原文: DirectX11 With Windows SDK--24 Render-To-Texture(RTT)技术的应用

前言

尽管在上一章的动态天空盒中用到了Render-To-Texture技术，但那是针对纹理立方体的特化实现。考虑到该技术的应用层面非常广，在这里抽出独立的一章专门来讲有关它的通用实现以及各种应用。

章节回顾
深入理解与使用2D纹理资源(重点阅读ScreenGrab库)
23 立方体映射：动态天空盒的实现

DirectX11 With Windows SDK完整目录

Github项目源码

欢迎加入QQ群: 727623616 可以一起探讨DX11，以及有什么问题也可以在这里汇报。

再述Render-To-Texture技术

在前面的章节中，我们默认的渲染目标是来自DXGI后备缓冲区，它是一个2D纹理。而Render-To-Texture技术，实际上就是使用一张2D纹理作为渲染目标，但一般是自己新建的2D纹理。与此同时，这个纹理还能够绑定到着色器资源视图(SRV)供着色器所使用，即原本用作输出的纹理现在用作输入。

它可以用于：

1. 小地图的实现
2. 阴影映射(Shadow mapping)
3. 屏幕空间环境光遮蔽(Screen Space Ambient Occlusion)
4. 利用天空盒实现动态反射/折射(Dynamic reflections/refractions with cube maps)

在这一章，我们将展示下面这三种应用：

1. 屏幕淡入/淡出
2. 小地图(有可视范围的)
3. 保存纹理到文件

TextureRender类

该类借鉴了上一章DynamicSkyEffect的实现，因此也继承了它简单易用的特性：

class TextureRender
{
public:
    template<class T>
    using ComPtr = Microsoft::WRL::ComPtr<T>;


    TextureRender(ID3D11Device * device,int texWidth,int texHeight,bool generateMips = false);
    ~TextureRender();

    // 开始对当前纹理进行渲染
    void Begin(ID3D11DeviceContext * deviceContext);
    // 结束对当前纹理的渲染，还原状态
    void End(ID3D11DeviceContext * deviceContext);
    // 获取渲染好的纹理
    ID3D11ShaderResourceView * GetOutputTexture();

    // 设置调试对象名
    void SetDebugObjectName(const std::string& name);

private:
    ComPtr<ID3D11ShaderResourceView>    m_pOutputTextureSRV;    // 输出的纹理对应的着色器资源视图
    ComPtr<ID3D11RenderTargetView>      m_pOutputTextureRTV;    // 输出的纹理对应的渲染目标视图
    ComPtr<ID3D11DepthStencilView>      m_pOutputTextureDSV;    // 输出纹理所用的深度/模板视图
    D3D11_VIEWPORT                      m_OutputViewPort;       // 输出所用的视口

    ComPtr<ID3D11RenderTargetView>      m_pCacheRTV;            // 临时缓存的后备缓冲区
    ComPtr<ID3D11DepthStencilView>      m_pCacheDSV;            // 临时缓存的深度/模板缓冲区
    D3D11_VIEWPORT                      m_CacheViewPort;        // 临时缓存的视口

    bool                                m_GenerateMips;         // 是否生成mipmap链
};

它具有如下特点：

1. 支持任意宽高的纹理(在初始化时确定)，因为它内置了一个独立的深度/模板缓冲区
2. 使用Begin和End方法，确保在这两个方法调用之间的所有绘制都将输出到该纹理
3. Begin方法会临时缓存后备缓冲区、深度/模板缓冲区和视口，并在End方法恢复，因此无需自己去重新设置这些东西

TextureRender初始化

现在我们需要完成下面5个步骤：

1. 创建纹理
2. 创建纹理对应的渲染目标视图
3. 创建纹理对应的着色器资源视图
4. 创建与纹理等宽高的深度/模板缓冲区和对应的视图
5. 初始化视口

具体代码如下：

TextureRender::TextureRender(ID3D11Device * device,bool generateMips)
    : m_GenerateMips(generateMips),m_CacheViewPort()
{
    // ******************
    // 1. 创建纹理
    //

