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 Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004)
 シェーダーモデル 2.0

■環境光遮蔽 Prev  Top  Next
関連ページ:ランバート拡散照明

ソーシャルネットワーク

注意!!このページを以前参照したことがある方には申し訳ないですが修正しました。以前はテクスチャーに格納されている法線情報を取得し、それをもとに遮蔽状態の判断をするという 変なことをやってたんですが、拡散反射率を格納したテクスチャーを使用したほうがすっきりするので変更することにしました。他にも法線情報をどうやってテクスチャーに格納するのかと いう問題もあったし、以前の方法ははずかしながら使い物にならなかったですな。

「環境光遮蔽」ってなんなのかというと、へこんでいたり穴が開いている部分は光が当たりにくいということを考慮してライティングすることです。 このネタは「GAME Watch」のサイトの「Half-Life2」の記事をパクリ参照してます。


向かって左側が、ランバート拡散照明による普通のライティング結果、右側が環境光遮蔽を考慮したランバート拡散照明です。 平行光源の位置は画面右の方にあります。左の箱は穴の中が明るくなっています。まあ法線ベクトルとライトの方向ベクトルとの内積により 単純に拡散反射率を計算しているのでそうなるんですが、本来穴の中は光が当たらないため明るくならないはずです。
これに対し、右の箱は穴の入り口部分が明るくなっているだけで奥のほうは暗くなっています。 実は単純に穴の中を暗くするだけなら頂点カラーを使用しても可能ですが、この場合頂点数を多くしないときれいになりません。 今回の方法ではテクスチャーに格納された拡散反射率マップを参照するのでピクセル単位で遮蔽状態を判断できるので少ない頂点数でもきれいになります。

次に実装概念です。つってもアルゴリズムを大幅修正したら、簡単になったので解説するようなことはないです。

ではソースの解説です。

---AmbientOccusionV2.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_Ambient = 0.0f;      //環境光

sampler tex0 : register(s0);  //オブジェクトのテクスチャー
sampler tex1 : register(s1);  //遮蔽マップではなく拡散反射マップ。0.0fで真っ黒になる

struct VS_OUTPUT
{
   float4 Pos   : POSITION;
   float4 Col   : COLOR0;
   float2 Tex   : TEXCOORD0;
};

VS_OUTPUT VS( float4 Pos     : POSITION,
              float4 Normal  : NORMAL,
              float2 Tex     : TEXCOORD0 )
{
   VS_OUTPUT Out;
   
   Out.Pos    = mul( Pos, m_WVP );
   Out.Tex    = Tex;
   
   float3 L = -m_LightDir.xyz;   
   float3 N = normalize( Normal.xyz );
   Out.Col = max( m_Ambient, dot( N, L ) );
   
   return Out;
}

float4 PS( VS_OUTPUT In ) : COLOR0
{  
   float4 Out;
   
//   //遮蔽マップから遮蔽ベクトルと遮蔽率を取得
//   //遮蔽マップの RGB 成分が遮蔽ベクトルの XYZ にそれぞれ対応し、遮蔽マップの A 成分が遮蔽率となる
//   float4 OccusionMap = tex2D( tex1, In.Tex );
   
//   //遮蔽マップは 0.0f 〜 1.0f の範囲で値が格納されているので -1.0f 〜 1.0f の範囲に変換する
//   OccusionMap.rgb = ( OccusionMap.rgb - 0.5f ) * 2.0f;
   
//   float3 L = -m_LightDir.xyz;
   
//   //遮蔽マップから取得した遮蔽ベクトルとライトベクトルの内積を計算する
//   float m = max( 0.0f, dot( normalize( OccusionMap.rgb ), L ) );
   
//   //遮蔽率からオブジェクトの色の減算量を計算する
//   //遮蔽率に 2.0f 積算しているのは遮蔽率が 1.0f のときは完全に遮蔽されている状態になるようにするため
//   float Occusion = max( 0.0f, OccusionMap.a * 2.0f - m );   
   
//   Out = In.Col * tex2D( tex0, In.Tex );   
   
//   //計算したオブジェクトの色を減算する
//   Out -= Out * Occusion;

   //拡散反射マップを積算する
   Out = In.Col * tex2D( tex0, In.Tex ) * tex2D( tex1, In.Tex );

   return Out;
}

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

がっつり修正した、環境光遮蔽シェーダーです。ベースがランバート拡散照明となっているところは変わりないです。

---AmbientOccusionV2.h---


class AMBIENT_OCCUSIONV2
{
private:
   LPD3DXEFFECT m_pEffect;
   D3DXHANDLE m_pTechnique, m_pWVP, m_pLightDir, m_pAmbient;
   D3DXMATRIX m_matView, m_matProj;
   LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice;

public:
   AMBIENT_OCCUSIONV2( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
   ~AMBIENT_OCCUSIONV2();
   HRESULT Load();
   void Invalidate();
   void Restore();
   void Begin();
   void BeginPass();
   void SetAmbient( float Ambient );
   void SetAmbient( D3DXVECTOR4* pAmbient );
   void SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pLightDir );
   void CommitChanges();
   void EndPass();
   void End();
   BOOL IsOK();
   LPD3DXEFFECT GetEffect(){ return m_pEffect; };
};

