, sizeof(mLandMat));

		mTech->GetPassByIndex(p)->Apply(0, md3dImmediateContext);
		md3dImmediateContext->DrawIndexed(mLandIndexCount, 0, 0);

		//파도 렌더링
		md3dImmediateContext->IASetVertexBuffers(0, 1, &mWavesVB, &stride, &offset);
		md3dImmediateContext->IASetIndexBuffer(mWavesIB, DXGI_FORMAT_R32_UINT, 0);

		world = XMLoadFloat4x4(&mWavesWorld);
		worldInvTranspose = MathHelper::InverseTranspose(world);
		worldViewProj = world * view*proj;

		mfxWorld->SetMatrix(reinterpret_cast<float*>(&world));
		mfxWorldInvTranspose->SetMatrix(reinterpret_cast<float*>(&worldInvTranspose));
		mfxWorldViewProj->SetMatrix(reinterpret_cast<float*>(&worldViewProj));
		mfxMaterial->SetRawValue(&mWavesMat, 0, sizeof(mWavesMat));

		mTech->GetPassByIndex(p)->Apply(0, md3dImmediateContext);
		md3dImmediateContext->DrawIndexed(3 * mWaves.TriangleCount(), 0, 0);
	}

	HR(mSwapChain->Present(0, 0));
}

 

 

 

3.법선 계산

법선 벡터는 표면의 접평면에 놓인 두 벡터를 구한 후, 이들의 외적을 취해서 얻을 수 있다.

지형 메시를 생성하는 데 사용한 함수는 아래와 같다.

이 함수를 코드로 구현하면 아래와 같다.

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

 

위에서 사용한 함수를 편미분을 하면 아래와 같다.

실제로 필요한 것은 정규화한 법선 벡터이므로 반드시 정규화를 해야 한다. 편미분과 정규화를 코드로 구현하면 아래와 같다.

XMFLOAT3 LightingApp::GetHillNormal(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;
}