その61 完全ホワイトボックスなスキンメッシュアニメーションの解説：サンプルプログラム

その61 完全ホワイトボックスなスキンメッシュアニメーションの解説：サンプルプログラム
　DirectX技術編その61「完全ホワイトボックスなスキンメッシュアニメーションの解説」で説明した内容を踏まえたサンプルプログラムです。実行するとワイヤーフレームで描かれたサンプルモデルがうねうねと動きます。
サンプルスクリーンショット。うねうねです。
　このサンプルはスキンメッシュアニメーションを完全にホワイトボックス（暗黙コードや外部ファイルが無い）で実現しています。メッシュ自体もプログラム上で作成しています。描画には固定機能ではなくてシェーダを使っています。シェーダもソース内に書かれています。よって描画方法もホワイトボックスです。最低限の実装ではありますが、スキンメッシュに必要な事を全部行っている状態です。
　メッシュの設計図やサンプルコードについてはDirectX技術編その61で死ぬほど詳しく説明しています。これでスキンメッシュアニメーションの壁を超えましょう～(^-^)/
　サンプルを動かすために必要なファイルはありません。空のプロジェクトを立ち上げて下のコードを全部コピペすれば動きます。うまく動かない場合は掲示板にご連絡下さい。
// 完全ホワイトボックスなスキンメッシュアニメーションテストプログラム
//  作成者: IKD
//  HP    : http://marupeke296.com

#pragma comment(lib, "dxguid.lib")
#pragma comment(lib, "d3d9.lib")
#pragma comment(lib, "d3dx9.lib")

#include <windows.h>
#include <tchar.h>
#include <d3d9.h>
#include <d3dx9.h>

_TCHAR gName[100] = _T("完全ホワイトボックスなスキンメッシュアニメーションテストプログラム");

int SkinMeshAppMain(LPDIRECT3DDEVICE9 g_pD3DDev);


// 最低限の頂点情報
//  座標と各ボーンの重みそしてボーン行列番号があればスキンメッシュはできます！
struct Vertex {
    D3DXVECTOR3 coord;
    D3DXVECTOR3 weight;
    unsigned char matrixIndex[4];
};

// ボーン構造体
struct Bone {
    int id;                        // ボーンID（通し番号）
    Bone *firstChild;            // 第1子ボーン
    Bone *sibling;                // 次の兄弟ボーン
    D3DXMATRIX offsetMat;        // ボーンオフセット行列
    D3DXMATRIX initMat;            // 初期姿勢行列
    D3DXMATRIX boneMat;            // ボーン姿勢行列
    D3DXMATRIX *combMatAry;        // 合成姿勢行列配列へのポインタ

    Bone() : id(), firstChild(), sibling(), combMatAry() {
        D3DXMatrixIdentity(&initMat);
        D3DXMatrixIdentity(&offsetMat);
        D3DXMatrixIdentity(&boneMat);
    }
};

// 最低限のシェーダ
//  重み係数と頂点を動かすためのワールド変換行列の配列を渡します
const char *vertexShaderStr = 
    "float4x4 view : register(c0);"
    "float4x4 proj : register(c4);"
    "float4x4 world[12] : register(c8);"
    "  "
    "struct VS_IN {"
    "    float3 pos : POSITION;"
    "    float3 blend : BLENDWEIGHT;" 
    "    int4 idx : BLENDINDICES;"
    "};"
    "struct VS_OUT {"
    "    float4 pos : POSITION;"
    "};"
    "VS_OUT main( VS_IN In ) {"
    "    VS_OUT Out = (VS_OUT)0;"
    "    float w[3] = (float[3])In.blend;"
    "    float4x4 comb = (float4x4)0;"
    "    for ( int i = 0; i < 3; i++ )"
    "        comb += world[In.idx[i]] * w[i];"
    "    comb += world[In.idx[3]] * (1.0f - w[0] - w[1] - w[2]);"
    "    "
    "    Out.pos = mul( float4(In.pos, 1.0f), comb );"
    "    Out.pos = mul( Out.pos, view );"
    "    Out.pos = mul( Out.pos, proj );"
    "    return Out;"
    "}";

