DirectX11 Tutorial 6 - 조명

원문 : http://www.rastertek.com/dx11tut06.html

이 튜토리얼에서는 조명(Diffuse lighting)과 DirectX 11을 활용하여 3D 객체를 그리는 방법을 다룹니다. 코드는 이전 튜토리얼의 소스에서 시작하여 점차 고쳐나갈 것입니다.

이번에 구현하게 될 조명의 종류는 방향 조명(Directional lighting)입니다. 방향 조명의 개념은 태양이 지구를 비추는 것을 생각해 보면 이해가 쉽습니다. 태양은 엄청나게 먼 거리에서 빛을 비추는 광원이기 때문에 그 뱡향에 근거하여 물체에 얼마만큼의 빛이 투사되는지 어림잡을 수 있습니다. 하지만 주변광(Ambient lighting, 나중 튜토리얼에서 다룰 예정입니다)과는 달리 빛이 직접 닿지 않는 곳은 밝아지지 않습니다.

우선은 눈에 보이는 디버깅이 쉽다는 장점 때문에 방향 조명을 먼저 다루도록 하겠습니다. 방향 조명은 또한 점조명이나 스포트라이트 조명 같은 다른 조명 모델과는 달리 단순히 방향만 생각하면 되므로 계산에서의 요구사항이 단순합니다. DirectX 11에서의 방향 조명의 구현은 정점 셰이더와 픽셀 셰이더를 통해서 이루어집니다. 방향 조명이 도형을 비추기 위해서는 단지 방향 벡터와 법선 벡터만을 필요로 합니다. 방향 벡터는 직접 지정하는 것이고, 법선 벡터는 세 정점에 의해 만들어지는 평면으로 계산해 낼 수 있습니다. 또한 이 튜토리얼에서는 조명 방정식에 의한 색상도 구현할 것입니다.

프레임워크

이 튜토리얼을 위해 장면에서 광원을 표현하는 LightClass라는 새로운 클래스를 만들 것입니다. 사실 LightClass는 빛의 방향과 색상을 가지고 있는 것 외에는 아무것도 하지 않습니다;; 그에 더해 TextureShaderClass를 없애고 그 자리를 모델에 빛이 비치는 것을 다루는 LightShaderClass가 대체할 것입니다. 이 새로운 클래스들로 인해 프레임워크가 아래 그림처럼 변합니다.

코드는 우선 HLSL 조명 셰이더부터 보도록 하겠습니다. 보면 아시겠지만 이 조명 셰이더는 지난 튜토리얼의 텍스쳐 셰이더의 개정판입니다.

Light.vs

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: light.vs
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


/////////////
// GLOBALS //
/////////////
cbuffer MatrixBuffer
{
    matrix worldMatrix;
    matrix viewMatrix;
    matrix projectionMatrix;
};

아래 두 구조체는 3개의 float형을 가진 법선 벡터를 가지고 있습니다. 법선 벡터는 빛의 방향과 함께 그 각도로 들어오는 빛의 양을 계산하는 데 사용됩니다.

//////////////
// TYPEDEFS //
//////////////
struct VertexInputType
{
    float4 position : POSITION;
    float2 tex : TEXCOORD0;
    float3 normal : NORMAL;
};

struct PixelInputType
{
    float4 position : SV_POSITION;
    float2 tex : TEXCOORD0;
    float3 normal : NORMAL;
};


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Vertex Shader
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
PixelInputType LightVertexShader(VertexInputType input)
{
    PixelInputType output;
    

    // Change the position vector to be 4 units for proper matrix calculations.
    input.position.w = 1.0f;

    // Calculate the position of the vertex against the world, view, and projection matrices.
    output.position = mul(input.position, worldMatrix);
    output.position = mul(output.position, viewMatrix);
    output.position = mul(output.position, projectionMatrix);
    
    // Store the texture coordinates for the pixel shader.
    output.tex = input.tex;

이 정점의 법선 벡터는 월드 좌표계에서 계산되고 픽셀 셰이더의 입력으로 들어가기 전에 정규화(normalize)됩니다.

    // Calculate the normal vector against the world matrix only.
    output.normal = mul(input.normal, (float3x3)worldMatrix);
	
    // Normalize the normal vector.
    output.normal = normalize(output.normal);

    return output;
}

Light.ps

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: light.ps
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////


/////////////
// GLOBALS //
/////////////
Texture2D shaderTexture;
SamplerState SampleType;

LightBuffer 버퍼 안에는 조명의 색과 방향을 담는 용도로 사용되는 새로운 두 전역 변수가 있습니다. 이 두 변수들은 새로운 LightClass 객체에 의해 값이 설정됩니다.

cbuffer LightBuffer
{
    float4 diffuseColor;
    float3 lightDirection;
    float padding;
};


//////////////
// TYPEDEFS //
//////////////
struct PixelInputType
{
    float4 position : SV_POSITION;
    float2 tex : TEXCOORD0;
    float3 normal : NORMAL;
};


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Pixel Shader
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
float4 LightPixelShader(PixelInputType input) : SV_TARGET
{
    float4 textureColor;
    float3 lightDir;
    float lightIntensity;
    float4 color;


    // Sample the pixel color from the texture using the sampler at this texture coordinate location.
    textureColor = shaderTexture.Sample(SampleType, input.tex);

여기서 제가 앞서 이야기했던 조명 방정식이 구현됩니다. 빛의 조도(intensity)가 삼각형의 법선 벡터, 그리고 빛의 방향 벡터 사이의 내적으로 계산됩니다.

