Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004)
シェーダーモデル 1.1
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Microsoft Visual Studio .NET 2003 Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004) シェーダーモデル 1.1 |
| ■ランバート拡散照明 |
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これまで基本的なことばかりやってて、さすがに飽きてきたのでシェーダーやります。(笑)
てなことで今回は、シェーダー第一弾としてランバート拡散照明やります。
この照明は固定機能パイプラインの平行光源と同じ結果になります。
これだけだとライティングとしてのリアリティに乏しいのですが、単純なので当サイトでは頻繁に使用してます(笑)。
---Lambert1.fx---
//****************************************************************
// ランバート拡散照明
//****************************************************************
//外部から設定する変数郡
//ワールド、ビュー、射影座標変換マトリックス
float4x4 m_WVP;
//照明の方向ベクトル
float4 m_LightDir;
//環境光に対するマテリアル。0.0f〜1.0fの値を持ち、1.0fのとき最も強くなる。
float4 m_Ambient = 0.0f;
//オブジェクトのテクスチャー。外部からはIDirect3DDevice9::SetTexture関数で設定する。
sampler tex0 : register(s0);
//****************************************************************
//バーテックスシェーダー
//****************************************************************
//バーテックスシェーダーからピクセルシェーダーへ渡すための構造体
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos : POSITION; //頂点の座標
float4 Col : COLOR0; //頂点カラー
float2 Tex : TEXCOORD0; //テクセル座標
};
//バーテックスシェーダー
VS_OUTPUT VS( float4 Pos : POSITION, //頂点の座標
float4 Normal : NORMAL, //法線ベクトル
float2 Tex : TEXCOORD0 ) //テクセル
{
VS_OUTPUT Out = (VS_OUTPUT)0;
//頂点の座標を行列変換する
Out.Pos = mul( Pos, m_WVP );
//テクセルはそのまま格納する
Out.Tex = Tex;
//照明を逆方向にする。(注意１)
float3 L = -normalize( m_LightDir.xyz );
//法線ベクトル。
float3 N = normalize( Normal.xyz );
//照明と法線からdot関数により、内積を計算する。またmax関数により頂点カラーの最小値を環境光に抑えるように設定する。(注意２)
Out.Col = max( m_Ambient, dot(N, L) );
return Out;
}
//****************************************************************
//ピクセルシェーダー
//****************************************************************
float4 PS( VS_OUTPUT In ) : COLOR0
{
float4 Out = (float4)0;
//色情報をCol1に格納する
Out = In.Col * tex2D( tex0, In.Tex );
return Out;
}
technique TShader
{
pass P0
{
//vs_1_1およびps_1_1はバーテックスシェーダー、ピクセルシェーダーそれぞれで使用するバージョン。
//低いほうが実行可能な環境が多くなるのでできるだけ低く設定するとよい。
VertexShader = compile vs_1_1 VS();
PixelShader = compile ps_1_1 PS();
}
}
シェーダー本体です。
(注意１) 頂点カラーは内積によって計算します。内積の公式は a・b = |a| |b| cosθですが、詳しいことは説明できないので、ネットか本で調べてください。 ただし、ベクトルaとベクトルbが単位ベクトルのとき内積した結果がcosθより、1.0f〜-1.0fの範囲に収まるという事実は重要なので 覚えておくとよいでしょう。
(注意２) 組み込み関数のmaxは、２つの引数のうち大きい数値を返します。これによって内積の結果の最小値に制限をかけます。
つまり光の当たらない陰の部分を明るくするのです。これは現実世界でも起こっている現象で、オブジェクト同士が光を反射しあうため陰の部分が明るくなることによります。
ただしレイトレーシングではない所詮は擬似的表現なのでリアルさでは見劣りがありますが。
あと法線ベクトルは行列変換しません。法線ベクトルを行列変換しない代わりに照明の方向ベクトルに細工をしています。詳細は後ほど。
---Lambert.h---
class LAMBERT1
{
private:
LPD3DXEFFECT m_pEffect;
D3DXHANDLE m_pTechnique, m_pWVP, m_pLightDir, m_pAmbient;
D3DXMATRIX m_matView, m_matProj;
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice;
public:
LAMBERT1( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
~LAMBERT1();
void Invalidate();
void Restore();
HRESULT Load();
void Begin();
void BeginPass();
void SetAmbient( float Ambient );
void SetAmbient( D3DXVECTOR4* pAmbient );
void SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pLightDir );
void CommitChanges();
void EndPass();
void End();
BOOL IsOK();
LPD3DXEFFECT GetEffect(){ return m_pEffect; };
};
---Lambert.cpp---
//****************************************************************
//コンストラクタ
//****************************************************************
LAMBERT1::LAMBERT1( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice )
{
m_pd3dDevice = pd3dDevice;
m_pEffect = NULL;
}
//****************************************************************
//デストラクタ
//****************************************************************
