Microsoft Visual Studio .NET 2003
 Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004)
 シェーダーモデル 2.0

■距離フォグ Prev  Top  Next
関連ページ:ランバート拡散照明

2009/01/10: デバイスロスト対応
2009/01/10: 自己発光をはずす
2009/03/23: シェーダー内の条件文をはずす

ドメイン

今回はシェーダーを使用したフォグ(霧)です。


こんな感じになります。奥にいくにつれて地面が白くなっていくのが確認できると思います。まあいろんなゲームでやってますね。

---DistanceFog.fx---


float4x4 m_WVP;                     //ワールド × ビュー × 遠近射影
float4 m_LightDir;                  //平行光源の方向ベクトル
float4 m_EyePos;                    //視点
float4 m_Ambient = 0.0f;            //環境光
//float4 m_Emissive = 0.0f;           //自己発光

float4 m_FogColor;                  //フォグカラー
float  m_Near   = 0.0f;             //フォグの開始位置
float  m_Far    = 1.0f;             //フォグの終了位置
//float  m_FogLen = 1.0f;             //m_Far - m_Nearの結果

sampler tex0 : register(s0);

struct VS_OUTPUT
{
   float4 Pos    : POSITION;
   float4 Col    : COLOR0;
   float2 Tex    : TEXCOORD0;
   float4 PosWVP : TEXCOORD1;
};
VS_OUTPUT VS( float4 Pos     : POSITION,
              float4 Normal  : NORMAL,
              float2 Tex     : TEXCOORD0 )
{
   VS_OUTPUT Out;
   
   Out.Pos    = mul( Pos, m_WVP );

   float3 L = -m_LightDir.xyz;   
   float3 N = normalize( Normal.xyz );
//   Out.Col = max( m_Ambient, dot(N, L) ) + m_Emissive;
   Out.Col = max( m_Ambient, dot(N, L) );

   Out.Tex    = Tex;

   Out.PosWVP = Pos;

   return Out;
}

float4 PS( VS_OUTPUT In ) : COLOR0
{  
   float4 Out;
   
   //頂点と視点との距離を計算する
   float d = distance( In.PosWVP.xyz, m_EyePos.xyz );

/*
   if( d < m_Near )
      d = 0.0f;
   else if( d > m_Far )
      d = 1.0f;
   else
      d = ( d - m_Near ) / ( m_FogLen );

   //オブジェクトのランバート拡散照明の計算結果とフォグカラーを線形合成する
   Out = In.Col * tex2D( tex0, In.Tex ) * ( 1.0f - d ) + m_FogColor * d;
*/
   float f = ( m_Far - d ) / ( m_Far - m_Near );
   f = clamp( f, 0.0f, 1.0f );
   //オブジェクトのランバート拡散照明の計算結果とフォグカラーを線形合成する
   Out = In.Col * tex2D( tex0, In.Tex ) * f + m_FogColor * ( 1.0f - f );

   return Out;
}

technique TShader
{
   pass P0
   {
      VertexShader = compile vs_1_1 VS();
      PixelShader  = compile ps_2_0 PS();
   }     
}

フォグカラーを計算します。フォグカラーは、視点とオブジェクトの頂点の距離を計算し、遠くなるほどフォグが強くかかるようにします。 そして計算したフォグカラーとランバート拡散照明で計算したカラーを線形合成します。

---FogShader.h---


class FOG_SHADER1
{
private:
   LPD3DXEFFECT m_pEffect;
//   D3DXHANDLE m_pTechnique, m_pWVP, m_pLightDir, m_pEyePos, m_pAmbient, m_pFogColor, m_pNear, m_pFar, m_pFogLen;
   D3DXHANDLE m_pTechnique, m_pWVP, m_pLightDir, m_pEyePos, m_pAmbient, m_pFogColor, m_pNear, m_pFar;
   D3DXMATRIX m_matView, m_matProj;
   LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice;

public:
   FOG_SHADER1( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
   ~FOG_SHADER1();
   void Invalidate();
   void Restore();
   HRESULT Load();
   void Begin();
   void BeginPass( BYTE Pass );
   void SetAmbient( float Ambient );
   void SetAmbient( D3DXVECTOR4* pAmbient );
   void SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pCameraPos, D3DXVECTOR4* pLightDir );
   void SetParameters( float Near, float Far );
   void SetFogColor( D3DXVECTOR4* pFogColor );
   void SetFogColor( float FogColor );
   void CommitChanges();
   void EndPass();
   void End();
   BOOL IsOK();
   LPD3DXEFFECT GetEffect(){ return m_pEffect; };
};