    // Invert the light direction for calculations.
    lightDir = -lightDirection;

    // Calculate the amount of light on this pixel.
    lightIntensity = saturate(dot(input.normal, lightDir));

그리고 마지막으로 계산된 빛의 세기가 텍스쳐 픽셀의 값과 조합되어 최종 색상을 만들어 냅니다.

    // Determine the final amount of diffuse color based on the diffuse color combined with the light intensity.
    color = saturate(diffuseColor * lightIntensity);

    // Multiply the texture pixel and the final diffuse color to get the final pixel color result.
    color = color * textureColor;

    return color;
}

Lightshaderclass.h

새로운 LightShaderClass는 조명을 지원하기 위해 앞선 튜토리얼의 TextureShaderClass 클래스를 조금 고친 내용입니다.

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: lightshaderclass.h
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#ifndef _LIGHTSHADERCLASS_H_
#define _LIGHTSHADERCLASS_H_


//////////////
// INCLUDES //
//////////////
#include <d3d11.h>
#include <d3dx10math.h>
#include <d3dx11async.h>
#include <fstream>
using namespace std;


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Class name: LightShaderClass
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class LightShaderClass
{
private:
	struct MatrixBufferType
	{
		D3DXMATRIX world;
		D3DXMATRIX view;
		D3DXMATRIX projection;
	};

새 구조체인 LightBufferType은 조명 정보를 저장하기 위해 사용됩니다. 이 typedef문은 픽셀 셰이더의 typedef문과 그 내용이 동일합니다. 참고로 구조체의 크기가 16의 배수가 되게 하기 위해서 마지막에 추가로 (사용되지 않는) float를 선언하였습니다. 만약 저 추가된 변수가 없이 sizeof(LightBufferType)가 28바이트인 크기로 CreateBuffer을 하면 이 함수에서는 무조건 16의 배수 크기를 요구하기 때문에 실패할 것입니다.

	struct LightBufferType
	{
		D3DXVECTOR4 diffuseColor;
		D3DXVECTOR3 lightDirection;
		float padding;  // Added extra padding so structure is a multiple of 16 for CreateBuffer function requirements.
	};

public:
	LightShaderClass();
	LightShaderClass(const LightShaderClass&);
	~LightShaderClass();

	bool Initialize(ID3D11Device*, HWND);
	void Shutdown();
	bool Render(ID3D11DeviceContext*, int, D3DXMATRIX, D3DXMATRIX, D3DXMATRIX, ID3D11ShaderResourceView*, D3DXVECTOR3, D3DXVECTOR4);

private:
	bool InitializeShader(ID3D11Device*, HWND, WCHAR*, WCHAR*);
	void ShutdownShader();
	void OutputShaderErrorMessage(ID3D10Blob*, HWND, WCHAR*);

	bool SetShaderParameters(ID3D11DeviceContext*, D3DXMATRIX, D3DXMATRIX, D3DXMATRIX, ID3D11ShaderResourceView*, D3DXVECTOR3, D3DXVECTOR4);
	void RenderShader(ID3D11DeviceContext*, int);

private:
	ID3D11VertexShader* m_vertexShader;
	ID3D11PixelShader* m_pixelShader;
	ID3D11InputLayout* m_layout;
	ID3D11SamplerState* m_sampleState;
	ID3D11Buffer* m_matrixBuffer;

여기에 빛 정보(색상과 방향)를 위한 새로운 private인 상수 버퍼가 선언되었습니다. 이 조명 버퍼는 HLSL 픽셀 셰이더에서 전역 조명 변수들을 설정하기 위해 사용될 것입니다.

	ID3D11Buffer* m_lightBuffer;
};

#endif

Lightshaderclass.cpp

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: lightshaderclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "lightshaderclass.h"


LightShaderClass::LightShaderClass()
{
	m_vertexShader = 0;
	m_pixelShader = 0;
	m_layout = 0;
	m_sampleState = 0;
	m_matrixBuffer = 0;

클래스 생성자에서 조명 상수 버퍼를 null로 초기화합니다.

	m_lightBuffer = 0;
}


LightShaderClass::LightShaderClass(const LightShaderClass& other)
{
}


LightShaderClass::~LightShaderClass()
{
}


bool LightShaderClass::Initialize(ID3D11Device* device, HWND hwnd)
{
	bool result;

새로 만든 HLSL 셰이더 파일인 light.vs와 light.ps를 조명 셰이더의 초기화에 사용합니다.

	// Initialize the vertex and pixel shaders.
	result = InitializeShader(device, hwnd, L"../Engine/light.vs", L"../Engine/light.ps");
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	return true;
}


void LightShaderClass::Shutdown()
{
	// Shutdown the vertex and pixel shaders as well as the related objects.
	ShutdownShader();

	return;
}

Render 함수는 이제 빛의 방향과 조명 색상을 입력으로 받습니다. 이 변수들은 SetShaderParameters 함수를 통하여 결국 셰이더에 그 값이 적용됩니다.

bool LightShaderClass::Render(ID3D11DeviceContext* deviceContext, int indexCount, D3DXMATRIX worldMatrix, D3DXMATRIX viewMatrix, 
			      D3DXMATRIX projectionMatrix, ID3D11ShaderResourceView* texture, D3DXVECTOR3 lightDirection, D3DXVECTOR4 diffuseColor)
{
	bool result;


	// Set the shader parameters that it will use for rendering.
	result = SetShaderParameters(deviceContext, worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix, texture, lightDirection, diffuseColor);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	// Now render the prepared buffers with the shader.
	RenderShader(deviceContext, indexCount);

	return true;
}


bool LightShaderClass::InitializeShader(ID3D11Device* device, HWND hwnd, WCHAR* vsFilename, WCHAR* psFilename)
{
	HRESULT result;
	ID3D10Blob* errorMessage;
	ID3D10Blob* vertexShaderBuffer;
	ID3D10Blob* pixelShaderBuffer;

polygonLayout 변수는 원래 두 개였지만 지금은 세 개의 값을 갖고 있습니다. 그렇게 하여 레이아웃에 법선 벡터를 사용할 수 있게 됩니다.

