Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004)
シェーダーモデル 2.0
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今回は、光学迷彩シェーダーをやります。光学迷彩については、いろんなメディアで使用されているので今更解説しなくてもいいでしょう。
トラが２頭います。そのうちの１頭が光学迷彩になっています。画面中央の手前の方にいます。
わかりずらいですけど、それは光学迷彩の仕様ですから仕方ありません。
では実装概念の解説です。
１．マルチレンダーターゲットサーフェイスを使用し、バックバッファとレンダーターゲットサーフェイスに同じようにシーンをレンダリングします。
２．視線ベクトルを基準とし、メッシュの法線ベクトルの逆方向のテクセル位置の色情報を取得し出力する。ようするに凸レンズでバックバッファのイメージを見た感じになります。
図に描くとこんな感じです。バックバッファの参照位置は本来緑線の先の部分になりますが、法線ベクトル → 視点ベクトル方向に参照するテクセル位置を
移動させるため、赤点位置を参照することになります。
ではソースの解説です。
---OpticalCamouflage.fx---
float4x4 m_WVP; //ワールド座標系
float4x4 m_WVPT; //テクスチャー座標系
float4 m_EyePos; //視点ベクトル
float2 m_Param; //変化量 / スクリーンサイズ
//バックバッファのテクスチャー
sampler tex0 : register(s0);
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos : POSITION; // 頂点位置
float2 Tex : TEXCOORD0; // テクセル位置
float4 Position : TEXCOORD1; // ピクセルシェーダーで行列変換した頂点座標を参照するため
float3 Normal : TEXCOORD2; // 法線ベクトル
float3 Eye : TEXCOORD3; // 視点ベクトル
};
VS_OUTPUT VS( float4 Pos : POSITION, //頂点座標
float4 Normal : NORMAL, //法線ベクトル
float2 Tex : TEXCOORD0 //テクセル
)
{
VS_OUTPUT Out;
Out.Pos = mul( Pos, m_WVP );
Out.Tex = Tex;
//法線ベクトルを正規化(しなくてもいいと思うけど一応)
Out.Normal = normalize( Normal.xyz );
//頂点 -> 視点 へのベクトルを計算
Out.Eye = normalize( m_EyePos.xyz - Pos.xyz );
//頂点をテクスチャー座標系に変換する
Out.Position = mul( Pos, m_WVPT );
return Out;
}
float4 PS( VS_OUTPUT In ) : COLOR0
{
float4 Out;
//法線ベクトルと視点ベクトルの XY 平面状での差分
//この値をもとにテクセルを移動し、ゆがませる
float2 Offset = In.Eye.xy - In.Normal.xy;
//テクセルは 下方向が + なので符号を反対にする
Offset.y*=-1.0f;
//法線ベクトルと視点ベクトルの内積を計算
//メッシュの輪郭付近ではテクセル位置を移動しないようにするための値
float p = dot( In.Normal, In.Eye );
//単位行列
float4x4 mi = float4x4( 1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f,
0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f );
//テクスチャー座標系上でテクセルを平行移動するための行列を作成
mi._41 = Offset.x * m_Param.x * p;
mi._42 = Offset.y * m_Param.y * p;
//平行移動する
float4 ScreenPos = mul( In.Position, mi );
Out = tex2Dproj( tex0, ScreenPos );
return Out;
}
technique TShader
{
pass P0
{
VertexShader = compile vs_1_1 VS();
PixelShader = compile ps_2_0 PS();
}
}
光学迷彩シェーダーです。m_Paramは１ピクセルのサイズにテクセル移動量を積算した値です。
---OpticalCamouflage.h---
class OPTICAL_CAMOUFLAGE
{
private:
LPD3DXEFFECT m_pEffect;
D3DXHANDLE m_pTechnique, m_pWVP, m_pWVPT, m_pEyePos, m_pParam;
D3DXMATRIX m_matView, m_matProj;
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice;
public:
OPTICAL_CAMOUFLAGE( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
~OPTICAL_CAMOUFLAGE();
void Invalidate();
void Restore();
HRESULT Load();
void Begin();
void BeginPass();
void SetParam( D3DXVECTOR2* pParam );
void SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pCameraPos );
void CommitChanges();
void EndPass();
void End();
BOOL IsOK();
LPD3DXEFFECT GetEffect(){ return m_pEffect; };
};
---OpticalCamouflage.cpp---
OPTICAL_CAMOUFLAGE::OPTICAL_CAMOUFLAGE( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice )
{
m_pd3dDevice = pd3dDevice;
m_pEffect = NULL;
}
OPTICAL_CAMOUFLAGE::~OPTICAL_CAMOUFLAGE()
{
SafeRelease( m_pEffect );
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::Invalidate()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnLostDevice();
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::Restore()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnResetDevice();
}
HRESULT OPTICAL_CAMOUFLAGE::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("OpticalCamouflage.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_pWVPT = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_WVPT" );
m_pEyePos = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_EyePos" );
m_pParam = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Param" );
