Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004)
シェーダーモデル 3.0
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Microsoft Visual Studio .NET 2003 Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004) シェーダーモデル 3.0 |
| ■ディスプレースメントマッピング | Prev Top Next |
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今回はディスプレースメントマッピングをやりますが、最初に注意点です。これまではSM2.0で開発してきましたが、今回はSM3.0以上でないと動きません。 アセンブラを使用すればSM3.0を使用しなくてもできるらしいですが、自分アセンブラ知らないのでやりません。 アセンブラがわかるのであれば、今給黎氏の「DirectX 9 シェーダープログラミングブック」にアセンブラによる実装方法がのってるのでそちらを参照してください。
さて話を戻して、今回やるディスプレースメントマッピングは、前にやったバンプマッピング、および視差マッピングの強化版です。 バンプマッピング、視差マッピングはメッシュの形状を変形しないで、マテリアルに陰影づけすることにより凸凹を表現してきましたが、 ディスプレースメントマッピングは実際に頂点座標を移動させることにより凸凹を表現します。したがってメッシュの輪郭部分も きちんと凸凹になります。
右の画像がディスプレースメントマッピングです。輪郭が凸凹になっているのがわかると思います。
実装方法については頂点シェーダーでテクスチャーを参照して高さ情報を取得し、法線方向に頂点を移動することにより凸凹にするといったところです。
ではソースです。
---DisplacemantMap.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 = 1.0f; //環境光
float m_Specular = 0.0f; //スペキュラーの範囲
float m_SpecularPower = 0.0f; //スペキュラーの強度
float m_Height = 1.0f; //頂点の移動量の最大値
//メッシュのテクスチャー(注意１)
//sampler tex0 : register(s0);
texture m_Texture;
sampler TextureSampler = sampler_state
{
Texture = <m_Texture>;
MinFilter = LINEAR;
MagFilter = LINEAR;
MipFilter = LINEAR;
};
//ディスプレースメントマップ
//sampler tex1 : register(s1);
texture m_DisplacementMap;
sampler DisplacementMap = sampler_state
{
Texture = <m_DisplacementMap>;
MinFilter = Point;
MagFilter = Point;
MipFilter = None;
};
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos : POSITION;
float4 Col : COLOR0;
float2 Tex : TEXCOORD0;
float3 N : TEXCOORD1;
float3 L : TEXCOORD2;
float3 E : TEXCOORD3;
};
VS_OUTPUT VS( float4 Pos : POSITION,
float4 Normal : NORMAL,
float2 Tex : TEXCOORD0 )
{
VS_OUTPUT Out;
//オブジェクトの法線ベクトルを正規化する
Out.N = normalize( Normal.xyz );
//頂点シェーダーでテクスチャーを参照し高さ情報を取得し、法線方向に頂点を移動する(注意２)
float3 P = Pos.xyz + ( tex2Dlod( DisplacementMap, float4( Tex, 0, 1 ) ).r - 0.5f ) * m_Height * Out.N.xyz;
Out.Pos = mul( float4( P, 1.0f ), m_WVP );
Out.Tex = Tex;
//ライト方向で入力されるので、頂点 -> ライト位置とするために逆向きに変換する。なおアプリケーションで必ず正規化すること
Out.L = -m_LightDir.xyz;
//ライトベクトルと法線ベクトルの内積を計算し、計算結果の色の最低値を環境光( m_Ambient )に制限する
Out.Col = max( m_Ambient, dot( Out.N, Out.L ) );
//頂点 -> 視点 へのベクトルを計算
Out.E = m_EyePos.xyz - Pos.xyz;
return Out;
}
float4 PS( VS_OUTPUT In ) : COLOR
{
//スペキュラーの色を計算する
float3 N = normalize( In.N );
//頂点 -> ライト位置ベクトル + 頂点 -> 視点ベクトル
float3 H = normalize( In.L + normalize( In.E ) );
//スペキュラーカラーを計算する
float S = pow( max( 0.0f, dot( N, H ) ), m_Specular ) * m_SpecularPower;
//スペキュラーカラーを加算する
return In.Col * tex2D( TextureSampler, In.Tex ) + S;
}
technique TShader
{
pass P0
{
VertexShader = compile vs_3_0 VS(); //tex2Dlod()を使用するために3.0を使用する
PixelShader = compile ps_3_0 PS(); //3.0にすること(注意３)
}
}
ディスプレースメントマッピングのシェーダーです。
(注意１) サンプラーの宣言方法を変更しました。
以前の方法(コメント部分)ですとfxファイルのコンパイル時にエラーになります。
理由は不明ですが、SetSamplerState()による変更が必要なくなるのでこの方がいいのかもしれません(むしろこの方が一般的？)。
fxファイルのコンパイルではエラーにならないです。実行時エラーにもなりませんが、オブジェクトがなぜか凸凹になりません。
(注意２) 頂点の移動を行っています。重要なのはtex2Dlodという関数で、これにより頂点シェーダーからテクスチャーの情報を取得します。
tex2Dは使用できないようです。tex2Dlodは第２引数が float4 になっています。内訳は X、Y 成分にテクセル座標のＵＶ、W 成分にミップマップの詳細レベルを指定します。
今回はミップマップレベル１のテクスチャーを使用するので 1 といれとけばいいと思います。
途中の計算で0.5減算しているところがありますが、テクスチャーは正の値のみとなり 0.0f 〜 1.0f の範囲になるため -0.5f 〜 0.5f に置き換えます。まあメッシュをへこませる必要がないのであればいらないですけど。
(注意３) 最初でも書きましたがバージョンは [3.0] を指定してください。ピクセルシェーダーも [3.0] を指定しないと 実行時にエラーになるので [3.0] にしておいてください。fxファイルのコンパイルではエラーにならないです。
ライティングはフォンシェーディングを使用しています。これは既出なのでいいでしょう。
---DisplacemantMap.h---
class DISPLACEMENT_MAP
{
private:
LPD3DXEFFECT m_pEffect;
D3DXHANDLE m_pTechnique, m_pWVP, m_pLightDir, m_pEyePos, m_pAmbient, m_pSpecular, m_pSpecularPower, m_pHeight, m_pTexture, m_pDisplacementMap;
D3DXMATRIX m_matView, m_matProj;
