４．Draw系
４０７．ジオメトリシェーダによる描画
ジオメトリシェーダとは
BaseCrossには、頂点シェーダ、ピクセルシェーダのほかにジオメトリシェーダと計算シェーダ用のクラスを作成できる仕組みが用意されています。このほかにDirectX11が持ってるシェーダにはハルシェーダとドメインシェーダがありますが、こちら用にはクラスが用意されてません。ですのでハルシェーダとドメインシェーダの実装は不可能ではありませんが、0からシェーダへのアクセスクラスを作る必要があります。
ジオメトリシェーダと計算シェーダは、クラスが用意されていますが、OnDraw()に直結するのはジオメトリシェーダです。計算シェーダは、計算処理をCPUで行うのではなく、GPUに計算させる手法で、扱いが別になります。
というわけで、この項ではジオメトリシェーダのサンプルの紹介をするわけですが、ではジオメトリシェーダとは何か、と簡単に説明します。
これまでのサンプルで、頂点処理は頂点シェーダピクセル処理はピクセルシェーダが行い、それぞれどのような内容を記述すべきかが見えてきたと思います。このセットは単位を頂点、もしくはピクセルで扱うことで、細かな制御が可能になります。
しかし、時には、描画プリミティブ単位で考えたいことがあります。描画プリミティブ単位とは三角形とか線とか点です。
DirectX11は、描画するときに、渡した頂点バッファを、どのようなプリミティブ単位で描画すべきかを指定します。一般的な３Ｄや２Ｄであれば、三角形単位、です。
ところが頂点シェーダが扱うのは点単位のみです。すると、シェーダを記述する際、いまどの頂点に対する計算を行おうとしているのか、あるいは、現在の頂点は、三角形のどの位置にあるものなのかわかりません。（インデックスは持ってこれるのですが、ここでほしいのは、三角形の中のどの頂点かということです）
ジオメトリシェーダはこの不満に答えてくれます。そして、これこそジオメトリシェーダの機能なのですが、シェーダ内で頂点を増やすことができるのです。
このことにより、たとえば、レーシングゲームなどで、同じシーンを複数のカメラで表示することもあると思います。
このとき、メインのプレイヤーのワールド行列等情報と、他のビューのカメラ情報があれば、同時に複数のビューに記述することが可能です。
また、１つの三角形を細かい三角形に分割することにより、１つのオブジェクトをバラバラにすることも可能です。
そのほか、アイディア次第では、表現方法が大幅に増えます。
なおジオメトリシェーダは、頂点シェーダとピクセルシェーダの間に実装されます。
ジオメトリシェーダの実装
ではFullSample4071ディレクトリのソリューションを開き、リビルド、実行してみましょう。以下の画面が現れます。
図0407a
この画面は、FullSample4071の画面です。ここでは、ジオメトリックシェーダを使って、３つ描画していいます。
今回は1回（センターのオブジェクトの描画）時に、3つのワールド行列を渡します。そして、そのワールド行列の数だけ（つまり3つに）三角形を増やします。
まず、シェーダーを記述します。GameSourcesプロジェクトのShaderSourcesフィルタに記述し ます。以下はSimpleInc.hlsli（ヘッダファイル）です。
cbuffer SimpleConstantBuffer : register(b0)
{
float4x4 World[3] : packoffset(c0);
float4x4 View : packoffset(c12);
float4x4 Projection : packoffset(c16);
float4 LightDir : packoffset(c20);
float4 Param : packoffset(c21);
};
struct VertexShaderInput
{
float4 pos : SV_Position;
float3 norm : NORMAL;
float4 color : COLOR0;
};
typedef VertexShaderInput GeometryShaderInput;
struct PixelShaderInput
{
float4 pos : SV_POSITION;
float3 norm : NORMAL;
float4 color : COLOR0;
};
赤くなっているところは注意点です。ワールド行列が３つ入力されます。
続いて、頂点シェーダです。VSSimpleBase.hlslです。
#include "SimpleInc.hlsli"
GeometryShaderInput main(VertexShaderInput input)
{
//ジオメトリシェーダーに渡す変数
//入力をそのまま出力する
GeometryShaderInput vertexShaderOutput
= (GeometryShaderInput)input;
return vertexShaderOutput;
}
続いて、ジオメトリシェーダです。GSSimpleBase.hlslとなります。
#include "SimpleInc.hlsli" [maxvertexcount(9)] void main( triangle GeometryShaderInput input[3], inout TriangleStream< PixelShaderInput > output ) { for (uint count = 0; count < 3; count++){ for (uint i = 0; i < 3; i++) { PixelShaderInput element; //頂点の位置を変換 float4 pos = float4(input[i].pos.xyz, 1.0f); float4 Col; if (pos.y > 0){ switch (count){ case 0: Col = float4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); break; case 1: Col = float4(0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f); break; case 2: Col = float4(0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f); break; default: Col = float4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f); break; } } else if (pos.y < 0){ switch (count){ case 0: Col = float4(0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f); break; case 1: Col = float4(0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f); break; case 2: Col = float4(1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f); break; default: