[DirectX11] Tutorial 35 - 깊이 버퍼

Tutorial 35 - 깊이 버퍼

원문 : http://www.rastertek.com/dx11tut35.html

 DirectX 11에서 깊이 버퍼 (Z 버퍼라고도 함)는 주로 뷰잉 프러스 텀 내부의 모든 픽셀의 깊이를 기록하는 데 사용됩니다. 둘 이상의 픽셀이 동일한 위치를 차지할 때 깊이 값을 사용하여 유지할 픽셀을 결정합니다. 그러나 깊이 버퍼의 사용은 매우 유연하며 많은 다른 작업을 수행하는 데 사용될 수 있습니다.

대부분의 비디오 카드는 32 비트 깊이 버퍼를 가지고 있으며, 그 32 비트를 어떻게 사용하고 싶은지는 사용자에게 달려 있습니다. D3DClass :: Initialize 함수를 보면 깊이 버퍼 형식이 DXGI_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT로 설정되어 있습니다. 이것이 의미하는 것은 깊이 버퍼를 스텐실 버퍼와 깊이 버퍼로 사용하고, 버퍼의 포맷을 깊이 채널의 경우 24 비트, 스텐실 채널의 경우 8 비트로 설정한다는 것입니다. 또한 깊이 버퍼 기능을 실제로 재정의하여 우리가 다른 효과를 만들기를 원하는대로 무엇이든 할 수 있도록 수정할 수 있으며 이 버퍼의 기능을 완벽하게 제어 할 수 있습니다.

깊이 버퍼 값은 부동 소수점입니다. 범위는 가까운 클리핑면에서 0.0으로 설정되고 먼 클리핑면에서 1.0으로 설정된 0.0f에서 1.0f까지입니다. 그러나 깊이 버퍼의 부동 소수점 값은 선형 분포가 아닙니다. 부동 소수점 값의 약 90 %는 가까운 클리핑 평면에 가까운 깊이 버퍼의 처음 10 %에서 발생합니다. 나머지 10 % (0.9f에서 1.0f까지)는 깊이 버퍼의 마지막 90 %를 차지합니다. 다음 다이어그램은 검정색이 0.0f이고 흰색이 1.0f 인 값 분포를 보여줍니다. 중간값을 0.5를 넣었습니다. 그러나 정밀도가 부족한 거리상에서는 거의 99.999 %의 흰색이 보일 것입니다.

또한 우리가 3D 장면의 관점에서 바라보기를 원한다면 예를 들어 다음 장면을 봅니다 :

이제는 오브젝트의 깊이 값을 색상으로 렌더링하면 클로즈 큐브 오브젝트의 색이 적당하고 범위가 거의 희고 거의 희미합니다.

깊이 버퍼가 이렇게 설정된 이유는 대다수의 프로그램이 가까운것은 정확한 세부 정보를 많이 나타내야 하며, 멀리있는 개체는 정밀도를 염려하지 않기 때문입니다. 거리가 중요한 경우 멀리 겹치는 먼 물체가 문제가되어 픽셀이 깜박 거리게됩니다 (Z 싸움이라고도 함). 이 문제에 대한 여러 가지 잘 알려진 해결책이 있지만 구현되는 양에 따라 프로세서의 연산이 늘어납니다.

이 튜토리얼에서는 간단한 10 플로트 단위 평면을 렌더링하고 깊이 정보를 기반으로 색상을 표시하는 방법을 살펴 보겠습니다. 우리는 화면에 가장 가까운 부분을 빨간색으로 표시 한 다음 녹색으로 다음 작은 부분을 색칠하고 마지막으로 파란색으로 멀리있는 클립면에 나머지 부분을 색칠합니다. 이 작업을 수행하는 이유는 깊이있는 세부 계산을 수행하는 방법을 보여주기 위해서입니다. 이렇게하면 가까운 곳에있는 범프 매핑 작업과 같은 작업을 수행하는 기술을 확장 할 수 있습니다. 그런 다음 먼 거리에서 일반 확산 조명으로 이동할 수 있습니다. 또한 깊이 버퍼가 훨씬 더 많이 사용될 수 있다는 점에 주목하십시오. 예를 들어, 사영 그림자 매핑이 그 예입니다. 그러나 우리는 기초부터 시작하려고합니다.

