[DX Tutorial] Lesson 6: Rendering Depth

1. Understanding the Problem At Hand
앞의 예제에서 한가지 빠진 부분이 바로 깊이다. 아래 두개의 그림처럼 원래 물리학적 원리를 따른다면 6-2와 같이 작은 삼각형이 가려져야 하지만 현재의 코드에서는 그렇지 않다는 것이 문제다.

Image 6.1 - Defying the Laws of Physics

Image 6.2 - Obeying the Law

왜 이런 현상이 나타나는가에 대한 해설이 나와 있는데 제법 좋은 설명인것 같다. 한번 정독 해보자.

모델이 렌더링 될때 몇가지 일들이 일어나는데 우선 Direct3D는 우리가 만들어 놓은 pipeline을 호출하게 된다. 그 pipeline은 이미 메모리 상에 압축되어 정리되어 있다. Direct3D는 각각의 모델에 대해서 pipeline을 적용하게 되는데 이때 3차원 이미지가 2차원 이미지로 저장된다.

한개의 모델에 대해서 2차원 이미지가 만들어지는 즉시 그 이미지는 back buffer에 저장된다. 첫번째 모델이 저렇게 저장되고 난 뒤에는 바로 다음 모델에 대해서 같은 동작을 하게 되는데 두번째 모델이 공간의 어떤 지점에 있든지 간에(첫번째 물체보다 앞에 있는 뒤에 있든) 그 위에 그려지게 되는데 바로 그 부분이 문제가 된다.

2. Z-Buffers

Image 6.3 - The Z-Buffer (Or Depth Buffer)

OpenGL에서도 있는 Depth buffer가 여기서도 역시나 존재하는데 바로 깊이 버퍼이고 이 깊이 버퍼는 각 픽셀에대한 깊이 정보를 가지는 것이다. 내가 생각하기에는 우선 Z-Buffer는 그려진 물체들 중에서 가장 가까운 물체의 깊이만을 저장할 것이다. 혹은 가장 가까운 물체에 대한 정보만 소유할 것이다. 그래서 어떤 물체가 가장 카메라에서 가까이 있는지를 금방 알수 있게 해준다.

Z-Buffer가 하는 일은 우선 카메라에서 가까운 픽셀을 가져온다음 그것을 back buffer에 그려준다. 동시에 그 위치에 해당하는 곳에다가 깊이 정보를 저장하는데 이렇게 함으로써 Direct3D가 각각의 픽셀이 얼마나 가까이 있는지를 알게 해줌으로써 물체가 그려져야 하는지 아니면 안그려져야 하는지를 알려준단다.

3. Including the Z-Buffer
중요한 3단계를 거쳐야 하는데,

1. 적절한 Presentation Parameters를 세팅한다.
2. Z-Buffering을 켠다
3. Z-Buffer를 지운다.

뭐, 여기서 2, 3번은 OpenGL에서도 했던거라서 알겠는데 1번은 뭐지?

3-1. Setting the Appropriate Presentation Parameters

D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;

ZeroMemory(&d3dpp, sizeof(d3dpp));
d3dpp.Windowed = FALSE;
d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
d3dpp.hDeviceWindow = hWnd;
d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_X8R8G8B8;
d3dpp.BackBufferWidth = SCREEN_WIDTH;
d3dpp.BackBufferHeight = SCREEN_HEIGHT;
d3dpp.EnableAutoDepthStencil = TRUE;
d3dpp.AutoDepthStencilFormat = D3DFMT_D16;

위에서 보다시피 추가된 두줄의 코드가 있는데 첫번째 코드인 EnableAutoDepthStencil이 바로 Z-buffering의 종류중에 하나를 선택하는 것인데 가장 기본형을 선택했다. 하지만 물론 다른 여러가지의 옵션을 선택가능하다고 하는구나. (아마도 OpenGL의 GLSL과 유사한 기능이 있겠죠?)

두번째 줄에 있는 AutoDepthStencilFormat은 Z-Buffer의 각각의 픽셀의 format을 정의해 주는 것이다. 미리 정의된 pixel format을 사용하는 것이 아니라 여기서는 D3DFMT_D16을 사용하는데 이것은 깊이 버퍼 한 픽셀당 16비트를 소모한다는 의미.