Col = float4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f); break; } } else{ Col = float4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f); } //ワールド変換 pos = mul(pos, World[count]); //ビュー変換 pos = mul(pos, View); //射影変換 pos = mul(pos, Projection); //ピクセルシェーダに渡す変数に設定 element.pos = pos; //ライティング用に法線をワールド変換して設定 element.norm = mul(input[i].norm, (float3x3)World[count]); //頂点色を設定 element.color = Col; //頂点を追加 output.Append(element); } //一つの三角形をストリームに送る output.RestartStrip(); } }
[maxvertexcount(9)]
void main(
triangle GeometryShaderInput input[3],
inout TriangleStream< PixelShaderInput > output
)
triangle GeometryShaderInput input[3]というのは、まさに入力される三角形の頂点データです。
inout TriangleStream< PixelShaderInput > outputはピクセルシェーダに渡す変数です。構造体の型を記述しておきます。 内容的には、1つの三角形を元に3つの三角形を作成して、ピクセルシェーダに渡すわけですが、1つの頂点ができた段階で
//頂点を追加
output.Append(element);
また、1つの三角形分の頂点を送った段階で、
//一つの三角形をストリームに送る
output.RestartStrip();
ピクセルシェーダについては、特別な記述はありませんので省略します。
シェーダクラスの実装
前項までで説明しましたように、この後、C++側とのインターフェイスとしてコンスタントバッファ構造体とシェーダクラスを作成します。ProjectShader.h/cppに記述します。以下はヘッダ部ですが
//カスタムシャドウマップ用コンスタントバッファ構造体
struct CustomShadowmapConstantBuffer
{
Mat4x4 mWorld[3];
Mat4x4 mView;
Mat4x4 mProj;
CustomShadowmapConstantBuffer() {
memset(this, 0, sizeof(CustomShadowmapConstantBuffer));
};
};
//シェーダ宣言（マクロ使用）
DECLARE_DX11_CONSTANT_BUFFER(CBCustomShadowmap, CustomShadowmapConstantBuffer)
DECLARE_DX11_VERTEX_SHADER(VSCustomShadowmap, VertexPositionNormalColor)
DECLARE_DX11_GEOMETRY_SHADER(GSCustomShadowmap)
//カスタム描画コンスタントバッファ構造体
struct CustomDrawConstantBuffer
{
Mat4x4 World[3];
Mat4x4 View;
Mat4x4 Projection;
Vec4 LightDir;
Vec4 Param; //汎用パラメータ
CustomDrawConstantBuffer() {
memset(this, 0, sizeof(CustomDrawConstantBuffer));
};
};
//シェーダ宣言（マクロ使用）
DECLARE_DX11_CONSTANT_BUFFER(CBCustomDraw, CustomDrawConstantBuffer)
DECLARE_DX11_VERTEX_SHADER(VSCustomDraw, VertexPositionNormalColor)
DECLARE_DX11_GEOMETRY_SHADER(GSCustomDraw)
DECLARE_DX11_PIXEL_SHADER(PSCustomDraw)
//シェーダ定義（マクロ使用）
IMPLEMENT_DX11_CONSTANT_BUFFER(CBCustomShadowmap)
IMPLEMENT_DX11_VERTEX_SHADER(VSCustomShadowmap,
App::GetApp()->GetShadersPath() + L"VSCustomShadowmap.cso")
IMPLEMENT_DX11_GEOMETRY_SHADER(GSCustomShadowmap,
App::GetApp()->GetShadersPath() + L"GSCustomShadowmap.cso")
IMPLEMENT_DX11_CONSTANT_BUFFER(CBCustomDraw)
IMPLEMENT_DX11_VERTEX_SHADER(VSCustomDraw,
App::GetApp()->GetShadersPath() + L"VSSimpleBase.cso")
IMPLEMENT_DX11_GEOMETRY_SHADER(GSCustomDraw,
App::GetApp()->GetShadersPath() + L"GSSimpleBase.cso")
IMPLEMENT_DX11_PIXEL_SHADER(PSCustomDraw,
App::App::GetApp()->GetShadersPath() + L"PSSimpleBase.cso")
描画コンポーネントの作成
この項では描画コンポーネント作成のサンプルも兼ねております。ですのでOnDraw()関数に記述するのではなく描画コンポーネントをオブジェクトに実装します。ここで作成するコンポーネントはシャドウマップ用とオブジェクト描画用です。説明はオブジェクト描画用のみ行います。
以下はCharacter.hにあります、CustomPNCStaticDrawコンポーネントのヘッダ部です。
//--------------------------------------------------------------------------------------
// ジオメトリシェーダを使った独自の描画コンポーネント
//--------------------------------------------------------------------------------------
class CustomPNCStaticDraw : public StaticBaseDraw {
public:
//--------------------------------------------------------------------------------------
/*!
