D3D12方向光计算有误

Question

在使用D3D12计算光照时（现在只写了方向光），渲染了一个球体，有明显问题，着色器核心代码如下：

VSOutput VS(VSInput vIn)
{
    VSOutput output;
    // float4x4 m = mul(world, viewPorj);
    output.vPos = mul(mul(float4(vIn.mPos, 1.0), world), viewPorj);
    output.vPosWorld = mul(float4(vIn.mPos, 1.0), world).xyz;
    output.vNormal = mul(vIn.mNurmal, (float3x3) world);
    output.vNormal = normalize(output.vNormal);
    return output;
}

// 光照辅助函数
float3 CalcAttenuation(float d, float falloffStart, float falloffEnd)
{
    if (d < falloffStart)
        return 1.0f;
    if (d > falloffEnd)
        return 0.0f;
    return saturate((falloffEnd - d) / (falloffEnd - falloffStart));
}

float3 SchlickFrensnel(float cosTheta, float3 R0)
{
    float m = 1.0 - cosTheta;
    return R0 + (1.0f - R0) * (m * m * m * m * m);
}

float3 Phonglight(float3 normal, float3 viewDir, float3 lightVec, float3 lightColor)
{
    float m = roughness * 256.0f;
    float3 halfVector = normalize(viewDir + lightVec);
    float roughnessFactor = max(0.0f, dot(normal, halfVector));
    roughnessFactor = (m + 8.0f) / 8.0f * pow(roughnessFactor, m);
    float3 Frensnel = SchlickFrensnel(dot(viewDir, halfVector), FrensnelR0);
    float3 spec = roughnessFactor * Frensnel;
    spec = saturate(spec);
    return (spec + (float3) diffuseColor) * lightColor;
}

float3 ComputeDirectionLight(float3 normal, float3 pos, Light light)
{
    float3 lightVec = -light.direction;
    lightVec = normalize(lightVec);
    float ndotl = dot(normal, lightVec);
    ndotl = max(ndotl, 0.0f);
    return ndotl * Phonglight(normal, ((float3) cameraPos - pos), lightVec, light.color);
}

float4 PS(VSOutput pIn) : SV_TARGET
{
    float3 normal = normalize(pIn.vNormal);
    float3 color = ambient * (float3) diffuseColor;
    for (int i = 0; i < lightCount;i++)
    {
        if (lights[i].type == 1) // 平行光源
            color += ComputeDirectionLight(normal, pIn.vPosWorld, lights[i]);
    }
    color = saturate(color);
    return float4(color, diffuseColor.a);
}

PIX抓帧得：

然后得到一个这样的窗口：

明显，底部和中间不对，而左边是对的
帮忙看一下！

Answer 1

中午好🌞🌞🌞
本答案参考通义千问

根据你提供的代码和描述，你的 D3D12方向光计算存在明显错误。问题主要集中在以下几点：

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一、核心问题分析

1. 着色器中未正确处理光照方向与法线的关系

在 ComputeDirectionLight 函数中，你使用了 lightVec = -light.direction;，这是正确的（因为方向光的方向是朝向物体的），但后续没有对 lightVec 进行标准化。

加粗重点：
如果没有对 lightVec 进行标准化，会导致光照强度计算不准确，导致渲染结果出现明显偏移或错误。

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2. Phong 光照模型中缺少漫反射项

你的 Phonglight 函数中只计算了 高光反射项（specular）和 Fresnel 反射，但没有加入 漫反射项（diffuse）。这会导致整个光照效果非常暗，甚至完全缺失。

加粗重点：
Phong 模型应包含漫反射（diffuse）、镜面反射（specular）和环境光（ambient）三个部分，缺少任何一部分都会导致渲染错误。

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3. world 矩阵可能未正确传递到着色器

在 VS 中，你使用了 world、view 和 proj 矩阵，但在实际代码中，这些矩阵是否通过常量缓冲区正确传递？

加粗重点：
如果 world 矩阵未正确传入，那么 vPosWorld 和 vNormal 的计算将不准确，导致光照方向错误。

---

二、解决方案

1. 标准化 lightVec

确保 lightVec 是单位向量。

float3 lightVec = normalize(-light.direction);

2. 补充漫反射项

在 Phonglight 函数中添加漫反射项：

float3 Phonglight(float3 normal, float3 viewDir, float3 lightVec, float3 lightColor)
{
    // 计算漫反射
    float ndotl = max(0.0f, dot(normal, lightVec));
    float3 diffuse = ndotl * lightColor;

    // 高光反射
    float m = roughness * 256.0f;
    float3 halfVector = normalize(viewDir + lightVec);
    float roughnessFactor = max(0.0f, dot(normal, halfVector));
    roughnessFactor = (m + 8.0f) / 8.0f * pow(roughnessFactor, m);

    float3 Frensnel = SchlickFrensnel(dot(viewDir, halfVector), FrensnelR0);
    float3 spec = roughnessFactor * Frensnel;

    return (diffuse + spec) * lightColor;
}

加粗重点：
漫反射项必须包含在最终光照计算中，否则整个光照会非常暗，甚至没有颜色。

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3. 检查 world 矩阵是否正确传递

确保你在 CPU 侧将 world 矩阵写入常量缓冲区，并且在着色器中正确声明了该缓冲区。

// 在 D3D12 中定义一个常量缓冲区
struct ConstantBuffer {
    XMFLOAT4X4 world;
    XMFLOAT4X4 view;
    XMFLOAT4X4 proj;
};

// 在 VS 中声明：
cbuffer cbPerObject : register(b0) {
    matrix world;
    matrix view;
    matrix proj;
};

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4. 检查 vNormal 是否正确归一化

你已经在 VS 中对 vNormal 进行了 normalize，这是正确的。

output.vNormal = mul(vIn.mNurmal, (float3x3) world);
output.vNormal = normalize(output.vNormal);

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三、修改后的完整代码片段

修改后的 ComputeDirectionLight 函数：

float3 ComputeDirectionLight(float3 normal, float3 pos, Light light)
{
    float3 lightVec = normalize(-light.direction); // 标准化
    float ndotl = max(0.0f, dot(normal, lightVec));
    float3 diffuse = ndotl * light.color;

    float3 viewDir = normalize(cameraPos - pos); // 相机位置
    float3 halfVector = normalize(viewDir + lightVec);

    float m = roughness * 256.0f;
    float roughnessFactor = max(0.0f, dot(normal, halfVector));
    roughnessFactor = (m + 8.0f) / 8.0f * pow(roughnessFactor, m);

    float3 Frensnel = SchlickFrensnel(dot(viewDir, halfVector), FrensnelR0);
    float3 spec = roughnessFactor * Frensnel;

    return (diffuse + spec) * light.color;
}

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四、建议调试方法

1. 用简单颜色测试：将 color 设置为 float4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f) 或其他颜色，确认光照是否正常影响。
2. 输出法线：在 PS 中返回 float4(normal, 1.0f)，检查法线是否正确。
3. 输出光照向量：将 lightVec 输出为颜色，看是否指向正确方向。
4. 使用 PIX 工具：查看纹理、顶点数据、常量缓冲区是否正确传递。

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五、总结

| 问题 | 原因 | 解决方案 | |------|------|----------| | 光照方向错误 | lightVec 未标准化 | 添加 normalize() | | 缺少漫反射项 | Phonglight 仅计算高光 | 补充 diffuse 项 | | 法线/世界矩阵错误 | world 未正确传递 | 检查常量缓冲区传递 |

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如果你能提供完整的着色器代码和 C++ 代码片段，我可以进一步帮你定位具体问题。