13.1 使用DirectX9绘图引擎

DirectX 9 是由微软开发的一组多媒体应用程序接口API，用于创建和运行基于Windows平台的多媒体应用程序，尤其是游戏。它是DirectX系列中的一个版本，于2002年发布，是DirectX系列中的一个重要版本，DirectX 9在其发布时引入了许多新的功能和性能优化，成为当时PC游戏开发的主要标准，许多经典的PC游戏使用了DX9作为其图形和音频渲染引擎。虽然后续出现了更多强大的引擎，但本质上都是可以兼容Dx9的。
在使用Dx9引擎之前读者需要自行下载该绘制库，当然在课件中笔者已经为大家准备了绿色版，读者可自行解压到指定目录下，在目录下有一个Developer Runtime其内部是引擎运行时所需要的运行环境，读者可根据不同的需求安装对应位数的运行库，安装成功后则可配置开发目录，一般而言我们只需要关注Include引入目录，以及Lib库目录即可。
读者可自行打开属性页面，并选中VC++目录自行配置，如下图所示；

13.1.1 初始化变量

在开始使用绘制库之前我们需要一个可被自由绘制的画布程序，该程序必须使用D3Dx9引擎生成以便于后续文章的测试工作，一般而言，使用DirectX 9绘制图形的流程包括初始化、创建资源、设置渲染状态和顶点格式、更新数据、绘制图形、渲染和清理资源构成，在使用之前读者需要引入Dx9的头文件以及所需定义部分，如下所示；

1. #include <windows.h>
2. #include <tchar.h>
3. #include <d3d9.h>
4. #pragma comment( lib, "d3d9.lib")
6. #define null NULL
7. #define RETURN return
8. #define FVF ( D3DFVF_XYZRHW | D3DFVF_DIFFUSE )
10. LPDIRECT3D9             g_pD3D = NULL;
11. LPDIRECT3DDEVICE9       g_pd3dDevice = NULL;
12. LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 g_pVB = NULL;
14. struct CUSTOMVERTEX
15. {
16.     float x, y, z, rhw;
17.     DWORD color;
18. };

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13.1.2 LPDIRECT3D9

其中定义的全局指针LPDIRECT3D9是DX9中的一个指针类型，表示一个Direct3D 9的顶层对象。顶层对象是Direct3D对象模型的顶级结构，它为应用程序提供了一组方法来进行3D图形渲染。LPDIRECT3D9接口可以用来创建和操作Direct3D 9设备对象IDirect3DDevice9以及其他与图形渲染相关的对象。在使用DX9进行图形渲染之前，必须通过调用Direct3DCreate9函数来创建一个IDirect3D9接口的实例，并通过LPDIRECT3D9类型的指针进行访问和操作。例如，使用下面的代码可以创建一个LPDIRECT3D9对象：

1. LPDIRECT3D9 d3d9 = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);

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这将创建一个指向Direct3D 9的顶层对象的指针，并将其分配给变量d3d9。通过这个LPDIRECT3D9对象，应用程序就可以执行各种与图形渲染相关的操作，如创建顶点缓存、纹理对象等。在程序结束时，应用程序必须通过调用LPDIRECT3D9对象的Release方法来释放所有创建的Direct3D对象，以防止内存泄漏。

1. d3d9->Release();

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13.1.3 LPDIRECT3DDEVICE9

第二个全局变量LPDIRECT3DDEVICE9是DirectX 9中表示3D设备的指针类型，它是使用Direct3D进行3D渲染的关键对象。LPDIRECT3DDEVICE9对象表示着本次渲染中的3D对象在硬件上的运算环境，通过它可以对3D对象进行变换、光照和纹理等操作。通过LPDIRECT3D9对象创建的步骤通常包括以下几个步骤：
1.创建一个LPDIRECT3D9对象，通过Direct3DCreate9函数创建，如下所示：

1. LPDIRECT3D9 d3d9 = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);

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2.使用LPDIRECT3D9对象创建一个IDirect3DDevice9对象，可以通过调用LPDIRECT3D9对象的CreateDevice方法来创建，如下所示：

1. LPDIRECT3DDEVICE9 d3dDevice;
3. D3DPRESENT_PARAMETERS presentParams = {0};
4. presentParams.Windowed = TRUE;
5. presentParams.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
7. d3d9->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING, &presentParams, &d3dDevice);

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这个代码片段创建了一个窗口化的3D设备并将其存储到变量d3dDevice中。其中D3DADAPTER_DEFAULT和D3DDEVTYPE_HAL参数表示选择默认显示适配器和硬件抽象层，hWnd参数为窗口句柄，D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING表示使用硬件进行顶点计算，&presentParams为一个D3DPRESENT_PARAMETERS结构体指针，用于配置呈现参数。
3.初始化3D设备对象，可以设置一些统一的设备状态，如渲染状态、混合模式等，它将禁用光照计算。如下所示：

