マトリックスの掛け合わせ

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概要

移動、回転、スケールを掛け合わせてマトリックスを生成し、モデルを操作しています。サンプルではボックスの赤い面が前として操作しています。

モデルの拡大縮小

動作環境

必須環境

対応 XNA バージョン
  • 4.0
対応プラットフォーム
  • Windows (XP SP2 以降, Vista, 7)
  • Xbox 360
  • Windows Phone 7
Windows 必須頂点シェーダ バージョン 2.0
Windows 必須ピクセルシェーダ バージョン 2.0

動作確認環境

プラットフォーム
  • Windows 7
  • Xbox 360
  • Windows Phone 7 エミュレーター

サンプルの操作方法

動作 キーボード Xbox 360 コントローラー マウス タッチ
モデルの移動(向いている方向に前進、後退) ↑↓ 左スティック(Y) 左ボタン (自動移動、動作切り替え) -
モデルの回転 ←→ 左スティック(X) 左ボタン (自動回転、動作切り替え) -
モデルの拡大縮小 A, Z 右スティック(Y) 左ボタン (自動拡大縮小、動作切り替え) -

内容

フィールド

サンプルではモデルに対して移動、回転、スケール変換を行うようにしています。複数の操作を行うので、操作の単純化のために、移動は X, Z、回転は Y 軸のみ、スケールは X, Y, Z を共通化しています。

/// <summary>
/// モデルの位置
/// </summary>
private Vector3 position = Vector3.Zero;

/// <summary>
/// モデルの回転(radian)
/// </summary>
private float rotate = 0.0f;

/// <summary>
/// モデルのスケール
/// </summary>
private float scale = 1.0f;

モデルの操作

Game.Update メソッドで入力情報から各パラメータを操作しています。ここでは単純に各々のフィールドの値を変更しているだけです。(下記のコードはゲームパッドでの操作部分のみ抜粋しています)

GamePadState gamePadState = GamePad.GetState(PlayerIndex.One);


///// 拡大縮小 /////

// ゲームパッドによるモデルの拡大縮小
if (gamePadState.IsConnected)
{
    this.scale = gamePadState.ThumbSticks.Right.Y + 1.0f;
}

///// 回転 /////

// ゲームパッドによる回転
if (gamePadState.IsConnected)
{
    this.rotate -= gamePadState.ThumbSticks.Left.X * 0.1f;
}

///// 移動 /////

// 進むべき方向
Vector3 frontDirection =
    Vector3.TransformNormal(Vector3.UnitZ, Matrix.CreateRotationY(this.rotate));

// ゲームパッドによるモデルの移動操作
if (gamePadState.IsConnected)
{
    this.position += gamePadState.ThumbSticks.Left.Y * frontDirection * 0.1f;
}

移動するときに、移動すべき方向を現在の回転量から求めています。

回転していない時の移動方向を(0, 0, 1)とし、このベクトルに「Vector3.TransformNormal」メソッドで回転マトリックスを掛け合わせることにより、ベクトルを回転させることができます。求まるベクトルは「単位ベクトル」なので、これに移動量を掛け合わせることによって向いている方向に前進できます。

Vector3.TransformNormal メソッド

マトリックスによって3Dベクトルを座標変換させる。

normal Vector3 変換元ベクトル
matrix Matrix 座標変換マトリックス
戻り値 Vector3 座標変換を行った単位ベクトル

座標変換

各パラメータを元にマトリックスを作成します。これらのマトリックスを掛け合わせることにより、複数の座標変換を適用できるようになります。足し算ではないことに注意してください。

また、掛ける順番も決まっていることにも注意してください。基本的には「スケール」「回転」「移動」の順番に掛け合わせるのが一般的です。順番を変えることもできますが、その場合結果が異なります。それは各自プログラムを修正して試してみてください。

// 座標変換の初期化
Matrix transform = Matrix.Identity;

// 拡大縮小
transform *= Matrix.CreateScale(this.scale);

// 回転
transform *= Matrix.CreateRotationY(this.rotate);

// 移動
transform *= Matrix.CreateTranslation(this.position);

foreach (ModelMesh mesh in this.model.Meshes)
{
    // 座標変換を設定
    foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
    {
        effect.World = transform;
    }

