ポリゴンの描画する面を指定する

概要

ポリゴンの描画する面に関しての説明を行っています。サンプルではカメラが自動的に三角形の周りをまわり、A キー, A ボタン、マウスの左ボタン、タッチのいずれかでカリングモードを変更することができます。

動作環境

必須環境

動作確認環境

サンプルの操作方法

内容

プログラムを実行するとカメラが自動的にポリゴンの周りをまわりますが、そのまま見ているとポリゴンの反対側が描画されていないことがわかります。

左がポリゴンの表側で、右が裏側

これはカリングという処理を行っているためで、ポリゴンの裏側を描画しないようになっています。例えば下のような閉じた箱をイメージしてみると分かりますが、箱の内側は通常見えないので見えない部分をわざわざ描画する必要がありません。多くのモデルはこのような閉じた形状であることが多く、ポリゴンの裏側を描画しないで描画コストを減らそうというのがカリングです。

手前の３面だけが見えて奥の３面は見えない

面の表裏は「頂点の位置」と「頂点の順番」で決まります。一般的には頂点が視点から見て右回り(時計周り)の順番で配置されている面が表になります。

カリングは描画コストを減らすのに有効なのですが、場合によっては裏面だけを描画させたかったり、薄いオブジェクトを描画するために１枚のポリゴンで両面を描画させたい場合などがあるかと思います。

カリングモードを決定しているのが「GraphicsDevice.RasterizerState.CullMode」プロパティです。「CullMode」列挙には下の３つの値が用意されており、用途に合わせて切り替えられます。

CullMode 列挙

カリングの方法を示します。

ただし、RasterizerState は一度 GraphicsDevice にバインドされると読み取り専用になってしまうので、カリングモードを変更するには新しく RasterizerState のインスタンスを作成して RasterizerState.CullMode にカリングモード設定、GraphicsDevice.RasterizerState に再設定する必要があります。

しかし、カリングモードだけを変更したい場合は XNA Framework に標準でカリング設定済みの RasterizerState が組み込まれているのでそれを使用することができます。

下記のプログラムではキー押下時に現在のカリングモードから他のカリングモードに変更するための RasterizerState を取得しています。

フィールド

/// <summary>
/// ポリゴンの描画を決定するためのラスタライザステート
/// </summary>
private RasterizerState rasterizerState = RasterizerState.CullCounterClockwise;

Update メソッド

// ボタンが押された瞬間

if (this.rasterizerState.CullMode == CullMode.None)
{
    // 反時計回りをカリング
    this.rasterizerState = RasterizerState.CullCounterClockwise;
}
else if (this.rasterizerState.CullMode == CullMode.CullCounterClockwiseFace)
{
    // 時計回りをカリング
    this.rasterizerState = RasterizerState.CullClockwise;
}
else if (this.rasterizerState.CullMode == CullMode.CullClockwiseFace)
{
    // カリングなし
    this.rasterizerState = RasterizerState.CullNone;
}

Draw メソッドでは取得した RasterizerState を設定しています。

Draw メソッド

// カリングのためのラスタライザステートの設定
this.GraphicsDevice.RasterizerState = this.rasterizerState;

下が、カリングによって描画される結果になります。左が面の表で、右が面の裏です。

CullMode.CullCounterClockwiseFace

CullMode.CullClockwiseFace

CullMode.None

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 FaceCulling
{
    /// <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>
        /// ポリゴン用頂点データリスト
        /// </summary>
        private VertexPositionColor[] triangleVertives = null;

        /// <summary>
        /// 面の表側を示すラインの頂点データリスト
        /// </summary>
        private VertexPositionColor[] lineVertices = null;

        /// <summary>
        /// 基本エフェクト
        /// </summary>
        private BasicEffect basicEffect = 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>
        /// カメラの回転位置
        /// </summary>
        private float cameraRotate = 0.0f;

        /// <summary>
        /// ポリゴンの描画を決定するためのラスタライザステート
        /// </summary>
        private RasterizerState rasterizerState = RasterizerState.CullCounterClockwise;

        /// <summary>
        /// ボタンを押している状態かどうかを判定するためのフラグ
        /// </summary>
        private bool isPushed = 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);