1. d3dDevice->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING, FALSE);

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4.在进行有效的渲染之前，必须在每一帧开始时调用BeginScene方法，以告知Direct3D实例开始渲染，如下所示：

1. d3dDevice->BeginScene();

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5.渲染3D对象，通过LPDIRECT3DDEVICE9对象进行绘制，并进行相应的3D数据应用操作，如下所示：

1. d3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 1);

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渲染结束后，可以调用EndScene方法通知Direct3D实例结束渲染并显示图像，如下所示：

1. d3dDevice->EndScene();

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最后，使用SwapChain显示图像，如下所示：

1. d3dDevice->Present(NULL, NULL, NULL, NULL);

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在程序退出时，借助于LPDIRECT3DDEVICE9对象的Release方法释放所有创建的Direct3D对象，以避免内存泄漏。

1. d3dDevice->Release();

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13.1.4 LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9

LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9是DirectX 9中表示顶点缓冲区的指针类型，它被用来存储3D网格的顶点数据，是Direct3D游戏开发中的一个重要概念之一。顶点缓冲区是一个可以包含顶点数据的内存块，它可以存储可绘制的几何体（三角形、四边形等）的顶点数据。
使用LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9对象存储顶点数据，可以充分利用硬件加速能力，提高渲染效率和图形性能，优化游戏性能。
顶点缓冲区由顶点格式和顶点数据两部分组成：

• 顶点格式（Vertex Format）: 表示顶点数据的结构和排列方式。使用D3DVertexElement9和D3DVertexDeclaration9等API进行创建、声明以及管理。
  
• 顶点数据（Vertex Data）: 包含了网格的所有顶点数据，如坐标、法线、颜色、纹理坐标等。可以使用LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9对象存储，同时还可以使用其他缓冲区类型如索引缓冲区（LPDIRECT3DINDEXBUFFER9）来存储索引数据，方便后续渲染处理。
  

创建LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9对象的步骤通常如下：
首先，声明并创建一个顶点缓冲区对象。在创建LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9对象时，需要指定缓冲区大小、缓冲区用法等参数。

1. LPDIRECT3DVERTEXBUFFER9 pVertexBuffer = NULL;
3. device->CreateVertexBuffer(vertexBufferSize, D3DUSAGE_WRITEONLY, FVF, D3DPOOL_MANAGED, &pVertexBuffer, NULL);

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写入顶点数据到顶点缓冲区，使用Lock方法可以将顶点缓冲区锁定，返回已锁定的顶点缓冲区指针，并且允许应用程序与锁定的数据进行读写操作，然后使用Unlock方法来解锁。

1. float* pBuffer = NULL;
3. pVertexBuffer->Lock(0, 0, (void**)&pBuffer, 0);
5. memcpy(pBuffer, vertices, vertexBufferSize);
7. pVertexBuffer->Unlock();

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绘制几何体时，可以使用SetStreamSource方法指定顶点缓冲区、顶点格式以及偏移量。最后调用DrawPrimitive方法进行绘制。

1. device->SetFVF(FVF);
2. device->SetStreamSource(0, pVertexBuffer, 0, sizeof(Vertex));
3. device->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, numTriangles);

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13.1.5 初始化绘图引擎

接着我们来看一下我们是如何初始化一个D3D引擎的，InitD3D函数会在游戏程序启动时被调用，以初始化3D设备和相关环境，为后续的3D图形渲染操作做好准备。初始化部分答题可总结为三步，首先调用Direct3DCreate9用于创建一个Dx9引擎画布，接着填充D3DPRESENT_PARAMETERS结构，最后通过使用CreateDevice实现对设备的创建，当创建成功则会将指针保存在LPDIRECT3D9这个全局结构指针内。

1. HRESULT InitD3D(HWND hWnd)
2. {
3.   g_pD3D = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);
4.   D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
5.   ZeroMemory(&d3dpp, sizeof(d3dpp));
6.   d3dpp.Windowed = TRUE;
7.   d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN;
8.   d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
9.   g_pD3D->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &g_pd3dDevice);
10.   return S_OK;
11. }

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上述流程具体分析，步骤如下：
使用Direct3DCreate9函数创建一个LPDIRECT3D9对象，该对象表示顶层Direct3D对象，负责管理和控制DX操作。

1. g_pD3D = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);

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创建并配置D3DPRESENT_PARAMETERS结构体，该结构体用于描述渲染设备的一些基本属性，如窗口模式、后台缓冲区格式、交换模式等。