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice;
public:
DISPLACEMENT_MAP( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
~DISPLACEMENT_MAP();
void Invalidate();
void Restore();
HRESULT Load();
void Begin();
void BeginPass( BYTE Pass );
void SetAmbient( float Ambient );
void SetAmbient( D3DXVECTOR4* pAmbient );
void SetSpecular( float Specular );
void SetSpecularPower( float SpecularPower );
void SetHeight( float Height );
void SetTexture( LPDIRECT3DBASETEXTURE9 pTexture, LPDIRECT3DBASETEXTURE9 pDisplacementMap );
void SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pCameraPos, D3DXVECTOR4* pLightDir );
void EndPass();
void End();
void CommitChanges();
BOOL IsOK();
LPD3DXEFFECT GetEffect(){ return m_pEffect; };
};
---DisplacemantMap.cpp---
DISPLACEMENT_MAP::DISPLACEMENT_MAP( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice )
{
m_pd3dDevice = pd3dDevice;
m_pEffect = NULL;
}
DISPLACEMENT_MAP::~DISPLACEMENT_MAP()
{
//SafeReleaseは関数ではなくマクロ
//#define SafeRelease(x) { if(x) { (x)->Release(); (x)=NULL; } }
SafeRelease( m_pEffect );
}
void DISPLACEMENT_MAP::Invalidate()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnLostDevice();
}
void DISPLACEMENT_MAP::Restore()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnResetDevice();
}
HRESULT DISPLACEMENT_MAP::Load()
{
D3DCAPS9 caps;
m_pd3dDevice->GetDeviceCaps( &caps );
if( caps.VertexShaderVersion >= D3DVS_VERSION( 3, 0 ) && caps.PixelShaderVersion >= D3DPS_VERSION( 3, 0 ) )
{
LPD3DXBUFFER pErr = NULL;
HRESULT hr = D3DXCreateEffectFromFile( m_pd3dDevice, _T("DisplacemantMap.fx"), NULL, NULL, 0, NULL, &m_pEffect, &pErr );
if( SUCCEEDED( hr ) )
{
//D3DXHANDLE変数の設定
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_pSpecularPower = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_SpecularPower" );
m_pSpecular = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Specular" );
m_pHeight = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Height" );
m_pTexture = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Texture" );
m_pDisplacementMap = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_DisplacementMap" );
m_pEffect->SetTechnique( m_pTechnique );
}
else
{
return -1;
}
}
else
{
return -2;
}
return S_OK;
}
void DISPLACEMENT_MAP::Begin()
{
if( m_pEffect )
{
m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_VIEW, &m_matView );
m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_PROJECTION, &m_matProj );
m_pEffect->Begin( NULL, 0 );
}
}
void DISPLACEMENT_MAP::BeginPass( BYTE Pass )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->BeginPass( Pass );
}
void DISPLACEMENT_MAP::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 DISPLACEMENT_MAP::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 DISPLACEMENT_MAP::SetSpecular( float Specular )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->SetFloat( m_pSpecular, Specular );
}
void DISPLACEMENT_MAP::SetSpecularPower( float SpecularPower )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->SetFloat( m_pSpecularPower, SpecularPower );
}
//頂点の移動量の最大値
void DISPLACEMENT_MAP::SetHeight( float Height )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->SetFloat( m_pHeight, Height );
}
//テクスチャーを設定
void DISPLACEMENT_MAP::SetTexture( LPDIRECT3DBASETEXTURE9 pTexture, LPDIRECT3DBASETEXTURE9 pDisplacementMap )
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->SetTexture( m_pTexture, pTexture );
m_pEffect->SetTexture( m_pDisplacementMap, pDisplacementMap );
}
}
void DISPLACEMENT_MAP::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 );
//Light
LightDir = *pLightDir;
D3DXMatrixInverse( &m1, NULL, pMatWorld );
D3DXVec4Transform( &v, &LightDir, &m1 );
D3DXVec3Normalize( (D3DXVECTOR3*)&v, (D3DXVECTOR3*)&v );
