モデルの移動

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今回はモデルを移動させます。ゲームとかでもキャラクターが移動できなかったら話になりません。キーボードの「↑↓←→」で XZ 方向にモデルが移動します。

モデルの移動

今回のメインコードファイルを載せます。

MainSample.cs

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Drawing;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using Microsoft.DirectX;
using Microsoft.DirectX.Direct3D;

namespace MDXSample
{
    /// <summary>
    /// メインサンプルクラス
    /// </summary>
    public partial class MainSample : IDisposable
    {
        /// <summary>
        /// モデルの位置情報
        /// </summary>
        private Vector3 _trans = Vector3.Empty;


        /// <summary>
        /// アプリケーションの初期化
        /// </summary>
        /// <param name="topLevelForm">トップレベルウインドウ</param>
        /// <returns>全ての初期化がOKなら true, ひとつでも失敗したら false を返すようにする</returns>
        /// <remarks>
        /// false を返した場合は、自動的にアプリケーションが終了するようになっている
        /// </remarks>
        public bool InitializeApplication(MainForm topLevelForm)
        {
            // フォームの参照を保持
            this._form = topLevelForm;

            // 入力イベント作成
            this.CreateInputEvent(topLevelForm);

            try
            {
                // Direct3D デバイス作成
                this.CreateDevice(topLevelForm);

                // フォントの作成
                this.CreateFont();

                // Xファイルからメッシュ作成
                this.LoadXFileMesh("Deruderu.x");
            }
            catch (DirectXException ex)
            {
                // 例外発生
                MessageBox.Show(ex.ToString(), "エラー", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);
                return false;
            }

            // XYZライン作成
            this.CreateXYZLine();

            // ライトを設定
            this.SettingLight();

            return true;
        }

        /// <summary>
        /// メインループ処理
        /// </summary>
        public void MainLoop()
        {
            // カメラの設定
            this.SettingCamera();


            // キー操作で移動パラメータを変化
            if (this._keys[(int)Keys.Left])
            {
                this._trans.X -= 0.3f;
            }
            if (this._keys[(int)Keys.Right])
            {
                this._trans.X += 0.3f;
            }
            if (this._keys[(int)Keys.Down])
            {
                this._trans.Z -= 0.3f;
            }
            if (this._keys[(int)Keys.Up])
            {
                this._trans.Z += 0.3f;
            }


            // 描画内容を単色でクリアし、Zバッファもクリア
            this._device.Clear(ClearFlags.Target | ClearFlags.ZBuffer, Color.DarkBlue, 1.0f, 0);

            // 「BeginScene」と「EndScene」の間に描画内容を記述する
            this._device.BeginScene();


            // ライトを無効
            this._device.RenderState.Lighting = false;

            // 原点に配置
            this._device.SetTransform(TransformType.World, Matrix.Identity);

            // XYZラインを描画
            this.RenderXYZLine();


            // ライトを有効
            this._device.RenderState.Lighting = true;

            // 移動のための座標変換
            this._device.SetTransform(TransformType.World, Matrix.Translation(this._trans));

            // メッシュの描画
            this.RenderMesh();


            // 文字列の描画
            this._font.DrawText(null, "[↑↓]±Z [←→]±X", 0, 0, Color.White);
            this._font.DrawText(null, "θ:" + this._lensPosTheta, 0, 12, Color.White);
            this._font.DrawText(null, "φ:" + this._lensPosPhi, 0, 24, Color.White);
            this._font.DrawText(null, "X :" + this._trans.X, 0, 36, Color.White);
            this._font.DrawText(null, "Y :" + this._trans.Y, 0, 48, Color.White);
            this._font.DrawText(null, "Z :" + this._trans.Z, 0, 60, Color.White);

            // 描画はここまで
            this._device.EndScene();

            // 実際のディスプレイに描画
            this._device.Present();
        }

        /// <summary>
        /// リソースの破棄をするために呼ばれる
        /// </summary>
        public void Dispose()
        {
            // メッシュの破棄
            this.DisposeMesh();

