DirectX9

【C++】DirectX9を使用したリアルな影レンダリング手法

2025-04-29更新日: 2025-04-29

DirectX9では、光源視点でシーンの深度情報を取得し、テクスチャに保存する処理が行われます。

その後、通常の描画時に各ピクセルの深度と比較し、影がある部分を判定します。

これにより、自然な影表現が実現され、グラフィックの質が向上します。

目次から探す

DirectX9のレンダリングパイプライン
- 光源視点での深度レンダリング
- カメラ視点での影適用処理
シャドウマッピング技法の実装詳細
- レンダリングパスの分割
- 深度バッファの活用
DirectX9固有の特徴と実装ポイント
- 固定機能パイプラインとシェーダーの違い
- DirectX9ならではの注意点
パフォーマンス最適化と課題解決
- レンダリング負荷軽減の工夫
- 表示品質維持のための調整
トラブルシューティングと改善事例
- 一般的な影の不具合
- 調整手法と改善ポイント
まとめ

DirectX9のレンダリングパイプライン

DirectX9でレンダリングを行う際、光源やカメラ両方の視点からシーンを描画する工程が重要な役割を担います。

特に影の表現では深度情報の取得と比較が肝心となります。

各処理がどのように連携して動作するかを理解すると、滑らかな影の描画が実現できます。

光源視点での深度レンダリング

光源の位置からシーン全体を捉えることにより、影の輪郭や濃淡表現を計算するための深度情報を取り出します。

光源視点でのレンダリングは、影の生成における基盤となる部分です。

レンダリングパイプラインの最初のステップとして、光源からシーンがどのように見えるかの情報を取得します。

ビュー行列と射影行列の設定

光源の視点からシーンを描画するためには、ビュー行列と射影行列の正確な設定が必要です。

ビュー行列は、光源の位置、注視点、上方向ベクトルを基に作成します
射影行列は、光源の視野角、アスペクト比、近距離平面、遠距離平面などのパラメータに依存します

数式では、ビュー行列\( V \)や射影行列\( P \)が使用され、最終的な変換行列は

\[M = P \times V\]

のように表現されます。

これにより、シーン内の各頂点が光源から見た深度情報に変換されるため、影の判定処理が後続の工程で正しく機能します。

深度情報のテクスチャ保存

生成した深度情報は、テクスチャ(シャドウマップ)として保存されます。

まず、レンダリングターゲットに深度バッファを用意し、シーンの深度データをレンダリングします
その後、この深度データをテクスチャとして取得し、カメラ視点での最終描画時に参照します

テクスチャに保存する際は、精度の高いフォーマットを選択し、誤差が発生しにくいようにする工夫が求められます。

これにより、影が正確に表現される効果が期待できます。

カメラ視点での影適用処理

カメラからシーンを描くときには、取得した深度データを活用して各ピクセルの影の有無を判断します。

ここで、シャドウマップとシーン描画の座標変換が重要な役割を担います。

深度比較による影判定

各ピクセルの変換後の深度と、シャドウマップに記録された深度値との比較を実施します。

光源からの視点で保存された深度値と、カメラからの視点での再計算された深度値を比較します
比較結果により、影の内外を判定するため、例えば\( \epsilon \)(バイアス値)を導入する方法や、柔らかい影の実現のためのフィルタ処理などが採用されます

この比較処理により、シーン内の物体同士がどのように影を落とすかが決定され、自然な影の表現が可能になります。

シャドウマップの利用と統合

最終レンダリング時、シーン描画と同時にシャドウマップが利用されます。

カメラ視点での描画シェーダー内で、各ピクセルの座標をシャドウマップ内の座標に変換します
その後、比較結果に基づいて、影の範囲に適用する陰影処理が実施されます

これにより、動的な光源による影の変化もリアルタイムで反映できるようになります。

シャドウマッピング技法の実装詳細

シャドウマッピングの実装には、レンダリングパスの最適な分割と、深度バッファの正確な利用が不可欠です。

レンダリングを複数パスに分割することで、影の生成と描画の各処理が独立して最適化されます。

レンダリングパスの分割

レンダリングパスの分割は、影生成とシーン描画の負荷を分散するための技法です。

各パスで行う処理とその最適な実施方法について理解を深めることが大切です。

シャドウマップ生成パス

このパスでは、光源の視点からシーンを描画し、深度情報のみを取得します。

シーン内のオブジェクトに対して、光源からの見え方を計算します
深度情報を一時的なレンダリングターゲットにレンダリングし、その後テクスチャとして保存する工程が含まれます

