DirectX9

【C++】DirectX9レンダリングパイプライン：入力アセンブラーから出力マージャーまでの基本処理と仕組み

2025-04-29更新日: 2025-04-29

DirectX9のレンダリングパイプラインは、入力アセンブラーで頂点データを組み立て、頂点シェーダーで座標変換を実施する処理です。

次にラスタライザーでピクセル候補へ分解し、ピクセルシェーダーで色の計算を行います。

最終的に出力マージャーでフレームバッファに描画され、C++での記述が一般的です。

目次から探す

入力アセンブラー
- 頂点データの読み込みと管理
- プリミティブの組み立て
頂点シェーダー
- 座標変換処理
- ライティング計算
ラスタライザー
ピクセルシェーダー
- 色の計算とテクスチャ処理
- ブレンディング調整
出力マージャー
まとめ

入力アセンブラー

頂点データの読み込みと管理

頂点バッファの利用

頂点バッファは、レンダリングする頂点データをまとめて管理するために使われます。

グラフィックスカードへデータを効率よく送るために、CPUからGPUへ転送するデータを一箇所にまとめる役割があります。

たとえば、以下は簡単な頂点バッファ利用のサンプルコードになります。

コメント内に日本語での説明も加えているので、各部分の意味を把握しやすくしています。

#include <iostream>
#include <d3d9.h>
#pragma comment(lib, "d3d9.lib")
// 単純な頂点構造体
struct Vertex {
    float x, y, z;       // 頂点の位置
    DWORD color;         // 頂点の色 (ARGB形式)
};
int main() {
    // 仮想の頂点データを定義
    Vertex vertices[3] = {
        { 0.0f,  1.0f, 0.0f, 0xFFFF0000 },  // 赤
        { -1.0f, -1.0f, 0.0f, 0xFF00FF00 },  // 緑
        { 1.0f, -1.0f, 0.0f, 0xFF0000FF }    // 青
    };
    // 実際の頂点バッファ作成コードは省略されているが、
    // 通常、DirectXのAPIを使用してGPU側にバッファを作成する処理が入る
    std::cout << "頂点バッファのサンプルコードが実行されました" << std::endl;
    return 0;
}

頂点バッファのサンプルコードが実行されました

上記のサンプルでは、頂点データを配列として確保し、そのデータをグラフィックスパイプラインに渡すための土台を作っています。

実際のアプリケーションでは、ここにDirectXの初期化や頂点バッファ作成処理が含まれることが一般的です。

インデックスバッファの役割

インデックスバッファは、頂点データの再利用を可能にするために使われます。

複数のプリミティブが同じ頂点を共有する場合、同じ頂点データを何度も重複して保存する必要がなくなります。

たとえば、三角形を描画するときに共通する頂点が複数の面で使われる場合、インデックスバッファを使って頂点のインデックス番号を指定することで、効率が格段にアップします。