이번 듀토리얼의 프레임워크에는 깊이 쉐이딩을 처리할 DepthShaderClass 클래스만 새로 추가되었습니다.

프레임워크

depth_vs.hlsl

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: depth_vs.hlsl
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 
 
/////////////
// GLOBALS //
/////////////
cbuffer MatrixBuffer
{
    matrix worldMatrix;
    matrix viewMatrix;
    matrix projectionMatrix;
};
 
 
//////////////
// TYPEDEFS //
//////////////
struct VertexInputType
{
    float4 position : POSITION;
};
 
struct PixelInputType
{
    float4 position : SV_POSITION;
    float4 depthPosition : TEXTURE0;
};
 
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Vertex Shader
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
PixelInputType DepthVertexShader(VertexInputType input)
{
    PixelInputType output;
    
 
    // 적절한 행렬 계산을 위해 위치 벡터를 4 단위로 변경합니다.
    input.position.w = 1.0f;
 
    // 월드, 뷰 및 투영 행렬에 대한 정점의 위치를 ​​계산합니다.
    output.position = mul(input.position, worldMatrix);
    output.position = mul(output.position, viewMatrix);
    output.position = mul(output.position, projectionMatrix);
    
    // 픽셀 쉐이더가 사용할 입력 색상을 저장합니다.
    output.depthPosition = output.position;
    
    return output;
}

depth_ps.hlsl

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Filename: depth_ps.hlsl
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 
 
//////////////
// TYPEDEFS //
//////////////
struct PixelInputType
{
    float4 position : SV_POSITION;
    float4 depthPosition : TEXTURE0;
};
 
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Pixel Shader
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
float4 DepthPixelShader(PixelInputType input) : SV_TARGET
{
    float depthValue;
    float4 color;
    
    
    // Z 픽셀 깊이를 균질 W 좌표로 나누어 픽셀의 깊이 값을 가져옵니다.
    depthValue = input.depthPosition.z / input.depthPosition.w;
 
    // 깊이 버퍼의 처음 10 %는 빨간색입니다.
    if(depthValue < 0.9f)
    {
        color = float4(1.0, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
    }
    
    // 깊이 버퍼의 다음 0.025 % 부분이 녹색으로 표시됩니다.
    if(depthValue > 0.9f)
    {
        color = float4(0.0, 1.0f, 0.0f, 1.0f);
    }
 
    // 깊이 버퍼의 나머지는 파란색으로 표시됩니다.
    if(depthValue > 0.925f)
    {
        color = float4(0.0, 0.0f, 1.0f, 1.0f);
    }
 
    return color;
}

DepthShaderClass는 [DirectX11] Tutorial 4 - 버퍼, 쉐이더 및 HLSL 에서의 ColorShaderClass 에서 약간 수정되었습니다.

Depthshaderclass.h

#pragma once
 
class DepthShaderClass : public AlignedAllocationPolicy<16>
{
private:
    struct MatrixBufferType
    {
        XMMATRIX world;
        XMMATRIX view;
        XMMATRIX projection;
    };
 
public:
    DepthShaderClass();
    DepthShaderClass(const DepthShaderClass&);
    ~DepthShaderClass();
 
    bool Initialize(ID3D11Device*, HWND);
    void Shutdown();
    bool Render(ID3D11DeviceContext*, int, XMMATRIX, XMMATRIX, XMMATRIX);
 
private:
    bool InitializeShader(ID3D11Device*, HWND, const WCHAR*, const WCHAR*);
    void ShutdownShader();
    void OutputShaderErrorMessage(ID3D10Blob*, HWND, const WCHAR*);
 
    bool SetShaderParameters(ID3D11DeviceContext*, XMMATRIX, XMMATRIX, XMMATRIX);
    void RenderShader(ID3D11DeviceContext*, int);
 
private:
    ID3D11VertexShader* m_vertexShader = nullptr;
    ID3D11PixelShader* m_pixelShader = nullptr;
    ID3D11InputLayout* m_layout = nullptr;
    ID3D11Buffer* m_matrixBuffer = nullptr;
};