    ComPtr<ID3D11Texture2D> texture;
    D3D11_TEXTURE2D_DESC texDesc;
    
    texDesc.Width = texWidth;
    texDesc.Height = texHeight;
    texDesc.MipLevels = (m_GenerateMips ? 0 : 1);   // 0为完整mipmap链
    texDesc.ArraySize = 1;
    texDesc.SampleDesc.Count = 1;
    texDesc.SampleDesc.Quality = 0;
    texDesc.Format = DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;
    texDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
    texDesc.BindFlags = D3D11_BIND_RENDER_TARGET | D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE;
    texDesc.CPUAccessFlags = 0;
    texDesc.MiscFlags = D3D11_RESOURCE_MISC_GENERATE_MIPS;

    // 现在texture用于新建纹理
    HR(device->CreateTexture2D(&texDesc,nullptr,texture.ReleaseAndGetAddressOf()));

    // ******************
    // 2. 创建纹理对应的渲染目标视图
    //

    D3D11_RENDER_TARGET_VIEW_DESC rtvDesc;
    rtvDesc.Format = texDesc.Format;
    rtvDesc.ViewDimension = D3D11_RTV_DIMENSION_TEXTURE2D;
    rtvDesc.Texture2D.MipSlice = 0;

    HR(device->CreateRenderTargetView(
        texture.Get(),&rtvDesc,m_pOutputTextureRTV.GetAddressOf()));
    
    // ******************
    // 3. 创建纹理对应的着色器资源视图
    //

    D3D11_SHADER_RESOURCE_VIEW_DESC srvDesc;
    srvDesc.Format = texDesc.Format;
    srvDesc.ViewDimension = D3D11_SRV_DIMENSION_TEXTURE2D;
    srvDesc.Texture2D.MostDetailedMip = 0;
    srvDesc.TextureCube.MipLevels = -1; // 使用所有的mip等级

    HR(device->CreateShaderResourceView(
        texture.Get(),&srvDesc,m_pOutputTextureSRV.GetAddressOf()));

    // ******************
    // 4. 创建与纹理等宽高的深度/模板缓冲区和对应的视图
    //

    texDesc.Width = texWidth;
    texDesc.Height = texHeight;
    texDesc.MipLevels = 0;
    texDesc.ArraySize = 1;
    texDesc.SampleDesc.Count = 1;
    texDesc.SampleDesc.Quality = 0;
    texDesc.Format = DXGI_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT;
    texDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;
    texDesc.BindFlags = D3D11_BIND_DEPTH_STENCIL;
    texDesc.CPUAccessFlags = 0;
    texDesc.MiscFlags = 0;

    ComPtr<ID3D11Texture2D> depthTex;
    device->CreateTexture2D(&texDesc,depthTex.GetAddressOf());

    D3D11_DEPTH_STENCIL_VIEW_DESC dsvDesc;
    dsvDesc.Format = texDesc.Format;
    dsvDesc.Flags = 0;
    dsvDesc.ViewDimension = D3D11_DSV_DIMENSION_TEXTURE2D;
    dsvDesc.Texture2D.MipSlice = 0;

    HR(device->CreateDepthStencilView(
        depthTex.Get(),&dsvDesc,m_pOutputTextureDSV.GetAddressOf()));

    // ******************
    // 5. 初始化视口
    //
    m_OutputViewPort.TopLeftX = 0.0f;
    m_OutputViewPort.TopLeftY = 0.0f;
    m_OutputViewPort.Width = static_cast<float>(texWidth);
    m_OutputViewPort.Height = static_cast<float>(texHeight);
    m_OutputViewPort.MinDepth = 0.0f;
    m_OutputViewPort.MaxDepth = 1.0f;
}

TextureRender::Begin方法--开始对当前纹理进行渲染

该方法缓存当前渲染管线绑定的渲染目标视图、深度/模板视图以及视口，并替换初始化好的这些资源。注意还需要清空一遍缓冲区：

void TextureRender::Begin(ID3D11DeviceContext * deviceContext)
{
    // 缓存渲染目标和深度模板视图
    deviceContext->OMGetRenderTargets(1,m_pCacheRTV.GetAddressOf(),m_pCacheDSV.GetAddressOf());
    // 缓存视口
    UINT num_Viewports = 1;
    deviceContext->RSGetViewports(&num_Viewports,&m_CacheViewPort);