---FogShader.cpp---


FOG_SHADER1::FOG_SHADER1( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice )
{
   m_pd3dDevice = pd3dDevice;
   m_pEffect = NULL;
}

FOG_SHADER1::~FOG_SHADER1()
{
   //SafeReleaseは関数ではなくマクロ
   //#define SafeRelease(x) { if(x) { (x)->Release(); (x)=NULL; } }
   SafeRelease( m_pEffect );
}

void FOG_SHADER1::Invalidate()
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->OnLostDevice();
}

void FOG_SHADER1::Restore()
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->OnResetDevice();
}

HRESULT FOG_SHADER1::Load()
{
   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( 2, 0 ) )
   {
      LPD3DXBUFFER pErr = NULL;

      HRESULT hr = D3DXCreateEffectFromFile( m_pd3dDevice, _T("DistanceFog.fx"), NULL, NULL, 0, NULL, &m_pEffect, &pErr );
      if( SUCCEEDED( hr ) )
      {
         m_pTechnique = m_pEffect->GetTechniqueByName( "TShader" );
         m_pWVP       = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_WVP" );
         m_pLightDir  = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_LightDir" );
         m_pEyePos    = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_EyePos" );
         m_pAmbient   = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Ambient" );
//         m_pEmissive  = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Emissive" );
         m_pFogColor  = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_FogColor" );
         m_pNear      = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Near" );
         m_pFar       = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Far" );
//         m_pFogLen    = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_FogLen" );

         m_pEffect->SetTechnique( m_pTechnique );   
      }

      else
      {
         return -1;
      }
   }

   else
   {
      return -2;
   }

   return S_OK;

}

//フォグの範囲を設定する。
void FOG_SHADER1::SetParameters( float Near, float Far )
{
   if( m_pEffect )
   {
      m_pEffect->SetFloat( m_pNear  , Near );
      m_pEffect->SetFloat( m_pFar   , Far );
//      m_pEffect->SetFloat( m_pFogLen, Far - Near );
   }
}

//フォグのカラーを設定する
void FOG_SHADER1::SetFogColor( float FogColor )
{
   if( m_pEffect )
   {
      D3DXVECTOR4 A;
      A = D3DXVECTOR4( FogColor, FogColor, FogColor, 1.0f );
      m_pEffect->SetVector( m_pFogColor, &A );
   }
}

//フォグのカラーを設定する
void FOG_SHADER1::SetFogColor( D3DXVECTOR4* pFogColor )
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->SetVector( m_pFogColor, pFogColor );
}

void FOG_SHADER1::Begin()
{
   if( m_pEffect )
   {
      m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_VIEW, &m_matView );
      m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_PROJECTION, &m_matProj );

      m_pEffect->Begin( NULL, 0 );
   }
}

void FOG_SHADER1::BeginPass( BYTE Pass )
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->BeginPass( Pass );   
}

void FOG_SHADER1::SetAmbient( float Ambient )
{
   if( m_pEffect )
   {
      D3DXVECTOR4 A;
      A = D3DXVECTOR4( Ambient, Ambient, Ambient, 1.0f );
      m_pEffect->SetVector( m_pAmbient, &A );
   }

   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 );
   }
}

void FOG_SHADER1::SetAmbient( D3DXVECTOR4* pAmbient )
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->SetVector( m_pAmbient, pAmbient );

   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 );
   }
}
/*
void FOG_SHADER1::SetEmissive( float Emissive )
{
   if( m_pEffect )
   {
      D3DXVECTOR4 A;
      A = D3DXVECTOR4( Emissive, Emissive, Emissive, 1.0f );
      m_pEffect->SetVector( m_pEmissive, &A );
   }

   else
   {
      D3DMATERIAL9 old_material;
      m_pd3dDevice->GetMaterial( &old_material );
      old_material.Emissive.r = Emissive;
      old_material.Emissive.g = Emissive;
      old_material.Emissive.b = Emissive;
      old_material.Emissive.a = 1.0f;
      m_pd3dDevice->SetMaterial( &old_material );
   }
}

void FOG_SHADER1::SetEmissive( D3DXVECTOR4* pEmissive )
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->SetVector( m_pEmissive, pEmissive );

   else
   {
      D3DMATERIAL9 old_material;
      m_pd3dDevice->GetMaterial( &old_material );
      old_material.Emissive.r = pEmissive->x;
      old_material.Emissive.g = pEmissive->y;
      old_material.Emissive.b = pEmissive->z;
      old_material.Emissive.a = pEmissive->w;
      m_pd3dDevice->SetMaterial( &old_material );
   }
}
*/
void FOG_SHADER1::SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pCameraPos, D3DXVECTOR4* pLightDir )
{
   if( m_pEffect )
   {
      D3DXMATRIX m, m1;
      D3DXVECTOR4 LightDir;
      D3DXVECTOR4 v;

      m = (*pMatWorld) * m_matView * m_matProj;
      m_pEffect->SetMatrix( m_pWVP, &m );