レンダリングパスが専用であるため、不必要な色情報などが排除され、処理が高速に行われます。

シーン描画パスでの比較処理

このパスでは、実際のカメラ視点でシーンが描画される際に、先ほど生成したシャドウマップと現在のシーンの深度情報を比較します。

各ピクセルの再計算された深度とテクスチャから読み出された深度を比較するため、シェーダー内で計算が実施されます
バイアスの調整や、深度値の補間を通じて、影の輪郭が滑らかに表示される工夫がなされます

深度バッファの活用

正確な影表現のためには、深度バッファの適切な利用も重要です。

シーン内の物体間の距離や重なり順序を正確に把握することが求められます。

深度情報の正確な取得方法

深度バッファからの情報取得は、ピクセル毎の正確な影判定に直結します。

シーンレンダリング時に各オブジェクトの深度値がバッファに記録され、これがシャドウマップとして利用されます
このとき、レンダリングターゲットやシェーダー内での計算精度を維持するため、適切なフォーマットの選択と補正値の適用がポイントとなります

バイアス調整のポイント

バイアス値の調整は、影のちらつきや不自然なエッジが発生しないようにするために重要です。

バイアスが大きすぎると、影が薄くなったり、ハードなエッジが残ることがあり、
小さすぎる場合は、自己陰影やちらつきが発生しやすくなります

適度なバイアス値の算出には、シーン条件に合わせた実験的な調整が求められます。

数学的には、ピクセルの深度誤差を\( \epsilon \)として、比較時に

\[\text{比較値} = \text{取得値} + \epsilon\]

のような補正がなされることが多いです。

DirectX9固有の特徴と実装ポイント

DirectX9では、固定機能パイプラインとシェーダーを組み合わせたハイブリッドなアプローチが採用される場合があります。

実装時には、各機能の特徴をしっかり理解しながら処理することが求められます。

固定機能パイプラインとシェーダーの違い

固定機能パイプラインは、標準的なレンダリング手順を手軽に利用できる点が魅力です。

一方で、柔軟なシェーダーによる処理は、より詳細な影表現やカスタマイズが可能です。

各手法のメリットとデメリットを理解することで、最適な実装方法を選択できます。

HLSLによる深度比較処理

HLSLを使用することで、シェーダー内で細かな深度比較処理が可能になります。

以下に、シンプルなDirectX9の初期化およびHLSLシェーダーによる深度比較の呼び出し処理を含むサンプルコードを示します。

#include <d3d9.h>
#include <d3dx9.h>
#include <Windows.h>
#include <iostream>
// ウィンドウプロシージャ(シンプルなウィンドウ処理)
LRESULT CALLBACK WindowProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam) {
    if(message == WM_DESTROY) {
        PostQuitMessage(0);
        return 0;
    }
    return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
}
int main() {
    // ウィンドウクラスの設定
    WNDCLASS wc = {};
    wc.lpfnWndProc = WindowProc;
    wc.hInstance = GetModuleHandle(NULL);
    wc.lpszClassName = L"ShadowWindowClass";
    RegisterClass(&wc);
    // ウィンドウの作成
    HWND hWnd = CreateWindowEx(0, L"ShadowWindowClass", L"DirectX9 Shadow Mapping Sample",
                               WS_OVERLAPPEDWINDOW, CW_USEDEFAULT, CW_USEDEFAULT, 640, 480,
                               NULL, NULL, GetModuleHandle(NULL), NULL);
    ShowWindow(hWnd, SW_SHOW);
    // Direct3D9のオブジェクト生成
    IDirect3D9* pD3D = Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION);
    if (!pD3D) {
        std::cout << "Direct3Dの初期化に失敗しました" << std::endl;
        return 0;
    }
    D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp = {};
    d3dpp.Windowed = TRUE;
    d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
    d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_UNKNOWN;
    // デバイスの作成
    IDirect3DDevice9* pDevice = nullptr;
    if (FAILED(pD3D->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd,
                                   D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &pDevice))) {
        std::cout << "Direct3Dデバイスの作成に失敗しました" << std::endl;
        pD3D->Release();
        return 0;
    }
    // 深度比較用のシャドウマップテクスチャの作成
    IDirect3DTexture9* pShadowMap = nullptr;
    if (FAILED(pDevice->CreateTexture(512, 512, 1, D3DUSAGE_DEPTHSTENCIL,
                                        D3DFMT_D16, D3DPOOL_DEFAULT, &pShadowMap, NULL))) {
        std::cout << "シャドウマップテクスチャの作成に失敗しました" << std::endl;
    }
    // メインループ
    MSG msg = {};
    while (msg.message != WM_QUIT) {
        if (PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE)) {
            TranslateMessage(&msg);
            DispatchMessage(&msg);
        } else {
            pDevice->Clear(0, NULL, D3DCLEAR_TARGET|D3DCLEAR_ZBUFFER,
                           D3DCOLOR_XRGB(0,0,0), 1.0f, 0);
            pDevice->BeginScene();
            // ここにHLSLシェーダーを設定して、深度比較を実施する処理を追加
            // 具体的なHLSLシェーダーコードは、各プロジェクトに合わせた内容に変更してください
            pDevice->EndScene();
            pDevice->Present(NULL, NULL, NULL, NULL);
        }
    }
    // リソースの解放
    if (pShadowMap) pShadowMap->Release();
    pDevice->Release();
    pD3D->Release();
    return 0;
}