            // XYZラインの破棄
            this.DisposeXYZLine();

            // フォントのリソースを解放
            if (this._font != null)
            {
                this._font.Dispose();
            }

            // Direct3D デバイスのリソース解放
            if (this._device != null)
            {
                this._device.Dispose();
            }
        }
    }
}
MainSamplePartial.cs ファイルのコードはこちらです。

MainSamplePartial.cs

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Drawing;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using Microsoft.DirectX;
using Microsoft.DirectX.Direct3D;

namespace MDXSample
{
    public partial class MainSample
    {
        /// <summary>
        /// メインフォーム
        /// </summary>
        private MainForm _form = null;

        /// <summary>
        /// Direct3D デバイス
        /// </summary>
        private Device _device = null;

        /// <summary>
        /// Direct3D 用フォント
        /// </summary>
        private Microsoft.DirectX.Direct3D.Font _font = null;

        /// <summary>
        /// キーのプレス判定
        /// </summary>
        private bool[] _keys = new bool[256];

        /// <summary>
        /// 1つ前のマウスの位置
        /// </summary>
        private Point _oldMousePoint = Point.Empty;

        /// <summary>
        /// カメラレンズの位置(R)
        /// </summary>
        private float _lensPosRadius = 20.0f;

        /// <summary>
        /// カメラレンズの位置(θ)
        /// </summary>
        private float _lensPosTheta = 270.0f;

        /// <summary>
        /// カメラレンズの位置(φ)
        /// </summary>
        private float _lensPosPhi = 45.0f;

        /// <summary>
        /// XYZライン用頂点バッファ
        /// </summary>
        private VertexBuffer _xyzLineVertexBuffer = null;

        /// <summary>
        /// メッシュ
        /// </summary>
        private Mesh _mesh = null;

        /// <summary>
        /// マテリアル情報配列
        /// </summary>
        private ExtendedMaterial[] _materials = null;

        /// <summary>
        /// テクスチャー配列
        /// </summary>
        private Texture[] _textures = null;


        /// <summary>
        /// 入力イベント作成
        /// </summary>
        /// <param name="topLevelForm">トップレベルウインドウ</param>
        private void CreateInputEvent(MainForm topLevelForm)
        {
            // キーイベント作成
            topLevelForm.KeyDown += new KeyEventHandler(this.form_KeyDown);
            topLevelForm.KeyUp += new KeyEventHandler(this.form_KeyUp);

            // マウス移動イベント
            topLevelForm.MouseMove += new MouseEventHandler(this.form_MouseMove);
        }

        /// <summary>
        /// キーボードのキーを押した瞬間
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void form_KeyDown(object sender, KeyEventArgs e)
        {
            // 押されたキーコードのフラグを立てる
            if ((int)e.KeyCode < this._keys.Length)
            {
                this._keys[(int)e.KeyCode] = true;
            }
        }
        /// <summary>
        /// キーボードのキーを放した瞬間
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void form_KeyUp(object sender, KeyEventArgs e)
        {
            // 放したキーコードのフラグを下ろす
            if ((int)e.KeyCode < this._keys.Length)
            {
                this._keys[(int)e.KeyCode] = false;
            }
        }

        /// <summary>
        /// マウス移動イベント
        /// </summary>
        /// <param name="sender"></param>
        /// <param name="e"></param>
        private void form_MouseMove(object sender, MouseEventArgs e)
        {
            if (e.Button == MouseButtons.Left)
            {
                // 回転
                this._lensPosTheta -= e.Location.X - this._oldMousePoint.X;
                this._lensPosPhi += e.Location.Y - this._oldMousePoint.Y;

                // φに関しては制限をつける
                if (this._lensPosPhi >= 90.0f)
                {
                    this._lensPosPhi = 89.9999f;
                }
                else if (this._lensPosPhi <= -90.0f)
                {
                    this._lensPosPhi = -89.9999f;
                }
            }
            // マウスの位置を記憶
            this._oldMousePoint = e.Location;
        }

