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第十八章 Post-Processing

2023-11-12

第十八章 Post-Processing

Post-processing是指在场景渲染之后，使用一些图形技术对场景进行处理。比如，把整个场景转换为grayscale（灰度）样式或使场景中明亮的区域发光。本章将编写一些post-processing effects，并集成到C++渲染引擎框架中。

Render Targets

到目前为止，所有的示例程序都是直接把场景渲染到back buffer，这是一个2D texture用于在渲染完成之后把图像显示到屏幕上。但是在post-processing应用程序中，首先把场景渲染到一个中间层的texture buffer中，然后把post-processing effect应用到该texture。最后使用一个全屏的四边形（由两个三角形组成，包含整个屏幕区域）渲染最终要显示到屏幕上的图像。
下面的步骤概括了post-processing的处理过程：
1、将一个off-screen render target（离屏渲染目标）绑定到管线的output-merger阶段。
2、在off-scrent render target上绘制场景。
3、恢复back buffer，并作为绑定到output-merger阶段的render target。
4、使用off-scrent render target的texture作为一种post-processing effect的输入buffer，绘制一个全屏的四边形。
为了更容易的执行这些步骤，首先创建一个FullScreenRenderTarget类，该类的声明代码如列表18.1所示。

列表18.1 Declaration of the FullScreenRenderTarget Class

[cpp]  view plain  copy  print ?
  1. #pragma once  
  2.   
  3. #include "Common.h"  
  4.   
  5. namespace Library  
  6. {  
  7.     class Game;  
  8.   
  9.     class FullScreenRenderTarget  
  10.     {  
  11.     public:  
  12.         FullScreenRenderTarget(Game& game);  
  13.         ~FullScreenRenderTarget();  
  14.   
  15.         ID3D11ShaderResourceView* OutputTexture() const;  
  16.         ID3D11RenderTargetView* RenderTargetView() const;  
  17.         ID3D11DepthStencilView* DepthStencilView() const;  
  18.   
  19.         void Begin();  
  20.         void End();  
  21.   
  22.     private:  
  23.         FullScreenRenderTarget();  
  24.         FullScreenRenderTarget(const FullScreenRenderTarget& rhs);  
  25.         FullScreenRenderTarget& operator=(const FullScreenRenderTarget& rhs);  
  26.   
  27.         Game* mGame;  
  28.         ID3D11RenderTargetView* mRenderTargetView;  
  29.         ID3D11DepthStencilView* mDepthStencilView;  
  30.         ID3D11ShaderResourceView* mOutputTexture;  
  31.     };  
  32. }  

FullScreenRenderTarget类中的成员变量看起来非常熟悉，在Game类中已经包含了同样的数据类型ID3D11RenderTargetView和ID3D11DepthStencilView。这些类型的变量是用于把一个render target和depth-stencil buffer绑定到管线的output-merger阶段。与Game类不同的是，在FullScrentRenderTarget类中还包含有一个ID3D11ShaderResourceView类型的成员变量，表示render target底层的2D texture buffer。这种类型的输出texture可以作为post-processing shaders的输入数据。FullScreenRenderTarget::Begin()和FullScreenRenderTarget::End()函数分别用于把render target绑定以output-merger阶段和恢复back buffer。列表18.2列出了FullScrennRenderTarget类的实现代码。

