Microsoft DirectX 9.0 SDK (December 2004)
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視差遮蔽マッピング
視差マッピング
今回は視差遮蔽マッピングです。 このネタはDirectX SDKのサンプルにもありますし、もんしょの巣穴でも解説されていますし、今さらって気もしますけどね。
まず説明する前に注意点を言っておきます。はっきりいって重いです！！現状のままでは実用で使用できません。 しかしGAME Watchの記事によると 「CRYSIS」というゲームで視差遮蔽マッピングを使用しているとのことなので、高速化させる方法があるのかもしれません。 でもまあ視差遮蔽マッピング使うくらいなら素直にモデリングしたほうがいい気もするな。
では概念について説明します。
視差遮蔽マッピングは、視差マッピングの強化版です。
図１
図２
この図を見てもらうとわかると思いますが、視差遮蔽マッピングでは凸凹の輪郭が考慮されるようになります。
図３
相変わらずわかりにくい図。 赤線の部分がバンプマッピングでサンプリングする位置です。 視差マッピングでは視線方向にサンプリング位置をずらしますが、凸凹の高さを考慮しないので正確ではありません。 で本来サンプリングすべき位置は青線の部分です。 視線ベクトルの軸線と凸凹の表面との交点の直下部分です。
でこの青線の部分をどうやって取得するかですが、 赤線の部分から視点の方向へ少しずつずらしていき、凸凹の高さとhの高さを 比較します。最終的に「凸凹の高さ < hの高さ」となったところでチェックを終了し、 そのサンプリング位置を使用することとします。この方法でも若干の誤差は生じますが、視差マッピングよりはずっと正確になります。
ではソースです。
---ParallaxOcclusionMapping.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; //視点ベクトル
float m_MaxHeight = 0.03f; //高さの最大値。大きくするほど高くなる。
float m_Division = 0.003f; //分割率。小さくするほど正確になるが負荷が高くなる
sampler tex0 : register(s0); //オブジェクトのテクスチャー
sampler tex1 : register(s1); //法線マップ(アルファ成分に高さ情報を格納)
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 = 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 = Out.Light;
return Out;
}
float4 PS( VS_OUTPUT In ) : COLOR
{
float4 Out = 0.0f;
//頂点座標形状での各ベクトル
float3 E = normalize( In.Eye );
float3 L = normalize( In.Light );
//スクリーン空間の x,y 座標について、x.y の勾配を取得
float2 dx, dy;
dx = ddx( In.Tex );
dy = ddy( In.Tex );
//頂点座標系上での法線ベクトル
float3 N = float3( 0.0f, 0.0f, 1.0f );
//テクセルのサンプリング位置のオフセット値を調整する
float2 offset = E.xy * m_Division;
//テクセルのサンプリング位置
float2 texel = In.Tex;
float height = 0.0f;
bool flg = false;
while( !flg )
{
float4 NormalMap = tex2Dgrad( tex1, texel, dx, dy );
//高さで比較する
if( NormalMap.a * m_MaxHeight <= height )
{
//法線ベクトルを取得
float3 Normal = 2.0f * NormalMap.rgb - 1.0f;
//ハーフランバート拡散照明
float color = dot( Normal, In.Light );
color = color * 0.5f + 0.5f;
color = color * color;
Out = tex2Dgrad( tex0, texel, dx, dy ) * color;
//ループ終了
flg = true;
}
texel += offset;
height += E.z * m_Division;
}
return Out;
}
technique TShader
{
pass P0
{
VertexShader = compile vs_3_0 VS();
PixelShader = compile ps_3_0 PS();
}
}
今回はSM3.0を使用しています。SM2.0ではコンパイルエラーになりますので注意してください。
さてソースですが、ddx,ddy,tex2Dgradという見慣れない組み込み関数を使用しています。 ddxとddyはドキュメントによると、「スクリーン空間の x 座標について、x の勾配を返します。」とあります。 勾配といっているので、スクリーン空間上でのポリゴンの傾き具合を取得するための関数だと思いますが、どういう計算をするのかは説明してないのでよくわかりません。
次のtex2Dgradはドキュメントによれば「2D の勾配テクスチャ参照。」とあります。 さらに「ddx の x 勾配、ddy の y 勾配を使ってテクスチャをサンプリングします。」とあるのでddxとddyとセットで使用するのだと思います。
いずれにしても関数の使い方はよくわかってないので、間違ってたら指摘してください。
---ParallaxOcclusionMapping.h---
class POM
{
private:
LPD3DXEFFECT m_pEffect;
D3DXHANDLE m_pTechnique, m_pWVP, m_pLightDir, m_pEyePos, m_pSpecular, m_pSpecularPower, m_pMaxHeight, m_pDivision;
D3DXMATRIX m_matView, m_matProj;
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice;
public:
POM( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice );
~POM();
HRESULT Load();
void Invalidate();
void Restore();
void Begin();
void BeginPass();
void SetSpecular( float Specular );
void SetSpecularPower( float SpecularPower );
//高さの最大値をセットする
void SetMaxHeight( float MaxHeight );
//分割率をセットする
void SetDivision( float Division );
void SetMatrix( D3DXMATRIX* pMatWorld, D3DXVECTOR4* pCameraPos, D3DXVECTOR4* pLightDir );
void EndPass();
void End();
void CommitChanges();
BOOL IsOK();
LPD3DXEFFECT GetEffect(){ return m_pEffect; };
};
---ParallaxOcclusionMapping.cpp---
POM::POM( LPDIRECT3DDEVICE9 pd3dDevice )
{
m_pd3dDevice = pd3dDevice;
m_pEffect = NULL;
}
POM::~POM()
{
SafeRelease( m_pEffect );
}
void POM::Invalidate()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnLostDevice();
}
void POM::Restore()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->OnResetDevice();
}