m_pEffect->SetTechnique( m_pTechnique );
}
else
{
return -1;
}
}
else
{
return -2;
}
return S_OK;
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::Begin()
{
if( m_pEffect )
{
m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_VIEW, &m_matView );
m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_PROJECTION, &m_matProj );
m_pEffect->Begin( NULL, 0 );
}
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::BeginPass()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->BeginPass( 0 );
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::SetParam( D3DXVECTOR2* pParam )
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->SetValue( m_pParam, pParam, sizeof( float ) * 2 );
}
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, //ワールド行列
D3DXVECTOR4* pCameraPos //カメラ位置ベクトル
)
{
if( m_pEffect )
{
D3DXMATRIX m, m1, m2;
D3DXVECTOR4 v;
//ワールド座標系
m = (*pMatWorld) * m_matView * m_matProj;
m_pEffect->SetMatrix( m_pWVP, &m );
//テクスチャー座標系
D3DXMatrixScaling( &m1, 0.5f, -0.5f, 1.0f );
D3DXMatrixTranslation( &m2, 0.5f, 0.5f, 0.0f );
m = m * m1 * m2;
m_pEffect->SetMatrix( m_pWVPT, &m );
//カメラ位置
m1 = (*pMatWorld) * m_matView;
D3DXMatrixInverse( &m1, NULL, &m1 );
D3DXVec4Transform( &v, pCameraPos, &m1 );
m_pEffect->SetVector( m_pEyePos, &v );
}
else
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, pMatWorld );
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::CommitChanges()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->CommitChanges();
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::EndPass()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->EndPass();
}
}
void OPTICAL_CAMOUFLAGE::End()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->End();
}
}
BOOL OPTICAL_CAMOUFLAGE::IsOK()
{
if( m_pEffect )
return TRUE;
return FALSE;
}
光学迷彩シェーダーの制御クラスです。
---Main.cpp---
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;
//2Dオブジェクト(表面化散乱(Subsurface Scattering) ページ参照)
D3D2DSQUARE* m_pSquObj = NULL;
//シーンのレンダリングイメージを格納するテクスチャー
LPDIRECT3DTEXTURE9 m_pBackBufferTexture = NULL;
LPDIRECT3DSURFACE9 m_pBackBufferSurface = NULL;
//ランバート拡散照明クラス
//マルチレンダーターゲットの使用方法を変更(注意１)
//LAMBERT14* m_pLambert = NULL;
LAMBERT1* m_pLambert = NULL;
//光学迷彩シェーダークラス
OPTICAL_CAMOUFLAGE* m_pOpticalCamouflage = 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);
//ランバート拡散照明シェーダーの初期化
//マルチレンダーターゲットの使用方法を変更(注意１)
// m_pLambert = new LAMBERT14( m_pd3dDevice );
m_pLambert = new LAMBERT1( m_pd3dDevice );
m_pLambert->Load();
//光学迷彩シェーダーの初期化
m_pOpticalCamouflage = new OPTICAL_CAMOUFLAGE( m_pd3dDevice );
m_pOpticalCamouflage->Load();
//背景メッシュの初期化
m_pMeshBack = new CDXUTMesh();
m_pMeshBack->Create( m_pd3dDevice, _T("res\\back.x") );
m_pMeshBack->SetFVF( m_pd3dDevice, D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1 );
//トラメッシュの初期化
m_pMeshTiger = new CDXUTMesh();
m_pMeshTiger->Create( m_pd3dDevice, _T("res\\tiger.x") );
m_pMeshTiger->SetFVF( m_pd3dDevice, D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1 );
//2Ｄオブジェクトのロード
m_pSquObj = new D3D2DSQUARE( m_pd3dDevice, &m_d3dParameters );
m_pSquObj->Load();
//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_pLambert->Invalidate();
m_pOpticalCamouflage->Invalidate();
SafeRelease( m_pBackBufferSurface );
SafeRelease( m_pBackBufferTexture );
}
//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_pLambert->Restore();
m_pOpticalCamouflage->Restore();
D3DXCreateTexture( m_pd3dDevice,
nWidth,
nHeight,
1,
D3DUSAGE_RENDERTARGET,
D3DFMT_A8R8G8B8,
D3DPOOL_DEFAULT,
&m_pBackBufferTexture );
m_pBackBufferTexture->GetSurfaceLevel( 0, &m_pBackBufferSurface );
//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;
//マルチレンダーターゲットの使用方法を変更(注意１)
// //マルチレンダーターゲットにする