プリミティブの組み立て

レンダリングパイプラインでは、読み込んだ頂点データをもとにプリミティブという基本単位を組み立てます。

これにより、画面上に点、線、または三角形として描画される形が確定されます。

点、線、三角形の分類

各プリミティブは基本的な形に分類され、用途に応じて点、線、または三角形が選択されます。

点：個々の位置情報を表現するのに使う
線：2点間を結んで輪郭やエッジを表現するのに用いる
三角形：最も一般的なプリミティブで、面の表現や曲面の構築に利用される

トポロジーの指定

レンダリング時にはプリミティブのトポロジー、すなわち頂点の接続順序などを指定する必要があります。

正しいトポロジーの設定が、正確な描画に繋がります。

たとえば、三角形リストやストリップの指定があり、描画するオブジェクトに合わせて使い分けが行われます。

頂点シェーダー

座標変換処理

頂点シェーダーは、各頂点に対して座標変換などの処理を行います。

レンダリング前に、3つの主要な行列変換が行われ、三次元空間の頂点座標がスクリーン上の位置に変換されます。

モデル変換

モデル変換は、各オブジェクトのローカル座標をワールド座標に変換する処理です。

オブジェクトの位置や回転、拡大縮小を調整するための行列を用います。

各オブジェクト毎に適用されるため、同じシーンに複数のオブジェクトが存在する場合でも、それぞれ固有の変換が可能になります。

ビュー変換

ビュー変換は、カメラの視点からシーン全体を見やすくするための変換です。

カメラの位置や向きを示す行列を使用し、世界空間内の頂点データをカメラ空間に変換していきます。

これにより、シーン内の全体的な構図が決まっていきます。

プロジェクション変換

プロジェクション変換は、カメラ空間の頂点をスクリーン上に投影するための処理です。

一般的には透視投影や平行投影が使われ、 $P$ という行列を用いることで、次のように表現できます。

$v < e m > c l i p = P \cdot v < / e m > c a m e r a$

この変換により、3次元のシーンが2次元のスクリーンに自然な形で映し出されます。

以下は、各変換行列を用いた簡単なサンプルコードです。

コメントで各行列の目的について説明しているので、参考にしてください。

#include <iostream>
#include <d3d9.h>
#include <d3dx9math.h>
#pragma comment(lib, "d3d9.lib")
#pragma comment(lib, "d3dx9.lib")
// 頂点構造体の定義
struct Vertex {
    float x, y, z;
    DWORD color;
};
int main() {
    // モデル変換行列(オブジェクトの位置や向きを定義)
    D3DXMATRIX matModel;
    D3DXMatrixIdentity(&matModel);  // 単位行列なら、変換が適用されなかったことになる
    // ビュー変換行列(カメラの視点設定)
    D3DXMATRIX matView;
    D3DXVECTOR3 eye(0.0f, 0.0f, -5.0f);      // カメラ位置
    D3DXVECTOR3 target(0.0f, 0.0f, 0.0f);      // 注視点
    D3DXVECTOR3 up(0.0f, 1.0f, 0.0f);          // 上方向
    D3DXMatrixLookAtLH(&matView, &eye, &target, &up);
    // プロジェクション変換行列(透視投影の設定)
    D3DXMATRIX matProj;
    float fov = D3DX_PI / 4;     // 視野角45度
    float aspect = 1.0f;         // アスペクト比
    float nearZ = 1.0f;          // 近くの描画可能領域
    float farZ = 100.0f;         // 遠くの描画可能領域
    D3DXMatrixPerspectiveFovLH(&matProj, fov, aspect, nearZ, farZ);
    // 全体の変換行列の合成
    D3DXMATRIX matFinal = matModel * matView * matProj;
    std::cout << "座標変換のサンプルコードが実行されました" << std::endl;
    return 0;
}