1. D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
2. ZeroMemory(&d3dpp, sizeof(d3dpp));
3. d3dpp.Windowed = TRUE;
4. d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN;
5. d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;

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在上述代码中，使用ZeroMemory()函数将d3dpp对象中除第1个成员外所有成员的值都重置为0。还设置了窗口模式（Windowed = TRUE，表示窗口化模式），后台缓冲区格式（BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN，表示使用默认格式），以及交换模式（SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD，表示丢弃当前帧并替换为下一帧）。
使用CreateDevice函数创建一个IDirect3DDevice9对象，并保存在变量g_pd3dDevice中。

1. g_pD3D->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &g_pd3dDevice);

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在这里，第1个参数（D3DADAPTER_DEFAULT）表示使用默认显示适配器；第2个参数（D3DDEVTYPE_HAL）指定使用硬件抽象层，表示硬件加速；第3个参数（hWnd）是窗口句柄；第4个参数（D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING）表示使用硬件进行顶点处理。最后，使用&d3dpp、&g_pd3dDevice参数传递设备创建信息。最后，返回S_OK表示函数执行成功。
初始化部分的第二步则是调用InitVB这个函数，该函数用于创建顶点缓冲区，可以用于存储3D网格的顶点数据，方便后续的渲染处理；

1. HRESULT InitVB()
2. {
3.   CUSTOMVERTEX v[] =
4.   {
5.     100, 000, 0, 1, 0xffff0000,
6.     300, 50, 0, 1, 0xff00ff00,
7.     500, 400, 0, 1, 0xff0000ff
8.   };
10.   g_pd3dDevice->CreateVertexBuffer(3 * sizeof(v), 0, FVF, D3DPOOL_DEFAULT, &g_pVB, 0);
12.   void* vb;
13.   g_pVB->Lock(0, 0, (void**)&vb, 0);
14.   memcpy(vb, v, sizeof(v));
15.   g_pVB->Unlock();
16.   return S_OK;
17. }

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上述代码中，首先声明一个CUSTOMVERTEX类型的数组v，并将其作为输入参数，其中每一个元素表示一个自定义的顶点，包括位置坐标和颜色。

1. CUSTOMVERTEX v[] =
2. {
3.     100, 000, 0, 1, 0xffff0000,
4.     300, 50, 0, 1, 0xff00ff00,
5.     500, 400, 0, 1, 0xff0000ff
6. };

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在代码中，每个元素都包含了顶点的x、y、z坐标、齐次坐标w，以及顶点的颜色。
调用CreateVertexBuffer函数，创建一个顶点缓冲区对象，并将其保存在变量g_pVB中。该函数的第1个参数表示缓冲区大小，即存储顶点数据的字节数，这里是3个顶点乘以每个顶点40个字节（即一个CUSTOMVERTEX类型的大小）；第2个参数是填充字节的数值，设为0表示不填充；第3个参数是顶点格式，表示每个顶点包含的信息，和CUSTOMVERTEX数据结构一致；第4个参数是缓冲区类型，表示缓冲区的使用方式，D3DPOOL_DEFAULT表示缓存区将用于GPU读写操作。最后，&g_pVB是返回的顶点缓冲区对象。

1. g_pd3dDevice->CreateVertexBuffer(3 * sizeof(v), 0, FVF, D3DPOOL_DEFAULT, &g_pVB, 0);

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对顶点缓冲区进行锁定，使用Lock函数使缓冲区可读写，并将顶点数据写入缓冲区中。这里使用void*类型的指针vb指向顶点缓冲区中的第一个元素，并使用memcpy()函数将顶点数组的数据拷贝到顶点缓冲区中。并使用Unlock()函数解除顶点缓冲区的锁定。最后返回S_OK，作为函数执行成功的标志。

1. void* vb;
2. g_pVB->Lock(0, 0, (void**)&vb, 0);
3. memcpy(vb, v, sizeof(v));
4. g_pVB->Unlock();

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接着对窗口中的图形进行着色及初始化，

1. void Render()
2. {
3.   g_pd3dDevice->Clear(0, 0, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(176, 196, 222), 1, 0);
4.   // 设置背景色 黑色
5.   // g_pd3dDevice->Clear(0, 0, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(0, 0, 0), 1, 0);
7.   g_pd3dDevice->BeginScene();
8.   g_pd3dDevice->SetStreamSource(0, g_pVB, 0, sizeof(CUSTOMVERTEX));
9.   g_pd3dDevice->SetFVF(FVF);
10.   //g_pd3dDevice->DrawPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 10);
11.   g_pd3dDevice->DrawIndexedPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 0, 4, 0, 4);
12.   g_pd3dDevice->EndScene();
14.   g_pd3dDevice->Present(0, 0, 0, 0);
15. }

