Introduction to 3D Game Programming with DirectX.9.0 - F. D. Luna

Introduction to 3D Game Programming with DirectX® 9.0

Frank D. Luna

Technical review by Rod Lopez

Wordware Publishing, Inc.

To my parents, Frank and Kathryn

iii

Contents

Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii

Part I Mathematical Prerequisites . . . . . . . . . . . . . . 1

Vectors in 3-Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Vector Equality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Computing the Magnitude of a Vector. . . . . . . . . . . . . 6 Normalizing a Vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Vector Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Vector Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Scalar Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Dot Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Cross Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Equality, Scalar Multiplication, and Addition. . . . . . . . . 12 Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 The Identity Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Inverses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 The Transpose of a Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 D3DX Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Basic Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 The Translation Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 The Rotation Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 The Scaling Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Combining Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Some Functions to Transform Vectors . . . . . . . . . . . . 25

Planes (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 D3DXPLANE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Point and Plane Spatial Relation . . . . . . . . . . . . . . . 27 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Normalizing a Plane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Transforming a Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Nearest Point on a Plane to a Particular Point . . . . . . . . 29

Rays (Optional) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Ray/Plane Intersection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

v

vi Contents

1.3.1Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

1.3.2Multisampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1.3.3Pixel Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.3.4Memory Pools. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.3.5 The Swap Chain and Page Flipping . . . . . . . . . . 42

1.3.6Depth Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.3.7Vertex Processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.3.8Device Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.4Initializing Direct3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.4.1Acquiring an IDirect3D9 Interface . . . . . . . . . . . 46

1.4.2Checking for Hardware Vertex Processing . . . . . . 47

1.4.3Filling Out the D3DPRESENT_PARAMETERS Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.4.4Creating the IDirect3DDevice9 Interface . . . . . . . 50

1.5Sample Application: Initializing Direct3D . . . . . . . . . . . 51

1.5.1d3dUtility.h/cpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

1.5.2Sample Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1.5.3Sample: D3D Init . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Chapter 2 The Rendering Pipeline. . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.1Model Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.1.1Vertex Formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.1.2Triangles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.1.3Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.2The Virtual Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.3The Rendering Pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.3.1Local Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.3.2World Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.3.3View Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.3.4 Backface Culling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.3.5Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3.6Clipping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3.7Projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.3.8 Viewport Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.3.9Rasterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

2.4Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Contents vii

Chapter 3 Drawing in Direct3D . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1Vertex/Index Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.1.1Creating a Vertex and Index Buffer . . . . . . . . . . 76

3.1.2Accessing a Buffer’s Memory . . . . . . . . . . . . . 78

3.1.3Retrieving Information about a Vertex and

3.3Drawing Preparations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.4Drawing with Vertex/Index Buffers . . . . . . . . . . . . . . 82

3.4.1IDirect3DDevice9::DrawPrimitive. . . . . . . . . . . 82

3.4.2IDirect3DDevice9::DrawIndexedPrimitive . . . . . . 82

3.4.3Begin/End Scene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.5D3DX Geometric Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.6Sample Applications: Triangle, Cube, Teapot,

D3DXCreate* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.2Vertex Colors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.3Shading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.4Sample Application: Colored Triangle . . . . . . . . . . . . . 95

4.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Chapter 5 Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.1Light Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.2Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3Vertex Normals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.4Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.5Sample Application: Lighting . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.6Additional Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Chapter 6 Texturing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.1Texture Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.2Creating and Enabling a Texture . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.3Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.4Mipmaps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.4.1Mipmap Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.4.2Using Mipmaps with Direct3D . . . . . . . . . . . . 116

6.5Address Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.6Sample Application: Textured Quad . . . . . . . . . . . . . 118

6.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

viii Contents

Chapter 7 Blending. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7.1The Blending Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7.2Blend Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

7.3Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

7.3.1 Alpha Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.3.2Specifying the Source of Alpha . . . . . . . . . . . . 125

7.4Creating an Alpha Channel Using the DirectX

Texture Tool. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

7.5Sample Application: Transparency . . . . . . . . . . . . . . 127

7.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Chapter 8 Stenciling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

8.1Using the Stencil Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

8.1.1Requesting a Stencil Buffer . . . . . . . . . . . . . . 133

8.1.2The Stencil Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8.1.3Controlling the Stencil Test . . . . . . . . . . . . . . 134

8.1.3.1Stencil Reference Value . . . . . . . . . . . 134

8.1.3.2Stencil Mask . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

8.1.3.3Stencil Value . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

8.1.3.4Comparison Operation . . . . . . . . . . . . 135

8.2Sample Application: Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

8.2.1The Mathematics of Reflection . . . . . . . . . . . . 137

8.2.2Mirror Implementation Overview . . . . . . . . . . 139

8.2.3Code and Explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

8.2.3.1Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8.2.3.2Part II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8.2.3.3Part III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

8.2.3.4 Part IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.2.3.5Part V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.3Sample Application: Planar Shadows. . . . . . . . . . . . . 144

8.3.1 Parallel Light Shadows . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.3.2Point Light Shadows. . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

8.3.3The Shadow Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

8.3.4Using the Stencil Buffer to Prevent Double

Blending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8.3.5Code and Explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

8.4Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

9.1ID3DXFont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

9.1.1Creating an ID3DXFont . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Contents ix

9.1.2 Drawing Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

9.1.3Computing the Frames Rendered Per Second . . . . 155

9.2CD3DFont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

9.2.1Constructing a CD3DFont. . . . . . . . . . . . . . . 156

9.3D3DXCreateText . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

9.4Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Chapter 10 Meshes Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

10.1Geometry Info . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

10.2Subsets and the Attribute Buffer . . . . . . . . . . . . . . 161

10.3Drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

10.4Optimizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

10.5The Attribute Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

10.6Adjacency Info . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

10.7Cloning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

10.8Creating a Mesh (D3DXCreateMeshFVF) . . . . . . . . . 170

10.9Sample Application: Creating and Rendering a Mesh . . . 171

10.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Chapter 11 Meshes Part II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

11.1ID3DXBuffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

11.2XFiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

11.2.1Loading an XFile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

11.2.2XFile Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

11.2.3Sample Application: XFile . . . . . . . . . . . . . . 181

11.2.4Generating Vertex Normals . . . . . . . . . . . . . 184

11.3Progressive Meshes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

11.3.1Generating a Progressive Mesh . . . . . . . . . . . 186

11.3.2 Vertex Attribute Weights . . . . . . . . . . . . . . 187

11.3.3ID3DXPMesh Methods . . . . . . . . . . . . . . . 188

11.3.4Sample Application: Progressive Mesh . . . . . . . 190

11.4Bounding Volumes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

11.4.1Some New Special Constants . . . . . . . . . . . . 194

11.4.2Bounding Volume Types . . . . . . . . . . . . . . . 195

11.4.3Sample Application: Bounding Volumes. . . . . . . 196

11.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Chapter 12 Building a Flexible Camera Class . . . . . . . . . . 199

12.1 Camera Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

12.2Implementation Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 12.2.1 Computing the View Matrix . . . . . . . . . . . . . 201