3-2. Turning On Z-Buffering
아, 위에서는 걍 설정만 했을뿐 정말로 켜주는 것은 여기구나.

d3ddev->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, FALSE);    // turn off the 3D lighting
d3ddev->SetRenderState(D3DRS_ZENABLE, TRUE);    // turn on the z-buffer

3-3. Clearing the Z-Buffer
이제는 메모리를 초기화 해줄 단계이죠. 알다시피 이전에 사용했던 명령중에 아래와 같이 back buffer를 지우던 명령이 있는데 바로 이 명령의 인자를 바꾸어서 Z-Buffer도 초기화 한다.

d3ddev->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 0), 1.0f, 0);

요기서 다음과 같이 요렇게 하자.

d3ddev->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 0), 1.0f, 0);
d3ddev->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_ZBUFFER, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 0), 1.0f, 0);

4. The Finished Program


Image 6.5 - The Rotating Triangles

// include the basic windows header files and the Direct3D header file
#include <windows.h>
#include <windowsx.h>
#include <d3d9.h>
#include <d3dx9.h>

// define the screen resolution and keyboard macros
#define SCREEN_WIDTH 640
#define SCREEN_HEIGHT 480
#define KEY_DOWN(vk_code) ((GetAsyncKeyState(vk_code) & 0x8000) ? 1 : 0)
#define KEY_UP(vk_code) ((GetAsyncKeyState(vk_code) & 0x8000) ? 0 : 1)

// include the Direct3D Library files
#pragma comment (lib, "d3d9.lib")
#pragma comment (lib, "d3dx9.lib")

// global declarations
LPDIRECT3D9 d3d;    // the pointer to our Direct3D interface
LPDIRECT3DDEVICE9 d3ddev;    // the pointer to the device class
LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 t_buffer = NULL;    // the pointer to the vertex buffer

// function prototypes
void initD3D(HWND hWnd);    // sets up and initializes Direct3D
void render_frame(void);    // renders a single frame
void cleanD3D(void);    // closes Direct3D and releases memory
void init_graphics(void);    // 3D declarations

struct CUSTOMVERTEX {FLOAT X, Y, Z; DWORD COLOR;};
#define CUSTOMFVF (D3DFVF_XYZ | D3DFVF_DIFFUSE)

// the WindowProc function prototype
LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam);


// the entry point for any Windows program
int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance,
                   HINSTANCE hPrevInstance,
                   LPSTR lpCmdLine,
                   int nCmdShow)
{
    HWND hWnd;
    WNDCLASSEX wc;

    ZeroMemory(&wc, sizeof(WNDCLASSEX));

    wc.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
    wc.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
    wc.lpfnWndProc = (WNDPROC)WindowProc;
    wc.hInstance = hInstance;
    wc.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
    // wc.hbrBackground = (HBRUSH)COLOR_WINDOW;    // not needed any more
    wc.lpszClassName = L"WindowClass";

    RegisterClassEx(&wc);

    hWnd = CreateWindowEx(NULL, L"WindowClass", L"Our Direct3D Program",
                          WS_EX_TOPMOST | WS_POPUP, 0, 0, SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT,
                          NULL, NULL, hInstance, NULL);

      ShowWindow(hWnd, nCmdShow);

    // set up and initialize Direct3D
    initD3D(hWnd);

    // enter the main loop:

    MSG msg;

    while(TRUE)
    {
        DWORD starting_point = GetTickCount();

        if (PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE))
        {
            if (msg.message == WM_QUIT)
                break;

            TranslateMessage(&msg);
            DispatchMessage(&msg);
        }

        render_frame();

        // check the 'escape' key
        if(KEY_DOWN(VK_ESCAPE))
            PostMessage(hWnd, WM_DESTROY, 0, 0);

        while ((GetTickCount() - starting_point) < 25);
    }

    // clean up DirectX and COM
    cleanD3D();

    return msg.wParam;
}


// this is the main message handler for the program
LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
    switch(message)
    {
        case WM_DESTROY:
            {
                PostQuitMessage(0);
                return 0;
            } break;
    }

    return DefWindowProc (hWnd, message, wParam, lParam);
}


// this function initializes and prepares Direct3D for use
void initD3D(HWND hWnd)
{
    d3d = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);

    D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;

    ZeroMemory(&d3dpp, sizeof(d3dpp));
    d3dpp.Windowed = FALSE;
    d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
    d3dpp.hDeviceWindow = hWnd;
    d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_X8R8G8B8;
    d3dpp.BackBufferWidth = SCREEN_WIDTH;
    d3dpp.BackBufferHeight = SCREEN_HEIGHT;
    d3dpp.EnableAutoDepthStencil = TRUE;    // automatically run the z-buffer for us
    d3dpp.AutoDepthStencilFormat = D3DFMT_D16;    // 16-bit pixel format for the z-buffer