Depthshaderclass.cpp

#include "stdafx.h"
#include "depthshaderclass.h"
 
 
DepthShaderClass::DepthShaderClass()
{
}
 
 
DepthShaderClass::DepthShaderClass(const DepthShaderClass& other)
{
}
 
 
DepthShaderClass::~DepthShaderClass()
{
}
 
 
bool DepthShaderClass::Initialize(ID3D11Device* device, HWND hwnd)
{
    // 정점 및 픽셀 쉐이더를 초기화합니다.
    return InitializeShader(device, hwnd, L"../Dx11Demo_35/depth_vs.hlsl", L"../Dx11Demo_35/depth_ps.hlsl");
}
 
 
void DepthShaderClass::Shutdown()
{
    // 버텍스 및 픽셀 쉐이더와 관련된 객체를 종료합니다.
    ShutdownShader();
}
 
 
bool DepthShaderClass::Render(ID3D11DeviceContext* deviceContext, int indexCount, 
    XMMATRIX worldMatrix, XMMATRIX viewMatrix, XMMATRIX projectionMatrix)
{
    // 렌더링에 사용할 셰이더 매개 변수를 설정합니다.
    if(!SetShaderParameters(deviceContext, worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix))
    {
        return false;
    }
 
    // 설정된 버퍼를 셰이더로 렌더링한다.
    RenderShader(deviceContext, indexCount);
 
    return true;
}
 
 
bool DepthShaderClass::InitializeShader(ID3D11Device* device, HWND hwnd, const WCHAR* vsFilename, const WCHAR* psFilename)
{
    ID3D10Blob* errorMessage = nullptr;
 
    // 버텍스 쉐이더 코드를 컴파일한다.
    ID3D10Blob* vertexShaderBuffer = nullptr;
    if(FAILED(D3DCompileFromFile(vsFilename, NULL, NULL, "DepthVertexShader", "vs_5_0", D3D10_SHADER_ENABLE_STRICTNESS, 0,
                                 &vertexShaderBuffer, &errorMessage)))
    {
        // 셰이더 컴파일 실패시 오류메시지를 출력합니다.
        if(errorMessage)
        {
            OutputShaderErrorMessage(errorMessage, hwnd, vsFilename);
        }
        // 컴파일 오류가 아니라면 셰이더 파일을 찾을 수 없는 경우입니다.
        else
        {
            MessageBox(hwnd, vsFilename, L"Missing Shader File", MB_OK);
        }
 
        return false;
    }
 
    // 픽셀 쉐이더 코드를 컴파일한다.
    ID3D10Blob* pixelShaderBuffer = nullptr;
    if(FAILED(D3DCompileFromFile(psFilename, NULL, NULL, "DepthPixelShader", "ps_5_0", D3D10_SHADER_ENABLE_STRICTNESS, 0,
                                 &pixelShaderBuffer, &errorMessage)))
    {
        // 셰이더 컴파일 실패시 오류메시지를 출력합니다.
        if(errorMessage)
        {
            OutputShaderErrorMessage(errorMessage, hwnd, psFilename);
        }
        // 컴파일 오류가 아니라면 셰이더 파일을 찾을 수 없는 경우입니다.
        else
        {
            MessageBox(hwnd, psFilename, L"Missing Shader File", MB_OK);
        }
 
        return false;
    }
 
    // 버퍼로부터 정점 셰이더를 생성한다.
    if(FAILED(device->CreateVertexShader(vertexShaderBuffer->GetBufferPointer(), vertexShaderBuffer->GetBufferSize(), NULL,
                                         &m_vertexShader)))
    {
        return false;
    }
 