列表18.2 Implementation of the FullScreenRenderTarget Class

[cpp]  view plain  copy  print ?
  1. #include "FullScreenRenderTarget.h"  
  2. #include "Game.h"  
  3. #include "GameException.h"  
  4.   
  5. namespace Library  
  6. {  
  7.     FullScreenRenderTarget::FullScreenRenderTarget(Game& game)  
  8.         : mGame(&game), mRenderTargetView(nullptr), mDepthStencilView(nullptr), mOutputTexture(nullptr)  
  9.     {  
  10.         D3D11_TEXTURE2D_DESC fullScreenTextureDesc;  
  11.         ZeroMemory(&fullScreenTextureDesc, sizeof(fullScreenTextureDesc));  
  12.         fullScreenTextureDesc.Width = game.ScreenWidth();  
  13.         fullScreenTextureDesc.Height = game.ScreenHeight();  
  14.         fullScreenTextureDesc.MipLevels = 1;  
  15.         fullScreenTextureDesc.ArraySize = 1;  
  16.         fullScreenTextureDesc.Format = DXGI_FORMAT_R8G8B8A8_UNORM;  
  17.         fullScreenTextureDesc.SampleDesc.Count = 1;  
  18.         fullScreenTextureDesc.SampleDesc.Quality = 0;  
  19.         fullScreenTextureDesc.BindFlags = D3D11_BIND_RENDER_TARGET | D3D11_BIND_SHADER_RESOURCE;  
  20.         fullScreenTextureDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;  
  21.   
  22.         HRESULT hr;  
  23.         ID3D11Texture2D* fullScreenTexture = nullptr;  
  24.         if (FAILED(hr = game.Direct3DDevice()->CreateTexture2D(&fullScreenTextureDesc, nullptr, &fullScreenTexture)))  
  25.         {  
  26.             throw GameException("IDXGIDevice::CreateTexture2D() failed.", hr);  
  27.         }  
  28.   
  29.         if (FAILED(hr = game.Direct3DDevice()->CreateShaderResourceView(fullScreenTexture, nullptr, &mOutputTexture)))  
  30.         {  
  31.             throw GameException("IDXGIDevice::CreateShaderResourceView() failed.", hr);  
  32.         }  
  33.   
  34.         if (FAILED(hr = game.Direct3DDevice()->CreateRenderTargetView(fullScreenTexture, nullptr, &mRenderTargetView)))  
  35.         {  
  36.             ReleaseObject(fullScreenTexture);  
  37.             throw GameException("IDXGIDevice::CreateRenderTargetView() failed.", hr);  
  38.         }  
  39.   
  40.         ReleaseObject(fullScreenTexture);  
  41.   
  42.         D3D11_TEXTURE2D_DESC depthStencilDesc;  
  43.         ZeroMemory(&depthStencilDesc, sizeof(depthStencilDesc));  
  44.         depthStencilDesc.Width = game.ScreenWidth();  
  45.         depthStencilDesc.Height = game.ScreenHeight();  
  46.         depthStencilDesc.MipLevels = 1;  
  47.         depthStencilDesc.ArraySize = 1;  
  48.         depthStencilDesc.Format = DXGI_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT;  
  49.         depthStencilDesc.SampleDesc.Count = 1;  
  50.         depthStencilDesc.SampleDesc.Quality = 0;  
  51.         depthStencilDesc.BindFlags = D3D11_BIND_DEPTH_STENCIL;  
  52.         depthStencilDesc.Usage = D3D11_USAGE_DEFAULT;              
  53.   
  54.         ID3D11Texture2D* depthStencilBuffer = nullptr;  
  55.         if (FAILED(hr = game.Direct3DDevice()->CreateTexture2D(&depthStencilDesc, nullptr, &depthStencilBuffer)))  
  56.         {  
  57.             throw GameException("IDXGIDevice::CreateTexture2D() failed.", hr);  
  58.         }  
  59.   
  60.         if (FAILED(hr = game.Direct3DDevice()->CreateDepthStencilView(depthStencilBuffer, nullptr, &mDepthStencilView)))  
  61.         {  
  62.             ReleaseObject(depthStencilBuffer);  
  63.             throw GameException("IDXGIDevice::CreateDepthStencilView() failed.", hr);  
  64.         }  
  65.   
  66.         ReleaseObject(depthStencilBuffer);  
  67.     }  
  68.   
  69.     FullScreenRenderTarget::~FullScreenRenderTarget()  
  70.     {  
  71.         ReleaseObject(mOutputTexture);  
  72.         ReleaseObject(mDepthStencilView);  
  73.         ReleaseObject(mRenderTargetView);  
  74.     }  
  75.   
  76.     ID3D11ShaderResourceView* FullScreenRenderTarget::OutputTexture() const  
  77.     {  
  78.         return mOutputTexture;  
  79.     }  
  80.   
  81.     ID3D11RenderTargetView* FullScreenRenderTarget::RenderTargetView() const  
  82.     {  
  83.         return mRenderTargetView;  
  84.     }  
  85.   
  86.     ID3D11DepthStencilView* FullScreenRenderTarget::DepthStencilView() const  
  87.     {  
  88.         return mDepthStencilView;  
  89.     }  
  90.   
  91.     void FullScreenRenderTarget::Begin()  
  92.     {     
  93.         mGame->Direct3DDeviceContext()->OMSetRenderTargets(1, &mRenderTargetView, mDepthStencilView);  
  94.     }  
  95.   
  96.     void FullScreenRenderTarget::End()  
  97.     {  
  98.         mGame->ResetRenderTargets();  
  99.     }  
  100. }  