    // 清空缓冲区
    float black[4] = { 0.0f,0.0f,1.0f };
    deviceContext->ClearRenderTargetView(m_pOutputTextureRTV.Get(),black);
    deviceContext->ClearDepthStencilView(m_pOutputTextureDSV.Get(),D3D11_CLEAR_DEPTH | D3D11_CLEAR_STENCIL,1.0f,0);
    // 设置渲染目标和深度模板视图
    deviceContext->OMSetRenderTargets(1,m_pOutputTextureRTV.GetAddressOf(),m_pOutputTextureDSV.Get());
    // 设置视口
    deviceContext->RSSetViewports(1,&m_OutputViewPort);
}

TextureRender::End方法--结束对当前纹理的渲染，还原状态

在对当前纹理的所有绘制方法调用完毕后，就需要调用该方法以恢复到原来的渲染目标视图、深度/模板视图以及视口。若在初始化时还指定了generateMips为true，还会给该纹理生成mipmap链：

void TextureRender::End(ComPtr<ID3D11DeviceContext> deviceContext)
{
    // 恢复默认设定
    deviceContext->RSSetViewports(1,&m_CacheViewPort);
    deviceContext->OMSetRenderTargets(1,m_pCacheDSV.Get());

    // 若之前有指定需要mipmap链，则生成
    if (m_GenerateMips)
    {
        deviceContext->GenerateMips(m_pOutputTextureSRV.Get());
    }
    
    // 清空临时缓存的渲染目标视图和深度模板视图
    m_pCacheDSV.Reset();
    m_pCacheRTV.Reset();
}

最后就可以通过TextureRender::GetOutputTexture方法获取渲染好的纹理了。

注意：不要将纹理既作为渲染目标，又作为着色器资源，虽然不会报错，但这样会导致程序运行速度被拖累。在VS的输出窗口你可以看到它会将该资源强制从着色器中撤离，置其为NULL，以保证不会同时绑定在输入和输出端。

屏幕淡入/淡出效果的实现

该效果对应的特效文件为ScreenFadeEffect.cpp，着色器文件为ScreenFade_VS.hlsl和ScreenFade_PS.hlsl。

ScreenFadeEffect类在这不做讲解，有兴趣的可以查看第13章的自定义Effects管理类实现教程，或者去翻看ScreenFadeEffect类的源码实现。

首先是ScreenFade.hlsli

// ScreenFade.hlsli
Texture2D gTex : register(t0);
SamplerState gSam : register(s0);

cbuffer CBChangesEveryFrame : register(b0)
{
    float g_FadeAmount;      // 颜色程度控制(0.0f-1.0f)
    float3 g_Pad;
}

cbuffer CBChangesRarely : register(b1)
{
    matrix g_WorldViewProj;
}

struct VertexPosTex
{
    float3 PosL : POSITION;
    float2 Tex : TEXCOORD;
};

struct VertexPosHTex
{
    float4 PosH : SV_POSITION;
    float2 Tex : TEXCOORD;
};

然后分别是对于的顶点着色器和像素着色器实现：

// ScreenFade_VS.hlsl
#include "ScreenFade.hlsli"

// 顶点着色器
VertexPosHTex VS(VertexPosTex vIn)
{
    VertexPosHTex vOut;
    
    vOut.PosH = mul(float4(vIn.PosL,1.0f),g_WorldViewProj);
    vOut.Tex = vIn.Tex;
    return vOut;
}

// ScreenFade_PS.hlsl
#include "ScreenFade.hlsli"

// 像素着色器
float4 PS(VertexPosHTex pIn) : SV_Target
{
    return g_Tex.Sample(g_Sam,pIn.Tex) * float4(g_FadeAmount,g_FadeAmount,1.0f);
}

该套着色器通过gFadeAmount来控制最终输出的颜色，我们可以通过对其进行动态调整来实现一些效果。当gFadeAmount从0到1时，屏幕从黑到正常显示，即淡入效果；而当gFadeAmount从1到0时，平面从正常显示到变暗，即淡出效果。

一开始像素着色器的返回值采用的是和Rastertek一样的tex.Sample(sam,pIn.Tex) * gFadeAmount，但是在截屏出来的.dds文件观看的时候颜色变得很奇怪