	D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC polygonLayout[3];
	unsigned int numElements;
	D3D11_SAMPLER_DESC samplerDesc;
	D3D11_BUFFER_DESC matrixBufferDesc;

또한 조명 상수 버퍼에 새로운 description 변수도 추가합니다.

	D3D11_BUFFER_DESC lightBufferDesc;


	// Initialize the pointers this function will use to null.
	errorMessage = 0;
	vertexShaderBuffer = 0;
	pixelShaderBuffer = 0;

새 조명 정점 셰이더를 로드합니다.

	// Compile the vertex shader code.
	result = D3DX11CompileFromFile(vsFilename, NULL, NULL, "LightVertexShader", "vs_5_0", D3D10_SHADER_ENABLE_STRICTNESS, 0, NULL, 
				       &vertexShaderBuffer, &errorMessage, NULL);
	if(FAILED(result))
	{
		// If the shader failed to compile it should have writen something to the error message.
		if(errorMessage)
		{
			OutputShaderErrorMessage(errorMessage, hwnd, vsFilename);
		}
		// If there was nothing in the error message then it simply could not find the shader file itself.
		else
		{
			MessageBox(hwnd, vsFilename, L"Missing Shader File", MB_OK);
		}

		return false;
	}

새 조명 픽셀 쎼이더를 로드합니다.

	// Compile the pixel shader code.
	result = D3DX11CompileFromFile(psFilename, NULL, NULL, "LightPixelShader", "ps_5_0", D3D10_SHADER_ENABLE_STRICTNESS, 0, NULL, 
				       &pixelShaderBuffer, &errorMessage, NULL);
	if(FAILED(result))
	{
		// If the shader failed to compile it should have writen something to the error message.
		if(errorMessage)
		{
			OutputShaderErrorMessage(errorMessage, hwnd, psFilename);
		}
		// If there was nothing in the error message then it simply could not find the file itself.
		else
		{
			MessageBox(hwnd, psFilename, L"Missing Shader File", MB_OK);
		}

		return false;
	}

	// Create the vertex shader from the buffer.
	result = device->CreateVertexShader(vertexShaderBuffer->GetBufferPointer(), vertexShaderBuffer->GetBufferSize(), NULL, &m_vertexShader);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Create the pixel shader from the buffer.
	result = device->CreatePixelShader(pixelShaderBuffer->GetBufferPointer(), pixelShaderBuffer->GetBufferSize(), NULL, &m_pixelShader);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Create the vertex input layout description.
	// This setup needs to match the VertexType stucture in the ModelClass and in the shader.
	polygonLayout[0].SemanticName = "POSITION";
	polygonLayout[0].SemanticIndex = 0;
	polygonLayout[0].Format = DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT;
	polygonLayout[0].InputSlot = 0;
	polygonLayout[0].AlignedByteOffset = 0;
	polygonLayout[0].InputSlotClass = D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA;
	polygonLayout[0].InstanceDataStepRate = 0;

	polygonLayout[1].SemanticName = "TEXCOORD";
	polygonLayout[1].SemanticIndex = 0;
	polygonLayout[1].Format = DXGI_FORMAT_R32G32_FLOAT;
	polygonLayout[1].InputSlot = 0;
	polygonLayout[1].AlignedByteOffset = D3D11_APPEND_ALIGNED_ELEMENT;
	polygonLayout[1].InputSlotClass = D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA;
	polygonLayout[1].InstanceDataStepRate = 0;

셰이더 초기화의 중요한 변화 사항 중 하나가 바로 이 polygonLayout입니다. 여기서 조명 효과를 위하여 법선 벡터를 담을 세번째 요소를 추가합니다. SemanticName은 NORMAL이고, 자료형은 법선 벡터의 x, y, z 부동소수점 변수를 담을 수 있는 DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT 입니다. 이 구조는 HLSL 정점 셰이더가 입력으로 받아들일 입력과 잘 맞아떨어지게 됩니다.

	polygonLayout[2].SemanticName = "NORMAL";
	polygonLayout[2].SemanticIndex = 0;
	polygonLayout[2].Format = DXGI_FORMAT_R32G32B32_FLOAT;
	polygonLayout[2].InputSlot = 0;
	polygonLayout[2].AlignedByteOffset = D3D11_APPEND_ALIGNED_ELEMENT;
	polygonLayout[2].InputSlotClass = D3D11_INPUT_PER_VERTEX_DATA;
	polygonLayout[2].InstanceDataStepRate = 0;

	// Get a count of the elements in the layout.
	numElements = sizeof(polygonLayout) / sizeof(polygonLayout[0]);