座標変換のサンプルコードが実行されました

上記のコードは、モデル、ビュー、プロジェクションの各変換行列を計算し、最終的な変換行列にまとめることで頂点座標をスクリーン上に正しく表示する準備を行っています。

ライティング計算

ライティング計算は、頂点シェーダー内で照明処理を行う重要な処理です。

光源の位置や色、法線ベクトルなどの情報を元に、各頂点にかかる光の強さや陰影を計算します。

法線ベクトルの処理

法線ベクトルは、頂点面の向きを示すために使われます。

ライティング計算では、光の当たり具合を決めるために、各頂点の法線を正規化し、光源との角度を計算する際に利用します。

正しく法線を扱うことで、リアルな陰影が表現できるようになります。

光源との相互作用

光源との相互作用では、光源の位置と強度、各頂点の反射特性などを考慮して、最終的な照明計算を行います。

たとえば、フォンシェーディングやランバート反射など、シンプルな手法が採用されるケースもあります。

これにより、シーン全体の明るさや陰影に動的な変化を与えることができます。

ラスタライザー

ピクセル候補への変換

ラスタライザーは、頂点シェーダーで処理された頂点データをもとに、ピクセル候補(フラグメント)に変換を行います。

各プリミティブがスクリーン上のどのピクセルに影響を及ぼすかを割り出します。

これにより、後続のピクセルシェーダーで細かな色の計算が出来るように準備が整います。

クリッピング処理

クリッピング処理は、ビューボリューム(カメラの視線範囲)外にあるプリミティブを取り除き、無駄な描画負荷を軽減する処理です。

各頂点がビューボリューム内にあるかを判定し、画面に映らない部分は描画対象から外す工夫が取り入れられます。

これにより、不要な計算が抑えられます。

ビューボリューム内の判定

ビューボリューム内の判定は、各頂点のクリッピング空間での座標を用いる方法が一般的です。

具体的には、各座標が $- w \leq x, y, z \leq w$ という条件を満たしているかチェックし、条件を満たさない部分を除外します。

この段階で、多くの無駄なピクセル計算が省かれる仕組みになっています。

カリング

レンダリングパイプラインには、表示されない面を計算の対象から外すカリングという処理も含まれています。

シーン全体の描画負荷を下げながら、必要な部分のみ描画できるように工夫されています。

バックフェイスカリング

バックフェイスカリングは、カメラから見えない面(裏側)のプリミティブを除外する処理です。

通常、三角形の頂点の順番(ワインダー)を使い、カメラに対して背を向けている面を判定します。

これにより、内部で隠れている面の計算を省くことができます。

フロントフェイスカリング

フロントフェイスカリングは、特定のシナリオで必要になる場合に、カメラに向いている面を意図的に除外する処理です。

特殊なエフェクトや描画モードで使われるケースがあり、バックフェイスカリングと組み合わせて柔軟なシーン描画が可能になります。

ピクセルシェーダー

色の計算とテクスチャ処理

ピクセルシェーダーは、各ピクセル候補に対して最終的な色の計算を行う役割を担っています。

ここでは、ライティング効果やテクスチャを利用した色付けが行われ、シーンの見た目が大きく変わる部分です。

テクスチャマッピングでは、頂点に割り当てられたUV座標を元に、画像データがピクセル色に反映されます。

さまざまなテクスチャマッピング手法が存在し、シーンによっては複数のテクスチャが組み合わされることもあります。

テクスチャマッピング手法

テクスチャマッピングには、以下のような手法が取り入れられます。

基本的なUVマッピング
マルチテクスチャリング
正射影テクスチャリング

UV座標を正しく設定することで、テクスチャ画像が意図した形でオブジェクトに貼り付けられるようになります。

光源効果の適用

ピクセルシェーダーでは、光源からの当たり具合に応じた色の調整も行います。

これにより、リアルな陰影や反射の効果が得られ、シーンに深みを加えることができます。

各光源が与える影響がピクセル単位で計算されるため、細かな表現が可能になります。

ブレンディング調整

ブレンディングは、複数の描画レイヤーが合成される際に、各ピクセルの色の重なりを調整するための処理です。

特に、透明度や特殊効果の表現に欠かせません。

加算ブレンディング

加算ブレンディングは、各ピクセルの色成分を加算する方式です。

たとえば、明るい光の表現や、複数の輝く要素が重なる場面でよく使います。

サンプルコードでは、単純に各色の成分を加える処理を実装しています。

#include <iostream>
#include <cstdint>
#include <algorithm>
using namespace std;
struct Color {
    uint8_t r, g, b, a;  // 各成分は0〜255の値
};
// 加算ブレンディングの簡単な関数
Color addBlend(const Color &src, const Color &dst) {
    Color result;
    result.r = min(255, src.r + dst.r);
    result.g = min(255, src.g + dst.g);
    result.b = min(255, src.b + dst.b);
    result.a = 255;  // 不透明に設定
    return result;
}
int main(){
    Color src = {100, 150, 200, 255};  // ソースカラー
    Color dst = {50, 100, 80, 255};      // ディスティネーションカラー
    Color blended = addBlend(src, dst);
    cout << "加算ブレンディングの色: "
         << int(blended.r) << ", "
         << int(blended.g) << ", "
         << int(blended.b) << endl;
    return 0;
}

加算ブレンディングの色: 150, 250, 255

上記のコードは、2つの色の成分を足し合わせ、255を上限としてブレンディングするシンプルな例です。

グラフィックス処理においてアルファブレンディングとの組み合わせで、さまざまな表現が可能になります。

減算ブレンディング

減算ブレンディングは、各ピクセルの色成分を減算することで、暗い効果や特殊なフィルター効果を出す手法です。

特殊な描画効果の場合、シーン全体の雰囲気を調整するのに有用です。

具体的な実装は加算ブレンディングと似ており、各成分が0未満にならないように制御する工夫が必要です。

出力マージャー

フレームバッファへの描画

出力マージャーは、最終的なピクセル情報をフレームバッファに書き込み、画面上に描画する仕組みです。

ここでは、各フラグメントが最終的にどのような色になるか調整され、スクリーンに出力される準備が整います。

ブレンディング処理

出力マージャーでは、複数の描画レイヤーが存在する場合、ブレンディング処理を行うことで最終的な画像を合成します。

ここではアルファブレンディングとカラーマージングの2つの技法が使われることが多いです。

アルファブレンディングの実装

アルファブレンディングでは、ピクセルごとの透明度情報を元に、前面と背面の色を合成して自然な透過表現を実現します。

具体的には、以下の数式で表現されます。

$C o l o r_{f i n a l} = C o l o r_{s r c} \times α + C o l o r_{d s t} \times (1 - α)$

この計算により、グラフィックス全体の透明感や重なり具合が調整されます。

カラーマージングの設定

カラーマージングは、複数のレンダーターゲットの情報を合わせて最終色を決定する処理です。

特定のシーンやエフェクトを実現するために、色の加算や乗算、その他の数学的処理を行いながら最適な表示結果を得ます。

深度およびステンシルテスト

描画の正確な順序を保つために、出力マージャーでは深度テストやステンシルテストも実施します。

これにより、手前にあるオブジェクトが後ろにあるオブジェクトを隠すといった、基本的なレンダリング順序が確実に保たれるようになります。

深度バッファの管理

深度バッファは、各ピクセルにおける深度情報を保持し、シーン内のオブジェクト同士の前後関係を管理します。

各描画ごとに、現在の深度と比較しながら描画が進むため、自然な重なりが実現できます。

深度テストにより、隠れている部分の描画が省かれる工夫がされています。

ステンシルバッファの利用法

ステンシルバッファは、特定の領域に対して描画を制限するために使われます。

影やマスク効果など、複雑な描画効果を実現する際に役立つ仕組みです。

各ピクセルごとにステンシル値が設定され、描画対象となるかどうかの条件分岐が行われます。

まとめ

以上、DirectX 9のレンダリングパイプラインの各段階について、入力アセンブラーから出力マージャーまでの処理の流れを説明してきました。

各ステージの役割や処理内容に触れながら、頂点データの管理から最終的なピクセル出力まで、どのようにグラフィックスが描画されるかを確認しました。

柔らかい文体でご説明したので、レンダリングパイプラインの仕組みが理解しやすくなっていれば嬉しいです。