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■ハーフランバートシェーダー	Prev　　Top　　Next
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2008/12/30: デバイスロスト対応

ドメイン

今回も、GameWatchネタです。「Team Fortress 2」というゲームで使用されている技術らしいです。 親切なことに計算方法も解説してます。したがって今回はまんまパクリです。最も前回もそれに近かったですが。

さてハーフランバートですが、こんな画像になります。

　　
左がこれまで使用していたランバート拡散照明で、右がハーフランバートシェーダーです。トラのお尻と腹の部分が陰となりますが、ハーフランバートシェーダーをＯＦＦにした レンダリングでは均一に暗くなっています。それに対しハーフランバートシェーダーをＯＮにすると陰の部分にも明暗のグラデーションが生じ 表現力が格段に向上したのが確認できると思います。ランバート拡散照明の場合、法線ベクトルとライトベクトルの内積が負の場合を陰の部分とし、 均一に環境光で置き換えていたので陰の部分が均一になっていました。それに対し、ハーフランバートシェーダーは、法線ベクトルとライトベクトルの内積を -1.0f 〜 1.0f を 0.0f 〜 1.0f に変換するために陰部分にもグラデーションを生じさせることができます。

ではソースを見ていきます。まずシェーダー本体です。

---HalfLambert.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

sampler tex0 : register(s0);      //オブジェクトのテクスチャー

struct VS_OUTPUT
{
   float4 Pos    : POSITION;
   float2 Tex    : TEXCOORD0;
   float3 Normal : TEXCOORD1;
};

VS_OUTPUT VS( float4 Pos    : POSITION,
              float4 Normal : NORMAL,
              float2 Tex    : TEXCOORD0 )
{
   VS_OUTPUT Out;
   
   Out.Pos    = mul( Pos, m_WVP );
   Out.Tex    = Tex;
   
   Out.Normal = normalize( Normal.xyz );
      
   return Out;
}

float4 PS( VS_OUTPUT In ) : COLOR0
{ 
   float4 Out;
   float p = dot(In.Normal, -m_LightDir.xyz);
   p = p * 0.5f + 0.5;
   p = p * p;

   Out = p * tex2D( tex0, In.Tex );
      
   return Out;
}

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

今回は法線ベクトルとライトベクトルの内積の計算をピクセルシェーダーで行いました。 シェーダー側でシェーディングを制御するのでアプリケーション側ではレンダーステートをフラットシェードに設定してください。

---Lambert.h---

class HALF_LAMBERT
{
private:
   LPD3DXEFFECT m_pEffect;
   D3DXHANDLE m_pTechnique, m_pWVP, m_pLightDir;
   D3DXMATRIX m_matView, m_matProj;
   LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice;

public:
   HALF_LAMBERT( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
   ~HALF_LAMBERT();
   void Invalidate();
   void Restore();
   HRESULT Load();
   void Begin();
   void BeginPass();
   void SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pLightDir );
   void SetAmbient( float Ambient );
   void SetAmbient( D3DXVECTOR4* pAmbient );
   void CommitChanges();
   void EndPass();
   void End();
   BOOL IsOK();
   LPD3DXEFFECT GetEffect(){ return m_pEffect; };
};

---Lambert.cpp---

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

HALF_LAMBERT::~HALF_LAMBERT()
{
   SafeRelease( m_pEffect );
}

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

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

HRESULT HALF_LAMBERT::Load()
{
   D3DCAPS9 caps;

   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("HalfLambert.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_pEffect->SetTechnique( m_pTechnique );   
      }

      else
      {
         return -1;
      }
   }

   else
   {
      return -2;
   }

   return S_OK;
}

void HALF_LAMBERT::Begin()
{
   if(  m_pEffect )
   {
      m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_VIEW, &m_matView );
      m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_PROJECTION, &m_matProj );
      m_pEffect->Begin( NULL, 0 );
   }
}

void HALF_LAMBERT::BeginPass()
{
   if( m_pEffect )
   {
      m_pEffect->BeginPass(0);      
   }
}

//シェーダー内では環境光は使用しないが、シェーダーが使用できない環境では
//固定機能パイプラインライティングを使用するので設定しておく
void HALF_LAMBERT::SetAmbient( float Ambient )
{
   if( m_pEffect == NULL )
   {
      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 );
   }
}

//シェーダー内では環境光は使用しないが、シェーダーが使用できない環境では
//固定機能パイプラインライティングを使用するので設定しておく
void HALF_LAMBERT::SetAmbient( D3DXVECTOR4* pAmbient )
{
   if( m_pEffect == NULL )
   {
      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 );
   }
}

//ローカル座標系
void HALF_LAMBERT::SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pLightDir )
{
   if( m_pEffect )
   {
      D3DXMATRIX m, m1;
      D3DXVECTOR4 LightDir;
      D3DXVECTOR4 v;

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

      //Light
      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 HALF_LAMBERT::CommitChanges()
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->CommitChanges();
}

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

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

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

   return FALSE;
}

---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;
CDXUTMesh* m_pMeshTiger = NULL;

//ハーフランバートシェーダークラスの宣言
HALF_LAMBERT* m_pHalfLambert = 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_pHalfLambert = new HALF_LAMBERT( m_pd3dDevice );
   m_pHalfLambert->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 );

   //トラ
   m_pMeshTiger = new CDXUTMesh();
   m_pMeshTiger->Create( m_pd3dDevice, _T("res\\tiger.x") );
   m_pMeshTiger->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_pHalfLambert->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_pHalfLambert->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 );
}

//メッセージループからコールされる関数
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,
                                  11.0f,
                                  220.0f );
      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
      D3DXMatrixIdentity( &matWorld );
      m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, &matWorld );
   
      m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
      m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
      m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE );
                  
      m_pHalfLambert->Begin();
      m_pHalfLambert->SetAmbient( 0.05f );
      m_pHalfLambert->SetMatrix( &matWorld, &LightDir );
      m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshBack->m_pTextures[0] );  
      
      //背景をレンダリング
      m_pHalfLambert->BeginPass();
      m_pMeshBack->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
      m_pHalfLambert->EndPass();

      //トラをレンダリング
      m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshTiger->m_pTextures[0] );  
      m_pHalfLambert->BeginPass();
      m_pMeshTiger->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
      m_pHalfLambert->EndPass();
      
      m_pHalfLambert->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;
}

以上です。

固定機能パイプラインライティングの設定方法を一応のせときます。

さて、今回のシェーダーは簡単なわりに強力です。陰に表現力がついたためやわらかい光の感じが出るようになりました。 物理学的には正しくないのですが、より自然な感じになります。ただし、ランバート拡散照明はいらなくなるというわけではなく、 照明が１つのみの場合では陰部分は真っ黒になるので、この場合はランバート拡散照明を使用したほうがよいと思います。 シーンのライトの設定によって使い分けてください。