Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004)
シェーダーモデル 2.0
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Microsoft Visual Studio .NET 2003 Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004) シェーダーモデル 2.0 |
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さて久々の更新です。シェーダー系のネタとしては実に4ヶ月ぶりの更新です。しばらくはシェーダー系のネタになるかと。多分。
今回のネタはスノーシェーダーです。ひさびさなんですが、正直あまりたいしたネタではないです。まあそれは置いといて雪をそれっぽくしてみようとがんばってみました。その結果が上の画像です。 どうでしょう？自分的にはそれっぽいと思ってますが。
では実装するにあたり、まずは雪の特徴を考えてみたいと思います。
１．白い。
２．やわらかい。さらさら
３．光を透過しない物体と比べて、陰があまり発生しない(と思う)。
４．陰の色が青っぽい。
こんなところですかね。
１はまあいいや。
２はシェーダーではどうにもならん。まあアンチエイリアスを適応すれば柔らかい感じになるかもしれんが。
でもって３。科学的な理由は不明ですが、光の反射率が高いから．．．かな。
４、これも重要。調べたところレイリー散乱とは違う理由らしいです。雪は気体分子ではなく固体であり、この場合光の長い波長を吸収しやすいので、波長の短い、紫や青っぽい色となるそうです。海の色が青いのと同じ理由らしいですね。
いや海が青いのは空の色を反射しているためだと思ってたんですが違うんですな。
上記を踏まえて実装していきますが、今回は新規のテクニックはないので処理フローの説明はなしの方向で。
---SnowShader.fx---
float4x4 m_WVP; //ワールド × ビュー × 遠近射影 行列
float4 m_LightDir; //平行光源の方向ベクトル
float4 m_EyePos; //視点位置ベクトル
float4 m_SnowShadowColor; //雪の陰の色
sampler tex0 : register(s0); //雪テクスチャー
sampler tex1 : register(s1); //法線マップ
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos : POSITION;
float2 Tex : TEXCOORD0;
float3 Eye : TEXCOORD1;
float3 Light : TEXCOORD2;
};
VS_OUTPUT VS( float3 Pos : POSITION,
float3 Tangent : TANGENT0,
float3 Binormal : BINORMAL0,
float3 Normal : NORMAL,
float2 Tex : TEXCOORD0 )
{
VS_OUTPUT Out;
Out.Pos = mul( float4( Pos, 1.0f ), m_WVP );
Out.Tex = Tex;
//視線ベクトルを計算
float3 Eye = normalize( m_EyePos.xyz - Pos.xyz );
//視線ベクトルを頂点座標系に変換する
Out.Eye.x = dot( Eye, Tangent );
Out.Eye.y = dot( Eye, Binormal );
Out.Eye.z = dot( Eye, Normal );
Out.Eye = normalize( Out.Eye );
//オブジェクトの頂点座標 -> ライトの位置ベクトル に変換する
float3 Light = -m_LightDir.xyz;
//ライトベクトルを頂点座標系に変換する
Out.Light.x = dot( Light, Tangent );
Out.Light.y = dot( Light, Binormal );
Out.Light.z = dot( Light, Normal );
Out.Light = normalize( Out.Light );
return Out;
}
float4 PS( VS_OUTPUT In ) : COLOR0
{
float4 Out;
//法線マップを参照し、法線を取得する
//法線マップは -1.0f 〜 1.0f の値を 0.0f 〜 1.0f の範囲に保存してあるので変換する
float3 Normal = 2.0f * tex2D( tex1, In.Tex ).xyz - 1.0f;
float p = dot( Normal, In.Light );
//ハーフランバートに似てるけどちょっと違う。
p = p * 0.5f + 0.5;
//陰の色は調整できるようにする
Out = tex2D( tex0, In.Tex ) * lerp( m_SnowShadowColor, float4( 1, 1, 1, 1 ), p );
return Out;
}
technique TShader
{
//STEP1
pass P0
{
VertexShader = compile vs_1_1 VS();
PixelShader = compile ps_2_0 PS();
}
}
スノーシェーダーです。基本的にバンプマッピングです。サンプル画像ではわかりにくいですが、一応バンプマッピングしてます。
では解説します。
頂点シェーダーは、バンプマッピングと同じなので省略します。
ピクセルシェーダー内での拡散反射率の計算はハーフランバートシェーダーに似てるけどちょっと違います。
ハーフランバートシェーダーでは、法線ベクトルと平行光源の方向ベクトルとの内積を計算した結果を [ 0.0f 〜 1.0f ]の範囲内に変換した後、
暗いところはより暗くなるように調整します。その計算が2乗しているところなんですが、今回はこの計算をしません。
これは雪は全体的に明るい感じにした方がそれっぽいと思われるからです。
最後にテクスチャーを貼り付けて、ライティングを適応しますが、陰の色はアプリケーション側で調整できるようにします。 これは雪の陰の色が青かったり、グレーだったりするからです。青いのは冒頭で説明したとおりですが、グレーになるのはなぜだろう。 曇り空で太陽光が弱いときは、青い色も雪に吸収されてしまうからかな。
---SnowShader.h---
class SNOW_SHADER
{
private:
LPD3DXEFFECT m_pEffect;
D3DXHANDLE m_pTechnique;
D3DXHANDLE m_pWVP, m_pLightDir, m_pEyePos, m_pSnowShadowColor;
D3DXHANDLE m_pTexel, m_pLimit;