        /// <summary>
        /// Direct3D デバイスの作成
        /// </summary>
        /// <param name="topLevelForm">トップレベルウインドウ</param>
        private void CreateDevice(MainForm topLevelForm)
        {
            // PresentParameters。デバイスを作成する際に必須
            // どのような環境でデバイスを使用するかを設定する
            PresentParameters pp = new PresentParameters();

            // ウインドウモードなら true、フルスクリーンモードなら false を指定
            pp.Windowed = true;

            // スワップ効果。とりあえず「Discard」を指定。
            pp.SwapEffect = SwapEffect.Discard;

            // 深度ステンシルバッファ。3Dでは前後関係があるので通常 true
            pp.EnableAutoDepthStencil = true;

            // 自動深度ステンシル サーフェイスのフォーマット。
            // 「D16」に対応しているビデオカードは多いが、前後関係の精度があまりよくない。
            // できれば「D24S8」を指定したいところ。
            pp.AutoDepthStencilFormat = DepthFormat.D16;

            try
            {
                // デバイスの作成
                this.CreateDevice(topLevelForm, pp);
            }
            catch (DirectXException ex)
            {
                // 例外発生
                throw ex;
            }
        }
        /// <summary>
        /// Direct3D デバイスの作成
        /// </summary>
        /// <param name="topLevelForm">トップレベルウインドウ</param>
        /// <param name="presentationParameters">PresentParameters 構造体</param>
        private void CreateDevice(MainForm topLevelForm, PresentParameters presentationParameters)
        {
            // 実際にデバイスを作成します。
            // 常に最高のパフォーマンスで作成を試み、
            // 失敗したら下位パフォーマンスで作成するようにしている。
            try
            {
                // ハードウェアによる頂点処理、ラスタライズを行う
                // 最高のパフォーマンスで処理を行えます。
                // ビデオカードによっては実装できない処理が存在します。
                this._device = new Device(0, DeviceType.Hardware, topLevelForm.Handle,
                    CreateFlags.HardwareVertexProcessing, presentationParameters);
            }
            catch (DirectXException ex1)
            {
                // 作成に失敗
                Debug.WriteLine(ex1.ToString());
                try
                {
                    // ソフトウェアによる頂点処理、ハードウェアによるラスタライズを行う
                    this._device = new Device(0, DeviceType.Hardware, topLevelForm.Handle,
                        CreateFlags.SoftwareVertexProcessing, presentationParameters);
                }
                catch (DirectXException ex2)
                {
                    // 作成に失敗
                    Debug.WriteLine(ex2.ToString());
                    try
                    {
                        // ソフトウェアによる頂点処理、ラスタライズを行う
                        // パフォーマンスはとても低いです。
                        // その代わり、ほとんどの処理を制限なく行えます。
                        this._device = new Device(0, DeviceType.Reference, topLevelForm.Handle,
                            CreateFlags.SoftwareVertexProcessing, presentationParameters);
                    }
                    catch (DirectXException ex3)
                    {
                        // 作成に失敗
                        // 事実上デバイスは作成できません。
                        throw ex3;
                    }
                }
            }
        }

        /// <summary>
        /// フォントの作成
        /// </summary>
        private void CreateFont()
        {
            try
            {
                // フォントデータの構造体を作成
                FontDescription fd = new FontDescription();

                // 構造体に必要なデータをセット
                fd.Height = 12;
                fd.FaceName = "MS ゴシック";

                // フォントを作成
                this._font = new Microsoft.DirectX.Direct3D.Font(this._device, fd);
            }
            catch (DirectXException ex)
            {
                // 例外発生
                throw ex;
            }
        }