    // 버퍼에서 픽셀 쉐이더를 생성합니다.
    if(FAILED(device->CreatePixelShader(pixelShaderBuffer->GetBufferPointer(), pixelShaderBuffer->GetBufferSize(), NULL,
                                        &m_pixelShader)))
    {
        return false;
    }
 
    // 정점 입력 레이아웃 구조체를 설정합니다.
    // 이 설정은 ModelClass와 셰이더의 VertexType 구조와 일치해야합니다.
    D3D11_INPUT_ELEMENT_DESC polygonLayout[1];
    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;
 
    // 레이아웃의 요소 수를 가져옵니다.
    unsigned int numElements = sizeof(polygonLayout) / sizeof(polygonLayout[0]);
 
    // 정점 입력 레이아웃을 만듭니다.
    if(FAILED(device->CreateInputLayout(polygonLayout, numElements, vertexShaderBuffer->GetBufferPointer(),
                                        vertexShaderBuffer->GetBufferSize(), &m_layout)))
    {
        return false;
    }
 
    // 더 이상 사용되지 않는 정점 셰이더 퍼버와 픽셀 셰이더 버퍼를 해제합니다.
    vertexShaderBuffer->Release();
    vertexShaderBuffer = 0;
 
    pixelShaderBuffer->Release();
    pixelShaderBuffer = 0;
 
    // 정점 셰이더에 있는 행렬 상수 버퍼의 구조체를 작성합니다.
    D3D11_BUFFER_DESC matrixBufferDesc;
    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;
 
    // 상수 버퍼 포인터를 만들어 이 클래스에서 정점 셰이더 상수 버퍼에 접근할 수 있게 합니다.
    if(FAILED(device->CreateBuffer(&matrixBufferDesc, NULL, &m_matrixBuffer)))
    {
        return false;
    }
 
    return true;
}
 
 
void DepthShaderClass::ShutdownShader()
{
    // 행렬 상수 버퍼를 해제합니다.
    if(m_matrixBuffer)
    {
        m_matrixBuffer->Release();
        m_matrixBuffer = 0;
    }
 
    // 레이아웃을 해제합니다.
    if(m_layout)
    {
        m_layout->Release();
        m_layout = 0;
    }
 
    // 픽셀 쉐이더를 해제합니다.
    if(m_pixelShader)
    {
        m_pixelShader->Release();
        m_pixelShader = 0;
    }
 
    // 버텍스 쉐이더를 해제합니다.
    if(m_vertexShader)
    {
        m_vertexShader->Release();
        m_vertexShader = 0;
    }
}
 
 
void DepthShaderClass::OutputShaderErrorMessage(ID3D10Blob* errorMessage, HWND hwnd, const WCHAR* shaderFilename)
{
    // 에러 메시지를 출력창에 표시합니다.
    OutputDebugStringA(reinterpret_cast<const char*>(errorMessage->GetBufferPointer()));
 
    // 에러 메세지를 반환합니다.
    errorMessage->Release();
    errorMessage = 0;
 
    // 컴파일 에러가 있음을 팝업 메세지로 알려줍니다.
    MessageBox(hwnd, L"Error compiling shader.", shaderFilename, MB_OK);
}
 
 
bool DepthShaderClass::SetShaderParameters(ID3D11DeviceContext* deviceContext, XMMATRIX worldMatrix, XMMATRIX viewMatrix,
                                           XMMATRIX projectionMatrix)
{
    // 행렬을 transpose하여 셰이더에서 사용할 수 있게 합니다
    worldMatrix = XMMatrixTranspose(worldMatrix);
    viewMatrix = XMMatrixTranspose(viewMatrix);
    projectionMatrix = XMMatrixTranspose(projectionMatrix);
 