m_pEffect->SetVector( m_pLightDir, &v );
}
else
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, pMatWorld );
}
void DISPLACEMENT_MAP::CommitChanges()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->CommitChanges();
}
void DISPLACEMENT_MAP::EndPass()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->EndPass();
}
}
void DISPLACEMENT_MAP::End()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->End();
}
}
BOOL DISPLACEMENT_MAP::IsOK()
{
if( m_pEffect )
return TRUE;
return FALSE;
}
ディスプレースメントマッピングの制御クラスです。
---Main.cpp---
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice = NULL;
D3DPRESENT_PARAMETERS m_d3dParameters;
D3DCAPS9 Caps;
//ティーポットオブジェクト
//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_pMeshEarth = NULL;
//高さマップ
LPDIRECT3DTEXTURE9 m_pDMapTexture = NULL;
//ディスプレースメントマッピングクラスオブジェクトの宣言
DISPLACEMENT_MAP* m_pDisplacementMap = NULL;
UINT nWidth = 1024;
UINT nHeight = 768;
//太陽の位置ベクトル
D3DXVECTOR4 LightPos = D3DXVECTOR4( 72.0f, 100.0f, 620.0f, 0.0f );
//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);
//ディスプレースメントマッピングクラスの初期化
m_pDisplacementMap = new DISPLACEMENT_MAP( m_pd3dDevice );
m_pDisplacementMap->Load();
//メッシュのロード
m_pMeshEarth = new CDXUTMesh();
m_pMeshEarth->Create( m_pd3dDevice, _T("res\\earth.x") );
m_pMeshEarth->SetFVF( m_pd3dDevice, D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1 );
D3DXCreateTextureFromFileEx( m_pd3dDevice,
_T("res\\height.bmp"), //高さマップのファイル名
D3DX_DEFAULT, //幅
D3DX_DEFAULT, //高さ
1, //ミップマップレベル
0,
D3DFMT_R32F, //(注意４)
D3DPOOL_MANAGED,
D3DX_DEFAULT,
D3DX_DEFAULT,
0x0,
NULL,
NULL,
&m_pDMapTexture
);
//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_pDisplacementMap->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_pDisplacementMap->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( HWND HWnd )
{
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
{
D3DXMATRIX matProj, matView, matWorld;
m_pd3dDevice->Clear( 0L,
NULL,
D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,
0x0,
1.0f,
0L
);
m_pd3dDevice->BeginScene();
//シェーダー内で設定するのでここでは変更しない
//m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
//m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
//m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
//m_pd3dDevice->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_POINT );
//m_pd3dDevice->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_POINT );
//m_pd3dDevice->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE );
//射影座標変換
D3DXMatrixPerspectiveFovLH( &matProj,
D3DX_PI/4.0f,
4.0f / 3.0f,
0.1f,
1000.0f
);
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_pDisplacemantMap->Begin();
m_pDisplacemantMap->SetAmbient( 0.0f );
m_pDisplacemantMap->SetSpecular( 10.0f );
m_pDisplacemantMap->SetSpecularPower( 0.75f );
m_pDisplacementMap->SetHeight( 20.0f );
//テクスチャーの設定方法を変更する
//m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshEarth->m_pTextures[0] );
//m_pd3dDevice->SetTexture( 1, m_pDMapTexture );
m_pDisplacementMap->SetTexture( m_pMeshEarth->m_pTextures[0], m_pDMapTexture );
m_pDisplacemantMap->SetMatrix( &matWorld, &EyePos, &LightDir );
m_pDisplacemantMap->BeginPass(0);
m_pMeshEarth->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
m_pDisplacemantMap->EndPass();
m_pDisplacemantMap->End();
//m_pd3dDevice->SetTexture( 1, NULL );
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。
(注意４) 最初D3DFMT_A8R8G8B8に設定したんですが、なぜか凸凹になりませんでした。D3DFMT_R32F にすると凸凹になりますが、なんで？
さてディスプレースメントマッピングは、頂点シェーダーで凸凹を表現するため、メッシュのモデリングを相当細かく しないときれいになりません。メッシュの表面の微細な傷などをディスプレースメントマッピングでレンダリングしたら 頂点数が膨大になり現実的ではないと思います。この場合はバンプマッピングなどの方は効率がいいと思います。 ではディスプレースメントマッピングをどこで使用するかとなると、例えばキャラクターカスタマイズをプレーヤーが行う場合に 使用できると思います。キャラクターを太らせたり、やせさせたりがテクスチャーと１個のパラメータで制御できるので楽です。