        /// <summary>
        /// XYZライン作成
        /// </summary>
        private void CreateXYZLine()
        {
            // 6つ分の頂点を作成
            this._xyzLineVertexBuffer = new VertexBuffer(typeof(CustomVertex.PositionColored),
                6, this._device, Usage.None, CustomVertex.PositionColored.Format, Pool.Managed);

            // 頂点バッファをロックして、位置、色情報を書き込む
            using (GraphicsStream data = this._xyzLineVertexBuffer.Lock(0, 0, LockFlags.None))
            {
                // 今回は各XYZのラインを原点(0.0f, 0.0f, 0.0f)からプラス方向に 10.0f 伸びた線を作成
                data.Write(new CustomVertex.PositionColored(0.0f, 0.0f, 0.0f, Color.Red.ToArgb()));
                data.Write(new CustomVertex.PositionColored(10.0f, 0.0f, 0.0f, Color.Red.ToArgb()));
                data.Write(new CustomVertex.PositionColored(0.0f, 0.0f, 0.0f, Color.Green.ToArgb()));
                data.Write(new CustomVertex.PositionColored(0.0f, 10.0f, 0.0f, Color.Green.ToArgb()));
                data.Write(new CustomVertex.PositionColored(0.0f, 0.0f, 0.0f, Color.Blue.ToArgb()));
                data.Write(new CustomVertex.PositionColored(0.0f, 0.0f, 10.0f, Color.Blue.ToArgb()));

                this._xyzLineVertexBuffer.Unlock();
            }
        }

        /// <summary>
        /// Xファイルからメッシュ関連データを読み込む
        /// </summary>
        /// <param name="xfileName">Xファイル名</param>
        private bool LoadXFileMesh(string xfileName)
        {
            // Xファイルを読み込んでメッシュを作成する
            try
            {
                this._mesh = Mesh.FromFile(xfileName,
                    MeshFlags.Managed, this._device, out this._materials);
            }
            catch (DirectXException ex)
            {
                // メッシュの作成に失敗した場合は例外が飛んでくる
                throw ex;
            }

            // 法線情報がなければ計算して作成
            if ((this._mesh.VertexFormat & VertexFormats.Normal) == 0)
            {
                // 法線情報を加えたメッシュを複製する
                Mesh tempMesh = this._mesh.Clone(this._mesh.Options.Value,
                    this._mesh.VertexFormat | VertexFormats.Normal, this._device);

                // 法線を計算
                tempMesh.ComputeNormals();

                // 古いメッシュを破棄し、置き換える
                this._mesh.Dispose();
                this._mesh = tempMesh;
            }

            // テクスチャーがあれば読み込み
            if (this._materials.Length >= 1)
            {
                // テクスチャー用の配列を作成
                this._textures = new Texture[this._materials.Length];

                // 配列分テクスチャーの読み込みを試みる
                for (int i = 0; i < this._materials.Length; i++)
                {
                    // 必ず null で初期化する
                    this._textures[i] = null;

                    // テクスチャー名が登録されているか確認
                    if (this._materials[i].TextureFilename != null &&
                        this._materials[i].TextureFilename.Length >= 1)
                    {
                        try
                        {
                            // テクスチャーを読み込む
                            this._textures[i] = TextureLoader.FromFile(this._device,
                                this._materials[i].TextureFilename);
                        }
                        catch (DirectXException ex)
                        {
                            // テクスチャーの作成に失敗した場合は例外が飛んでくる
                            throw ex;
                        }
                    }
                }
            }

            return true;
        }

        /// <summary>
        /// ライトの設定
        /// </summary>
        private void SettingLight()
        {
            // 平行光線を使用
            this._device.Lights[0].Type = LightType.Directional;

            // ライトの方向
            this._device.Lights[0].Direction = new Vector3(1.0f, -1.5f, 2.0f);

            // 光の色は白
            this._device.Lights[0].Diffuse = Color.White;

            // 環境光
            this._device.Lights[0].Ambient = Color.FromArgb(255, 128, 128, 128);

            // 0 番のライトを有効
            this._device.Lights[0].Enabled = true;

