XNA

ライトを使用してポリゴンを描画する

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概要

ライト(光源)を使用してポリゴンに陰をつけています。

ライトを使用してポリゴンを描画する

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 2.01

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

内容

ライトに関して

ライトを使用するにあたっていくつか説明を入れておきます。

マテリアル

マテリアルとは簡単に言い換えれば「物質の色」です。マテリアルは「ライト」と併用して使われることが多く、BasicEffect でもマテリアルとライトのパラメータを設定することができます。ただし、独自にシェーダプログラムを書いている場合はこの限りではなく、自由に調整することが可能です。また、マテリアルの色は頂点の色とは違う点に注意してください。

マテリアルは一般的に下のような項目があります。
Diffuse 物質の基本色
Ambient 環境光を受けたときの色（ライトが直接当たらなくても見える）
Specular 鏡面反射光（車などの光沢みたいに強く光る）
SpecularPower 反射の強さ（Specular の強さ）
Emissive 発散光（自分で光る）

ライトと法線

ライトを使う場合には「法線」というものが必要になります。法線とライトの位置関係によって物体の明るさが決まります。法線は頂点データとして設定することになります。

面の方向と明るさ

面がライトのある方向を向いているほうが明るく、逆であるほど暗くなります。これは面の方向を頂点に置き換えても同様なことになります。この面や頂点の向きのことを「法線」と呼びます。

さて、法線の向きは明示的に定められているわけではなく、ボックスに設定する法線は主に下の２通りがあります。

面の方向と明るさ

左と右ではライトを当てたときに違いが出てきます。

左の方法の場合面と面の間が角ばって見えるようになります。これは完全に面の法線と一緒の方向を向いているからです。ただし、この方法だと頂点を共有できないというデメリットがあります。

右の方法だと面と面の間がライトの当て方によって若干まるまって見えるようになります。頂点を共有するのでデータ量が減るというメリットがあります。デメリットは、頂点の法線が面の方向と一緒ではないため、例えば真上からライトをあてても上の面が１００％ライトの影響を受けられなくなります。

文で説明してもわかりづらいので、下の図で違いを確認してください。

面の方向と明るさ面の方向と明るさ
メタセコイアというモデリングソフトで表示したものです

見た目的にもかなり違うことがわかります。サンプルではコードが冗長にならない右の方法でボックスを作成することにします。

フィールド

/// <summary>
/// 基本エフェクト
/// </summary>
private BasicEffect basicEffect = null;

/// <summary>
/// 頂点バッファ
/// </summary>
private VertexBuffer vertexBuffer = null;

/// <summary>
/// インデックスバッファ
/// </summary>
private IndexBuffer indexBuffer = null;

/// <summary>
/// インデックスバッファの各頂点番号配列
/// </summary>
private static readonly Int16[] vertexIndices = new Int16[] {
    2, 0, 1, 1, 3, 2, 4, 0, 2, 2, 6, 4, 5, 1, 0, 0, 4, 5,
    7, 3, 1, 1, 5, 7, 6, 2, 3, 3, 7, 6, 4, 6, 7, 7, 5, 4 };

ボックスの作成には頂点バッファとインデックスバッファを使用しています。

作成

// エフェクトを作成
this.basicEffect = new BasicEffect(this.GraphicsDevice);

// エフェクトでライトを有効にする
this.basicEffect.LightingEnabled = true;

// デフォルトのライトの設定を使用する
this.basicEffect.EnableDefaultLighting();

// スペキュラーを無効
this.basicEffect.SpecularColor = Vector3.Zero;

// ２番目と３番目のライトを無効
this.basicEffect.DirectionalLight1.Enabled = false;
this.basicEffect.DirectionalLight2.Enabled = false;

BasicEffect にはライトを設定する項目がいくつか存在します。

まず、LightingEnabled プロパティに true を設定してライトの計算を行うように指示します。

EnableDefaultLighting メソッドを呼ぶと、ライトやマテリアルの色が自動的に設定されるようになります。ただ、今回のボックスにデフォルトのライトを使用すると明るすぎるので、スペキュラーカラーを無効にし、第２、第３ライトを無効にしています。

// 頂点の数
int vertexCount = 8;

// 頂点バッファ作成
this.vertexBuffer = new VertexBuffer(this.GraphicsDevice,
    typeof(VertexPositionNormalTexture), vertexCount, BufferUsage.None);

