带有法线的 DirectX 11 索引绘图

Question

我正在为 DirectX 11 开发 OBJ 加载器。在 OBJ 格式中，一个正方形(两个三角形)看起来像这样:

v 0 0 0
v 0 1 0
v 1 1 0
v 1 0 0

f 1 2 3
f 1 3 4

所以首先顶点数据由 v 给出，然后面由 f 给出。所以我只是将顶点读入顶点缓冲区，将索引读入索引缓冲区。但现在我需要为像素着色器计算法线。我可以在使用索引渲染时以某种方式存储 FACES 的法线数据，还是必须创建一个没有索引的顶点缓冲区？ (因为这样我就可以存储每个顶点的法线数据，因为每个顶点只在 1 个面中使用)

Answer 1

通常的方法是为一个面的所有 3 个顶点存储相同的法向量。像这样:

Vertex
{
    Vector3 position;
    Vector3 normal;
}

std::vector<Vertex>  vertices;
std::vector<uint32_t>  indices;

for(each face f)
{
    Vector3 faceNormal = CalculateFaceNormalFromPositions(f); // Generate normal for given face number `f`;
    for(each vertex v)
    {
        Vertex vertex;
        vertex.position = LoadPosition(f, v); // Load position from OBJ based on face index (f) and vertex index (v);
        vertex.normal = faceNormal;
        vertices.push_back(vertex);

        indices.push_back(GetPosIndex()); // only position index from OBJ file needed
    }
}

注意:通常您会希望使用顶点法线而不是面法线，因为顶点法线允许应用更好看的光照算法(逐像素光照):

for(each face f)
{
    for(each vertex v)
    {
        Vertex vertex;
        vertex.position = LoadPosition(f, v);
        vertex.normal = ...precalculated somewhere...
        vertices.push_back(vertex);
    }
}

注意 2:通常您会希望从 Assets 文件中读取预先计算的法线，而不是在运行时计算它:

for(each face f)
{
    for(each vertex v)
    {
        Vertex vertex;
        vertex.position = LoadPosition(f, v);
        vertex.normal = LoadNormal(f, v);
        vertices.push_back(vertex);
    }
}

.obj 格式允许存储每个顶点的法线)。来自谷歌的示例:

# cube.obj
#

g cube

# positions
v  0.0  0.0  0.0
v  0.0  0.0  1.0
v  0.0  1.0  0.0
v  0.0  1.0  1.0
v  1.0  0.0  0.0
v  1.0  0.0  1.0
v  1.0  1.0  0.0
v  1.0  1.0  1.0

# normals
vn  0.0  0.0  1.0
vn  0.0  0.0 -1.0
vn  0.0  1.0  0.0
vn  0.0 -1.0  0.0
vn  1.0  0.0  0.0
vn -1.0  0.0  0.0

# faces: indices of position / texcoord(empty) / normal 
f  1//2  7//2  5//2
f  1//2  3//2  7//2 
f  1//6  4//6  3//6 
f  1//6  2//6  4//6 
f  3//3  8//3  7//3 
f  3//3  4//3  8//3 
f  5//5  7//5  8//5 
f  5//5  8//5  6//5 
f  1//4  5//4  6//4 
f  1//4  6//4  2//4 
f  2//1  6//1  8//1 
f  2//1  8//1  4//1 

C++ 示例代码(未测试)

struct Vector3{ float x, y, z; };

struct Face
{
    uint32_t position_ids[3];
    uint32_t normal_ids[3];
};

struct Vertex
{
    Vector3 position;
    Vector3 normal;
};

std::vector<Vertex>  vertices; // Your future vertex buffer
std::vector<uint32_t>  indices;  // Your future index buffer

void ParseOBJ(std::vector<Vector3>& positions, std::vector <Vector3>& normals, std::vector<Face>& faces) {  /*TODO*/ }

void LoadOBJ(const std::wstring& filename, std::vector<Vertex>& vertices, std::vector<uint32_t>& indices)
{
    // after parsing obj file
    // you will have positions, normals 
    // and faces (which contains indices for positions and normals)
    std::vector<Vector3> positions;
    std::vector<Vector3> normals;
    std::vector<Face> faces;
    ParseOBJ(positions, normals, faces);

    for (auto itFace = faces.begin(); itFace != faces.end(); ++itFace) // for each face
    {
        for (uint32_t i = 0; i < 3; ++i) // for each face vertex
        {
            uint32_t position_id = itFace->position_ids[i]; // just for short writing later
            uint32_t normal_id = itFace->normal_ids[i];

            Vertex vertex;
            vertex.position = positions[position_id];
            vertex.normal = normals[normal_id];

            indices.push_back(position_id);     // Note: only position's indices
            vertices.push_back(vertex);
        }
    }
}

请注意，在顶点内合并法线数据后，您将不再需要法线索引。因此，法线变得没有索引(两个相等的法线可以存储在不同的顶点，这是一种空间浪费)。但是您仍然可以使用索引渲染，因为位置是索引的。

我必须说，当然，现代 GPU 的可编程流水线允许做更多棘手的事情:

• 为每个创建缓冲区:位置、法线、pos_indices 和 nor_indices
• 使用current vertex_id，读入shader当前position_id和对应的position，normal_id和对应的normal
• 您甚至可以在着色器中生成法线(因此根本不需要 normal_id 和法线缓冲区)
• 你可以在几何着色器中组装你的脸
• ...这里还有一个坏主意 =)在这样的算法中，渲染系统变得更加复杂，几乎没有任何 yield 。