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

            // エフェクトで頂点カラーを有効にする
            this.basicEffect.VertexColorEnabled = true;

            // 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
                );

            // ポリゴンの頂点データを作成する
            this.triangleVertives = new VertexPositionColor[3];

            this.triangleVertives[0] = new VertexPositionColor(new Vector3(0.0f, 3.0f, 0.0f),
                                                               Color.Red);
            this.triangleVertives[1] = new VertexPositionColor(new Vector3(3.0f, -2.0f, 0.0f),
                                                               Color.Blue);
            this.triangleVertives[2] = new VertexPositionColor(new Vector3(-3.0f, -2.0f, 0.0f),
                                                               Color.Green);

            // 面の表側を指すようにラインを作成
            this.lineVertices = new VertexPositionColor[2];

            this.lineVertices[0] = new VertexPositionColor(new Vector3(0.0f, -1.0f, 0.0f),
                                                           Color.Blue);
            this.lineVertices[1] = new VertexPositionColor(new Vector3(0.0f, -1.0f, 10.0f),
                                                           Color.Blue);

            // 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");
        }

        /// <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)
        {
            // キーボードの情報取得
            KeyboardState keyState = Keyboard.GetState();

            // マウスの情報取得
            MouseState mouseState = Mouse.GetState();

            // ゲームパッドの情報取得
            GamePadState padState = 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 (padState.Buttons.Back == ButtonState.Pressed)
            {
                this.Exit();
            }

            ///// カリングの設定 /////
            if (keyState.IsKeyDown(Keys.A) ||
                mouseState.LeftButton == ButtonState.Pressed ||
                padState.Buttons.A == ButtonState.Pressed)
            {
                if (this.isPushed == false)
                {
                    // ボタンが押された瞬間

                    if (this.rasterizerState.CullMode == CullMode.None)
                    {
                        // 反時計回りをカリング
                        this.rasterizerState = RasterizerState.CullCounterClockwise;
                    }
                    else if (this.rasterizerState.CullMode == CullMode.CullCounterClockwiseFace)
                    {
                        // 時計回りをカリング
                        this.rasterizerState = RasterizerState.CullClockwise;
                    }
                    else if (this.rasterizerState.CullMode == CullMode.CullClockwiseFace)
                    {
                        // カリングなし
                        this.rasterizerState = RasterizerState.CullNone;
                    }
                }

                this.isPushed = true;
            }
            else
            {
                this.isPushed = false;
            }

            ///// カメラの位置回転 /////
            this.cameraRotate += (float)gameTime.ElapsedGameTime.TotalSeconds;

            // ビューマトリックスを設定
            this.basicEffect.View = Matrix.CreateLookAt(
                    Vector3.Transform(new Vector3(0.0f, 0.0f, 15.0f),
                        Matrix.CreateRotationY(this.cameraRotate)),
                    Vector3.Zero,
                    Vector3.Up
                );

            // 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);

            // カリングのためのラスタライザステートの設定
            this.GraphicsDevice.RasterizerState = this.rasterizerState;

            // 深度バッファの有効化
            this.GraphicsDevice.DepthStencilState = DepthStencilState.Default;

            // パスの数だけ繰り替えし描画 (といっても直接作成した BasicEffect は通常１回)
            foreach (EffectPass pass in this.basicEffect.CurrentTechnique.Passes)
            {
                // パスの開始
                pass.Apply();

                // 三角形を描画する
                this.GraphicsDevice.DrawUserPrimitives(
                    PrimitiveType.TriangleList,
                    this.triangleVertives,
                    0,
                    1
                );

                // 面の表側を示すラインを描画
                this.GraphicsDevice.DrawUserPrimitives(
                    PrimitiveType.LineList,
                    this.lineVertices,
                    0,
                    1
                );
            }

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

            // カリングモードを表示
            this.spriteBatch.DrawString(this.font,
                "A or LeftButton:Change CullMode.",
                new Vector2(10, 30), Color.White);

            this.spriteBatch.DrawString(this.font,
                "CullMode:" + this.rasterizerState.CullMode.ToString(),
                new Vector2(10, 60), Color.Yellow);

            // 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);
        }
    }
}