    // モデルを描画
    mesh.Draw();
}

全コード

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Audio;
using Microsoft.Xna.Framework.Content;
using Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;
using Microsoft.Xna.Framework.Input;
using Microsoft.Xna.Framework.Media;
#if WINDOWS_PHONE
using Microsoft.Xna.Framework.Input.Touch;
#endif

namespace TransformWorldMatrix
{
    /// <summary>
    /// ゲームメインクラス
    /// </summary>
    public class GameMain : Microsoft.Xna.Framework.Game
    {
        /// <summary>
        /// グラフィックデバイス管理クラス
        /// </summary>
        private GraphicsDeviceManager graphics = null;

        /// <summary>
        /// スプライトのバッチ化クラス
        /// </summary>
        private SpriteBatch spriteBatch = null;

        /// <summary>
        /// スプライトでテキストを描画するためのフォント
        /// </summary>
        private SpriteFont font = null;

        /// <summary>
        /// モデル
        /// </summary>
        private Model model = null;

        /// <summary>
        /// モデルの位置
        /// </summary>
        private Vector3 position = Vector3.Zero;

        /// <summary>
        /// モデルの回転(radian)
        /// </summary>
        private float rotate = 0.0f;

        /// <summary>
        /// モデルのスケール
        /// </summary>
        private float scale = 1.0f;

        /// <summary>
        /// 自動動作フラグ
        /// </summary>
        private int autoMode = 0;

        /// <summary>
        /// マウスボタン押下フラグ
        /// </summary>
        private bool isMousePressed = false;


        /// <summary>
        /// GameMain コンストラクタ
        /// </summary>
        public GameMain()
        {
            // グラフィックデバイス管理クラスの作成
            this.graphics = new GraphicsDeviceManager(this);

            // ゲームコンテンツのルートディレクトリを設定
            this.Content.RootDirectory = "Content";

#if WINDOWS_PHONE
            // Windows Phone のデフォルトのフレームレートは 30 FPS
            this.TargetElapsedTime = TimeSpan.FromTicks(333333);

            // バックバッファサイズの設定
            this.graphics.PreferredBackBufferWidth = 480;
            this.graphics.PreferredBackBufferHeight = 800;

            // フルスクリーン表示
            this.graphics.IsFullScreen = true;
#endif
        }

        /// <summary>
        /// ゲームが始まる前の初期化処理を行うメソッド
        /// グラフィック以外のデータの読み込み、コンポーネントの初期化を行う
        /// </summary>
        protected override void Initialize()
        {
            // TODO: ここに初期化ロジックを書いてください

            // コンポーネントの初期化などを行います
            base.Initialize();
        }

        /// <summary>
        /// ゲームが始まるときに一回だけ呼ばれ
        /// すべてのゲームコンテンツを読み込みます
        /// </summary>
        protected override void LoadContent()
        {
            // テクスチャーを描画するためのスプライトバッチクラスを作成します
            this.spriteBatch = new SpriteBatch(this.GraphicsDevice);

            // フォントをコンテンツパイプラインから読み込む
            this.font = this.Content.Load<SpriteFont>("Font");

            // モデルを作成
            this.model = this.Content.Load<Model>("Model");

            // 今回はパラメータをあらかじめ設定しておく
            foreach (ModelMesh mesh in this.model.Meshes)
            {
                foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
                {
                    // デフォルトのライト適用
                    effect.EnableDefaultLighting();

                    // ビューマトリックスをあらかじめ設定
                    effect.View = Matrix.CreateLookAt(
                        new Vector3(0.0f, 20.0f, 2.0f),
                        Vector3.Zero,
                        Vector3.Up
                    );

                    // プロジェクションマトリックスをあらかじめ設定
                    effect.Projection = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(
                        MathHelper.ToRadians(45.0f),
                        (float)this.GraphicsDevice.Viewport.Width /
                            (float)this.GraphicsDevice.Viewport.Height,
                        1.0f,
                        100.0f
                    );
                }
            }
        }

        /// <summary>
        /// ゲームが終了するときに一回だけ呼ばれ
        /// すべてのゲームコンテンツをアンロードします
        /// </summary>
        protected override void UnloadContent()
        {
            // TODO: ContentManager で管理されていないコンテンツを
            //       ここでアンロードしてください
        }

        /// <summary>
        /// 描画以外のデータ更新等の処理を行うメソッド
        /// 主に入力処理、衝突判定などの物理計算、オーディオの再生など
        /// </summary>
        /// <param name="gameTime">このメソッドが呼ばれたときのゲーム時間</param>
        protected override void Update(GameTime gameTime)
        {
            KeyboardState keyState = Keyboard.GetState();
            MouseState mouseState = Mouse.GetState();
            GamePadState gamePadState = GamePad.GetState(PlayerIndex.One);