D3DXMATRIX m_matView, m_matProj;
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice;
public:
SNOW_SHADER( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
~SNOW_SHADER();
void Invalidate();
void Restore();
HRESULT Load();
void Begin();
void BeginPass();
void SetSnowShadowColor( float SnowShadowColor );
void SetSnowShadowColor( float R, float G, float B, float A );
void SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pCameraPos, D3DXVECTOR4* pLightDir );
void EndPass();
void End();
void CommitChanges();
BOOL IsOK();
LPD3DXEFFECT GetEffect(){ return m_pEffect; };
};
---SnowShader.cpp---
SNOW_SHADER::SNOW_SHADER( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice )
{
m_pd3dDevice = pd3dDevice;
m_pEffect = NULL;
}
SNOW_SHADER::~SNOW_SHADER()
{
SafeRelease( m_pEffect );
}
void SNOW_SHADER::Invalidate()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnLostDevice();
}
void SNOW_SHADER::Restore()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnResetDevice();
}
HRESULT SNOW_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("SnowShader.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_pEyePos = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_EyePos" );
m_pSnowShadowColor = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_SnowShadowColor" );
m_pEffect->SetTechnique( m_pTechnique );
}
else
{
return -1;
}
}
else
{
return -2;
}
return S_OK;
}
void SNOW_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 SNOW_SHADER::BeginPass()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->BeginPass( 0 );
}
void SNOW_SHADER::SetSnowShadowColor( float SnowShadowColor )
{
if( m_pEffect )
{
D3DXVECTOR4 Color = D3DXVECTOR4( SnowShadowColor, SnowShadowColor, SnowShadowColor, 1.0f );
m_pEffect->SetVector( m_pSnowShadowColor, &Color );
}
}
void SNOW_SHADER::SetSnowShadowColor( float R, float G, float B, float A )
{
if( m_pEffect )
{
D3DXVECTOR4 Color = D3DXVECTOR4( R, G, B, A );
m_pEffect->SetVector( m_pSnowShadowColor, &Color );
}
}
void SNOW_SHADER::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 SNOW_SHADER::EndPass()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->EndPass();
}
}
void SNOW_SHADER::End()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->End();
}
}
void SNOW_SHADER::CommitChanges()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->CommitChanges();
}
BOOL SNOW_SHADER::IsOK()
{
if( m_pEffect )
return TRUE;
return FALSE;
}
新しいことは何もないので説明はいらないでしょう。
---Main.cpp---
LPDIRECT3D9 m_pdirect3d9 = NULL;
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_pMeshGround = NULL;
CDXUTMesh* m_pMeshTiger = NULL;
//スノーシェーダー
SNOW_SHADER* m_pSnowShader = NULL;
//ランバート拡散照明クラスの宣言
LAMBERT1* m_pLambert = NULL;
//法線マップ
LPDIRECT3DTEXTURE9 m_pNormalMap = NULL;
//スクリーンの解像度
UINT nWidth = 1024;
UINT nHeight = 768;
D3DXVECTOR4 LightPos = D3DXVECTOR4( 100.0f, 100.0f, -100.0f, 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。
//****************************************************************
m_pd3dDevice->GetDeviceCaps(&Caps);
//スノーシェーダークラスの初期化
m_pSnowShader = new SNOW_SHADER( m_pd3dDevice );
