用DirectX12实现Blinn Phong

这次我们来用DirectX12实现一下基本的Blinn Phong光照模型。让我们再把这个光照模型的概念过一遍：一个物体的颜色由三个因素决定：ambient, diffuse, specular。ambient表示场景中的其他物体反射出来的光线到该物体所呈现的颜色，与摄像机所在的位置无关；diffuse表示物体内部所吸收的光线反射出来所呈现的颜色，它是完全杂乱无章而且随机的，可以假设散射到任意方向的分量都是相等的，因此也与摄像机所在的位置无关；specular表示物体根据Fresnel效应，入射光线镜面反射出去所呈现的颜色：

float3 SchlickFresnel(float3 r0, float3 normal, float3 lightVec)
{
	float nDotL = max(0, dot(normal, lightVec));
	float3 reflectPercent = r0 + (1 - r0) * pow(1 - nDotL, 5);

	return reflectPercent;
}

float4 BlinnPhong(float3 lightStrength, float3 lightVec, float3 normal, float3 toEye, Material mat)
{
	float4 ambient = gAmbientLight * mat.diffuseAlbedo;
	float3 halfVec = normalize(lightVec + toEye);
	float roughness = (mat.shininess + 8) * pow(max(0, dot(halfVec, normal)), mat.shininess) / 8.0f;
	float3 fresnel = SchlickFresnel(mat.fresnelR0, halfVec, lightVec);
	float3 specularAlbedo = fresnel * roughness;
	float3 litColor = ambient.rgb + (mat.diffuseAlbedo.rgb + specularAlbedo) * lightStrength;

	return float4(litColor.rgb, diffuseAlbedo.a);
}

让我们从shader代码一行行地看过去。

首先ambient分量的计算比较好理解，就是我们假定场景中其他环境散射过来的光照强度为gAmbientLight，而mat是物体的材质属性，diffuseAlbedo表示该材质对不同颜色光的rgb分量的反射率。

再看diffuse分量的计算，也很简单，lightStrength表示入射光的光照强度，具体这个光照强度怎么计算的，我们先放到后面说，也很容易理解材质的``diffuseAlbedo属性乘以入射光的光照得到的就是diffuse`分量。

最后来看下specular分量的计算，这个相对比较复杂，我们首先假设物体表面其实是凹凸不平的，是由若干个微表面所组成。而只有镜面反射向量恰好为视线所在方向的微表面，才会对specular分量做出贡献。也即这些微表面的法向量都满足：

normal = halfVec = normalize(lightVec + toEye);

那么，这样的微表面有多少呢？有一点我们是知道的，这些微表面中，与物体表面法线偏移程度越小的，可能性越大；偏离越远的，可能性越小。自然而然，我们想到可以用cos三角函数来衡量两个向量的临近程度。

另外，我们在材质上引入了shininess这个概念，它表示物体表面的光滑程度，物体越光滑，微表面法线集中分布在接近物体表面法线的地方上，这样看上去高光会比较集中锐利；物体越粗糙，微表面法线会相对均匀分布在不同临近程度上，这样看上去高光会形成一块光斑。通过以上两点，我们得到：

float roughness = (mat.shininess + 8) * pow(max(0, dot(halfVec, normal)), mat.shininess) / 8.0f;

还有一点别忘了，不是所有的入射光都参与这个镜面反射高光计算，我们根据Fresnel效应计算得到参与镜面反射的光照：

	float3 fresnel = SchlickFresnel(mat.fresnelR0, halfVec, lightVec);
	float3 specularAlbedo = fresnel * roughness;

最后，我们回过头来说下lightStrength这个光照强度的计算。在Blinn Phong光照模型中，入射的光有三种类型，directional，point，spot。下面分别讨论不同类型的光照强度计算：

directional即平行光，从无穷远处的光源发射出来，光照强度不会随着距离衰减。容易知道，当平行光的方向与物体表面垂直时，物体接受到的光照强度是最大的；而当平行光方向与物体表面的法线的夹角为\(\theta\)时，相同密度下的光照要覆盖\(1/cos\theta\)的物体表面。所以，平行光的光照强度为：

	float3 dir = -light.direction;
	float nDotL = max(0, dot(dir, normal));
	float3 lightStrength = light.strength * nDotL;

point即为点光源，光源有一个具体的位置，朝任意方向发射光线，而且光照强度会随着距离不断衰减，这里衰减我们简化采用线性衰减的方式：

	float3 dir = light.position - pos;
	float dist = length(dir);
	if (dist >= light.falloffEnd)
	{
		float3 lightStrength = 0.0f;
	}
	else
	{
		dir /= dist;

		float nDotL = max(0, dot(dir, normal));
		float falloff = saturate((light.falloffEnd - dist) / (light.falloffEnd - light.falloffStart));
		float3 lightStrength = light.strength * nDotL * falloff;
	}

spot即为聚光灯，光源有一个具体的位置，并且只向某个具体的方向发射光线。在这个方向的一定范围内的物体才能接受到光照，光照强度也会随着距离不断衰减。类似specular分量的计算，我们也可以用相同的方式对不同光照方向的光照强度进行建模：

	float3 dir = light.position - pos;
	float dist = length(dir);
	if (dist >= light.falloffEnd)
	{
		float3 lightStrength = 0.0f;
	}
	else
	{
		dir /= dist;
		float nDotL = max(0, dot(dir, normal));
		float falloff = saturate((light.falloffEnd - dist) / (light.falloffEnd - light.falloffStart));
		float spotFactor = pow(max(0, dot(-dir, light.direction)), light.spotPower);
		float3 lightStrength = light.strength * nDotL * falloff * spotFactor;
	}