DirectX9 Shadow Mapping Sample が表示されます

上記のサンプルコードは、DirectX9の初期化からウィンドウ作成、デバイス生成、そして深度比較用のシャドウマップテクスチャの作成までの流れを示しています。

基本的な部分を参考にしつつ、実際のHLSLシェーダーによる詳細な深度比較処理の実装を組み合わせることで、柔軟な影レンダリングが実現できます。

シェーダー内パラメータの設定

深度比較処理を正確に実施するためには、シェーダー内で利用する各種パラメータの設定が欠かせません。

光源視点からの変換行列、シャドウマップ用のテクスチャ、バイアス値などを登録し、シェーダー内で使いやすい形に整えます
シェーダーコードとの連携のため、SetShaderConstantFなどのメソッドを活用して正確な値を渡すことが大切です

プロジェクトによっては、複数のパラメータを柔軟に調整できる仕組みを導入することで、影の表現に幅を持たせることが可能です。

DirectX9ならではの注意点

DirectX9特有の制限や動作仕様に気を配ることで、より安定したレンダリングが達成できます。

ハードウェアのサポート状況や、ライブラリのバージョンによる違いにも注意が必要です。

パフォーマンスへの影響要因

影生成処理はレンダリング全体の負荷に大きく関わるため、以下の点に注意します。

シャドウマップ生成時の解像度やレンダリングターゲットのフォーマットが、パフォーマンスに直接影響を与えます
計算量の多い深度比較処理やシェーダー内の補正処理は、フレームレート低下の原因となる可能性があるため、できるだけ軽量化する工夫が必要です

プログラム全体の効率化を図るため、必要最小限のレンダリングターゲット使用や、シェーダー内での最適化が求められます。

表示クオリティとのトレードオフ

パフォーマンスを向上させるために行う最適化と、表示のクオリティ維持との間には、トレードオフが発生する場合があります。

シャドウマップの解像度を下げると、処理負荷は軽減される一方で、影のディテールが失われるリスクが伴います
バイアス調整や、アンチエイリアス技術の導入によって滑らかな影を実現する際、追加の処理負荷がかかることも考慮する必要があります

このバランスを保つために、シーンやハードウェア環境に応じた細かなチューニングが求められます。

パフォーマンス最適化と課題解決

レンダリング処理の効率化は、影を含む全体の描画速度に直結します。

パフォーマンスを向上させるための各種工夫と、課題が発生した際の対応策について詳しく見ていきます。

レンダリング負荷軽減の工夫

レンダリングにおける無駄な処理を省くことで、全体の負荷を大幅に軽減することが可能です。

ここでは、具体的な取り組みをいくつかご紹介します。

不要なレンダリングの削減

影生成の際、シーン内の全オブジェクトをレンダリングする必要はありません。

遠くにあるオブジェクトや、影響範囲外のオブジェクトは、必要に応じてレンダリングから除外することが推奨されます
オブジェクトごとのレンダリング順序や、カリング(視界外のオブジェクトの排除)を活用して、計算コストの削減に努めます

このような最適化により、無駄な計算資源を削減し、フレームレートの向上が期待できます。

テクスチャ再利用とキャッシュ管理

レンダリング処理の中で、同じテクスチャ資源を何度も生成するのは避けたほうが良いです。

シャドウマップのテクスチャは、必要なタイミングで再利用する工夫を行います
キャッシュ管理を徹底することで、テクスチャ生成時のオーバーヘッドを低減し、全体の描画効率を向上させる努力が求められます