// ピクセルシェーダは至って適当
// 好きなように点を穿って下さい。
const char *pixelShaderStr = 
    "struct VS_OUT {"
    "    float4 pos : POSITION;"
    "};"
    "float4 main( VS_OUT In ) : COLOR {"
    "    return float4(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f);"
    "}"
    "";

// メイン
int APIENTRY _tWinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPTSTR lpCmdLine, int nCmdShow)
{
    // ウィンドウプロシージャ
    struct WP {
        static LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT mes, WPARAM wParam, LPARAM lParam){
            if(mes == WM_DESTROY) {PostQuitMessage(0); return 0;}
            return DefWindowProc(hWnd, mes, wParam, lParam);
        }
    };

    // アプリケーションの初期化
    HWND hWnd;
    WNDCLASSEX wcex ={sizeof(WNDCLASSEX), CS_HREDRAW | CS_VREDRAW, WP::WndProc, 0, 0, hInstance, NULL, NULL, (HBRUSH)(COLOR_WINDOW+1), NULL, (_TCHAR*)gName, NULL};
    if(!RegisterClassEx(&wcex))
        return 0;
    RECT rect;
    const int width = 800, height = 600;
    SetRect( &rect, 0, 0, width, height );
    AdjustWindowRect( &rect, WS_OVERLAPPEDWINDOW, FALSE);
    if(!(hWnd = CreateWindow(gName, gName, WS_OVERLAPPEDWINDOW, CW_USEDEFAULT, 0, rect.right - rect.left, rect.bottom - rect.top, NULL, NULL, hInstance, NULL)))
        return 0;

    // Direct3Dの初期化
    LPDIRECT3D9 g_pD3D;
    LPDIRECT3DDEVICE9 g_pD3DDev;
    if( !(g_pD3D = Direct3DCreate9( D3D_SDK_VERSION )) ) return 0;
    D3DPRESENT_PARAMETERS d3dpp;
    d3dpp.BackBufferWidth = width;
    d3dpp.BackBufferHeight = height;
    d3dpp.BackBufferFormat = D3DFMT_X8R8G8B8;
    d3dpp.BackBufferCount = 1;
    d3dpp.MultiSampleType = D3DMULTISAMPLE_NONE;
    d3dpp.MultiSampleQuality = 0;
    d3dpp.SwapEffect = D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
    d3dpp.hDeviceWindow = NULL;
    d3dpp.Windowed = TRUE;
    d3dpp.EnableAutoDepthStencil = TRUE;
    d3dpp.AutoDepthStencilFormat = D3DFMT_D24S8;
    d3dpp.Flags = 0;
    d3dpp.FullScreen_RefreshRateInHz = D3DPRESENT_RATE_DEFAULT;
    d3dpp.PresentationInterval = D3DPRESENT_INTERVAL_ONE; 
    if( FAILED( g_pD3D->CreateDevice( D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_HARDWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &g_pD3DDev ) ) )
    if( FAILED( g_pD3D->CreateDevice( D3DADAPTER_DEFAULT, D3DDEVTYPE_HAL, hWnd, D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING, &d3dpp, &g_pD3DDev ) ) ) {
        g_pD3D->Release(); return 0;
    }

    // ウィンドウ表示
    ShowWindow( hWnd, SW_SHOW );

    // ボーンを動かすぞ
    SkinMeshAppMain(g_pD3DDev);

    g_pD3DDev->Release();
    g_pD3D->Release();