    // create a device class using this information and the info from the d3dpp stuct
    d3d->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT,
                      D3DDEVTYPE_HAL,
                      hWnd,
                      D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING,
                      &d3dpp,
                      &d3ddev);

    init_graphics();    // call the function to initialize the triangle

    d3ddev->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, FALSE);    // turn off the 3D lighting
    d3ddev->SetRenderState(D3DRS_ZENABLE, TRUE);    // turn on the z-buffer

    return;
}


// this is the function used to render a single frame
void render_frame(void)
{
    d3ddev->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 0), 1.0f, 0);
    d3ddev->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_ZBUFFER, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 0), 1.0f, 0);

    d3ddev->BeginScene();

    // select which vertex format we are using
    d3ddev->SetFVF(CUSTOMFVF);

      // set the view transform
      D3DXMATRIX matView;    // the view transform matrix
    D3DXMatrixLookAtLH(&matView,
                       &D3DXVECTOR3 (0.0f, 0.0f, 15.0f),   // the camera position
                       &D3DXVECTOR3 (0.0f, 0.0f, 0.0f),    // the look-at position
                       &D3DXVECTOR3 (0.0f, 1.0f, 0.0f));    // the up direction
    d3ddev->SetTransform(D3DTS_VIEW, &matView);    // set the view transform to matView

    // set the projection transform
    D3DXMATRIX matProjection;    // the projection transform matrix
    D3DXMatrixPerspectiveFovLH(&matProjection,
                               D3DXToRadian(45),    // the horizontal field of view
                               (FLOAT)SCREEN_WIDTH / (FLOAT)SCREEN_HEIGHT, // aspect ratio
                               1.0f,    // the near view-plane
                               100.0f);    // the far view-plane
    d3ddev->SetTransform(D3DTS_PROJECTION, &matProjection);     // set the projection


    // select the vertex buffer to display
    d3ddev->SetStreamSource(0, t_buffer, 0, sizeof(CUSTOMVERTEX));

    D3DXMATRIX matTranslateA;    // a matrix to store the translation for triangle A
    D3DXMATRIX matTranslateB;    // a matrix to store the translation for triangle B
    D3DXMATRIX matRotateYA;    // a matrix to store the rotation for each triangle
    D3DXMATRIX matRotateYB;    // a matrix to store the rotation for the reverse sides
    static float index = 0.0f; index+=0.05f; // an ever-increasing float value

    // build MULTIPLE matrices to rotate and translate the model
    D3DXMatrixTranslation(&matTranslateA, 0.0f, 0.0f, 2.0f);
    D3DXMatrixTranslation(&matTranslateB, 0.0f, 0.0f, -2.0f);
    D3DXMatrixRotationY(&matRotateYA, index);    // the front side
    D3DXMatrixRotationY(&matRotateYB, index + 3.14159f);    // the reverse side

    // tell Direct3D about each world transform, and then draw another triangle
    d3ddev->SetTransform(D3DTS_WORLD, &(matTranslateA * matRotateYA));
    d3ddev->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 1);

    d3ddev->SetTransform(D3DTS_WORLD, &(matTranslateA * matRotateYB));
    d3ddev->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 1);

    d3ddev->SetTransform(D3DTS_WORLD, &(matTranslateB * matRotateYA));
    d3ddev->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 1);

    d3ddev->SetTransform(D3DTS_WORLD, &(matTranslateB * matRotateYB));
    d3ddev->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 1);

    d3ddev->EndScene();

    d3ddev->Present(NULL, NULL, NULL, NULL);

    return;
}


// this is the function that cleans up Direct3D and COM
void cleanD3D(void)
{
      t_buffer->Release();    // close and release the vertex buffer
    d3ddev->Release();    // close and release the 3D device
    d3d->Release();    // close and release Direct3D

    return;
}


// this is the function that puts the 3D models into video RAM
void init_graphics(void)
{
    // create the vertices using the CUSTOMVERTEX struct
    CUSTOMVERTEX t_vert[] =
    {
        { 2.5f, -3.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 255), },
        { 0.0f, 3.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(0, 255, 0), },
        { -2.5f, -3.0f, 0.0f, D3DCOLOR_XRGB(255, 0, 0), },
    };

    // create a vertex buffer interface called t_buffer
    d3ddev->CreateVertexBuffer(3*sizeof(CUSTOMVERTEX),
                               0,
                               CUSTOMFVF,
                               D3DPOOL_MANAGED,
                               &t_buffer,
                               NULL);

    VOID* pVoid;    // a void pointer

    // lock t_buffer and load the vertices into it
    t_buffer->Lock(0, 0, (void**)&pVoid, 0);
    memcpy(pVoid, t_vert, sizeof(t_vert));
    t_buffer->Unlock();

    return;
}