            // 0 番のライトを更新
            this._device.Lights[0].Update();
        }

        /// <summary>
        /// カメラの設定
        /// </summary>
        private void SettingCamera()
        {
            // レンズの位置を三次元極座標で変換
            float radius = this._lensPosRadius;
            float theta = Geometry.DegreeToRadian(this._lensPosTheta);
            float phi = Geometry.DegreeToRadian(this._lensPosPhi);
            Vector3 lensPosition = new Vector3(
                (float)(radius * Math.Cos(theta) * Math.Cos(phi)),
                (float)(radius * Math.Sin(phi)),
                (float)(radius * Math.Sin(theta) * Math.Cos(phi)));

            // ビュー変換行列を設定
            this._device.Transform.View = Matrix.LookAtLH(
                lensPosition, new Vector3(0.0f, 0.0f, 0.0f), new Vector3(0.0f, 1.0f, 0.0f));

            // 射影変換を設定
            this._device.Transform.Projection = Matrix.PerspectiveFovLH(
                Geometry.DegreeToRadian(60.0f),
                (float)this._device.Viewport.Width / (float)this._device.Viewport.Height,
                1.0f, 100.0f);
        }

        /// <summary>
        /// XYZライン描画
        /// </summary>
        private void RenderXYZLine()
        {
            this._device.SetStreamSource(0, this._xyzLineVertexBuffer, 0);
            this._device.VertexFormat = CustomVertex.PositionColored.Format;
            this._device.DrawPrimitives(PrimitiveType.LineList, 0, 3);
        }

        /// <summary>
        /// メッシュの描画
        /// </summary>
        private void RenderMesh()
        {
            // 属性の数だけループさせて描画
            for (int i = 0; i < this._materials.Length; i++)
            {
                // テクスチャーのセット
                this._device.SetTexture(0, this._textures[i]);

                // マテリアルをセット
                this._device.Material = this._materials[i].Material3D;

                // 描画
                this._mesh.DrawSubset(i);
            }
        }

        /// <summary>
        /// XYZラインの破棄
        /// </summary>
        private void DisposeXYZLine()
        {
            if (this._xyzLineVertexBuffer != null)
            {
                this._xyzLineVertexBuffer.Dispose();
            }
        }

        /// <summary>
        /// メッシュの破棄
        /// </summary>
        private void DisposeMesh()
        {
            // テクスチャーの解放
            if (this._textures != null)
            {
                foreach (Texture i in this._textures)
                {
                    if (i != null)
                    {
                        i.Dispose();
                    }
                }
            }

            // メッシュの解放
            if (this._mesh != null)
            {
                this._mesh.Dispose();
            }
        }
    }
}

/// <summary>
/// モデルの位置情報
/// </summary>
private Vector3 _trans = Vector3.Empty;

モデルの位置情報は「Vector3」構造体で保存しておきます。Vector3 はそのまま XYZ の値を持ちますので、3D空間の任意の位置に配置するときによく使われます。

ちなみに今回からこちらのページで説明したワールド座標変換というものを使用します。イメージはそのまま図に書いてあるような感じだと思います。

一応初期位置は原点におくので「Vector3.Empty」で初期化します。


// キー操作で移動パラメータを変化
if (this._keys[(int)Keys.Left])
{
    this._trans.X -= 0.3f;
}
if (this._keys[(int)Keys.Right])
{
    this._trans.X += 0.3f;
}
if (this._keys[(int)Keys.Down])
{
    this._trans.Z -= 0.3f;
}
if (this._keys[(int)Keys.Up])
{
    this._trans.Z += 0.3f;
}

キーを押したときにモデルが移動するように「trans」の各XZ値を変化させます。やり方は、「カメラをキーボードで操作」したときと同じです。


// ライトを無効
this._device.RenderState.Lighting = false;

// 原点に配置
this._device.SetTransform(TransformType.World, Matrix.Identity);