在FullScreenRenderTarget类的构造函数中，包含了该类的大部分实现代码。在该构造函数中，首先构建一个D3D11_TEXTURE2D_DESC结构体类型的实例，并用于创建render target的底层texture buffer。在Game类的初始化过程中这些步骤并不是显式定义的，因为在构建swap chain时就会隐含的创建back buffer。其中在D3D11_TEXTURE2D_DESC结构体实例化时指定了两个bind flags：D3D11_BIND_RENDER_TARGET和D3D_BIND_SHADER_RESOURCE。这两个flags值表示该texture可以同时作为一个render target和一个shader的输入数据。
创建完ID3D11Texture2D类型的texture之后，就可以使用该texture创建shader resource view和render target view。并对外提供了访问这两个views变量的公有函数接口；并且在这两个变量初始化之后就可以释放对texture的引用了。对于depth-stencil view变量的初始化使用类似的操作步骤。
在FullScrentRenderTarget::Begin()函数中，直接调用ID3D11DeviceContext::OMSetRenderTargets()函数把render target view和depth-stencil view绑定到管线的output-merger阶段。而FullScreenRenderTarget::End()函数中则是调用Game::ResetRenderTargets()函数，该函数同样是调用OMSetRenderTargets()函数重置绑定为Game类的中render target view和detph-stencil view变量。
对于FullScreenRenderTarget类的调用方式如下：
mRenderTarget->Begin();
// 1. Clear mRenderTarget->RenderTargetView()
// 2. Clear mRenderTarget->DepthStencilView()
// 3. Draw Objects

mRenderTarget->End();


这种方法首先把objects渲染到FullScreenRenderTarget实例下的2D texture，并且可以通过调用FullScreenRenderTarget::OutputTexture()函数访问该texture变量。最后调用FullScreenRenderTarget::End()函数，就可以把所有的渲染数据写到back buffer中。

A Full-Screen Quad Component

现在我们可以把场景渲染到一个off-screen texture中，接下来需要把一种effect应用到该texture并在屏幕上显示应用的输出结果。在这样一个系统结构中需要封装渲染部分的代码，否则在程序之间将会出现重复多余的代码，但是又要使渲染代码足够灵活，以及支持任意的post-processing effects。列表18.3列出了FullScreenQuad类的声明代码。

列表18.3 Declaration of the FullScreenQuad Class

[cpp]  view plain  copy  print ?
  1. #pragma once  
  2.   
  3. #include <functional>  
  4. #include "DrawableGameComponent.h"  
  5.   
  6. namespace Library  
  7. {  
  8.     class Effect;  
  9.     class Material;  
  10.     class Pass;  
  11.   
  12.     class FullScreenQuad : public DrawableGameComponent  
  13.     {  
  14.         RTTI_DECLARATIONS(FullScreenQuad, DrawableGameComponent)  
  15.   
  16.     public:  
  17.         FullScreenQuad(Game& game);  
  18.         FullScreenQuad(Game& game, Material& material);  
  19.         ~FullScreenQuad();  
  20.   
  21.         Material* GetMaterial();  
  22.         void SetMaterial(Material& material, const std::string& techniqueName, const std::string& passName);  
  23.         void SetActiveTechnique(const std::string& techniqueName, const std::string& passName);  
  24.         void SetCustomUpdateMaterial(std::function<void()> callback);  
  25.   
  26.         virtual void Initialize() override;  
  27.         virtual void Draw(const GameTime& gameTime) override;  
  28.   
  29.     private:  
  30.         FullScreenQuad();  
  31.         FullScreenQuad(const FullScreenQuad& rhs);  
  32.         FullScreenQuad& operator=(const FullScreenQuad& rhs);  
  33.   
  34.         Material* mMaterial;  
  35.         Pass* mPass;  
  36.         ID3D11InputLayout* mInputLayout;  
  37.   
  38.         ID3D11Buffer* mVertexBuffer;  
  39.         ID3D11Buffer* mIndexBuffer;  
  40.         UINT mIndexCount;  
  41.         std::function<void()> mCustomUpdateMaterial;  
  42.     };  
  43. }  