      //カメラ位置
      m1 = (*pMatWorld) * m_matView;
      D3DXMatrixInverse( &m1, NULL, &m1 );
      D3DXVec4Transform( &v, pCameraPos, &m1 );
      m_pEffect->SetVector( m_pEyePos, &v );

      //ライトの方向ベクトル
      LightDir = *pLightDir;
      D3DXMatrixInverse( &m1, NULL, pMatWorld );
      D3DXVec4Transform( &v, &LightDir, &m1 );
      D3DXVec4Normalize( &v, &v );
      m_pEffect->SetVector( m_pLightDir, &v );
   }

   else
      m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, pMatWorld );
}

void FOG_SHADER1::CommitChanges()
{
   if(  m_pEffect )
      m_pEffect->CommitChanges();
}

void FOG_SHADER1::EndPass()
{
   if(  m_pEffect )
      m_pEffect->EndPass();
}

void FOG_SHADER1::End()
{
   if(  m_pEffect )
      m_pEffect->End();
}

BOOL FOG_SHADER1::IsOK()
{
   if(  m_pEffect )
      return TRUE;

   return FALSE;
}

距離フォグシェーダーを制御するクラスです。ランバート拡散照明をベースにしてちょこっと修正した程度です。簡単ですな。

---Main.cpp---


LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice              = NULL;
D3DPRESENT_PARAMETERS m_d3dParameters;

//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;

//距離フォグシェーダークラスの宣言
FOG_SHADER1* m_pFogShader1                  = NULL;

//バックバッファの解像度
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( 100.0f, 100.0f, -100.0f, 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。
   //****************************************************************

   
   //メッシュの初期化
   m_pMeshBack = new CDXUTMesh();
   m_pMeshBack->Create( m_pd3dDevice, _T("res\\01.x") );
   m_pMeshBack->SetFVF( m_pd3dDevice, D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1 );

   //距離フォグシェーダークラスの初期化
   m_pFogShader1 = new FOG_SHADER1( m_pd3dDevice );
   m_pFogShader1->Load();
   
   //フォグの開始位置と終了位置を設定する
   m_pFogShader1->SetParameters( 60.0f, 70.0f );

   //フォグの色を設定する
   m_pFogShader1->SetFogColor( 1.0f );

   LightDir = D3DXVECTOR4( -LightPos.x, -LightPos.y, -LightPos.z, 0.0f );
   D3DXVec3Normalize( (D3DXVECTOR3*)&LightDir, (D3DXVECTOR3*)&LightDir );

   RenderOK = true;

   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_pFogShader1->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_pFogShader1->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
   {
      m_pd3dDevice->Clear( 0L, NULL,
                           D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,
                           0x0, 
                           1.0f,
                           0L);
   
      m_pd3dDevice->BeginScene();
   
      D3DXMATRIX matProj, matView, matWorld;
   
      //射影座標変換
      D3DXMatrixPerspectiveFovLH( &matProj,
                                  D3DX_PI/4.0f,
                                  4.0f / 3.0f,
                                  0.1f,
                                  210.0f );
      m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_PROJECTION, &matProj );
   
      //ビュー座標変換
      D3DXMatrixIdentity( &matView );
      m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_VIEW, &matView );
         
      //ワールド座標変換
      D3DXMatrixTranslation( &matWorld, 0.0f, -20.0f, 20.0f );
      m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, &matWorld );
   
      m_pFogShader1->Begin();
      m_pFogShader1->SetAmbient( 0.0f );
      m_pFogShader1->SetMatrix( &matWorld, &EyePos, &LightDir );
      m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshBack->m_pTextures[0] );
      m_pFogShader1->BeginPass(0);
      m_pMeshBack->m_pLocalMesh->DrawSubset(0);
      m_pFogShader1->EndPass();
      m_pFogShader1->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;
}

}

ランバート拡散照明をベースにしてちょこっと修正した程度なので説明は特にいらないと思います。

ああそうそう、タイトルで距離フォグとしてるのはカメラ位置と頂点の座標の距離によってフォグの強さを計算しているからです。 他にも頂点のZ値によってフォグの強さを計算する方法もありますが(Z値フォグ)、この方法ではフォグの強さが正しく計算されないことがあります。 しかし距離を計算する必要がなくなるため負荷は若干軽くなるという利点もあります。状況によって使い分けるのがよいでしょう。(ってZ値フォグ解説してないし。まあ改造は難しくないので大丈夫でしょう。)

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