	// Create the vertex input layout.
	result = device->CreateInputLayout(polygonLayout, numElements, vertexShaderBuffer->GetBufferPointer(), vertexShaderBuffer->GetBufferSize(), 
					   &m_layout);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Release the vertex shader buffer and pixel shader buffer since they are no longer needed.
	vertexShaderBuffer->Release();
	vertexShaderBuffer = 0;

	pixelShaderBuffer->Release();
	pixelShaderBuffer = 0;

	// Create a texture sampler state description.
	samplerDesc.Filter = D3D11_FILTER_MIN_MAG_MIP_LINEAR;
	samplerDesc.AddressU = D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
	samplerDesc.AddressV = D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
	samplerDesc.AddressW = D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
	samplerDesc.MipLODBias = 0.0f;
	samplerDesc.MaxAnisotropy = 1;
	samplerDesc.ComparisonFunc = D3D11_COMPARISON_ALWAYS;
	samplerDesc.BorderColor[0] = 0;
	samplerDesc.BorderColor[1] = 0;
	samplerDesc.BorderColor[2] = 0;
	samplerDesc.BorderColor[3] = 0;
	samplerDesc.MinLOD = 0;
	samplerDesc.MaxLOD = D3D11_FLOAT32_MAX;

	// Create the texture sampler state.
	result = device->CreateSamplerState(&samplerDesc, &m_sampleState);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Setup the description of the dynamic matrix constant buffer that is in the vertex shader.
	matrixBufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_DYNAMIC;
	matrixBufferDesc.ByteWidth = sizeof(MatrixBufferType);
	matrixBufferDesc.BindFlags = D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER;
	matrixBufferDesc.CPUAccessFlags = D3D11_CPU_ACCESS_WRITE;
	matrixBufferDesc.MiscFlags = 0;
	matrixBufferDesc.StructureByteStride = 0;

	// Create the constant buffer pointer so we can access the vertex shader constant buffer from within this class.
	result = device->CreateBuffer(&matrixBufferDesc, NULL, &m_matrixBuffer);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

이제 여기서 조명의 색상과 방향을 다루는 조명 상수 버퍼의 description을 작성합니다. 특히 상수 버퍼의 크기가 16의 배수인지에 주의를 기울이세요. 만약 그렇지 않다면 구조의 마지막에 16의 배수의 크기를 맞추도록 더미 변수를 넣어야 하며 그렇게 하지 않으면 CreateBuffer 함수가 실패할 것입니다. 이 경우에 상수 버퍼의 크기가 28바이트이기 때문에 4바이트의 padding을 붙여 32바이트를 만들었습니다.

	// Setup the description of the light dynamic constant buffer that is in the pixel shader.
	// Note that ByteWidth always needs to be a multiple of 16 if using D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER or CreateBuffer will fail.
	lightBufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_DYNAMIC;
	lightBufferDesc.ByteWidth = sizeof(LightBufferType);
	lightBufferDesc.BindFlags = D3D11_BIND_CONSTANT_BUFFER;
	lightBufferDesc.CPUAccessFlags = D3D11_CPU_ACCESS_WRITE;
	lightBufferDesc.MiscFlags = 0;
	lightBufferDesc.StructureByteStride = 0;

	// Create the constant buffer pointer so we can access the vertex shader constant buffer from within this class.
	result = device->CreateBuffer(&lightBufferDesc, NULL, &m_lightBuffer);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	return true;
}


void LightShaderClass::ShutdownShader()
{

새로운 조명 상수 버퍼가 ShutdownShader 함수에서 반환됩니다.

	// Release the light constant buffer.
	if(m_lightBuffer)
	{
		m_lightBuffer->Release();
		m_lightBuffer = 0;
	}

	// Release the matrix constant buffer.
	if(m_matrixBuffer)
	{
		m_matrixBuffer->Release();
		m_matrixBuffer = 0;
	}

	// Release the sampler state.
	if(m_sampleState)
	{
		m_sampleState->Release();
		m_sampleState = 0;
	}

	// Release the layout.
	if(m_layout)
	{
		m_layout->Release();
		m_layout = 0;
	}

	// Release the pixel shader.
	if(m_pixelShader)
	{
		m_pixelShader->Release();
		m_pixelShader = 0;
	}

	// Release the vertex shader.
	if(m_vertexShader)
	{
		m_vertexShader->Release();
		m_vertexShader = 0;
	}

	return;
}


void LightShaderClass::OutputShaderErrorMessage(ID3D10Blob* errorMessage, HWND hwnd, WCHAR* shaderFilename)
{
	char* compileErrors;
	unsigned long bufferSize, i;
	ofstream fout;


	// Get a pointer to the error message text buffer.
	compileErrors = (char*)(errorMessage->GetBufferPointer());

	// Get the length of the message.
	bufferSize = errorMessage->GetBufferSize();

	// Open a file to write the error message to.
	fout.open("shader-error.txt");

	// Write out the error message.
	for(i=0; i<bufferSize; i++)
	{
		fout << compileErrors[i];
	}

	// Close the file.
	fout.close();

	// Release the error message.
	errorMessage->Release();
	errorMessage = 0;

	// Pop a message up on the screen to notify the user to check the text file for compile errors.
	MessageBox(hwnd, L"Error compiling shader.  Check shader-error.txt for message.", shaderFilename, MB_OK);

	return;
}

SetShaderParameters 함수는 입력으로 lightDirection(빛의 방향)과 diffuseColor(빛의 색상)을 받습니다.