こうした工夫によって、同一フレーム内でのリソースの無駄遣いを防ぎ、安定したパフォーマンスを維持できます。

表示品質維持のための調整

効率的な描画と並行して、表示クオリティも大切にする必要があります。

影の品質に影響を与える要因がいくつか存在するため、適切な対策を講じます。

アンチエイリアス処理の導入

アンチエイリアス処理は、影のエッジを滑らかに表示するために有効な手法です。

マルチサンプリングやポストプロセッシングを活用して、ジャギー(ギザギザ)の削減が期待できます
ただし、処理負荷が増加する可能性もあるため、システム環境に合わせた設定が求められます

アンチエイリアス処理は、視覚的な美しさを向上させるための大きな助けとなります。

解像度とフィルタリングの調整

シャドウマップ自体の解像度や、テクスチャフィルタリングの設定も影の品質に大きく影響します。

高解像度のシャドウマップは、細かい影の表現に優れる一方で、メモリ使用量や生成時間が増加する可能性があります
バイリニアやトリリニアといったフィルタリング手法を選ぶことで、影の境界が滑らかに表現できる場合もあります

シーン条件に合わせて最適な設定を選択することで、高品質な影の描画が実現します。

トラブルシューティングと改善事例

影のレンダリングに関するトラブルシューティングは、開発現場でよく遭遇する課題です。

問題発生時の原因とその対応策について、具体例を交えながら紹介します。

一般的な影の不具合

影の表現が正しく行われない場合、いくつかの一般的な原因が考えられます。

各問題ごとに、チェックすべきポイントを整理します。

影のちらつきとブレの原因

影のちらつきやブレは、レンダリング時の深度情報の不整合や、パラメータの誤調整が原因となっているケースが多く見られます。

レンダリングパス間での座標変換の誤差が影響する場合、マトリックス計算の精度やタイミングを再確認する必要があります
動的なシーン変化に伴って、シャドウマップの更新が適切に行われていないことも原因となります

これらにより、影の不安定な表現が発生する可能性があるため、各パラメータの検証が大切です。

深度誤差による不自然な表現

深度誤差が大きくなると、影のエッジが不自然になったり、一部のオブジェクトで自己陰影が表れる場合があります。

深度バッファの取得精度不足や、バイアスの値が不適切な場合、正確な比較が行われず、意図しない影表現が発生することがあります
特に近接するオブジェクト間では、深度誤差が顕著に現れるため、近接距離での補正が必要になることもあります

シーン全体の深度配分を見直して、適切な解決策を導入することが推奨されます。

調整手法と改善ポイント

各種パラメータやシェーダー設定に対して、実際に試行錯誤を重ねることで、問題解決の糸口が見つかる場合があります。

過去の事例を参考にしながら、具体的な改善策について触れます。

パラメータ最適化の実践例

影の不具合に対するパラメータ調整は、プロジェクトごとに異なるケースが多くあります。

シャドウマップの解像度、バイアス値、及びフィルタリング設定などを細かく調整し、最適な値を見出すために複数のテストを重ねることが有効です
具体的な数値設定例として、影のちらつきを抑えるために、バイアスを\( 0.005 \)程度に設定し、解像度を512×512から1024×1024に変更するなどの事例が報告されています

実際のプロジェクトに合わせて、パラメータの微調整を行いながら、最適なレンダリング環境を構築することが重要です。

シェーダー調整による解決策

シェーダー内の計算を調整することで、深度比較の精度向上や、影の柔らかさの調整が可能になります。

シェーダーコード内での深度補正や、サンプル数を増加させることで、影の境界をより滑らかに表現する工夫が行われます
HLSLの記述を改善し、複数の深度サンプルを平均化するなどの手法を取り入れることで、特に高解像度での影表現において効果が確認されています

シェーダーの最適化には、適切なパラメータの設定と、複雑な演算の簡略化を両立させる工夫が求められます。

まとめ

今回の内容では、DirectX9を利用した影レンダリングにおける各種処理や実装ポイントについて、柔らかい文体で説明しました。

影の表現において光源視点での深度レンダリングとカメラ視点での影適用処理の連携が鍵となり、レンダリングパイプライン全体の最適化が求められます。

各種技法をしっかり理解し、現場での調整を継続していけば、より自然で美しい影表現が実現できると期待できます。

参考文献