HRESULT POM::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("ParallaxOcclusionMapping.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_pSpecular = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Specular" );
m_pSpecularPower = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_SpecularPower" );
m_pMaxHeight = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_MaxHeight" );
m_pDivision = m_pEffect->GetParameterByName( NULL, "m_Division" );
m_pEffect->SetTechnique( m_pTechnique );
}
else
{
return -1;
}
}
else
{
return -2;
}
return S_OK;
}
void POM::Begin()
{
if( m_pEffect )
{
m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_VIEW, &m_matView );
m_pd3dDevice->GetTransform( D3DTS_PROJECTION, &m_matProj );
m_pEffect->Begin( NULL, 0 );
}
}
void POM::BeginPass()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->BeginPass(0);
}
}
void POM::SetSpecular( float Specular )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->SetFloat( m_pSpecular, Specular );
}
void POM::SetSpecularPower( float SpecularPower )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->SetFloat( m_pSpecularPower, SpecularPower );
}
//高さの最大値をセットする
void POM::SetMaxHeight( float MaxHeight )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->SetFloat( m_pMaxHeight, MaxHeight );
}
//分割率をセットする
void POM::SetDivision( float Division )
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->SetFloat( m_pDivision, Division );
}
void POM::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 POM::CommitChanges()
{
if( m_pEffect )
m_pEffect->CommitChanges();
}
void POM::EndPass()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->EndPass();
}
}
void POM::End()
{
if( m_pEffect )
{
m_pEffect->End();
}
}
BOOL POM::IsOK()
{
if( m_pEffect )
return TRUE;
return FALSE;
}
---Main.cpp---
LPDIRECT3D9 m_pdirect3d9 = NULL;
LPDIRECT3DDEVICE9 m_pd3dDevice = NULL;
D3DPRESENT_PARAMETERS m_d3dParameters;
D3DCAPS9 Caps;
//シーンのモデル
//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;
//視差遮蔽マッピングクラスの宣言
POM* m_pPOM = NULL;
//高さ情報つき法線マップの宣言
LPDIRECT3DTEXTURE9 m_pNormalMapTexture = NULL;
//スクリーンの解像度
UINT nWidth = 1024;
UINT nHeight = 768;
D3DXVECTOR4 LightPos = D3DXVECTOR4( 50.0f, 100.0f, 750.0f, 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);
//視差遮蔽マッピングクラスの初期化
m_pPOM = new POM( m_pd3dDevice );
m_pPOM->Load();
//モデルのロード
//背景
m_pMeshBack = new CDXUTMesh();
m_pMeshBack->Create( m_pd3dDevice, _T("back.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_pMeshBack->SetVertexDecl( m_pd3dDevice, decl );
//法線マップはRGB成分に法線ベクトル、アルファチャンネルに高さ情報を格納する
D3DXCreateTextureFromFileEx( m_pd3dDevice,
_T("NormalMap.dds"), //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_pNormalMapTexture );
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_pPOM->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_pPOM->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 matPProj, matView, matWorld;
//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 );
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->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MINFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MAGFILTER, D3DTEXF_LINEAR );
m_pd3dDevice->SetSamplerState( 1, D3DSAMP_MIPFILTER, D3DTEXF_NONE );
m_pd3dDevice->Clear( 0L,
NULL,
D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER,
0xFF0F0FAF,
1.0f,
0L
);
//視差遮蔽マッピングを適応して背景をレンダリングする
m_pPOM->Begin();
D3DXMatrixIdentity( &matWorld );
m_pPOM->SetMatrix( &matWorld, &EyePos, &LightDir );
m_pd3dDevice->SetTexture( 0, m_pMeshBack->m_pTextures[0] );
m_pd3dDevice->SetTexture( 1, m_pNormalMapTexture );
m_pPOM->SetMaxHeight( 0.02f );
m_pPOM->SetDivision( 0.002f );
m_pPOM->BeginPass();
m_pMeshBack->m_pLocalMesh->DrawSubset( 0 );
m_pPOM->EndPass();
m_pPOM->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。