Umfassende Anleitung zur Verwendung von Cubemaps mit DirectX 9 und C++: 4x3 Cross Format, Reflexionen und Himmelskugeln

Ein Cubemap ist eine sphärische Bilddarstellungsmethode in der 3D-Grafikprogrammierung, die insbesondere zur Realisierung von Effekten wie Reflexion, Skybox/Himmelskugel und Umgebungsbeleuchtung (Environment Mapping) verwendet wird. In diesem Artikel werden wir mit DirectX 9 und C++ eine umfassende Antwort auf die Fragen geben, was ein Cubemap ist, wie er erstellt wird, welche Formate unterstützt werden und wie er angewendet wird.

Was ist ein Cubemap?

Ein Cubemap ist eine spezielle Textur, die durch das Zusammenfügen von 6 verschiedenen Bildern (wie 6 auf einen Würfel ausgerichtete Kameras) erstellt wird, die vom Mittelpunkt einer Kugel nach außen gezogen werden. Diese Bilder stellen die folgenden Richtungen dar:

+X (rechts)
-X (links)
+Y (oben)
-Y (unten)
+Z (vorwärts)
-Z (zurück)

Diese Texturen werden zusammen verwendet, um Umgebungseffekte oder Himmelseffekte auf 3D-Objekten zu erzeugen.

️ Was ist das 4x3 Cross Format?

Cubemaps werden oft in speziellen Anordnungen gespeichert:

Das 4x3 Cross Format kann wie folgt visualisiert werden:

     +Y
 -X +Z +X -Z
     -Y

Dieses Format wird insbesondere verwendet, um Cubemaps aus offline gerenderten Himmelsbildern zu erstellen. Es enthält 6 Flächen in einem einzigen Bild. DirectX kann die Flächen automatisch trennen, um dieses Format zu verwenden, oder sie müssen manuell per Software zugeschnitten werden.

⚙️ Wie erstellt man einen Cubemap mit DirectX 9?

Cubemap-Textur definieren:

LPDIRECT3DCUBETEXTURE9 pCubeTexture = NULL;
d3ddev->CreateCubeTexture(
    256, 0, D3DUSAGE_RENDERTARGET,
    D3DFMT_A8R8G8B8, D3DPOOL_DEFAULT, &pCubeTexture, NULL);

Daten in die Flächen laden:

D3DXLoadSurfaceFromFile(
    pCubeTexture->GetCubeMapSurface(D3DCUBEMAP_FACE_POSITIVE_X, 0),
    NULL, NULL, "posx.jpg", NULL, D3DX_DEFAULT, 0, NULL);

Sie müssen den gleichen Vorgang für alle 6 Flächen durchführen.

Verwendung im Shader (VS/PS 2.0)

samplerCUBE CubeMapSampler = sampler_state
{
    Texture = ;
};

float4 PS_Main(float3 reflectDir : TEXCOORD0) : COLOR0
{
    return texCUBE(CubeMapSampler, reflectDir);
}

Cube Mapping Richtung berechnen (C++) Bei der Berechnung der Reflexionsrichtung:

float3 view = normalize(eyePos - worldPos);
float3 reflectDir = reflect(view, normal);

Anwendungsbereiche von Cubemaps

Anwendungsbereich	Beschreibung
Skybox	Himmel und entfernte Landschaften im Spiel
Reflection Map	Umgebungsreflexion auf Oberflächen wie Metall und Glas
Refraction Map	Brechungseffekt in halbdurchsichtigen Objekten wie Wasser
IBL (Image Based Lighting)	Umgebungsbeleuchtung in PBR-Systemen

Cubemap-Konvertierung und Tools

Photoshop + NVIDIA DDS Plugin
CMFT Studio (https://github.com/dariomanesku/cmftStudio)
DirectX Texture Tool (DxTex.exe): Sie können Flächen manuell laden und .dds erstellen

Cubemap Render-to-Texture (RTT) für dynamische Reflexion

Rendern Sie Ihre Szene 6 Mal mit 90° FOV in verschiedene Richtungen
Rendern Sie jede Fläche mit SetRenderTarget()
Erstellen Sie mit einem Shader Echtzeitreflexionen unter Verwendung dieses dynamischen Cubemaps

Diese Methode wird insbesondere verwendet, um die Umgebung von sich bewegenden Objekten zu reflektieren.

✅ Fazit

Die Cubemap-Technologie ist eine sehr leistungsfähige Technik, um in einer DirectX 9-Umgebung beeindruckende Umgebungsvisualisierungen zu erstellen. Sie kann in vielen Bereichen wie Reflexion, Himmel und Beleuchtung eingesetzt werden. Sie kann mit Formaten wie 4x3 Cross oder DDS-basierten Texturen verwendet werden. Die obigen Schritte bieten einen grundlegenden Ausgangspunkt für das Laden eines Cubemaps in Ihr D3D-Gerät und die Verwendung in einem Shader bei der Anwendungsentwicklung mit C++.