在FullScreenQuad类中，成员变量mMaterial指向一个用于绘制四边形的material对象，并可以通过调用SetMaterial函数对该变量进行赋值。这样就可以在同一个FullScreenQuad实例对象的生存期内使用不同的materials。成员变量mPass和mInputLayout中存储了Draw()函数中使用的相关数据。另外两个非常熟悉的变量vertex和index buffers存储了该四边形对象的vertices和indices。在FullScreenQuad类中使用了一种新的数据类型std::function<T>，如果你之前没有见过的话，这是一种通用的函数封装语法，用于存储并调用函数，bind表达式，lambda表达式（回调以及关闭）。在这里是为了支持FullScreenQuad的调用者更新material shader中的变量。之所以这样做是因为在FullScreenQuad类中并不知道用于渲染四边形的是哪种material（因此也就无法知道material使用的shader输入变量）。FullScreenQuad类要完成的全部操作就是渲染一个四边形；而更新material变量的操作由该类对象的调用者完成。
列表18.4中列出了FullScreenQuad类的实现代码。

列表18.4 Implementation of the FullScreenQuad Class

[cpp]  view plain  copy  print ?
  1. #include "FullScreenQuad.h"  
  2. #include "Game.h"  
  3. #include "GameException.h"  
  4. #include "Material.h"  
  5. #include "VertexDeclarations.h"  
  6.   
  7. namespace Library  
  8. {  
  9.     RTTI_DEFINITIONS(FullScreenQuad)  
  10.   
  11.         FullScreenQuad::FullScreenQuad(Game& game)  
  12.         : DrawableGameComponent(game),  
  13.         mMaterial(nullptr), mPass(nullptr), mInputLayout(nullptr),  
  14.         mVertexBuffer(nullptr), mIndexBuffer(nullptr), mIndexCount(0), mCustomUpdateMaterial(nullptr)  
  15.     {  
  16.     }  
  17.   
  18.     FullScreenQuad::FullScreenQuad(Game& game, Material& material)  
  19.         : DrawableGameComponent(game),  
  20.         mMaterial(&material), mPass(nullptr), mInputLayout(nullptr),  
  21.         mVertexBuffer(nullptr), mIndexBuffer(nullptr), mIndexCount(0), mCustomUpdateMaterial(nullptr)  
  22.     {  
  23.     }  
  24.   
  25.     FullScreenQuad::~FullScreenQuad()  
  26.     {  
  27.         ReleaseObject(mIndexBuffer);  
  28.         ReleaseObject(mVertexBuffer);  
  29.     }  
  30.   
  31.     Material* FullScreenQuad::GetMaterial()  
  32.     {  
  33.         return mMaterial;  
  34.     }  
  35.   
  36.     void FullScreenQuad::SetMaterial(Material& material, const std::string& techniqueName, const std::string& passName)  
  37.     {  
  38.         mMaterial = &material;  
  39.         SetActiveTechnique(techniqueName, passName);  
  40.     }  
  41.   
  42.     void FullScreenQuad::SetActiveTechnique(const std::string& techniqueName, const std::string& passName)  
  43.     {  
  44.         Technique* technique = mMaterial->GetEffect()->TechniquesByName().at(techniqueName);  
  45.         assert(technique != nullptr);  
  46.   
  47.         mPass = technique->PassesByName().at(passName);  
  48.         assert(mPass != nullptr);  
  49.         mInputLayout = mMaterial->InputLayouts().at(mPass);  
  50.     }  
  51.   
  52.     void FullScreenQuad::SetCustomUpdateMaterial(std::function<void()> callback)  
  53.     {  
  54.         mCustomUpdateMaterial = callback;  
  55.     }  
  56.   
  57.     void FullScreenQuad::Initialize()  
  58.     {  
  59.         VertexPositionTexture vertices[] =  
  60.         {  
  61.             VertexPositionTexture(XMFLOAT4(-1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f), XMFLOAT2(0.0f, 1.0f)),  
  62.             VertexPositionTexture(XMFLOAT4(-1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f), XMFLOAT2(0.0f, 0.0f)),  
  63.             VertexPositionTexture(XMFLOAT4(1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f), XMFLOAT2(1.0f, 0.0f)),  
  64.             VertexPositionTexture(XMFLOAT4(1.0f, -1.0f, 0.0f, 1.0f), XMFLOAT2(1.0f, 1.0f)),  
  65.         };  
  66.   
  67.         D3D11_BUFFER_DESC vertexBufferDesc;  