LAMBERT1::~LAMBERT1()
{
//SafeReleaseは関数ではなくマクロ
//#define SafeRelease(x) { if(x) { (x)->Release(); (x)=NULL; } }
SafeRelease( m_pEffect );
}
void LAMBERT1::Invalidate()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnLostDevice();
}
void LAMBERT1::Restore()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnResetDevice();
}
//****************************************************************
//初期化を行うメンバ関数
//****************************************************************
HRESULT LAMBERT1::Load()
{
HRESULT hr;
D3DCAPS9 caps;
//ハードウェアがサポートするバーテックスシェーダーとピクセルシェーダーのバージョンをチェックする
m_pd3dDevice->GetDeviceCaps( &caps );
if( caps.VertexShaderVersion >= D3DVS_VERSION( 1, 1 ) && caps.PixelShaderVersion >= D3DPS_VERSION( 1, 1 ) )
{
LPD3DXBUFFER pErr = NULL;
//fxファイルをロードし、シェーダーの準備を行う。他にobjファイルをロードしたり、ヘッダファイルをインクルードする方法もある。
//隠蔽性を考慮するとobjファイルやヘッダファイルを使用する方法がよりベター。
hr = D3DXCreateEffectFromFile( m_pd3dDevice, _T("Lambert1.fx"), NULL, NULL, 0, NULL, &m_pEffect, &pErr );
if( SUCCEEDED( hr ) )
{
//fxファイル内で宣言している変数のハンドルを取得する
m_pTechnique = m_pEffect->GetTechniqueByName( "TShader" );
m_pWVP = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_WVP" );
m_pLightDir = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_LightDir" );
m_pAmbient = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Ambient" );
m_pEffect->SetTechnique( m_pTechnique );
}
else
return -1;
}
else
return -2;
return S_OK;
}
//****************************************************************
//シェーダー処理を開始する
//****************************************************************
void LAMBERT1::Begin()
{
if( m_pEffect )
{
m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_VIEW, &m_matView );
m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_PROJECTION, &m_matProj );
m_pEffect->Begin( NULL, 0 );
}
}
//****************************************************************
//パス０を開始する
//****************************************************************
void LAMBERT1::BeginPass()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->BeginPass( 0 );
}
}
//****************************************************************
//環境光を設定する。
//****************************************************************
void LAMBERT1::SetAmbient( float Ambient )
{
//シェーダーが使用できるとき
if( m_pEffect )
{
D3DXVECTOR4 A;
A = D3DXVECTOR4( Ambient, Ambient, Ambient, 1.0f );
m_pEffect->SetVector( m_pAmbient, &A );
}
//シェーダーが使用できないときは、固定機能パイプラインのマテリアルを設定する。(注意３)
else
{
D3DMATERIAL9 old_material;
m_pd3dDevice->GetMaterial( &old_material );
old_material.Ambient.r = Ambient;
old_material.Ambient.g = Ambient;
old_material.Ambient.b = Ambient;
old_material.Ambient.a = 1.0f;
m_pd3dDevice->SetMaterial( &old_material );
}
}
//****************************************************************
//環境光を設定する。
//****************************************************************
void LAMBERT1::SetAmbient( D3DXVECTOR4* pAmbient )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->SetVector( m_pAmbient, pAmbient );
//シェーダーが使用できないときは、固定機能パイプラインのマテリアルを設定する
else
{
D3DMATERIAL9 old_material;
m_pd3dDevice->GetMaterial( &old_material );
old_material.Ambient.r = pAmbient->x;
old_material.Ambient.g = pAmbient->y;
old_material.Ambient.b = pAmbient->z;
old_material.Ambient.a = pAmbient->w;
m_pd3dDevice->SetMaterial( &old_material );
}
}
//****************************************************************
//ワールド座標系の行列変換マトリックスを設定する。
//****************************************************************
void LAMBERT1::SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pLightDir )
{
if( m_pEffect )
{
D3DXMATRIX m, m1;