---AmbientOccusionV2.cpp---


AMBIENT_OCCUSIONV2::AMBIENT_OCCUSIONV2( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice )
{
   m_pd3dDevice = pd3dDevice;
   m_pEffect = NULL;
}

AMBIENT_OCCUSIONV2::~AMBIENT_OCCUSIONV2()
{
   //SafeReleaseは関数ではなくマクロ
   //#define SafeRelease(x) { if(x) { (x)->Release(); (x)=NULL; } }
   SafeRelease( m_pEffect );
}

void AMBIENT_OCCUSIONV2::Invalidate()
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->OnLostDevice();
}

void AMBIENT_OCCUSIONV2::Restore()
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->OnResetDevice();
}

HRESULT AMBIENT_OCCUSIONV2::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("AmbientOccusionV2.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_pAmbient = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Ambient" );

         m_pEffect->SetTechnique( m_pTechnique );   
      }

      else
      {
         return -1;
      }
   }

   else
   {
      return -2;
   }

   return S_OK;
}

void AMBIENT_OCCUSIONV2::Begin()
{
   if( m_pEffect )
   {
      m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_VIEW, &m_matView );
      m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_PROJECTION, &m_matProj );
      m_pEffect->Begin( NULL, 0 );
   }
}

void AMBIENT_OCCUSIONV2::BeginPass()
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->BeginPass( 0 );
}

void AMBIENT_OCCUSIONV2::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 AMBIENT_OCCUSIONV2::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 AMBIENT_OCCUSIONV2::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 );
      //XYZ成分について正規化する
      D3DXVec3Normalize( (D3DXVECTOR3*)&v, (D3DXVECTOR3*)&v );
      m_pEffect->SetVector( m_pLightDir, &v );
   }

   else
      m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD, pMatWorld );
}

void AMBIENT_OCCUSIONV2::CommitChanges()
{
   if( m_pEffect )
      m_pEffect->CommitChanges();
}

void AMBIENT_OCCUSIONV2::EndPass()
{
   if( m_pEffect )
   {
      m_pEffect->EndPass();
   }
}

void AMBIENT_OCCUSIONV2::End()
{
   if( m_pEffect )
   {
      m_pEffect->End();
   }
}


BOOL AMBIENT_OCCUSIONV2::IsOK()
{
   if( m_pEffect )
      return TRUE;

   return FALSE;
}

環境光遮蔽の制御クラスです。ここんとこはほとんど修正なしです。クラス名はAMBIENT_OCCUSIONからAMBIENT_OCCUSIONV2に変更されています。

---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_pMeshCube = NULL;

//遮蔽マップではなく拡散反射マップ
LPDIRECT3DTEXTURE9      m_pOccusionTexture     = NULL;

//環境光遮蔽クラス
AMBIENT_OCCUSIONV2* m_pAmbientOccusionV2 = 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);

   //環境光遮蔽の初期化
   m_pAmbientOccusionV2 = new AMBIENT_OCCUSIONV2( m_pd3dDevice );
   m_pAmbientOccusionV2->Load();
   
   //オブジェクトのロード
   //箱オブジェクトをロード
   m_pMeshCube = new CDXUTMesh();
   m_pMeshCube->Create( m_pd3dDevice, _T("res\\cube.x") );
   m_pMeshCube->SetFVF( m_pd3dDevice, D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1 );
   
   //遮蔽マップのロード
   D3DXCreateTextureFromFileEx( m_pd3dDevice,
                                _T("res\\AmbientOccusionMap.bmp"),   //遮蔽マップではなく拡散反射マップ
                                D3DX_DEFAULT,
                                D3DX_DEFAULT,
                                1,
                                0,
                                D3DFMT_UNKNOWN,
                                D3DPOOL_MANAGED,
                                D3DX_DEFAULT,
                                D3DX_DEFAULT,
                                0x0,
                                NULL,
                                NULL,
                                &m_pOccusionTexture );

   
   //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_pAmbientOccusionV2->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_pAmbientOccusionV2->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->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
      m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
      m_pd3dDevice->SetSamplerState( 0, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE );
      m_pd3dDevice->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
      m_pd3dDevice->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
      m_pd3dDevice->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE );

      m_pd3dDevice->BeginScene();

      //クリアする
      m_pd3dDevice->Clear( 0L,
                           NULL,
                           D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,
                           0x0, 
                           1.0f,
                           0L
                         );

      //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 );

      m_pAmbientOccusionV2->Begin();
      D3DXMatrixTranslation( &matWorld, 70.0f, 0.0f, 0.0f );
      m_pAmbientOccusionV2->SetMatrix( &matWorld, &LightDir );
      m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshCube->m_pTextures[0] );
      m_pd3dDevice->SetTexture( 1, m_pOccusionTexture );
      m_pAmbientOccusionV2->SetAmbient( 0.2f );
      m_pAmbientOccusionV2->BeginPass();
      m_pMeshCube->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
      m_pAmbientOccusionV2->EndPass();
      m_pAmbientOccusionV2->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。

今回の手法は静的オブジェクトに適応できる環境光遮蔽です。この辺は以前と同じです。したがってオブジェクトが変形したり、オブジェクト同士が接近することにより発生する遮蔽には対応しません。これも同じです。 遮蔽マップは拡散反射マップに変更しました。このテクスチャーは1次元である拡散反射率の情報がほしいだけなのでデカールマップをddsファイルにしてアルファチャンネルに格納してもいいです。

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