// XYZラインを描画
this.RenderXYZLine();

XYZラインを描画する前に「Device.SetTransform」メソッドを付け加えました。モデルを3D空間上に配置するにはこのメソッドの第1引数に「TransformType.World」を指定し、第2引数に位置情報などを変換した「Matrix」を渡します。ちなみにこれがワールド座標変換です。

本来、ワールド座標変換はモデルを描画するときにだけ設定すればいいのですが、このメソッドでセットした座標変換値は、新しく書き換えない限り残ってしまうという性質があります。

例えば、モデルの位置計算をこのメソッドで行った後、そのままXYZラインを描画してしまうと、原点に配置すべきはずなのにモデルの位置に描画されてしまうという現象が起こってしまいます。

そのため、XYZラインを描画する前に、「SetTransform」を使用し、初期化されたマトリックス「Matrix.Identity」を指定します。

初期化されたマトリックスは下のような値になります。また、Direct3D で使用するマトリックスは基本的に「4×4」です

Matrix Identity


// ライトを有効
this._device.RenderState.Lighting = true;

// 移動のための座標変換
this._device.SetTransform(TransformType.World, Matrix.Translation(this._trans));

// メッシュの描画
this.RenderMesh();

さて、モデルを移動するためのコードは1行ですみます。それも先ほどXYZ軸ラインを描画したときに使用した「Device.SetTransform」メソッドを使用します。さっきと違うのは第2引数のパラメータです。モデルを指定位置に移動させるには、位置ベクトルを「Matrix.Tramslation」メソッドでマトリックスに変換させて渡しています。

この状態でモデルを描画すると、その位置に描画することができます。もちろんメッシュでなくても、今まで作成したボックスやポリゴンでも同じように配置するとこができます。「RenderMesh」メソッドの部分を他の描画に置き換えるだけですので簡単です。

とりあえずコード的にはこれで終わりなのですが、じゃあ実際計算ってどうなって、どういう理屈で移動しているの?って疑問に思う方はこのセクションの続きを読んでください。別にいいなら読み飛ばしてかまいません。


まず、マトリックスの生成ですが、「Matrix.Translation」メソッドでは下のような計算式で位置ベクトルをマトリックスに置き換えています。とりあえず今回は位置ベクトルを(1.0, 0.0, 2.0)とします。

Matrix Translation

では、この生成されたマトリックスで、モデルがどのようにして移動するのか説明します。まず、下のようなポリゴンがあるとします。グリッド間隔を1として真上から(Y軸方向から)原点方向を見ているとします。(上下がZ、左右がX

変換前ポリゴン

最初に左上にある0番の頂点(-1, 0, 1)を見てみましょう。頂点の位置と作成されたマトリックスを下のような順番で掛け合わせます。掛け合わせる順番は決まっているので気をつけてください。移動用位置ベクトルは(1.0, 0.0, 2.0)ですので、上のマトリックスの公式に xyz を当てはめてください。小数点は省きます。

座標変換

頂点の位置がなぜか「4次元ベクトル」になっていますが、これはマトリックスと掛け合わせるために追加したものだと思ってください。「4×4」マトリックスと「3次元ベクトル」では次元数が違うために掛け合わせられないからです

4番目のパラメータを「1」にする理由は、例えば「5×1」は「5」、「123×1」は「123」のように、1と何をかけても元の数に影響がないからです。

そんなわけでかけた結果が右のベクトルになります。もちろん結果も「4次元ベクトル」になりますが、4番目のパラメータはどうやっても「1」になるので、そのままはずして3次元ベクトルにします

他の頂点も同様に計算すると下のような結果になります。

  • 0番目 : (0, 0, 3)
  • 1番目 : (3, 0, 3)
  • 2番目 : (0, 0, 1)
  • 3番目 : (3, 0, 1)

ではこれを図で表すと下のようになります。

変換後ポリゴン

見事に指定した位置ベクトルへ移動していることがわかります。これが移動の原理です。