bool LightShaderClass::SetShaderParameters(ID3D11DeviceContext* deviceContext, D3DXMATRIX worldMatrix, D3DXMATRIX viewMatrix, 
					   D3DXMATRIX projectionMatrix, ID3D11ShaderResourceView* texture, D3DXVECTOR3 lightDirection, 
					   D3DXVECTOR4 diffuseColor)
{
	HRESULT result;
	D3D11_MAPPED_SUBRESOURCE mappedResource;
	unsigned int bufferNumber;
	MatrixBufferType* dataPtr;
	LightBufferType* dataPtr2;


	// Transpose the matrices to prepare them for the shader.
	D3DXMatrixTranspose(&worldMatrix, &worldMatrix);
	D3DXMatrixTranspose(&viewMatrix, &viewMatrix);
	D3DXMatrixTranspose(&projectionMatrix, &projectionMatrix);

	// Lock the constant buffer so it can be written to.
	result = deviceContext->Map(m_matrixBuffer, 0, D3D11_MAP_WRITE_DISCARD, 0, &mappedResource);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Get a pointer to the data in the constant buffer.
	dataPtr = (MatrixBufferType*)mappedResource.pData;

	// Copy the matrices into the constant buffer.
	dataPtr->world = worldMatrix;
	dataPtr->view = viewMatrix;
	dataPtr->projection = projectionMatrix;

	// Unlock the constant buffer.
	deviceContext->Unmap(m_matrixBuffer, 0);

	// Set the position of the constant buffer in the vertex shader.
	bufferNumber = 0;

	// Now set the constant buffer in the vertex shader with the updated values.
	deviceContext->VSSetConstantBuffers(bufferNumber, 1, &m_matrixBuffer);

	// Set shader texture resource in the pixel shader.
	deviceContext->PSSetShaderResources(0, 1, &texture);

조명 상수 버퍼는 행렬 상수 버퍼와 같은 방법으로 설정됩니다. 우선 버퍼에 잠금(lock)을 걸고 버퍼의 포인터를 얻습니다. 그 뒤에 이 포인터를 이용하여 빛의 색상과 방향을 설정합니다. 일단 데이터가 설정되면 버퍼의 잠금을 풀고(unlock) 픽셀 셰이더에 버퍼를 설정합니다. 픽셀 셰이더를 설정하는 것이기 때문에 VSSetConstantBuffers 함수 대신 PSSetConstantBuffers 함수를 사용한다는 것을 참고하시기 바랍니다.

	// Lock the light constant buffer so it can be written to.
	result = deviceContext->Map(m_lightBuffer, 0, D3D11_MAP_WRITE_DISCARD, 0, &mappedResource);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Get a pointer to the data in the constant buffer.
	dataPtr2 = (LightBufferType*)mappedResource.pData;

	// Copy the lighting variables into the constant buffer.
	dataPtr2->diffuseColor = diffuseColor;
	dataPtr2->lightDirection = lightDirection;
	dataPtr2->padding = 0.0f;

	// Unlock the constant buffer.
	deviceContext->Unmap(m_lightBuffer, 0);

	// Set the position of the light constant buffer in the pixel shader.
	bufferNumber = 0;

	// Finally set the light constant buffer in the pixel shader with the updated values.
	deviceContext->PSSetConstantBuffers(bufferNumber, 1, &m_lightBuffer);

	return true;
}


void LightShaderClass::RenderShader(ID3D11DeviceContext* deviceContext, int indexCount)
{
	// Set the vertex input layout.
	deviceContext->IASetInputLayout(m_layout);

	// Set the vertex and pixel shaders that will be used to render this triangle.
	deviceContext->VSSetShader(m_vertexShader, NULL, 0);
	deviceContext->PSSetShader(m_pixelShader, NULL, 0);

	// Set the sampler state in the pixel shader.
	deviceContext->PSSetSamplers(0, 1, &m_sampleState);

	// Render the triangle.
	deviceContext->DrawIndexed(indexCount, 0, 0);

	return;
}

Modelclass.h

ModelClass는 조명 요소들을 다루기 위해 약간의 수정이 이루어졌습니다.

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: modelclass.h
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#ifndef _MODELCLASS_H_
#define _MODELCLASS_H_


//////////////
// INCLUDES //
//////////////
#include <d3d11.h>
#include <d3dx10math.h>


///////////////////////
// MY CLASS INCLUDES //
///////////////////////
#include "textureclass.h"


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Class name: ModelClass
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class ModelClass
{
private:

조명을 지원하기 위해 VertexType 구조체에 법선 벡터가 추가되었습니다.

	struct VertexType
	{
		D3DXVECTOR3 position;
		D3DXVECTOR2 texture;
		D3DXVECTOR3 normal;
	};

public:
	ModelClass();
	ModelClass(const ModelClass&);
	~ModelClass();

	bool Initialize(ID3D11Device*, WCHAR*);
	void Shutdown();
	void Render(ID3D11DeviceContext*);

	int GetIndexCount();
	ID3D11ShaderResourceView* GetTexture();


private:
	bool InitializeBuffers(ID3D11Device*);
	void ShutdownBuffers();
	void RenderBuffers(ID3D11DeviceContext*);

	bool LoadTexture(ID3D11Device*, WCHAR*);
	void ReleaseTexture();

private:
	ID3D11Buffer *m_vertexBuffer, *m_indexBuffer;
	int m_vertexCount, m_indexCount;
	TextureClass* m_Texture;
};

#endif

Modelclass.cpp

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: modelclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "modelclass.h"


ModelClass::ModelClass()
{
	m_vertexBuffer = 0;
	m_indexBuffer = 0;
	m_Texture = 0;
}


