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作为第二个顶点着色器的例子，让我们编写两个顶点着色器，它们以卡通风格的绘画方式对网格着色（shade）和轮廓勾勒（outline）。图17.2展示了这一点：
注意：卡通渲染是一种特定类型的非写实渲染（non-photorealistic rendering），有时被称作风格化渲染（stylistic rendering）。
虽然卡通渲染不适用于所有游戏，例如激烈的第一人称射击游戏，但是它仍然可以增强一些希望表现卡通感觉类型游戏的气氛。此外，卡通渲染是漂亮的，并易于实现。让我们好好的演示一个顶点着色器。
我们将卡通渲染分为两步：
1. 卡通绘画的特点是：在一个顶点到下一个顶点的强烈转换时，有少量的阴影强度级别；我们看一下这个卡通阴影（cartoon shading）。在图17.2（a）中，我们看到网络着色使用了三种阴影强度（亮、中、暗），而且其间的过渡是不平滑的——不像图17.2（c），其明暗过渡是平滑的。
2. 卡通绘图的主要特点是：在其外框上勾画轮廓，如图17.2（b）所示。
这两个步骤都需要其各自的顶点着色器。
17.5.1 卡通着色
要实现卡通着色，我们采用Lander在2000年3月发表在Game Developer Magazine的文章“Shades of Disney: Opaquing a 3D World”中所描述的方法。我们创建一个带强度级别的灰度纹理，它包含我们需要的不同的着色强度。图17.3显示了我们在样例程序中使用的这个纹理。
然后在顶点着色器中，我们执行标准漫反射光运算（standard diffuse calculation dot product）来确定顶点法线N和光线向量L之间角度的余弦，用以确定顶点接收到多少光线：s=L·N
如果s＜0，就表示光线向量和顶点法线之间的角度大于90度，即该表面接收不到光线。因此，如果s＜0，我们就让s＝0。所以s∈ [0, 1]。
现在，在通常的散射光照模型中，我们使用s来标记颜色向量。这样，顶点颜色的明暗取决于接收到的光照的数量：diffuseColor = s(r, g, b, a)
但是，这将会导致从亮到暗之间平滑的着色。这是与我们期望的卡通着色相反的。我们想要一种在几个不同着色器间突然转换颜色的效果（对卡通渲染来说，在2至4种着色器工作起来还是挺不错的）。
不使用s来标记颜色向量，我们将使用s作为早先提到的强度纹理的u纹理坐标——如图17.3。
注意：标量（scalar）s必定是一个有效的纹理坐标，因为s∈ [0, 1]，这是通常的纹理坐标区间。
按这种方式，顶点不会被平滑着色，而是间断的。例如，强度纹理可能被分成3种着色，如图17.4所示：
由图17.4可以看出：若s∈ [0, 0.33]则使用shader0着色，s∈ [ 0.33，0.66]则使用shader1着色，s∈ [0.66,1]则使用shader2着色。当然，从这些着色的一种到另一种的过渡是不平滑的，这就赋予了我们期望的效果。
注意：我们还为卡通着色关闭了纹理过滤，因为这种过滤会试图使着色过渡变平滑。这对于我们要求的不连续过渡是多余的。
17.5.2 卡通着色的顶点着色器代码
我们现在介绍卡通着色的顶点着色器。这个着色器的主要任务只是根据s=L·N计算并设置纹理坐标。注意观察输出结构，我们已经增加了一个数据成员来存储已被计算过的纹理坐标。同时还需注意，我们仍然输出顶点颜色，虽然我们不修改它，不过当颜色与强度纹理组合起来的时候，便呈现出着色的效果。
/*****************************************************************************************
Vertex shader that lights geometry such it appears to be drawn in a cartoon style.
*****************************************************************************************/
matrix g_world_view;
matrix g_world_view_proj;
vector g_color;
vector g_dir_to_light;
struct sVertexInput
{
vector position : POSITION;
vector normal : NORMAL;
};
struct sVertexOutput
{
vector position : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD;
vector diffuse : COLOR;
};
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
sVertexOutput main(sVertexInput input)
{
sVertexOutput output = (sVertexOutput) 0;
// transforma vertex position to homogenous clip space
output.position = mul(input.position, g_world_view_proj);
// Transform lights and normals to view space, set w components to zero since we're transforming vectors.