// //ステージ０はバックバッファをそのままで、ステージ１にレンダーターゲットサーフェイスを設定する。
// //レンダーターゲットはシーンの色情報を参照する目的で使用する
// m_pd3dDevice->SetRenderTarget( 1, m_pBackBufferSurface );
LPDIRECT3DSURFACE9 OldSurface = NULL;
m_pd3dDevice->GetRenderTarget( 0, &OldSurface );
m_pd3dDevice->SetRenderTarget( 0, m_pBackBufferSurface );
m_pd3dDevice->Clear( 0L,
NULL,
D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,
0x0,
1.0f,
0L
);
m_pd3dDevice->BeginScene();
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
//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 );
//****************************************************************
// (STEP1) シーンをレンダリング
//****************************************************************
m_pLambert->Begin();
//地面
m_pLambert->SetAmbient( 0.0f );
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, &matWorld );
m_pLambert->SetMatrix( &matWorld, &LightDir );
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshBack->m_pTextures[0] );
m_pLambert->BeginPass();
m_pMeshBack->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
m_pLambert->EndPass();
//空
m_pLambert->SetAmbient( 1.0f );
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshBack->m_pTextures[1] );
m_pLambert->BeginPass();
m_pMeshBack->m_pLocalMesh->DrawSubset( 1 );
m_pLambert->EndPass();
//トラ
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshTiger->m_pTextures[0] );
m_pLambert->SetAmbient( 0.0f );
m_pLambert->SetMatrix( &matWorld, &LightDir );
m_pLambert->BeginPass();
m_pMeshTiger->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
m_pLambert->EndPass();
m_pLambert->End();
//マルチレンダーターゲットの使用方法を変更(注意１)
// m_pd3dDevice->SetRenderTarget( 1, NULL );
m_pd3dDevice->SetRenderTarget( 0, OldSurface );
SafeRelease( OldSurface );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_POINT );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_POINT );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_ADDRESSU, D3DTADDRESS_CLAMP );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_ADDRESSV, D3DTADDRESS_CLAMP );
//バックバッファにSTEP1でレンダリングしたイメージをコピーする
m_pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_ZENABLE, D3DZB_FALSE );
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pBackBufferTexture );
m_pSquObj->Render();
m_pd3dDevice->SetRenderState( D3DRS_ZENABLE, D3DZB_TRUE );
//****************************************************************
// (STEP2) トラに光学迷彩を適応する
//****************************************************************
m_pOpticalCamouflage->Begin();
m_pOpticalCamouflage->SetMatrix( &matWorld, &EyePos );
//テクセル移動量に１ピクセルのサイズを積算した値
D3DXVECTOR2 P = D3DXVECTOR2( 100.0f * ( 1.0f / (float)nWidth ),
100.0f * ( 1.0f / (float)nHeight ) );
m_pOpticalCamouflage->SetParam( &P );
//シーンのレンダリング結果を格納したテクスチャーをセット
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pBackBufferTexture );
m_pOpticalCamouflage->BeginPass();
m_pMeshTiger->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
m_pOpticalCamouflage->EndPass();
m_pOpticalCamouflage->End();
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_ADDRESSU, D3DTADDRESS_WRAP );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_ADDRESSV, D3DTADDRESS_WRAP );
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１) レンダーターゲットサーフェイスの使用方法を変更しました。以前はステージ０にバックバッファ、ステージ１にレンダーターゲットサーフェイスを設定し、 マルチレンダーターゲットにしていましたが、この方法だとウィンドウモードで16ビットカラーの設定の場合正しくレンダリングされません。 これはマルチレンダーターゲットを使用する場合、すべてのサーフェイスのビット深度を同じにする必要があるためです(オンラインドキュメントにそう書いてあります)。 したがってマルチレンダーターゲットは使用せず、ステージ０のレンダーターゲットサーフェイスを切り替え、シーンをレンダリングし、そのイメージをバックバッファにレンダリングする方法に変更しました。 またこの修正にともないランバート拡散照明クラスもLAMBERT14やめてLAMBERT1に修正しました。
さて今回紹介した光学迷彩シェーダーですが、きれいにレンダリングするにはメッシュの頂点数を細かくする必要があります。サンプルで使用したトラのように粗いメッシュを使用すると きれいにゆがみがかくかくしてよろしくありません。ご注意を。