@brief コンストラクタ
@param[in] GameObjectPtr ゲームオブジェクト
*/
//--------------------------------------------------------------------------------------
explicit CustomPNCStaticDraw(const shared_ptr<GameObject>& GameObjectPtr);
//--------------------------------------------------------------------------------------
/*!
@brief デストラクタ
*/
//--------------------------------------------------------------------------------------
virtual ~CustomPNCStaticDraw() {}
//--------------------------------------------------------------------------------------
/*!
@brief OnCreate処理
@return なし
*/
//--------------------------------------------------------------------------------------
virtual void OnCreate()override {}
//--------------------------------------------------------------------------------------
/*!
@brief OnUpdate処理（空関数）
@return なし
*/
//--------------------------------------------------------------------------------------
virtual void OnUpdate()override {}
//--------------------------------------------------------------------------------------
/*!
@brief OnDraw処理
@return なし
*/
//--------------------------------------------------------------------------------------
virtual void OnDraw()override;
};
DrawComponentの派生クラス（子や孫でも可）として継承クラスを作ることで描画コンポーネントになります。
以下は実体部です。Character.cppに記述があります。
void CustomPNCStaticDraw::OnDraw() {
auto PtrGameObject = GetGameObject();
//メッシュがなければ描画しない
auto MeshRes = GetMeshResource();
if (!MeshRes) {
throw BaseException(
L"メッシュが作成されていません",
L"if (!MeshRes)",
L"CustomPNCStaticDraw::OnDraw()"
);
}
auto Dev = App::GetApp()->GetDeviceResources();
auto pID3D11DeviceContext = Dev->GetD3DDeviceContext();
auto RenderState = Dev->GetRenderState();
auto PtrT = PtrGameObject->GetComponent<Transform>();
//カメラを得る
auto PtrCamera = PtrGameObject->OnGetDrawCamera();
//カメラの取得
Mat4x4 View, Proj, WorldViewProj;
View = PtrCamera->GetViewMatrix();
Proj = PtrCamera->GetProjMatrix();
//コンスタントバッファの設定
CustomDrawConstantBuffer cb1;
//行列の設定(転置する)
cb1.World[0] = transpose(PtrT->GetWorldMatrix());
Mat4x4 Left;
Left.translation(Vec3(-5.0f, 0, 0));
Left = PtrT->GetWorldMatrix() * Left;
cb1.World[1] = transpose(Left);
Mat4x4 Right;
Right.translation(Vec3(5.0f, 0, 0));
Right = PtrT->GetWorldMatrix() * Right;
cb1.World[2] = transpose(Right);
cb1.View = transpose(View);
cb1.Projection = transpose(Proj);
//ライトの設定
auto PtrLight = PtrGameObject->OnGetDrawLight();
cb1.LightDir = PtrLight.m_Directional;
cb1.LightDir.w = 1.0f;
//コンスタントバッファの更新
pID3D11DeviceContext->UpdateSubresource(CBCustomDraw::GetPtr()->GetBuffer(), 0, nullptr, &cb1, 0, 0);
//ストライドとオフセット
UINT stride = MeshRes->GetNumStride();
UINT offset = 0;
//頂点バッファの設定
pID3D11DeviceContext->IASetVertexBuffers(0, 1, MeshRes->GetVertexBuffer().GetAddressOf(), &stride, &offset);