// 頂点データを作成する
VertexPositionNormalTexture[] vertives = new VertexPositionNormalTexture[vertexCount];

vertives[0] = new VertexPositionNormalTexture(
    new Vector3(-2.0f, 2.0f, -2.0f),
    Vector3.Normalize(new Vector3(-1.0f, 1.0f, -1.0f)),
    Vector2.Zero);
vertives[1] = new VertexPositionNormalTexture(
    new Vector3(2.0f, 2.0f, -2.0f),
    Vector3.Normalize(new Vector3(1.0f, 1.0f, -1.0f)),
    Vector2.Zero);
vertives[2] = new VertexPositionNormalTexture(
    new Vector3(-2.0f, 2.0f, 2.0f),
    Vector3.Normalize(new Vector3(-1.0f, 1.0f, 1.0f)),
    Vector2.Zero);
vertives[3] = new VertexPositionNormalTexture(
    new Vector3(2.0f, 2.0f, 2.0f),
    Vector3.Normalize(new Vector3(1.0f, 1.0f, 1.0f)),
    Vector2.Zero);
vertives[4] = new VertexPositionNormalTexture(
    new Vector3(-2.0f, -2.0f, -2.0f),
    Vector3.Normalize(new Vector3(-1.0f, -1.0f, -1.0f)),
    Vector2.Zero);
vertives[5] = new VertexPositionNormalTexture(
    new Vector3(2.0f, -2.0f, -2.0f),
    Vector3.Normalize(new Vector3(1.0f, -1.0f, -1.0f)),
    Vector2.Zero);
vertives[6] = new VertexPositionNormalTexture(
    new Vector3(-2.0f, -2.0f, 2.0f),
    Vector3.Normalize(new Vector3(-1.0f, -1.0f, 1.0f)),
    Vector2.Zero);
vertives[7] = new VertexPositionNormalTexture(
    new Vector3(2.0f, -2.0f, 2.0f),
    Vector3.Normalize(new Vector3(1.0f, -1.0f, 1.0f)),
    Vector2.Zero);

// 頂点データを頂点バッファに書き込む
this.vertexBuffer.SetData(vertives);

少し長めのコードですが、頂点データを作成しています。今回使用している頂点データの構造体は「位置」「法線」「テクスチャー座標」のデータを持つ「VertexPositionNormalTexture」です。XNA Framework には「位置」「法線」だけを持つ構造体が用意されていないので、テクスチャー座標についてはすべての頂点に「Vector2.Zero」を指定しています。(もちろんわかる人は構造体を自作しても構いません)

法線については、前に図で示した通り、斜めの方向を向くように設定しています。法線は向きのみで表すデータ定義であるため、方向を指定したあと Vector3.Normalize メソッドで正規化しています。

VertexPositionNormalTexture コンストラクタ

位置と法線とテクスチャー座標の頂点データを持つ構造体「VertexPositionNormalTexture」のインスタンスを作成します。
position Vector3 頂点の位置
normal Vector3 頂点の法線
textureCoordinate Vector2 頂点のテクスチャー座標

Vector3.Normalize メソッド

指定したベクトルから単位ベクトルを作成します。
value Vector3 正規化する元ベクトル
戻り値 Vector3 単位ベクトル 
// インデックスバッファを作成
this.indexBuffer = new IndexBuffer(this.GraphicsDevice,
    IndexElementSize.SixteenBits, 3 * 12, BufferUsage.None);

// 頂点インデックスを書き込む
this.indexBuffer.SetData(vertexIndices);

インデックスバッファの作成は特に違いはありません。

描画

// 描画に使用する頂点バッファをセット
this.GraphicsDevice.SetVertexBuffer(this.vertexBuffer);

// インデックスバッファをセット
this.GraphicsDevice.Indices = this.indexBuffer;

// パスの数だけ繰り替えし描画
foreach (EffectPass pass in this.basicEffect.CurrentTechnique.Passes)
{
    // パスの開始
    pass.Apply();

    // ボックスを描画する
    this.GraphicsDevice.DrawIndexedPrimitives(
        PrimitiveType.TriangleList,
        0,
        0,
        8,
        0,
        12
    );
}

頂点情報などは事前に設定してあるため、描画に関するコードについては特に変わった点はありません。

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 BoxReceivedLight
{
    /// <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>
        /// 基本エフェクト
        /// </summary>
        private BasicEffect basicEffect = null;

        /// <summary>
        /// 頂点バッファ
        /// </summary>
        private VertexBuffer vertexBuffer = null;

        /// <summary>
        /// インデックスバッファ
        /// </summary>
        private IndexBuffer indexBuffer = null;

        /// <summary>
        /// インデックスバッファの各頂点番号配列
        /// </summary>
        private static readonly Int16[] vertexIndices = new Int16[] {
            2, 0, 1, 1, 3, 2, 4, 0, 2, 2, 6, 4, 5, 1, 0, 0, 4, 5,
            7, 3, 1, 1, 5, 7, 6, 2, 3, 3, 7, 6, 4, 6, 7, 7, 5, 4 };