D3DXVECTOR4 LightDir;
D3DXVECTOR4 v;
//ワールド × ビュー × 射影
m = (*pMatWorld) * m_matView * m_matProj;
m_pEffect->SetMatrix( m_pWVP, &m );
//平行光源の方向ベクトルを設定する
LightDir = *pLightDir;
D3DXMatrixInverse( &m1, NULL, pMatWorld );
D3DXVec4Transform( &v, &LightDir, &m1 );
//正規化する
D3DXVec3Normalize( (D3DXVECTOR3*)&v, (D3DXVECTOR3*)&v );
m_pEffect->SetVector( m_pLightDir, &v );
}
//シェーダーが使用できないときは、固定機能パイプラインのマトリックスを設定する
else
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, pMatWorld );
}
//****************************************************************
//パスが開始されているときに発生したステートの変更を、レンダリング前にデバイスに通知する
//****************************************************************
void LAMBERT1::CommitChanges()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->CommitChanges();
}
//****************************************************************
//パスを終了する
//****************************************************************
void LAMBERT1::EndPass()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->EndPass();
}
}
//****************************************************************
//シェーダー処理を終了する
//****************************************************************
void LAMBERT1::End()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->End();
}
}
//****************************************************************
//シェーダーが使用できるか
//****************************************************************
BOOL LAMBERT1::IsOK()
{
if( m_pEffect )
return TRUE;
return FALSE;
}
シェーダーを制御するクラスです。
(注意３) すべての環境でシェーダーが使用できるとは限らないので、多くの環境で実行できるように代わりの手段を用意しておくことはよいことです。特に同人ゲームの場合 プレーヤーは手軽さを要求する場合が多いと思われるため、使用しているPCがハイスペックでない場合が多いかもしれません。
(注意４) 照明の方向ベクトルにワールド座標系のマトリックスの逆行列を適応してます。この処理は(注意２)の処理と絡んできます。 つまり、オブジェクトの法線ベクトルを行列変換しない代わりに照明に逆行列を適応するわけです。 なんでこんなことするのかというと、最適化のためです。シェーダーは頂点単位またはピクセル単位で処理を行うため処理が重くなる場合が多いため、できうる限り最適化する必要があります。
---Main.cpp---
LPDIRECT3D9 m_pdirect3d9 = NULL;
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice = NULL;
D3DPRESENT_PARAMETERS m_d3dParameters;
D3DCAPS9 Caps;
//シーンのメッシュ
//DirectX SDK(December 2004) に添付されているDXUTMesh.cppファイルにあるヘルパークラス群
CDXUTMesh* m_pMeshBack = NULL;
//ランバート拡散照明シェーダークラスの宣言
LAMBERT1* m_pLambert1 = NULL;
//スクリーンの解像度
UINT nWidth = 1024;
UINT nHeight = 768;
//太陽の位置ベクトル
//光源の位置はカメラの視線方向にある
D3DXVECTOR4 LightPos = D3DXVECTOR4( 0.0f, 40.0f, -70.0f, 1.0f );
//平行光源の光の方向ベクトル
D3DXVECTOR4 LightDir;
//視点の位置ベクトル
D3DXVECTOR4 EyePos = D3DXVECTOR4( 0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f );
bool RenderOK = false;
int APIENTRY WinMain( HINSTANCE hInstance,
HINSTANCE /*hPrevInstance*/,
LPSTR /*lpCmpLine*/,
INT /*nCmdShow*/)
{
char* AppName = "Tutrial";
MSG msg;
ZeroMemory(&msg, sizeof(MSG));
HWND hWnd = NULL;
WNDCLASSEX wc;
wc.cbSize = sizeof(WNDCLASSEX);
wc.style = CS_VREDRAW | CS_HREDRAW;
wc.lpfnWndProc = (WNDPROC)WndProc;
wc.cbClsExtra = 0;
wc.cbWndExtra = sizeof(DWORD);
wc.hCursor = LoadCursor(NULL, IDC_ARROW);
wc.hIcon = NULL;
wc.hIconSm = NULL;
wc.lpszMenuName = NULL;
wc.lpszClassName = AppName;
wc.hbrBackground = (HBRUSH)GetStockObject( BLACK_BRUSH );
wc.hInstance = hInstance;
::RegisterClassEx(&wc);
//****************************************************************
//ここでウィンドウの作成処理
//****************************************************************
//****************************************************************
//ここでDirect3Dの初期化を行う。
//****************************************************************
m_pd3dDevice->GetDeviceCaps(&Caps);
//ランバート拡散照明シェーダークラスの初期化
m_pLambert1 = new LAMBERT1( m_pd3dDevice );
m_pLambert1->Load();
//メッシュのロード
//背景
m_pMeshBack = new CDXUTMesh();
m_pMeshBack->Create( m_pd3dDevice, _T("res\\back.x") );