// Assume there are no scalings in the world matrix as well.
g_dir_to_light.w = 0.0f;
input.normal.w = 0.0f;
g_dir_to_light = mul(g_dir_to_light, g_world_view);
input.normal = mul(input.normal, g_world_view);
// compute the 1D texture coordinate for catoon rendering
float u = dot(g_dir_to_light, input.normal);
// Clamp to zero if u is negative because u negative implies the angle between the light and normal
// is greater than 90 degrees. And if that is true then the surface receives no light.
if(u < 0.0f)
u = 0.0f;
float v = 0.5f; // set other texture coordinate to middle
output.uv.x = u;
output.uv.y = v;
output.diffuse = g_color; // save color
return output;
}
两点注解：
我们假设世界矩阵没有执行任何缩放。因为如果它执行，它就会弄乱乘以它的顶点的长度和方向。
我们总是设置v纹理坐标为纹理的中点。这意味着我们仅使用纹理中一条单一的线，那就是说我们可以使用1D强度纹理来代替2D的那个纹理。不管怎样，1D和2D纹理都能工作。本例中，我们使用了2D纹理而不是1D纹理，这是没有什么特别的原因的。
执行程序：
/**************************************************************************************************
Demonstrates cartoon rendering using a vertex shader. You will have to switch to
the REF device to run this sample if your hardware does not support shaders.
Or you can use software vertex processing: D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING.
**************************************************************************************************/
#include "d3dUtility.h"
#pragma warning(disable : 4100)
#define MESH_TEAPOT 0
#define MESH_SPHERE 1
#define MESH_TORUS 2
#define MESH_CYLINDER 3
const int WIDTH = 640;
const int HEIGHT = 480;
IDirect3DDevice9* g_device;
IDirect3DVertexShader9* g_vertex_shader;
ID3DXConstantTable* g_constant_table;
IDirect3DTexture9* g_shade_texture;
ID3DXMesh* g_meshes[4];
D3DXMATRIX g_world_matrices[4];
D3DXVECTOR4 g_mesh_colors[4];
D3DXMATRIX g_proj_matrix;
D3DXHANDLE g_world_view_handle;
D3DXHANDLE g_world_view_proj_handle;
D3DXHANDLE g_color_handle;
D3DXHANDLE g_dir_to_light_handle;
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
bool setup()
{
D3DXCreateTeapot(g_device, &g_meshes[MESH_TEAPOT], NULL);
D3DXCreateSphere(g_device, 1.0f, 20, 20, &g_meshes[MESH_SPHERE], NULL);
D3DXCreateTorus(g_device, 0.5f, 1.0f, 20, 20, &g_meshes[MESH_TORUS], NULL);
D3DXCreateCylinder(g_device, 0.5f, 0.5f, 2.0f, 20, 20, &g_meshes[MESH_CYLINDER], NULL);
D3DXMatrixTranslation(&g_world_matrices[MESH_TEAPOT], 0.0f, 2.0f, 0.0f);
D3DXMatrixTranslation(&g_world_matrices[MESH_SPHERE], 0.0f, -2.0f, 0.0f);
D3DXMatrixTranslation(&g_world_matrices[MESH_TORUS], -3.0f, 0.0f, 0.0f);
D3DXMatrixTranslation(&g_world_matrices[MESH_CYLINDER], 3.0f, 0.0f, 0.0f);
g_mesh_colors[MESH_TEAPOT] = D3DXVECTOR4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
g_mesh_colors[MESH_SPHERE] = D3DXVECTOR4(0.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
g_mesh_colors[MESH_TORUS] = D3DXVECTOR4(0.0f, 0.0f, 1.0f, 1.0f);
g_mesh_colors[MESH_CYLINDER] = D3DXVECTOR4(1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
// compile shader
ID3DXBuffer* shader_buffer;
ID3DXBuffer* error_buffer;
HRESULT hr = D3DXCompileShaderFromFile("ToonShader.cxx", NULL, NULL, "main", "vs_1_1",
D3DXSHADER_ENABLE_BACKWARDS_COMPATIBILITY,
&shader_buffer, &error_buffer, &g_constant_table);
// output any error messages
if(error_buffer)
{
MessageBox(NULL, (char*)error_buffer->GetBufferPointer(), "ERROR", MB_OK);
safe_release<ID3DXBuffer*>(error_buffer);
}
if(FAILED(hr))
{
MessageBox(NULL, "D3DXCreateEffectFromFile() - FAILED", "ERROR", MB_OK);
return false;
}
hr = g_device->CreateVertexShader((DWORD*) shader_buffer->GetBufferPointer(), &g_vertex_shader);
if(FAILED(hr))
{
MessageBox(NULL, "CreateVertexShader - FAILED", "ERROR", MB_OK);
return false;
}
safe_release<ID3DXBuffer*>(shader_buffer);