m_pSnowShader->Load();
//ランバート拡散照明クラスの初期化
m_pLambert = new LAMBERT1( m_pd3dDevice );
m_pLambert->Load();
//メッシュのロード
//雪
m_pMeshGround = new CDXUTMesh();
m_pMeshGround->Create( m_pd3dDevice, _T("Ground.x") );
//頂点データを定義する(詳細はオンラインマニュアルを参照)
D3DVERTEXELEMENT9 decl[] =
{
{0, 0, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_POSITION, 0},
{0, 12, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_TANGENT, 0},
{0, 24, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_BINORMAL, 0},
{0, 36, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_NORMAL, 0},
{0, 48, D3DDECLTYPE_FLOAT2, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_TEXCOORD, 0},
D3DDECL_END()
};
//新しい頂点情報に基づき頂点データを再生成する
m_pMeshGround->SetVertexDecl( m_pd3dDevice, decl );
//トラ
m_pMeshTiger = new CDXUTMesh();
m_pMeshTiger->Create( m_pd3dDevice, _T("tiger.x") );
m_pMeshTiger->SetFVF( m_pd3dDevice, D3DFVF_XYZ | D3DFVF_NORMAL | D3DFVF_TEX1 );
D3DXCreateTextureFromFileEx( m_pd3dDevice,
_T("SnowNormalMap.bmp"), //法線マップテクスチャーのファイル名
D3DX_DEFAULT,
D3DX_DEFAULT,
1,
0,
D3DFMT_UNKNOWN,
D3DPOOL_MANAGED,
D3DX_DEFAULT,
D3DX_DEFAULT,
0x0,
NULL,
NULL,
&m_pNormalMap );
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_pSnowShader->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_pLambert->Restore();
m_pSnowShader->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 matWVP, matPProj, matView, matWorld, matTiger, matScaling, matTranslation, matRotation;
//遠近射影座標変換
//クリップ面はアプリケーションごとに調整すること
D3DXMatrixPerspectiveFovLH( &matPProj,
D3DX_PI/4.0f,
4.0f / 3.0f,
30.0f,
700.0f );
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_PROJECTION, &matPProj );
//ビュー座標変換
D3DXMatrixIdentity( &matView );
m_pd3dDevice->SetTransform( D3DTS_VIEW, &matView );
//トラ
D3DXMatrixRotationY( &matRotation, D3DXToRadian( 45.0f ) );
D3DXMatrixScaling( &matScaling, 50.0f, 50.0f, 50.0f );
D3DXMatrixTranslation( &matTranslation, 0.0f, 70.0f, 400.0f );
matTiger = matScaling * matRotation * matTranslation;
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_NONE );
m_pd3dDevice->Clear( 0L,
NULL,
D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,
0x00000000,
1.0f,
0L
);
//雪をレンダリング
m_pSnowShader->Begin();
D3DXMatrixIdentity( &matWorld );
m_pSnowShader->SetMatrix( &matWorld, &EyePos, &LightDir );
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshGround->m_pTextures[0] );
m_pd3dDevice->SetTexture( 1, m_pNormalMap );
//雪の陰の色を設定
m_pSnowShader->SetSnowShadowColor( 0.3f, 0.31f, 0.58f, 1.0f );
m_pSnowShader->BeginPass();
m_pMeshGround->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
m_pSnowShader->EndPass();
m_pSnowShader->End();
m_pd3dDevice->SetTexture( 1, NULL );
//トラをレンダリング
m_pLambert->Begin();
m_pLambert->SetMatrix( &matTiger, &LightDir );
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshTiger->m_pTextures[0] );
m_pLambert->SetAmbient( 0.1f );
m_pLambert->BeginPass();
m_pMeshTiger->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
m_pLambert->EndPass();
m_pLambert->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。
トラのレンダリングにはランバート拡散照明を使用しています。おまけです。今回のネタとはまったく関係ないです。