ModelClass::ModelClass(const ModelClass& other)
{
}


ModelClass::~ModelClass()
{
}


bool ModelClass::Initialize(ID3D11Device* device, WCHAR* textureFilename)
{
	bool result;


	// Initialize the vertex and index buffers.
	result = InitializeBuffers(device);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	// Load the texture for this model.
	result = LoadTexture(device, textureFilename);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	return true;
}


void ModelClass::Shutdown()
{
	// Release the model texture.
	ReleaseTexture();

	// Shutdown the vertex and index buffers.
	ShutdownBuffers();

	return;
}


void ModelClass::Render(ID3D11DeviceContext* deviceContext)
{
	// Put the vertex and index buffers on the graphics pipeline to prepare them for drawing.
	RenderBuffers(deviceContext);

	return;
}


int ModelClass::GetIndexCount()
{
	return m_indexCount;
}


ID3D11ShaderResourceView* ModelClass::GetTexture()
{
	return m_Texture->GetTexture();
}


bool ModelClass::InitializeBuffers(ID3D11Device* device)
{
	VertexType* vertices;
	unsigned long* indices;
	D3D11_BUFFER_DESC vertexBufferDesc, indexBufferDesc;
	D3D11_SUBRESOURCE_DATA vertexData, indexData;
	HRESULT result;


	// Set the number of vertices in the vertex array.
	m_vertexCount = 3;

	// Set the number of indices in the index array.
	m_indexCount = 3;

	// Create the vertex array.
	vertices = new VertexType[m_vertexCount];
	if(!vertices)
	{
		return false;
	}

	// Create the index array.
	indices = new unsigned long[m_indexCount];
	if(!indices)
	{
		return false;
	}

InitializeBuffers 함수에서는 바로 이 정점 세팅 부분이 바뀌었습니다. 각 정점은 이제 빛의 계산을 위하여 연관된 법선을 가지게 됩니다. 법선은 도형의 표면에 수직하는 선이기 때문에 표면이 바라보고 있는 방향을 정확히 계산할 수 있습니다. 코드의 간단함을 유지하기 위해 법선이 시청자에게로 향하도록 각 정점의 법선의 Z성분을 -1.0f로 하였습니다.

	// Load the vertex array with data.
	vertices[0].position = D3DXVECTOR3(-1.0f, -1.0f, 0.0f);  // Bottom left.
	vertices[0].texture = D3DXVECTOR2(0.0f, 1.0f);
	vertices[0].normal = D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, -1.0f);

	vertices[1].position = D3DXVECTOR3(0.0f, 1.0f, 0.0f);  // Top middle.
	vertices[1].texture = D3DXVECTOR2(0.5f, 0.0f);
	vertices[1].normal = D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, -1.0f);

	vertices[2].position = D3DXVECTOR3(1.0f, -1.0f, 0.0f);  // Bottom right.
	vertices[2].texture = D3DXVECTOR2(1.0f, 1.0f);
	vertices[2].normal = D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, -1.0f);

	// Load the index array with data.
	indices[0] = 0;  // Bottom left.
	indices[1] = 1;  // Top middle.
	indices[2] = 2;  // Bottom right.

	// Set up the description of the static vertex buffer.
	vertexBufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
	vertexBufferDesc.ByteWidth = sizeof(VertexType) * m_vertexCount;
	vertexBufferDesc.BindFlags = D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER;
	vertexBufferDesc.CPUAccessFlags = 0;
	vertexBufferDesc.MiscFlags = 0;
	vertexBufferDesc.StructureByteStride = 0;

	// Give the subresource structure a pointer to the vertex data.
	vertexData.pSysMem = vertices;
	vertexData.SysMemPitch = 0;
	vertexData.SysMemSlicePitch = 0;

	// Now create the vertex buffer.
	result = device->CreateBuffer(&vertexBufferDesc, &vertexData, &m_vertexBuffer);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Set up the description of the static index buffer.
	indexBufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
	indexBufferDesc.ByteWidth = sizeof(unsigned long) * m_indexCount;
	indexBufferDesc.BindFlags = D3D11_BIND_INDEX_BUFFER;
	indexBufferDesc.CPUAccessFlags = 0;
	indexBufferDesc.MiscFlags = 0;
	indexBufferDesc.StructureByteStride = 0;

	// Give the subresource structure a pointer to the index data.
	indexData.pSysMem = indices;
	indexData.SysMemPitch = 0;
	indexData.SysMemSlicePitch = 0;

	// Create the index buffer.
	result = device->CreateBuffer(&indexBufferDesc, &indexData, &m_indexBuffer);
	if(FAILED(result))
	{
		return false;
	}

	// Release the arrays now that the vertex and index buffers have been created and loaded.
	delete [] vertices;
	vertices = 0;

	delete [] indices;
	indices = 0;

	return true;
}


void ModelClass::ShutdownBuffers()
{
	// Release the index buffer.
	if(m_indexBuffer)
	{
		m_indexBuffer->Release();
		m_indexBuffer = 0;
	}

	// Release the vertex buffer.
	if(m_vertexBuffer)
	{
		m_vertexBuffer->Release();
		m_vertexBuffer = 0;
	}

	return;
}


void ModelClass::RenderBuffers(ID3D11DeviceContext* deviceContext)
{
	unsigned int stride;
	unsigned int offset;


	// Set vertex buffer stride and offset.
	stride = sizeof(VertexType); 
	offset = 0;
    