原本以为是输出的文件格式乱了，但当我把Alpha通道关闭后，图片却一切正常了

故这里应该让Alpha通道的值乘上1.0f以保持Alpha通道的一致性

为了实现屏幕的淡入淡出效果，我们需要一张渲染好的场景纹理，即通过TextureRender来实现。

首先我们看GameApp::UpdateScene方法中用于控制屏幕淡入淡出的部分：

// 更新淡入淡出值
if (m_FadeUsed)
{
    m_FadeAmount += m_FadeSign * dt / 2.0f; // 2s时间淡入/淡出
    if (m_FadeSign > 0.0f && m_FadeAmount > 1.0f)
    {
        m_FadeAmount = 1.0f;
        m_FadeUsed = false; // 结束淡入
    }
    else if (m_FadeSign < 0.0f && m_FadeAmount < 0.0f)
    {
        m_FadeAmount = 0.0f;
        SendMessage(MainWnd(),WM_DESTROY,0);   // 关闭程序
        // 这里不结束淡出是因为发送关闭窗口的消息还要过一会才真正关闭
    }
}

// ...

// 退出程序，开始淡出
if (m_KeyboardTracker.IsKeyPressed(Keyboard::Escape))
{
    m_FadeSign = -1.0f;
    m_FadeUsed = true;
}

启动程序的时候，mFadeSign的初始值是1.0f，这样就使得打开程序的时候就在进行屏幕淡入。

而用户按下Esc键退出的话，则先触发屏幕淡出效果，等屏幕变黑后再发送关闭程序的消息给窗口。注意发送消息到真正关闭还相隔一段时间，在这段时间内也不要关闭淡出效果的绘制，否则最后那一瞬间又突然看到场景了。

然后在GameApp::DrawScene方法中，我们可以将绘制过程简化成这样：

// ******************
// 绘制Direct3D部分
//

// 预先清空后备缓冲区
m_pd3dImmediateContext->ClearRenderTargetView(m_pRenderTargetView.Get(),reinterpret_cast<const float*>(&Colors::Black));
m_pd3dImmediateContext->ClearDepthStencilView(m_pDepthStencilView.Get(),0);

if (mFadeUsed)
{
    // 开始淡入/淡出
    m_pScreenFadeRender->Begin(m_pd3dImmediateContext.Get());
}


// 绘制主场景...
    

if (mFadeUsed)
{
    // 结束淡入/淡出，此时绘制的场景在屏幕淡入淡出渲染的纹理
    m_pScreenFadeRender->End(m_pd3dImmediateContext.Get());

    // 屏幕淡入淡出特效应用
    m_ScreenFadeEffect.SetRenderDefault(m_pd3dImmediateContext.Get());
    m_ScreenFadeEffect.SetFadeAmount(m_FadeAmount);
    m_ScreenFadeEffect.SetTexture(m_pScreenFadeRender->GetOutputTexture());
    m_ScreenFadeEffect.SetWorldViewProjMatrix(XMMatrixIdentity());
    m_ScreenFadeEffect.Apply(m_pd3dImmediateContext.Get());
    // 将保存的纹理输出到屏幕
    m_pd3dImmediateContext->IASetVertexBuffers(0,1,m_FullScreenShow.modelParts[0].vertexBuffer.GetAddressOf(),strides,offsets);
    m_pd3dImmediateContext->IASetIndexBuffer(m_FullScreenShow.modelParts[0].indexBuffer.Get(),DXGI_FORMAT_R16_UINT,0);
    m_pd3dImmediateContext->DrawIndexed(6,0);
    // 务必解除绑定在着色器上的资源，因为下一帧开始它会作为渲染目标
    m_ScreenFadeEffect.SetTexture(nullptr);
    m_ScreenFadeEffect.Apply(m_pd3dImmediateContext.Get());
}

对了，如果窗口被拉伸，那我们之前创建的纹理宽高就不适用了，需要重新创建一个。在GameApp::OnResize方法可以看到：

void GameApp::OnResize()
{
    // ...

    // 摄像机变更显示
    if (mCamera != nullptr)
    {
        // ...
    