    // 상수 버퍼의 내용을 쓸 수 있도록 잠급니다.
    D3D11_MAPPED_SUBRESOURCE mappedResource;
    if(FAILED(deviceContext->Map(m_matrixBuffer, 0, D3D11_MAP_WRITE_DISCARD, 0, &mappedResource)))
    {
        return false;
    }
 
    // 상수 버퍼의 데이터에 대한 포인터를 가져옵니다.
    MatrixBufferType* dataPtr = (MatrixBufferType*)mappedResource.pData;
 
    // 상수 버퍼에 행렬을 복사합니다.
    dataPtr->world = worldMatrix;
    dataPtr->view = viewMatrix;
    dataPtr->projection = projectionMatrix;
 
    // 상수 버퍼의 잠금을 풉니다.
    deviceContext->Unmap(m_matrixBuffer, 0);
 
    // 정점 셰이더에서의 상수 버퍼의 위치를 설정합니다.
    unsigned bufferNumber = 0;
 
    // 마지막으로 정점 셰이더의 상수 버퍼를 바뀐 값으로 바꿉니다.
    deviceContext->VSSetConstantBuffers(bufferNumber, 1, &m_matrixBuffer);
 
    return true;
}
 
 
void DepthShaderClass::RenderShader(ID3D11DeviceContext* deviceContext, int indexCount)
{
    // 정점 입력 레이아웃을 설정합니다.
    deviceContext->IASetInputLayout(m_layout);
 
    // 삼각형을 그릴 정점 셰이더와 픽셀 셰이더를 설정합니다.
    deviceContext->VSSetShader(m_vertexShader, NULL, 0);
    deviceContext->PSSetShader(m_pixelShader, NULL, 0);
 
    // 삼각형을 그립니다.
    deviceContext->DrawIndexed(indexCount, 0, 0);
}

Graphicsclass.h

#pragma once
 
/////////////
// GLOBALS //
/////////////
const bool FULL_SCREEN = false;
const bool VSYNC_ENABLED = true;
const float SCREEN_DEPTH = 100.0f;
const float SCREEN_NEAR = 1.0f;
 
 
class D3DClass;
class CameraClass;
class ModelClass;
class DepthShaderClass;
 
class GraphicsClass
{
public:
    GraphicsClass();
    GraphicsClass(const GraphicsClass&);
    ~GraphicsClass();
 
    bool Initialize(int, int, HWND);
    void Shutdown();
    bool Frame();
 
private:
    bool Render();
 
private:
    D3DClass* m_Direct3D = nullptr;
    CameraClass* m_Camera = nullptr;
    ModelClass* m_Model = nullptr;
    DepthShaderClass* m_DepthShader = nullptr;
};

Graphicsclass.cpp

#include "stdafx.h"
#include "d3dclass.h"
#include "cameraclass.h"
#include "modelclass.h"
#include "depthshaderclass.h"
#include "graphicsclass.h"
 
 
GraphicsClass::GraphicsClass()
{
}
 
 
GraphicsClass::GraphicsClass(const GraphicsClass& other)
{
}
 
 
GraphicsClass::~GraphicsClass()
{
}
 
 
bool GraphicsClass::Initialize(int screenWidth, int screenHeight, HWND hwnd)
{
    // Direct3D 객체 생성
    m_Direct3D = new D3DClass;
    if(!m_Direct3D)
    {
        return false;
    }
 
    // Direct3D 객체 초기화
    if(!m_Direct3D->Initialize(screenWidth, screenHeight, VSYNC_ENABLED, hwnd, FULL_SCREEN, SCREEN_DEPTH, SCREEN_NEAR))
    {
        MessageBox(hwnd, L"Could not initialize Direct3D.", L"Error", MB_OK);
        return false;
    }
 
    // m_Camera 객체 생성
    m_Camera = new CameraClass;
    if (!m_Camera)
    {
        return false;
    }
 
    // 카메라 포지션 설정
    m_Camera->SetPosition(0.0f, 2.0f, -10.0f);
 
