https://docs.microsoft.com/en-us/previous-versions//ff729721(v=vs.85)?redirectedfrom=MSDN

위 내용을 참고하여 정리한 내용입니다.

Tutorial4 : 3D 객체 만들기

📌 3D Spaces (3D 공간)

컴퓨터 그래픽스에서는 3D 공간을 주로 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate system)에서 가장 흔하다.
이 좌표계는 왼손 좌표계와 오른손 좌표계로 나뉜다.

📌 Object Space

object space는 3D 모델을 만들 때 사용하는 공간을 말한다.

📌 World Space

World Space는 씬의 모든 사물이 공유하는 공간이다. 렌더링하려는 객체들의 위치를 정의한다.

📌 View Space

View space(camera space)는 전체 씬이 사용된다는 점에서 World space와 유사하다. 그러나 원점이 viewer나 camera냐 가 다르다. (World Space는 viewer의 좌표가 원점, Camera Space은 camera 좌표가 원점)

📌 Projection Space (투영 공간)

투영 공간은 뷰 스페이스에서 투영 변환을 적용한 후의 공간을 말한다.
X, Y는 -1~1 이고, Z는 0~1 이다.

📌 Screen Space (스크린 공간)

스크린 공간은 프레임 버퍼의 위치를 참조하는데 사용된다. 프레임 버퍼는 보통 2D 텍스처이기 때문에 스크린 공간 역시 2D 공간이다.
왼쪽 상단 모서리가 0,0 이다.

📌 Space-to-space Transformation (공간 변환)

파이프라인에 World, View, Projection transfrom 3가지 변환이 있다.

📌 World Transformation (월드 변환)

정점을 객체 공간(Object Space)에서 월드 공간(World Space)로 변환한다. 크기 조절, 회전, 이동 등이 있다. 씬의 물체들은 각각 고유한 월드 변환 행렬을 가진다.

📌 View Transformation

정점을 월드 공간에서 뷰 공간으로 변환한다. 뷰 변환 행렬은 viewer나 카메라가 아닌 정점에 적용된다. 즉 카메라의 관점에서 정점을 이동시킨다.
XNA Math에는 view matrix를 계산하기 위해 XMMatrixLookAtLH()라는 API가 종종 사용된다. 카메라가 어디에 있는지, 어디를 보고 있는지, 업벡터 등을 알려주면 이에 상응하는 뷰 매트릭스를 얻을 수 있다.

📌 Projection Transformation (투영 변환)

투영 변환은 월드, 뷰 공간과 같은 3D 공간에서 투영 공간으로 정점을 변환한다. 투영 공간에서 정점의 X, Y 좌표는 3차원 공간에서 정점의 X/Z, Y/Z 비율에 의해 구해진다.

3D 공간을 정의하는 매개 변수 중 하나를 FOV(Field-Of-View)라고 한다. FOV는 특정 방향을 바라볼 때 특정 위치에서 어떤 물체가 보이는지를 나타낸다.

컴퓨터 그래픽스에서 FOV는 view frustum에 포함되어 있다. view frustum은 3D에서 6개의 평면으로 정의된다.

GPU는 view frustum 밖에 있는 개체는 뺀다. 이 과정을 클리핑(clipping) 이라고 한다. 클리핑 결과 view frustum은 육면체(상자)가 된다.

Direct3D 11에서 투영 행렬을 얻는 가장 쉬운 방법은 XMMatrixPerspectiveFovLH() 메소드를 호출하는 것이다. 매개변수는 FOVy, Aspect, Zn, Zf 4개 이다.

• FOVy : y 방향 시야 범위
• Aspect : 가로(view space width) 세로(height) 비율
• Zn : near Z 값
• Zf : far Z 값

📌 Using Transformation

앞서 하나의 삼각형을 화면에 렌더링 할때는 정점 버퍼가 바로 투영 공간에 있도록 했기 때문에 변환을 할 필요가 없었다.
이제 정점 버퍼가 객체 공간에 정의되도록 한 후에 정점 셰이더를 수정하여 정점을 객체 공간에서 투영 공간으로 변환해보자.

📌 Modifying the Vertex Buffer (정점 버퍼 수정하기)

🔎 큐브

SimpleVertex vertices[] =
    {
        { XMFLOAT3( -1.0f,  1.0f, -1.0f ), XMFLOAT4( 0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3(  1.0f,  1.0f, -1.0f ), XMFLOAT4( 0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3(  1.0f,  1.0f,  1.0f ), XMFLOAT4( 0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( -1.0f,  1.0f,  1.0f ), XMFLOAT4( 1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( -1.0f, -1.0f, -1.0f ), XMFLOAT4( 1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3(  1.0f, -1.0f, -1.0f ), XMFLOAT4( 1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3(  1.0f, -1.0f,  1.0f ), XMFLOAT4( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f ) },
        { XMFLOAT3( -1.0f, -1.0f,  1.0f ), XMFLOAT4( 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f ) },
    };

이 8개의 점을 통해 정육면체를 형성하는 삼각형을 지정해야 한다.

많은 삼각형들은 같은 꼭짓점을 공유할 것이므로 8개의 점만 지정한 다음 Driect3D가 삼각형에 대해 어떤 점을 선택해야 하는지 알려주는 방법을 상요할 것이다. 이는 인덱스 버퍼(index buffer)를 통해 수행된다. 인덱스 버퍼는 버퍼의 정점 인덱스를 참조하여 각 삼각형에서 사용할 점을 지정하는 리스트를 포함한다.