至此，我们shader部分算是构建完成了。我们还需要在DirectX12中把hlsl中所用的全局变量通过const buffer传递过去，我们先在hlsl部分中定义所需的全局变量：

cbuffer cbPerObject : register(b0)
{
	float4x4 gWorld;
	float4x4 gInvWorld;
	float4x4 gWorldViewProj;
};

cbuffer cbPerPass : register(b1)
{
	float3 gEyePosW;
	int gLightCount;
	float4 gAmbientLight;
	Light gLights[16];
};

cbuffer cbPerMaterial : register(b2)
{
	float4 diffuseAlbedo;
	float3 fresnelR0;
	float shininess;
};

之所以定义3个const buffer，是因为不同buffer的更新频率不一样，有的是每个pass就需要更新，有的是只有某个object发生变化才需要更新，有的是只有某个material发生变化才需要更新。需要注意的是，cbuffer中变量定义的顺序至关重要。为了保证4字节对齐，我们需要调整变量定义的顺序，避免让类似一个float3,float4横跨两个4字节的情况出现，而发生一些不可预料的错误。

回到DirectX12，我们首先需要创建3个const buffer：

		ThrowIfFailed(mDevice->CreateCommittedResource(&CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD),
			D3D12_HEAP_FLAG_NONE, &CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(mObjectConstBufferCount * objCbSize),
			D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, IID_PPV_ARGS(&res.mObjectConstBuffer)));
		ThrowIfFailed(mDevice->CreateCommittedResource(&CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD),
			D3D12_HEAP_FLAG_NONE, &CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(mPassConstBufferCount * passCbSize),
			D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, IID_PPV_ARGS(&res.mPassConstBuffer)));
		ThrowIfFailed(mDevice->CreateCommittedResource(&CD3DX12_HEAP_PROPERTIES(D3D12_HEAP_TYPE_UPLOAD),
			D3D12_HEAP_FLAG_NONE, &CD3DX12_RESOURCE_DESC::Buffer(mMaterialConstBufferCount * matCbSize),
			D3D12_RESOURCE_STATE_GENERIC_READ, nullptr, IID_PPV_ARGS(&res.mMaterialConstBuffer)));

接下来，我们要创建const buffer view，将buffer资源绑定到heap上：

	UINT cbvHeapIndex = 0;
	for (UINT i = 0; i < mCoreResourceCount; i++)
	{
		EngineCoreResource res = mCoreResource[i];
		D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS objCbAddr = res.mObjectConstBuffer->GetGPUVirtualAddress();
		for (UINT j = 0; j < mObjectConstBufferCount; j++)
		{
			D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC cbvDesc;
			cbvDesc.BufferLocation = objCbAddr + j * objCbSize;
			cbvDesc.SizeInBytes = objCbSize;
			CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE handle = CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE(
				mCbvHeap->GetCPUDescriptorHandleForHeapStart());
			handle.Offset(cbvHeapIndex, mCbvHeapIncSize);
			mDevice->CreateConstantBufferView(&cbvDesc, handle);
			cbvHeapIndex++;
		}

		D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS passCbAddr = res.mPassConstBuffer->GetGPUVirtualAddress();
		for (UINT j = 0; j < mPassConstBufferCount; j++)
		{
			D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC cbvDesc;
			cbvDesc.BufferLocation = passCbAddr + j * passCbSize;
			cbvDesc.SizeInBytes = passCbSize;
			CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE handle = CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE(
				mCbvHeap->GetCPUDescriptorHandleForHeapStart());
			handle.Offset(cbvHeapIndex, mCbvHeapIncSize);
			mDevice->CreateConstantBufferView(&cbvDesc, handle);
			cbvHeapIndex++;
		}

		D3D12_GPU_VIRTUAL_ADDRESS matCbAddr = res.mMaterialConstBuffer->GetGPUVirtualAddress();
		for (UINT j = 0; j < mMaterialConstBufferCount; j++)
		{
			D3D12_CONSTANT_BUFFER_VIEW_DESC cbvDesc;
			cbvDesc.BufferLocation = matCbAddr + j * matCbSize;
			cbvDesc.SizeInBytes = matCbSize;
			CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE handle = CD3DX12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE(
				mCbvHeap->GetCPUDescriptorHandleForHeapStart());
			handle.Offset(cbvHeapIndex, mCbvHeapIncSize);
			mDevice->CreateConstantBufferView(&cbvDesc, handle);
			cbvHeapIndex++;
		}
	}

然后，我们需要创建根签名，用来指明hlsl需要3个const buffer,分别使用寄存器b0,b1,b2存放数据：

	CD3DX12_DESCRIPTOR_RANGE cbvTable[3];
	cbvTable[0].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV, 1, 0);
	cbvTable[1].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV, 1, 1);
	cbvTable[2].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV, 1, 2);

	CD3DX12_ROOT_PARAMETER rootParams[3];
	rootParams[0].InitAsDescriptorTable(1, &cbvTable[0]);
	rootParams[1].InitAsDescriptorTable(1, &cbvTable[1]);
	rootParams[2].InitAsDescriptorTable(1, &cbvTable[2]);

	CD3DX12_ROOT_SIGNATURE_DESC sigDesc(3, rootParams, 0, nullptr,
		D3D12_ROOT_SIGNATURE_FLAG_ALLOW_INPUT_ASSEMBLER_INPUT_LAYOUT);

这里我们用了3个根参数，是因为我们需要根据不同时机和不同的调用频率，调用SetGraphicsRootDescriptorTable设置不同的buffer绑定到GPU上，用3个根参数就比较方便灵活。拷贝const buffer数据到GPU层的代码就不贴了，这个和之前的操作方式基本一致，只要记住只在必要的时间拷贝必要的数据即可。

让我们看一下最终的效果，这里加载了一个简单的汽车模型，用了3个平行光源：

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