	// Set the vertex buffer to active in the input assembler so it can be rendered.
	deviceContext->IASetVertexBuffers(0, 1, &m_vertexBuffer, &stride, &offset);

	// Set the index buffer to active in the input assembler so it can be rendered.
	deviceContext->IASetIndexBuffer(m_indexBuffer, DXGI_FORMAT_R32_UINT, 0);

	// Set the type of primitive that should be rendered from this vertex buffer, in this case triangles.
	deviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);

	return;
}


bool ModelClass::LoadTexture(ID3D11Device* device, WCHAR* filename)
{
	bool result;


	// Create the texture object.
	m_Texture = new TextureClass;
	if(!m_Texture)
	{
		return false;
	}

	// Initialize the texture object.
	result = m_Texture->Initialize(device, filename);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	return true;
}


void ModelClass::ReleaseTexture()
{
	// Release the texture object.
	if(m_Texture)
	{
		m_Texture->Shutdown();
		delete m_Texture;
		m_Texture = 0;
	}

	return;
}

Lightclass.h

소스는 간단하지만 새로이 추가된 클래스인 LightClass를 보도록 하겠습니다. 이 클래스의 용도는 단지 빛의 방향과 색상을 유지하는 것입니다.

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: lightclass.h
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#ifndef _LIGHTCLASS_H_
#define _LIGHTCLASS_H_


//////////////
// INCLUDES //
//////////////
#include <d3dx10math.h>


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Class name: LightClass
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class LightClass
{
public:
	LightClass();
	LightClass(const LightClass&);
	~LightClass();

	void SetDiffuseColor(float, float, float, float);
	void SetDirection(float, float, float);

	D3DXVECTOR4 GetDiffuseColor();
	D3DXVECTOR3 GetDirection();

private:
	D3DXVECTOR4 m_diffuseColor;
	D3DXVECTOR3 m_direction;
};

#endif

Lightclass.cpp

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: lightclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "lightclass.h"


LightClass::LightClass()
{
}


LightClass::LightClass(const LightClass& other)
{
}


LightClass::~LightClass()
{
}


void LightClass::SetDiffuseColor(float red, float green, float blue, float alpha)
{
	m_diffuseColor = D3DXVECTOR4(red, green, blue, alpha);
	return;
}


void LightClass::SetDirection(float x, float y, float z)
{
	m_direction = D3DXVECTOR3(x, y, z);
	return;
}


D3DXVECTOR4 LightClass::GetDiffuseColor()
{
	return m_diffuseColor;
}


D3DXVECTOR3 LightClass::GetDirection()
{
	return m_direction;
}

Graphicsclass.h

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: graphicsclass.h
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#ifndef _GRAPHICSCLASS_H_
#define _GRAPHICSCLASS_H_


///////////////////////
// MY CLASS INCLUDES //
///////////////////////
#include "d3dclass.h"
#include "cameraclass.h"
#include "modelclass.h"

GraphicsClass는 LightShaderClass와 LightClass에 대한 include를 하고 있습니다.

#include "lightshaderclass.h"
#include "lightclass.h"


/////////////
// GLOBALS //
/////////////
const bool FULL_SCREEN = true;
const bool VSYNC_ENABLED = true;
const float SCREEN_DEPTH = 1000.0f;
const float SCREEN_NEAR = 0.1f;


////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Class name: GraphicsClass
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class GraphicsClass
{
public:
	GraphicsClass();
	GraphicsClass(const GraphicsClass&);
	~GraphicsClass();

	bool Initialize(int, int, HWND);
	void Shutdown();
	bool Frame();

private:

Render 함수는 입력으로 float형 인자를 받습니다.

	bool Render(float);

private:
	D3DClass* m_D3D;
	CameraClass* m_Camera;
	ModelClass* m_Model;

또한 조명 셰이더와 조명 객체에 해당하는 새로운 private 변수가 있습니다.

	LightShaderClass* m_LightShader;
	LightClass* m_Light;
};

#endif

Graphicsclass.cpp

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: graphicsclass.cpp
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include "graphicsclass.h"


GraphicsClass::GraphicsClass()
{
	m_D3D = 0;
	m_Camera = 0;
	m_Model = 0;

조명 셰이더와 조명 객체는 생성자에서 null로 초기화됩니다.

	m_LightShader = 0;
	m_Light = 0;
}


GraphicsClass::GraphicsClass(const GraphicsClass& other)
{
}


GraphicsClass::~GraphicsClass()
{
}


bool GraphicsClass::Initialize(int screenWidth, int screenHeight, HWND hwnd)
{
	bool result;


	// Create the Direct3D object.
	m_D3D = new D3DClass;
	if(!m_D3D)
	{
		return false;
	}

	// Initialize the Direct3D object.
	result = m_D3D->Initialize(screenWidth, screenHeight, VSYNC_ENABLED, hwnd, FULL_SCREEN, SCREEN_DEPTH, SCREEN_NEAR);
	if(!result)
	{
		MessageBox(hwnd, L"Could not initialize Direct3D.", L"Error", MB_OK);
		return false;
	}

	// Create the camera object.
	m_Camera = new CameraClass;
	if(!m_Camera)
	{
		return false;
	}

	// Set the initial position of the camera.
	m_Camera->SetPosition(0.0f, 0.0f, -10.0f);
	
	// Create the model object.
	m_Model = new ModelClass;
	if(!m_Model)
	{
		return false;
	}

	// Initialize the model object.
	result = m_Model->Initialize(m_D3D->GetDevice(), L"../Engine/data/seafloor.dds");
	if(!result)
	{
		MessageBox(hwnd, L"Could not initialize the model object.", L"Error", MB_OK);
		return false;
	}

여기서 새로운 조명 셰이더 객체를 생성하고 초기화합니다.

