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