        /// <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);

            // エフェクトを作成
            this.basicEffect = new BasicEffect(this.GraphicsDevice);

            // エフェクトでライトを有効にする
            this.basicEffect.LightingEnabled = true;

            // デフォルトのライトの設定を使用する
            this.basicEffect.EnableDefaultLighting();

            // スペキュラーを無効
            this.basicEffect.SpecularColor = Vector3.Zero;

            // ２番目と３番目のライトを無効
            this.basicEffect.DirectionalLight1.Enabled = false;
            this.basicEffect.DirectionalLight2.Enabled = false;


            // ビューマトリックスをあらかじめ設定 ((6, 6, 12) から原点を見る)
            this.basicEffect.View = Matrix.CreateLookAt(
                    new Vector3(6.0f, 6.0f, 12.0f),
                    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
            this.basicEffect.Projection = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView(
                    MathHelper.ToRadians(45.0f),
                    (float)this.GraphicsDevice.Viewport.Width /
                        (float)this.GraphicsDevice.Viewport.Height,
                    1.0f,
                    100.0f
                );

            // 頂点の数
            int vertexCount = 8;

            // 頂点バッファ作成
            this.vertexBuffer = new VertexBuffer(this.GraphicsDevice,
                typeof(VertexPositionNormalTexture), vertexCount, BufferUsage.None);

            // 頂点データを作成する
            VertexPositionNormalTexture[] vertives = new VertexPositionNormalTexture[vertexCount];

            vertives[0] = new VertexPositionNormalTexture(
                new Vector3(-2.0f, 2.0f, -2.0f),
                Vector3.Normalize(new Vector3(-1.0f, 1.0f, -1.0f)),
                Vector2.Zero);
            vertives[1] = new VertexPositionNormalTexture(
                new Vector3(2.0f, 2.0f, -2.0f),
                Vector3.Normalize(new Vector3(1.0f, 1.0f, -1.0f)),
                Vector2.Zero);
            vertives[2] = new VertexPositionNormalTexture(
                new Vector3(-2.0f, 2.0f, 2.0f),
                Vector3.Normalize(new Vector3(-1.0f, 1.0f, 1.0f)),
                Vector2.Zero);
            vertives[3] = new VertexPositionNormalTexture(
                new Vector3(2.0f, 2.0f, 2.0f),
                Vector3.Normalize(new Vector3(1.0f, 1.0f, 1.0f)),
                Vector2.Zero);
            vertives[4] = new VertexPositionNormalTexture(
                new Vector3(-2.0f, -2.0f, -2.0f),
                Vector3.Normalize(new Vector3(-1.0f, -1.0f, -1.0f)),
                Vector2.Zero);
            vertives[5] = new VertexPositionNormalTexture(
                new Vector3(2.0f, -2.0f, -2.0f),
                Vector3.Normalize(new Vector3(1.0f, -1.0f, -1.0f)),
                Vector2.Zero);
            vertives[6] = new VertexPositionNormalTexture(
                new Vector3(-2.0f, -2.0f, 2.0f),
                Vector3.Normalize(new Vector3(-1.0f, -1.0f, 1.0f)),
                Vector2.Zero);
            vertives[7] = new VertexPositionNormalTexture(
                new Vector3(2.0f, -2.0f, 2.0f),
                Vector3.Normalize(new Vector3(1.0f, -1.0f, 1.0f)),
                Vector2.Zero);

            // 頂点データを頂点バッファに書き込む
            this.vertexBuffer.SetData(vertives);

            // インデックスバッファを作成
            this.indexBuffer = new IndexBuffer(this.GraphicsDevice,
                IndexElementSize.SixteenBits, 3 * 12, BufferUsage.None);

            // 頂点インデックスを書き込む
            this.indexBuffer.SetData(vertexIndices);
        }

        /// <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)
        {
            // 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 (GamePad.GetState(PlayerIndex.One).Buttons.Back == ButtonState.Pressed)
            {
                this.Exit();
            }

            // TODO: ここに更新処理を記述してください

            // 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);

            // 描画に使用する頂点バッファをセット
            this.GraphicsDevice.SetVertexBuffer(this.vertexBuffer);

            // インデックスバッファをセット
            this.GraphicsDevice.Indices = this.indexBuffer;

            // パスの数だけ繰り替えし描画
            foreach (EffectPass pass in this.basicEffect.CurrentTechnique.Passes)
            {
                // パスの開始
                pass.Apply();

                // ボックスを描画する
                this.GraphicsDevice.DrawIndexedPrimitives(
                    PrimitiveType.TriangleList,
                    0,
                    0,
                    8,
                    0,
                    12
                );
            }

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