            // Xbox 360 コントローラ、Windows Phone の BACK ボタンを押したときに
            // ゲームを終了させます
            if (gamePadState.Buttons.Back == ButtonState.Pressed)
            {
                this.Exit();
            }

            // マウスによる自動動作切り替え
            if (this.isMousePressed == false &&
                mouseState.LeftButton == ButtonState.Pressed)
            {
                this.isMousePressed = true;

                this.autoMode = (this.autoMode + 1) % 4;
            }
            this.isMousePressed = mouseState.LeftButton == ButtonState.Pressed;


            ///// 拡大縮小 /////

            // キーボードによる拡大縮小
            if (keyState.IsKeyDown(Keys.A))
            {
                this.scale *= 1.01f;
            }
            if (keyState.IsKeyDown(Keys.Z))
            {
                this.scale /= 1.01f;
            }

            // ゲームパッドによるモデルの拡大縮小
            if (gamePadState.IsConnected)
            {
                this.scale = gamePadState.ThumbSticks.Right.Y + 1.0f;
            }

            if (this.autoMode == 1)
            {
                this.scale = (float)(Math.Sin(gameTime.TotalGameTime.TotalSeconds) + 1);
            }

            ///// 回転 /////

            // キーボードによる回転
            if (keyState.IsKeyDown(Keys.Left))
            {
                this.rotate += 0.1f;
            }
            if (keyState.IsKeyDown(Keys.Right))
            {
                this.rotate -= 0.1f;
            }

            // ゲームパッドによる回転
            if (gamePadState.IsConnected)
            {
                this.rotate -= gamePadState.ThumbSticks.Left.X * 0.1f;
            }

            if (this.autoMode == 2)
            {
                this.rotate += (float)gameTime.ElapsedGameTime.TotalSeconds;
            }

            ///// 移動 /////

            // 進むべき方向
            Vector3 frontDirection =
                Vector3.TransformNormal(Vector3.UnitZ, Matrix.CreateRotationY(this.rotate));

            // キーボードによるモデルの移動操作
            if (keyState.IsKeyDown(Keys.Up))
            {
                this.position += frontDirection * 0.1f;
            }
            if (keyState.IsKeyDown(Keys.Down))
            {
                this.position -= frontDirection * 0.1f;
            }

            // ゲームパッドによるモデルの移動操作
            if (gamePadState.IsConnected)
            {
                this.position += gamePadState.ThumbSticks.Left.Y * frontDirection * 0.1f;
            }

            if (this.autoMode == 3)
            {
                this.position += frontDirection * (float)(Math.Sin(gameTime.TotalGameTime.TotalSeconds)) * 0.1f;
            }

            // 登録された GameComponent を更新する
            base.Update(gameTime);
        }

        /// <summary>
        /// 描画処理を行うメソッド
        /// </summary>
        /// <param name="gameTime">このメソッドが呼ばれたときのゲーム時間</param>
        protected override void Draw(GameTime gameTime)
        {
            // 画面を指定した色でクリアします
            this.GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

            // 座標変換の初期化
            Matrix transform = Matrix.Identity;

            // 拡大縮小
            transform *= Matrix.CreateScale(this.scale);

            // 回転
            transform *= Matrix.CreateRotationY(this.rotate);

            // 移動
            transform *= Matrix.CreateTranslation(this.position);

            foreach (ModelMesh mesh in this.model.Meshes)
            {
                // 座標変換を設定
                foreach (BasicEffect effect in mesh.Effects)
                {
                    effect.World = transform;
                }

                // モデルを描画
                mesh.Draw();
            }

            // スプライトの描画準備
            this.spriteBatch.Begin();

            // テキストをスプライトとして描画する
            this.spriteBatch.DrawString(this.font,
                "[Position]" + Environment.NewLine +
                "  X:" + this.position.X.ToString() + Environment.NewLine +
                "  Y:" + this.position.Y.ToString() + Environment.NewLine +
                "  Z:" + this.position.Z.ToString() + Environment.NewLine +
                "[Rotate]" + Environment.NewLine +
                "  " + this.rotate.ToString() + Environment.NewLine +
                "[Scale]" + Environment.NewLine +
                "  " + this.scale.ToString() + Environment.NewLine +
                "MousePressAutoMode : " + this.autoMode,
                new Vector2(50, 50), Color.White);

            // スプライトの一括描画
            this.spriteBatch.End();

            // 登録された DrawableGameComponent を描画する
            base.Draw(gameTime);
        }
    }
}