// load textures
D3DXCreateTextureFromFile(g_device, "toonshade.bmp", &g_shade_texture);
g_device->SetSamplerState(0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_POINT);
g_device->SetSamplerState(0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_POINT);
g_device->SetSamplerState(0, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE); // disable mipmap
// get handles
g_world_view_handle = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_world_view");
g_world_view_proj_handle = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_world_view_proj");
g_color_handle = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_color");
g_dir_to_light_handle = g_constant_table->GetConstantByName(NULL, "g_dir_to_light");
// set shader constants
D3DXVECTOR4 dir_to_light(-0.57f, 0.57f, -0.57f, 0.0f);
g_constant_table->SetVector(g_device, g_dir_to_light_handle, &dir_to_light);
g_constant_table->SetDefaults(g_device);
// set the projection matrix
D3DXMatrixPerspectiveFovLH(&g_proj_matrix, D3DX_PI/4.0f, (float)WIDTH/HEIGHT, 1.0f, 1000.0f);
//g_device->SetRenderState(D3DRS_FILLMODE, D3DFILL_WIREFRAME);
return true;
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void cleanup()
{
for(int i = 0; i < 4; i++)
safe_release<ID3DXMesh*>(g_meshes[i]);
safe_release<IDirect3DTexture9*>(g_shade_texture);
safe_release<IDirect3DVertexShader9*>(g_vertex_shader);
safe_release<ID3DXConstantTable*>(g_constant_table);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
bool display(float time_delta)
{
static float angle = (3.0f * D3DX_PI) / 2.0f;
static float height = 5.0f;
if(GetAsyncKeyState(VK_LEFT) & 0x8000f)
angle -= 0.5f * time_delta;
if(GetAsyncKeyState(VK_RIGHT) & 0x8000f)
angle += 0.5f * time_delta;
if(GetAsyncKeyState(VK_UP) & 0x8000f)
height += 5.0f * time_delta;
if(GetAsyncKeyState(VK_DOWN) & 0x8000f)
height -= 5.0f * time_delta;
D3DXVECTOR3 position(cosf(angle) * 7.0f, height, sinf(angle) * 7.0f);
D3DXVECTOR3 target(0.0f, 0.0f, 0.0f);
D3DXVECTOR3 up(0.0f, 1.0f, 0.0f);
D3DXMATRIX view_matrix;
D3DXMatrixLookAtLH(&view_matrix, &position, &target, &up);
// render now
g_device->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER, 0xFF333333, 1.0f, 0);
g_device->BeginScene();
g_device->SetVertexShader(g_vertex_shader);
g_device->SetTexture(0, g_shade_texture);
D3DXMATRIX world_view, world_view_proj;
for(int i = 0; i < 4; i++)
{
world_view = g_world_matrices[i] * view_matrix;
world_view_proj = g_world_matrices[i] * view_matrix * g_proj_matrix;
g_constant_table->SetMatrix(g_device, g_world_view_handle, &world_view);
g_constant_table->SetMatrix(g_device, g_world_view_proj_handle, &world_view_proj);
g_constant_table->SetVector(g_device, g_color_handle, &g_mesh_colors[i]);
g_meshes[i]->DrawSubset(0);
}
g_device->EndScene();
g_device->Present(NULL, NULL, NULL, NULL);
return true;
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
LRESULT CALLBACK wnd_proc(HWND hwnd, UINT msg, WPARAM word_param, LPARAM long_param)
{
switch(msg)
{
case WM_DESTROY:
PostQuitMessage(0);
break;
case WM_KEYDOWN:
if(word_param == VK_ESCAPE)
DestroyWindow(hwnd);
break;
}
return DefWindowProc(hwnd, msg, word_param, long_param);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
int WINAPI WinMain(HINSTANCE inst, HINSTANCE, PSTR cmd_line, int cmd_show)
{
if(! init_d3d(inst, WIDTH, HEIGHT, true, D3DDEVTYPE_HAL, &g_device))
{
MessageBox(NULL, "init_d3d() - failed.", 0, MB_OK);
return 0;
}
if(! setup())
{
MessageBox(NULL, "Steup() - failed.", 0, MB_OK);
return 0;
}
enter_msg_loop(display);
cleanup();
g_device->Release();
return 0;
}
运行截图：
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