    // m_Model 객체 생성
    m_Model = new ModelClass;
    if (!m_Model)
    {
        return false;
    }
 
    // m_Model 객체 초기화
    if (!m_Model->Initialize(m_Direct3D->GetDevice(), "../Dx11Demo_35/data/floor.txt"))
    {
        MessageBox(hwnd, L"Could not initialize the model object.", L"Error", MB_OK);
        return false;
    }
 
    // 깊이 셰이더 개체를 만듭니다.
    m_DepthShader = new DepthShaderClass;
    if(!m_DepthShader)
    {
        return false;
    }
 
    // 깊이 셰이더 개체를 초기화합니다.
    if(!m_DepthShader->Initialize(m_Direct3D->GetDevice(), hwnd))
    {
        MessageBox(hwnd, L"Could not initialize the depth shader object.", L"Error", MB_OK);
        return false;
    }
 
    return true;
}
 
 
void GraphicsClass::Shutdown()
{
    // 깊이 셰이더 객체 반환
    if(m_DepthShader)
    {
        m_DepthShader->Shutdown();
        delete m_DepthShader;
        m_DepthShader = 0;
    }
 
    // m_Model 객체 반환
    if (m_Model)
    {
        m_Model->Shutdown();
        delete m_Model;
        m_Model = 0;
    }
 
    // m_Camera 객체 반환
    if (m_Camera)
    {
        delete m_Camera;
        m_Camera = 0;
    }
 
    // Direct3D 객체 반환
    if(m_Direct3D)
    {
        m_Direct3D->Shutdown();
        delete m_Direct3D;
        m_Direct3D = 0;
    }
}
 
 
bool GraphicsClass::Frame()
{
    // 그래픽 랜더링 처리
    return Render();
}
 
 
bool GraphicsClass::Render()
{
    // 씬을 그리기 위해 버퍼를 지웁니다
    m_Direct3D->BeginScene(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
 
    // 카메라의 위치에 따라 뷰 행렬을 생성합니다
    m_Camera->Render();
 
    // 카메라 및 d3d 객체에서 월드, 뷰 및 투영 행렬을 가져옵니다
    XMMATRIX worldMatrix, viewMatrix, projectionMatrix;
    m_Camera->GetViewMatrix(viewMatrix);
    m_Direct3D->GetWorldMatrix(worldMatrix);
    m_Direct3D->GetProjectionMatrix(projectionMatrix);
 
    // 모델 버텍스와 인덱스 버퍼를 그래픽 파이프 라인에 배치하여 드로잉을 준비합니다.
    m_Model->Render(m_Direct3D->GetDeviceContext());
 
    // 깊이 셰이더를 사용하여 모델을 렌더링합니다.
    if(!m_DepthShader->Render(m_Direct3D->GetDeviceContext(), m_Model->GetIndexCount(), worldMatrix, viewMatrix,
                              projectionMatrix))
    {
        return false;
    }
 
    // 버퍼의 내용을 화면에 출력합니다
    m_Direct3D->EndScene();
 
    return true;
}

출력 화면

마치면서

이제 색상 값을 사용하여 바닥면을 렌더링하여 깊이 범위를 나타낼 수 있습니다. 또한 깊이 버퍼는 다른 용도로도 많이 사용될 수 있습니다.

연습문제

1. 프로그램을 다시 컴파일하고 실행하면 세 가지 색상값으로 렌더링 된 바닥이 보입니다.

2. 픽셀 쉐이더의 범위를 수정하여 출력 범위가 변경되는 것을 확인합니다.

3. 매우 작은 범위를 지정하는 녹색과 파란색 사이에 네 번째 색상을 추가하십시오.

4. 픽셀 쉐이더에서 색상 대신에 심도 값을 반환해 보십시오.

5. GraphicsClass.h 파일의 near 및 far 평면을 수정하여 정밀도에 미치는 영향을 확인합니다.

소스코드

소스코드 : Dx11Demo_35.zip