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使用Clear函数清除背景，并设置新的背景色。这里使用D3DCOLOR_XRGB(176, 196, 222)，表示颜色值为R:176, G:196, B:222的浅蓝色。

1. g_pd3dDevice->Clear(0, 0, D3DCLEAR_TARGET, D3DCOLOR_XRGB(176, 196, 222), 1, 0);

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使用BeginScene函数开始渲染场景。

1. g_pd3dDevice->BeginScene();

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设置顶点着色器的输入数据源。使用SetStreamSource函数设置使用的顶点缓冲区，其中第1个参数是流编号，第2个参数是顶点缓冲区对象，第3个参数是缓冲区内顶点数据的起始点，第4个参数是顶点结构体的大小。

1. g_pd3dDevice->SetStreamSource(0, g_pVB, 0, sizeof(CUSTOMVERTEX));

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设置顶点格式。使用SetFVF函数描述顶点的结构，这里的FVF常量是一个结构体标记符号，用于描述顶点的类型和结构。

1. g_pd3dDevice->SetFVF(FVF);

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使用DrawPrimitive函数或DrawIndexedPrimitive函数绘制图形，这里使用的是后者。该函数绘制在缓冲区中的三角形列表，根据输入的位置在缓冲区中查找三角形点，再连接相邻的三角形点，形成3D图形。第1个参数（D3DPT_TRIANGLELIST）表示三角形列表，第2个参数是起始顶点索引，第3个参数是最小顶点索引，第4个参数是被绘制的总顶点数，第5个参数（0）表示要跳过的数据数量，第6个参数（4）表示每个图元的顶点数。

1. g_pd3dDevice->DrawIndexedPrimitive(D3DPT_TRIANGLELIST, 0, 0, 4, 0, 4);

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使用EndScene函数结束本次渲染。

1. g_pd3dDevice->EndScene();

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使用Present函数展示渲染结果到窗口中。

1. g_pd3dDevice->Present(0, 0, 0, 0);

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当有了上述初始化函数的封装后，接着我们就可以在主函数内通过CreateWindow函数创建一个窗体，并在初始化流程内通过调用InitD3D(hWnd)以及InitVB()对D3D引擎初始化，初始化后进入到该程序的消息循环内，在消息循环内除了通过TranslateMessage捕获消息外，还需要不间断的调用Render()用于动态刷新D3D窗体显示，这样则可实现动态绘制一个完整窗体并加载绘图引擎的目的；

1. LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
2. {
3.     message == WM_CLOSE ? PostQuitMessage(0) : (void)0;
4.     return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
5. }
7. int WINAPI _tWinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE, PTSTR, int)
8. {
9.     wchar_t cn[] = L"LySharkGame";
10.     WNDCLASS wc;
11.     wc.style = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
12.     wc.lpfnWndProc = WndProc;
13.     wc.cbClsExtra = 0;
14.     wc.cbWndExtra = 0;
15.     wc.hInstance = hInstance;
16.     wc.hIcon = LoadIcon(NULL, IDI_APPLICATION);
17.     wc.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
18.     wc.hbrBackground = (HBRUSH)GetStockObject(WHITE_BRUSH);
19.     wc.lpszMenuName = NULL;
20.     wc.lpszClassName = cn;
21.     RegisterClass(&wc);
23.     DWORD cxScreen = GetSystemMetrics(SM_CXSCREEN);
24.     DWORD cyScreen = GetSystemMetrics(SM_CYSCREEN);
26.     HWND hWnd = CreateWindow(cn, TEXT("LySharkGame"), WS_OVERLAPPEDWINDOW, (cxScreen - 1024) / 2, (cyScreen - 768) / 2, 1024, 768, NULL, NULL, hInstance, NULL);
27.     ShowWindow(hWnd, SW_SHOW);
29.     InitD3D(hWnd);
30.     InitVB();
32.     MSG msg;
33.     ZeroMemory(&msg, sizeof(msg));
34.     while (msg.message != WM_QUIT)
35.     {
36.         if (PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE))
37.         {
38.             TranslateMessage(&msg);
39.             DispatchMessage(&msg);
40.         }
41.         else
42.         {
43.             Render();
44.         }
45.     }
46.     return 0;
47. }

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至此我们就得到了一个具有D3D功能的窗体，当读者打开该窗体时即可看到一个标题为LySharkGame的窗体，该窗体大小为标准的1024x768这个窗体输出效果如下图所示；

本文作者： 王瑞
本文链接： https://www.lyshark.com/post/c0fa8f9c.html
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