	// Create the light shader object.
	m_LightShader = new LightShaderClass;
	if(!m_LightShader)
	{
		return false;
	}

	// Initialize the light shader object.
	result = m_LightShader->Initialize(m_D3D->GetDevice(), hwnd);
	if(!result)
	{
		MessageBox(hwnd, L"Could not initialize the light shader object.", L"Error", MB_OK);
		return false;
	}

여기서 새로운 조명 객체를 생성합니다.

	// Create the light object.
	m_Light = new LightClass;
	if(!m_Light)
	{
		return false;
	}

조명의 색상을 자주색으로 하고 그 방향을 Z축의 양의 값으로 합니다.

	// Initialize the light object.
	m_Light->SetDiffuseColor(1.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);
	m_Light->SetDirection(0.0f, 0.0f, 1.0f);

	return true;
}


void GraphicsClass::Shutdown()
{

Shutdown 함수에서는 새로운 조명 객체와 셰이더 객체를 반환합니다.

	// Release the light object.
	if(m_Light)
	{
		delete m_Light;
		m_Light = 0;
	}

	// Release the light shader object.
	if(m_LightShader)
	{
		m_LightShader->Shutdown();
		delete m_LightShader;
		m_LightShader = 0;
	}

	// Release the model object.
	if(m_Model)
	{
		m_Model->Shutdown();
		delete m_Model;
		m_Model = 0;
	}

	// Release the camera object.
	if(m_Camera)
	{
		delete m_Camera;
		m_Camera = 0;
	}

	// Release the D3D object.
	if(m_D3D)
	{
		m_D3D->Shutdown();
		delete m_D3D;
		m_D3D = 0;
	}

	return;
}


bool GraphicsClass::Frame()
{
	bool result;

매번 달라지는 회전 정보를 저장하기 위해 새로운 static 변수를 추가하였습니다. 이 변수는 Render 함수로 전달될 것입니다.

	static float rotation = 0.0f;


	// Update the rotation variable each frame.
	rotation += (float)D3DX_PI * 0.01f;
	if(rotation > 360.0f)
	{
		rotation -= 360.0f;
	}
	
	// Render the graphics scene.
	result = Render(rotation);
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	return true;
}


bool GraphicsClass::Render(float rotation)
{
	D3DXMATRIX worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix;
	bool result;


	// Clear the buffers to begin the scene.
	m_D3D->BeginScene(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

	// Generate the view matrix based on the camera's position.
	m_Camera->Render();

	// Get the world, view, and projection matrices from the camera and d3d objects.
	m_Camera->GetViewMatrix(viewMatrix);
	m_D3D->GetWorldMatrix(worldMatrix);
	m_D3D->GetProjectionMatrix(projectionMatrix);

여기서 월드 행렬을 회전값만큼 회전시켜 이 행렬을 이용하여 삼각형을 그릴 때 그 값만큼 회전되어 보이게 합니다.

	// Rotate the world matrix by the rotation value so that the triangle will spin.
	D3DXMatrixRotationY(&worldMatrix, rotation);

	// Put the model vertex and index buffers on the graphics pipeline to prepare them for drawing.
	m_Model->Render(m_D3D->GetDeviceContext());

조명 셰이더가 삼각형을 그리기 위해 호출됩니다. 새 조명 객체는 Render 함수에 조명의 색상과 방향을 넘겨주어 셰이더가 그 값을 읽을 수 있게 합니다.

	// Render the model using the light shader.
	result = m_LightShader->Render(m_D3D->GetDeviceContext(), m_Model->GetIndexCount(), worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix, 
				       m_Model->GetTexture(), m_Light->GetDirection(), m_Light->GetDiffuseColor());
	if(!result)
	{
		return false;
	}

	// Present the rendered scene to the screen.
	m_D3D->EndScene();

	return true;
}

마치면서

약간의 코드 수정만으로 기본적인 방향성 조명을 구현하였습니다. 하지만 법선 벡터가 어떤 역할을 하는지, 그리고 그것이 왜 도형 표면의 빛을 계산하는 데 있어서 중요한 것인가를 꼭 이해하셔야 합니다. 참고로 회전하는 삼각형의 뒷면은 D3DClass에서 뒷면 컬링을 사용하도록 설정했기 때문에 빛으로 밝아지지 않을 것입니다.

연습 문제

1. 프로젝트를 다시 컴파일하여 회전하는 텍스쳐가 입혀진 삼각형이 자줏빛으로 보여지는 것을 확인해 보십시오. esc키를 눌러 나갈 수 있습니다.

2. 픽셀 셰이더에서 "color = color * textureColor" 부분은 주석 처리하여 텍스쳐 효과 없이 어떻게 조명 효과가 적용되는지 보십시오.

3. GraphicsClass 클래스의 m_Light->SetDiffuseColor 부분의 색상을 녹색으로 바꾸어 보십시오.

4. 빛의 방향을 X축의 양의 방향과 음의 방향으로 바꾸어 보십시오. 회전 속도도 바꾸어 보면 재미있을 것입니다.

소스 코드

Visual Studio 2010 프로젝트: dx11tut06.zip

소스만 : dx11src06.zip

실행파일만 : dx11exe06.zip