//インデックスバッファのセット
pID3D11DeviceContext->IASetIndexBuffer(MeshRes->GetIndexBuffer().Get(), DXGI_FORMAT_R16_UINT, 0);
//描画方法（3角形）
pID3D11DeviceContext->IASetPrimitiveTopology(D3D11_PRIMITIVE_TOPOLOGY_TRIANGLELIST);
//ステータスのポインタ
//テクスチャを取得
ID3D11ShaderResourceView* pNull[1] = { 0 };
ID3D11SamplerState* pNullSR[1] = { 0 };
//半透明処理
pID3D11DeviceContext->OMSetBlendState(RenderState->GetAlphaBlendEx(), nullptr, 0xffffffff);
//デプスステンシルは使用する
pID3D11DeviceContext->OMSetDepthStencilState(RenderState->GetDepthDefault(), 0);
//シェーダの設定
pID3D11DeviceContext->VSSetShader(VSCustomDraw::GetPtr()->GetShader(), nullptr, 0);
pID3D11DeviceContext->GSSetShader(GSCustomDraw::GetPtr()->GetShader(), nullptr, 0);
pID3D11DeviceContext->PSSetShader(PSCustomDraw::GetPtr()->GetShader(), nullptr, 0);
//インプットレイアウトの設定
pID3D11DeviceContext->IASetInputLayout(VSCustomDraw::GetPtr()->GetInputLayout());
//コンスタントバッファの設定
ID3D11Buffer* pConstantBuffer = CBCustomDraw::GetPtr()->GetBuffer();
pID3D11DeviceContext->VSSetConstantBuffers(0, 1, &pConstantBuffer);
pID3D11DeviceContext->GSSetConstantBuffers(0, 1, &pConstantBuffer);
pID3D11DeviceContext->PSSetConstantBuffers(0, 1, &pConstantBuffer);
//レンダリングステート
pID3D11DeviceContext->RSSetState(RenderState->GetCullFront());
//描画
pID3D11DeviceContext->DrawIndexed(MeshRes->GetNumIndicis(), 0, 0);
//レンダリングステート
pID3D11DeviceContext->RSSetState(RenderState->GetCullBack());
//描画
pID3D11DeviceContext->DrawIndexed(MeshRes->GetNumIndicis(), 0, 0);
//後始末
Dev->InitializeStates();
}
描画コンポーネントのオブジェクトへの実装
このように描画コンポーネントを作成すればほかのコンポーネントのように利用できます。またこのようにしておくとほかのオブジェクトでも、汎用的に使用できるようになります。以下は、コンポーネントの実装です。CustomDrawOctahedron::OnCreate()関数です。
void CustomDrawOctahedron::OnCreate() {
auto Ptr = AddComponent<Transform>();
Ptr->SetScale(m_StartScale);
Ptr->SetPosition(m_StartPos);
Ptr->SetRotation(m_StartRotation);
vector<VertexPositionNormalTexture> vertices;
vector<uint16_t> indices;
//正8面体
MeshUtill::CreateOctahedron(1.0f, vertices, indices);
for (size_t i = 0; i < vertices.size(); i++) {
VertexPositionNormalColor new_v;
new_v.position = vertices[i].position;
new_v.normal = vertices[i].normal;
new_v.color = Col4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);
m_BackupVertices.push_back(new_v);
}
auto PtrDraw = AddComponent<CustomPNCStaticDraw>();
PtrDraw->CreateOriginalMesh(m_BackupVertices, indices);
PtrDraw->SetOriginalMeshUse(true);
//影をつける（シャドウマップを描画する）
auto ShadowPtr = AddComponent<CustomShadowmap>();
ShadowPtr->SetMeshResource(PtrDraw->GetMeshResource());
//透明処理（描画順制御のため）
SetAlphaActive(true);
}
ジオメトリシェーダによる３角形の分割
続くFullSample4072は3角形の分割のサンプルです。こちらは描画コンポーネントは作成していません。FullSample4072のソリューションを開くと以下の画面が出ます。
図0407b
このシェーダはマイクロソフト社のジオメトリシェーダのサンプルを引用したものです。各三角形を分割して4つの三角形を作成しています。
詳細はコードを参照ください。
今項はジオメトリシェーダの使い方を説明しました。