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

■トゥーンシェーダー Prev  Top  Next
関連ページ:ハーフランバートシェーダー

2008/12/31: デバイスロスト対応

ドメイン

今回は、トゥーンシェーダーです。名前は知らなくても画像は一度は見たことあると思います。


これです。いわゆるアニメ調シェーダーです。アニメ文化である日本では 最もなじみある表現方法のひとつではないでしょうか。実際これを使用したゲーム多いですしね。 しかし、3Dをアニメで表現しようだなんて面白いこと考える人がいますな。 やってることは単純なんですが。

トゥーンシェーダーの概念は次のようになります。
1.ライティングによりオブジェクトの光の反射率を計算します。
2.1の計算結果をトゥーンマップのテクセルのU成分とし、トゥーンマップの色情報を取得します。
3.2の色情報を実際のオブジェクトの光の反射率とします。

以上です。


これがトゥーンマップの例です。ライティング計算の結果、陰となった部分は光の反射率が小さくなります。 この値でトゥーンマップのU成分を参照すると左側を参照することになります。 このような感じに計算を行っていくと最終的に光の反射率を3段階に分割することができます。 これでアニメ調でシェーディングできます。

ではソースを見ていきます。まずシェーダー本体です。

---ToonShader.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
sampler tex1 : register(s1);      //トゥーンマップテクスチャー

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;
   
   //ハーフランバート拡散照明によるライティング計算
   float p = dot(In.Normal, -m_LightDir.xyz);
   p = p * 0.5f + 0.5;
   p = p * p;
   
   //****************************************************************
   //トゥーンシェーダー処理
   //****************************************************************
   //色情報をテクセルのU成分とし、トゥーンマップテクスチャーから光の反射率を取得する
   float4 Col = tex2D( tex1, float2( p, 0.0f ) );
   
   //色情報を格納する
   Out = Col * tex2D( tex0, In.Tex );
      
   return Out;
}

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

光の反射率の計算はハーフランバートシェーダーです。 この計算結果をもとにトゥーンシェーダーでの光の反射率を取得します。

---Lambert.h---


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

public:
   TOON_SHADER( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
   ~TOON_SHADER();
   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---


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

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

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

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

HRESULT TOON_SHADER::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("ToonShader.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 TOON_SHADER::Begin()
{
   if(  m_pEffect )
   {
      m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_VIEW, &m_matView );
      m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_PROJECTION, &m_matProj );
      m_pEffect->Begin( NULL, 0 );
   }
}

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

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

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

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

   return FALSE;
}

トゥーンシェーダークラスです。

---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;
CDXUTMesh* m_pMeshObj = NULL;

//トゥーンシェーダーの宣言
TOON_SHADER* m_pToonShader = NULL;

//トーンマップテクスチャー
LPDIRECT3DTEXTURE9 m_pToonMap = NULL;

D3DXVECTOR4 LightPos = D3DXVECTOR4( 0.0f, 40.0f, -70.0f, 1.0f );
D3DXVECTOR4 LightDir;
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。
   //****************************************************************


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

   m_pMeshObj = new CDXUTMesh();
   m_pMeshObj->Create( m_pd3dDevice, _T("res\\tiger.x") );
   m_pMeshObj->SetFVF( m_pd3dDevice, D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1 );

   //トゥーンシェーダークラスの初期化
   m_pToonShader = new TOON_SHADER( m_pd3dDevice );
   m_pToonShader->Load();

   D3DXCreateTextureFromFileEx( m_pd3dDevice,
                                _T("res\\ToonMap.bmp"),         //トゥーンマップテクスチャーファイル名
                                D3DX_DEFAULT,                  
                                D3DX_DEFAULT,                  
                                1,                              
                                0,   
                                D3DFMT_UNKNOWN,
                                D3DPOOL_MANAGED,
                                D3DX_DEFAULT,
                                D3DX_DEFAULT,
                                0x0,
                                NULL,
                                NULL,
                                &m_pToonMap );


   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_pToonShader->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_pToonShader->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 );
      
      //背景を固定機能パイプラインでレンダリング
      m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshBack->m_pTextures[0] );
      m_pMeshBack->m_pLocalMesh->DrawSubset(0);
      
      m_pToonShader->Begin();
      m_pToonShader->SetAmbient( 0.05f );
      m_pToonShader->SetMatrix( &matWorld, &LightDir );
      
      //オブジェクトのテクスチャーをステージ0にセットする
      m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshObj->m_pTextures[0] );
      
      //トゥーンマップテクスチャーをステージ1にセットする
      m_pd3dDevice->SetTexture( 1, m_pToonMap );
      
      m_pToonShader->BeginPass();            
                  
      m_pMeshObj->m_pLocalMesh->DrawSubset(0);
         
      m_pToonShader->EndPass();
      m_pToonShader->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。

さて今回のトゥーンシェーダーですが、トゥーンマップしだいでさまざまな表現が可能です。いろいろやってみてください。

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