        // 屏幕淡入淡出纹理大小重设
        m_pScreenFadeRender = std::make_unique<TextureRender>(m_pd3dDevice.Get(),m_ClientWidth,m_ClientHeight,false);
    }
}

由于屏幕淡入淡出效果需要先绘制主场景到纹理，然后再用该纹理完整地绘制到屏幕上，就不说前面还进行了大量的深度测试了，两次绘制下来使得在渲染淡入淡出效果的时候帧数下降比较明显。因此不建议经常这么做。

小地图的实现

关于小地图的实现，有许多种方式。常见的如下：

1. 美术预先绘制一张地图纹理，然后再在上面绘制一些2D物件表示场景中的物体
2. 捕获游戏场景的俯视图用作纹理，但只保留静态物体，然后再在上面绘制一些2D物件表示场景中的物体
3. 通过俯视图完全绘制出游戏场景中的所有物体

可以看出，性能的消耗越往后要求越高。

因为本项目的场景是在夜间森林，并且树是随机生成的，因此采用第二种方式，但是地图可视范围为摄像机可视区域，并且不考虑额外绘制任何2D物件。

小地图对应的特效文件为MinimapEffect.cpp，着色器文件为Minimap_VS.hlsl和Minimap_PS.hlsl。同样这里只关注HLSL实现。

首先是Minimap.hlsli：

// Minimap.hlsli

Texture2D g_Tex : register(t0);
SamplerState g_Sam : register(s0);

cbuffer CBChangesEveryFrame : register(b0)
{
    float3 g_EyePosW;            // 摄像机位置
    float g_Pad;
}

cbuffer CBDrawingStates : register(b1)
{
    int g_FogEnabled;            // 是否范围可视
    float g_VisibleRange;        // 3D世界可视范围
    float2 g_Pad2;
    float4 g_RectW;              // 小地图xOz平面对应3D世界矩形区域(Left,Front,Right,Back)
    float4 g_InvisibleColor;     // 不可视情况下的颜色
}


struct VertexPosTex
{
    float3 PosL : POSITION;
    float2 Tex : TEXCOORD;
};

struct VertexPosHTex
{
    float4 PosH : SV_POSITION;
    float2 Tex : TEXCOORD;
};

为了能在小地图中绘制出局部区域可视的效果，还需要依赖3D世界中的一些参数。其中gRectW对应的是3D世界中矩形区域(即x最小值,z最大值,x最大值,z最小值)。

然后是顶点着色器和像素着色器的实现：

// Minimap_VS.hlsl
#include "Minimap.hlsli"

// 顶点着色器
VertexPosHTex VS(VertexPosTex vIn)
{
    VertexPosHTex vOut;
    vOut.PosH = float4(vIn.PosL,1.0f);
    vOut.Tex = vIn.Tex;
    return vOut;
}

// Minimap_PS.hlsl
#include "Minimap.hlsli"

// 像素着色器
float4 PS(VertexPosHTex pIn) : SV_Target
{
    // 要求Tex的取值范围都在[0.0f,1.0f],y值对应世界坐标z轴
    float2 PosW = pIn.Tex * float2(g_RectW.zw - g_RectW.xy) + g_RectW.xy;
    
    float4 color = g_Tex.Sample(g_Sam,pIn.Tex);

    [flatten]
    if (g_FogEnabled && length(PosW - g_EyePosW.xz) / g_VisibleRange > 1.0f)
    {
        return g_InvisibleColor;
    }

    return color;
}

接下来我们需要通过Render-To-Texture技术，捕获整个场景的俯视图。关于小地图的绘制放在了GameApp::InitResource中：

bool GameApp::InitResource()
{
    // ...
    
    m_pMinimapRender = std::make_unique<TextureRender>(m_pd3dDevice.Get(),400,true);

    // 初始化网格，放置在右下角200x200
    m_Minimap.SetMesh(m_pd3dDevice,Geometry::Create2DShow(0.75f,-0.66666666f,0.25f,0.33333333f));
    
    // ...
    
    // 小地图摄像机
    m_MinimapCamera = std::unique_ptr<FirstPersonCamera>(new FirstPersonCamera);
    m_MinimapCamera->SetViewPort(0.0f,200.0f,200.0f);   // 200x200小地图
    m_MinimapCamera->LookTo(
        XMVectorSet(0.0f,10.0f,XMVectorSet(0.0f,-1.0f,0.0f));
    m_MinimapCamera->UpdateViewMatrix();
    
    // ...
    