  68.         ZeroMemory(&vertexBufferDesc, sizeof(vertexBufferDesc));  
  69.         vertexBufferDesc.ByteWidth = sizeof(VertexPositionTexture)* ARRAYSIZE(vertices);  
  70.         vertexBufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_IMMUTABLE;  
  71.         vertexBufferDesc.BindFlags = D3D11_BIND_VERTEX_BUFFER;  
  72.   
  73.         D3D11_SUBRESOURCE_DATA vertexSubResourceData;  
  74.         ZeroMemory(&vertexSubResourceData, sizeof(vertexSubResourceData));  
  75.         vertexSubResourceData.pSysMem = vertices;  
  76.         if (FAILED(mGame->Direct3DDevice()->CreateBuffer(&vertexBufferDesc, &vertexSubResourceData, &mVertexBuffer)))  
  77.         {  
  78.             throw GameException("ID3D11Device::CreateBuffer() failed.");  
  79.         }  
  80.   
  81.         UINT indices[] =  
  82.         {  
  83.             0, 1, 2,  
  84.             0, 2, 3  
  85.         };  
  86.   
  87.         mIndexCount = ARRAYSIZE(indices);  
  88.   
  89.         D3D11_BUFFER_DESC indexBufferDesc;  
  90.         ZeroMemory(&indexBufferDesc, sizeof(indexBufferDesc));  
  91.         indexBufferDesc.ByteWidth = sizeof(UINT)* mIndexCount;  
  92.         indexBufferDesc.Usage = D3D11_USAGE_IMMUTABLE;  
  93.         indexBufferDesc.BindFlags = D3D11_BIND_INDEX_BUFFER;  
  94.   
  95.         D3D11_SUBRESOURCE_DATA indexSubResourceData;  
  96.         ZeroMemory(&indexSubResourceData, sizeof(indexSubResourceData));  
  97.         indexSubResourceData.pSysMem = indices;  
  98.         if (FAILED(mGame->Direct3DDevice()->CreateBuffer(&indexBufferDesc, &indexSubResourceData, &mIndexBuffer)))  
  99.         {  
  100.             throw GameException("ID3D11Device::CreateBuffer() failed.");  
  101.         }  
  102.     }  
  103.   
  104.     void FullScreenQuad::Draw(const GameTime& gameTime)  
  105.     {  
  106.         assert(mPass != nullptr);  
  107.         assert(mInputLayout != nullptr);  
  108.   
  109.         ID3D11DeviceContext* direct3DDeviceContext = mGame->Direct3DDeviceContext();  
  110.         direct3DDeviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);  
  111.         direct3DDeviceContext->IASetInputLayout(mInputLayout);  
  112.   
  113.         UINT stride = sizeof(VertexPositionTexture);  
  114.         UINT offset = 0;  
  115.         direct3DDeviceContext->IASetVertexBuffers(0, 1, &mVertexBuffer, &stride, &offset);  
  116.         direct3DDeviceContext->IASetIndexBuffer(mIndexBuffer, DXGI_FORMAT_R32_UINT, 0);  
  117.   
  118.         if (mCustomUpdateMaterial != nullptr)  
  119.         {  
  120.             mCustomUpdateMaterial();  
  121.         }  
  122.   
  123.         mPass->Apply(0, direct3DDeviceContext);  
  124.   
  125.         direct3DDeviceContext->DrawIndexed(mIndexCount, 0, 0);  
  126.     }  
  127. }  

首先分析FullScreenQuad::Initialize()函数，该函数的实现与之前示例中的代码基本相同，主要不同的地方是4个vertices所处的空间位置。在screen space中，（-1, -1）表示屏幕的左上角，（1, 1）表示右下角。因为vertices的坐标位置已经是处于screen space中，所以在vertext shader中不需要对这些坐标执行变换。
接下来，分析FullScreen::Draw()函数。除了执行std::function类型的mCustomUpdateMaterial()语句之外，在Draw()函数没有特别需要说明的地方。其中std::function<T>类是一个函数对象（或函数），并提供了公有的operator()函数（重载()运算符）。使用这种方式，看起来就像是调用了一个命名为mCustomUpdateMaterial的函数；实际上，只是调用了std::function<T>::operation()运算符重载函数，真正的目的是用于回调函数或lambda表达式。
最后，需要注意的是四边形的vertices由一个position和texture coordinates表示。这种表示方式限制了在FullScreenQuad类中能够使用的material种类，但是该依然具有多种应用。只需要对该类做一点点扩展，就可以根据具体的material动态的创建vertex buffer。
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