인덱스 버퍼는 정점 버퍼와 매우 유사하다.

🔎 index buffer

    // Create index buffer
    WORD indices[] =
    {
        3,1,0,
        2,1,3,

        0,5,4,
        1,5,0,

        3,4,7,
        0,4,3,

        1,6,5,
        2,6,1,

        2,7,6,
        3,7,2,

        6,4,5,
        7,4,6,
    };

    D3D11_BUFFER_DESC bd;
    ZeroMemory( &bd, sizeof(bd) );
    bd.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
    bd.ByteWidth = sizeof( WORD ) * 36;        // 36 vertices needed for 12 triangles in a triangle list
    bd.BindFlags = D3D11_BIND_INDEX_BUFFER;
    bd.CPUAccessFlags = 0;
    bd.MiscFlags = 0;
    InitData.pSysMem = indices;
    if( FAILED( g_pd3dDevice->CreateBuffer( &bd, &InitData, &g_pIndexBuffer ) ) )
        return FALSE;

array를 WORD를 이용하여 선언해주었으므로 sizeof(WORD)를 이용하여 bd의 ByteWidth를 지정해주었다.

Direct3D가 삼각형을 생성할 때 이 인덱스 버퍼를 참조하도록 설정해야 한다.

 // Set index buffer
    g_pImmediateContext->IASetIndexBuffer( g_pIndexBuffer, DXGI_FORMAT_R16_UINT, 0 );
    

📌 Modifying the Vertex Shader (정점 셰이더 수정하기)

정점 셰이더에서 객체에서 월드 공간으로, 월드에서 뷰 공간으로, 뷰 공간에서 투영공간으로 변환을 진행해야 한다.

가장 먼저 할 일은 3개의 상수 버퍼(constant buffer) 변수를 정의하는 것이다. 상수 버퍼는 어플리케이션이 셰이더에 전달해야 하는 데이터를 저장하는데 사용된다.

우리가 사용할 세가지 변수는 월드, 뷰, 투영 변환 행렬이다.

이 행렬들을 이용하여 정점 셰이더에서 위치를 변환한다.

🔎 변수 선언 및 새로운 정점 셰이더

    cbuffer ConstantBuffer : register( b0 )
    {
        matrix World;
        matrix View;
        matrix Projection;
    }
    
    //
    // Vertex Shader
    //
    VS_OUTPUT VS( float4 Pos : POSITION, float4 Color : COLOR )
    {
        VS_OUTPUT output = (VS_OUTPUT)0;
        output.Pos = mul( Pos, World );
        output.Pos = mul( output.Pos, View );
        output.Pos = mul( output.Pos, Projection );
        output.Color = Color;
        return output;
    }

📌 Setting up the Matrices (행렬 설정하기)

렌더링 할 때 사용할 변환을 저장한 세 개의 행렬도 정의해야 한다. 렌더링하기 전에 이러한 행렬의 값을 Constant buffer에 복사한다. 그러고 난 후 Draw()를 호출하여 렌더링을 시작하면, 정점 셰이더는 Constant Buffer에 저장된 행렬을 읽는다.

    ID3D11Buffer* g_pConstantBuffer = NULL;
    XMMATRIX g_World;
    XMMATRIX g_View;
    XMMATRIX g_Projection;

ID3D11Buffer 객체를 만들기 위해서는 ID3D11Device::CreateBuffer()를 사용하고 D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER를 명시해야 한다.

    D3D11_BUFFER_DESC bd;
    ZeroMemory( &bd, sizeof(bd) );
    bd.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
    bd.ByteWidth = sizeof(ConstantBuffer);
    bd.BindFlags = D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER;
    bd.CPUAccessFlags = 0;
    if( FAILED(g_pd3dDevice->CreateBuffer( &bd, NULL, &g_pConstantBuffer ) ) )
        return hr;

다음으로 할 일은 변환을 수행하기 위해 사용할 세 가지 행렬을 만드는 것이다. 우리는 삼각형이 XY 평면에 평행하게 원점에 위치하기를 원한다. 객체 공간의 정점버퍼에서 이런식으로 이미 저장되어 있으므로 월드 변환은 기본 행렬이 된다.
카메라가 [0 1 -5]에 위치하며 [0 1 0]을 바라보게 하고자, XMMatrixLookAtLH()를 호출하여 계산할 수 있다. +Y 방향이 위쪽으로 유지되어야 한다.
마지막으로 투영 행렬을 얻기 위해 XMMatrixPerspectiveFovLH()를 호출한다.
이 세가지 행렬은 전역 변수 g_World, g_View, g_Projection에 저장된다.

📌 Updating Constant Buffers (상수 버퍼 업데이트 하기)

행렬을 상수 버퍼에 기록해야 렌더링할 때 GPU가 읽을 수 있다. ID3D11DeviceContext::UpdateSubresource() API를 사용하여 셰이더의 상수 버퍼와 동일한 순서로 저장된 행렬에 포인터를 전달 할 수 있다. 이를 위해 셰이더의 상수 버퍼와 동일한 레이아웃을 가진 구조체를 만들 것이다.

    //
    // Update variables
    //
    ConstantBuffer cb;
    cb.mWorld = XMMatrixTranspose( g_World );
    cb.mView = XMMatrixTranspose( g_View );
    cb.mProjection = XMMatrixTranspose( g_Projection );
    g_pImmediateContext->UpdateSubresource( g_pConstantBuffer, 0, NULL, &cb, 0, 0 );