    // 小地图范围可视
    m_MinimapEffect.SetFogState(true);
    m_MinimapEffect.SetInvisibleColor(XMVectorSet(0.0f,1.0f));
    m_MinimapEffect.SetMinimapRect(XMVectorSet(-95.0f,95.0f,-95.0f));
    m_MinimapEffect.SetVisibleRange(25.0f);
    
    // 方向光(默认)
    DirectionalLight dirLight[4];
    dirLight[0].Ambient = XMFLOAT4(0.15f,0.15f,1.0f);
    dirLight[0].Diffuse = XMFLOAT4(0.25f,1.0f);
    dirLight[0].Specular = XMFLOAT4(0.1f,0.1f,1.0f);
    dirLight[0].Direction = XMFLOAT3(-0.577f,-0.577f,0.577f);
    dirLight[1] = dirLight[0];
    dirLight[1].Direction = XMFLOAT3(0.577f,0.577f);
    dirLight[2] = dirLight[0];
    dirLight[2].Direction = XMFLOAT3(0.577f,-0.577f);
    dirLight[3] = dirLight[0];
    dirLight[3].Direction = XMFLOAT3(-0.577f,-0.577f);
    for (int i = 0; i < 4; ++i)
        m_BasicEffect.SetDirLight(i,dirLight[i]);

    // ******************
    // 渲染小地图纹理
    // 

    m_BasicEffect.SetViewMatrix(m_MinimapCamera->GetViewXM());
    m_BasicEffect.SetProjMatrix(XMMatrixOrthographicLH(190.0f,190.0f,20.0f));   // 使用正交投影矩阵(中心在摄像机位置)
    // 关闭雾效
    m_BasicEffect.SetFogState(false);
    m_pMinimapRender->Begin(m_pd3dImmediateContext.Get());
    DrawScene(true);
    m_pMinimapRender->End(m_pd3dImmediateContext.Get());

    m_MinimapEffect.SetTexture(m_pMinimapRender->GetOutputTexture());
    
    // ...
}

通常小地图的制作，建议是使用正交投影矩阵，XMMatrixOrthographicLH函数的中心在摄像机位置，不以摄像机为中心的话可以用XMMatrixOrthographicOffCenterLH函数。

然后如果窗口大小调整，为了保证小地图在屏幕的显示是在右下角，并且保持200x200，需要在GameApp::OnResize重新调整网格模型：

void GameApp::OnResize()
{
    // ...

    // 摄像机变更显示
    if (mCamera != nullptr)
    {
        // ...
    
        // 小地图网格模型重设
        m_Minimap.SetMesh(m_pd3dDevice.Get(),Geometry::Create2DShow(1.0f - 100.0f / m_ClientWidth * 2,-1.0f + 100.0f / m_ClientHeight * 2,100.0f / m_ClientWidth * 2,100.0f / m_ClientHeight * 2));
    }
}

最后是GameApp::DrawScene方法将小地图纹理绘制到屏幕的部分：

// 此处用于小地图和屏幕绘制
UINT strides[1] = { sizeof(VertexPosTex) };
UINT offsets[1] = { 0 };
    
// 小地图特效应用
m_MinimapEffect.SetRenderDefault(m_pd3dImmediateContext.Get());
m_MinimapEffect.Apply(m_pd3dImmediateContext.Get());
// 最后绘制小地图
m_pd3dImmediateContext->IASetVertexBuffers(0,m_Minimap.modelParts[0].vertexBuffer.GetAddressOf(),offsets);
m_pd3dImmediateContext->IASetIndexBuffer(m_Minimap.modelParts[0].indexBuffer.Get(),0);
m_pd3dImmediateContext->DrawIndexed(6,0);

项目演示

本项目的场景沿用了第20章的森林场景，并搭配了夜晚雾效，在打开程序后可以看到屏幕淡入的效果，按下Esc后则屏幕淡出后退出。

然后人物在移动的时候，小地图的可视范围也会跟着移动。

DirectX11 With Windows SDK完整目录

Github项目源码

欢迎加入QQ群: 727623616 可以一起探讨DX11，以及有什么问题也可以在这里汇报。