m_pMeshBack->SetFVF( m_pd3dDevice, D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1 );
//平行光源の位置ベクトルから方向ベクトルを計算する
LightDir = D3DXVECTOR4( -LightPos.x, -LightPos.y, -LightPos.z, 0.0f );
D3DXVec3Normalize( (D3DXVECTOR3*)&LightDir, (D3DXVECTOR3*)&LightDir );
RenderOK = true;
//デバイス消失後にリストアする必要があるオブジェクトの初期化
Restore();
::ShowWindow(hWnd, SW_SHOW);
::UpdateWindow(hWnd);
do
{
if( ::PeekMessage( &msg, 0, 0, 0, PM_REMOVE ) )
{
::TranslateMessage(&msg);
::DispatchMessage(&msg);
}
else
{
if( MainLoop(hWnd) == FALSE )
::DestroyWindow( hWnd );
}
}while( msg.message != WM_QUIT );
::UnregisterClass( AppName, hInstance );
return msg.wParam;
}
//デバイスのリセット前に開放すべきオブジェクト
void Invalidate()
{
m_pLambert1->Invalidate();
}
//デバイスのリセット後に初期化すべきオブジェクト
void Restore()
{
m_pLambert1->Restore();
//固定機能パイプラインライティングを設定する
D3DLIGHT9 Light;
ZeroMemory(&Light, sizeof(D3DLIGHT9));
Light.Type = D3DLIGHT_DIRECTIONAL;
Light.Direction = D3DXVECTOR3( LightDir.x, LightDir.y, LightDir.z );
Light.Ambient = D3DXCOLOR( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f );
Light.Diffuse = D3DXCOLOR( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f );
Light.Specular = D3DXCOLOR( 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f );
m_pd3dDevice->SetLight(0, &Light);
m_pd3dDevice->LightEnable(0, TRUE);
D3DMATERIAL9 Material;
ZeroMemory( &Material, sizeof( Material ) );
Material.Diffuse.r = 1.0f;
Material.Diffuse.g = 1.0f;
Material.Diffuse.b = 1.0f;
Material.Diffuse.a = 1.0f;
m_pd3dDevice->SetMaterial( &Material );
}
BOOL MainLoop()
{
HRESULT hr;
//レンダリング不可能
if( RenderOK == false )
{
hr = m_pd3dDevice->TestCooperativeLevel();
switch( hr )
{
//デバイスは消失しているがReset可能
case D3DERR_DEVICENOTRESET:
//開放
Invalidate();
//デバイスをリセットする
hr = m_pd3dDevice->Reset( &m_d3dParameters );
switch( hr )
{
//デバイスロスト
case D3DERR_DEVICELOST:
break;
//内部ドライバーエラー
case D3DERR_DRIVERINTERNALERROR:
return FALSE;
break;
//メソッドの呼び出しが無効です
case D3DERR_INVALIDCALL:
return FALSE;
break;
case S_OK:
//初期化
Restore();
RenderOK = true;
}
break;
}
}
//レンダリング可能
else
{
//****************************************************************
//シーンのクリア
//****************************************************************
m_pd3dDevice->Clear( 0L,
NULL,
D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,
0x0,
1.0f,
0L );
m_pd3dDevice->BeginScene();
//各種行列変換
D3DXMATRIX matProj, matView, matWorld;
D3DXMatrixPerspectiveFovLH( &matProj,
D3DX_PI/4.0f,
4.0f / 3.0f,
0.1f,
100.0f );
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_PROJECTION, &matProj );
D3DXMatrixIdentity( &matView );
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_VIEW, &matView );
D3DXMatrixIdentity( &matWorld );
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, &matWorld );
//****************************************************************
//ランバートシェーダー処理
//****************************************************************
//シェーダーを開始する
m_pLambert->Begin();
//ワールド座標系のマトリックスと照明の方向ベクトルを格納する
m_pLambert->SetMatrix( &matWorld, &LightDir );
//環境光の設定
m_pLambert->SetAmbient( 0.2f );
//デカールテクスチャーをセット
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshSun->m_pTextures[0] );
//パスの開始
m_pLambert->BeginPass();
//メッシュをレンダリング
m_pMeshBack->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
m_pLambert->EndPass();
m_pLambert->End();
m_pd3dDevice->EndScene();
hr = m_pd3dDevice->Present( NULL, NULL, NULL, NULL );
//デバイスロストのチェック
switch( hr )
{
//デバイスロスト
case D3DERR_DEVICELOST:
RenderOK = false;
break;
//内部ドライバーエラー
case D3DERR_DRIVERINTERNALERROR:
return FALSE;
break;
//メソッドの呼び出しが無効です
case D3DERR_INVALIDCALL:
return FALSE;
break;
}
}
return TRUE;
}
特に解説することもないです。