    return 0;
}


// スキンメッシュするぞー！
int SkinMeshAppMain(LPDIRECT3DDEVICE9 g_pD3DDev) {
    // ポリゴンの頂点定義
    // 頂点数は15個
    Vertex vtx[15] = {
        { D3DXVECTOR3(-0.5000f, -2.2887f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {2, 0, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3(-0.5000f, -1.2887f, 0.0f), D3DXVECTOR3(0.50f, 0.50f, 0.00f), {1, 2, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3(-0.5000f, -0.2887f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {0, 0, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3(-1.3660f,  0.2113f, 0.0f), D3DXVECTOR3(0.50f, 0.50f, 0.00f), {3, 4, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3(-2.2321f,  0.7113f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {4, 0, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3(-1.7321f,  1.5774f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {4, 0, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3(-0.8660f,  1.0774f, 0.0f), D3DXVECTOR3(0.50f, 0.50f, 0.00f), {3, 4, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3( 0.0000f,  0.5774f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {0, 0, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3( 0.8660f,  1.0774f, 0.0f), D3DXVECTOR3(0.50f, 0.50f, 0.00f), {5, 6, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3( 1.7321f,  1.5774f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {6, 0, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3( 2.2321f,  0.7113f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {6, 0, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3( 1.3660f,  0.2113f, 0.0f), D3DXVECTOR3(0.50f, 0.50f, 0.00f), {5, 6, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3( 0.5000f, -0.2887f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {0, 0, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3( 0.5000f, -1.2887f, 0.0f), D3DXVECTOR3(0.50f, 0.50f, 0.00f), {1, 2, 0, 0} },
        { D3DXVECTOR3( 0.5000f, -2.2887f, 0.0f), D3DXVECTOR3(1.00f, 0.00f, 0.00f), {2, 0, 0, 0} },
    };

    // 頂点インデックス
    // ポリゴン数は13枚で三角形リストなので13×3 = 39個あります
    WORD idx[39] = {
        0, 1, 14,
        1, 13, 14,
        1, 2, 13,
        2, 12, 13,
        2, 7, 12,
        2, 6, 7,
        2, 3, 6,
        3, 5, 6,
        3, 4, 5,
        7, 8, 12,
        8, 11, 12,
        8, 9, 11,
        9, 10, 11,
    };

    // インデックスを辿って三角形リストを作成
    Vertex v[39];
    for ( int i = 0; i < 39; i++ )
        v[i] = vtx[idx[i]];

    // 頂点宣言
    D3DVERTEXELEMENT9 declAry[] = {
        {0, 0,  D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_POSITION, 0},
        {0, 12, D3DDECLTYPE_FLOAT3, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_BLENDWEIGHT, 0},
        {0, 24, D3DDECLTYPE_UBYTE4, D3DDECLMETHOD_DEFAULT, D3DDECLUSAGE_BLENDINDICES, 0},
        D3DDECL_END()
    };
    IDirect3DVertexDeclaration9 *decl = 0;
    g_pD3DDev->CreateVertexDeclaration( declAry, &decl );


    //////////////////////////////////////////
    // ボーン情報の作成
    //  必要なのは
    // ・ボーンオフセット行列
    // ・ボーン行列
    //////////////

    Bone *bones = new Bone[7];    // ボーン確保

    // 親子関係を構築します
    // 今回は手でべたべたとやります
    bones[0].firstChild = &bones[1];
    bones[1].firstChild = &bones[2];
    bones[3].firstChild = &bones[4];
    bones[5].firstChild = &bones[6];
    bones[1].sibling = &bones[3];
    bones[3].sibling = &bones[5];

    // 初期姿勢の計算
    // まずはローカル姿勢を設定して
    // 最終的に自分の親からの相対姿勢に直します。
    D3DXMatrixRotationZ(&bones[0].initMat, D3DXToRadian(-90.0f));
    D3DXMatrixRotationZ(&bones[1].initMat, D3DXToRadian(-90.0f));
    D3DXMatrixRotationZ(&bones[2].initMat, D3DXToRadian(-90.0f));
    D3DXMatrixRotationZ(&bones[3].initMat, D3DXToRadian(150.0f));
    D3DXMatrixRotationZ(&bones[4].initMat, D3DXToRadian(150.0f));
    D3DXMatrixRotationZ(&bones[5].initMat, D3DXToRadian( 30.0f));
    D3DXMatrixRotationZ(&bones[6].initMat, D3DXToRadian( 30.0f));
    bones[0].initMat._41 =  0.0000f; bones[0].initMat._42 =  0.0000f;
    bones[1].initMat._41 =  0.0000f; bones[1].initMat._42 = -1.0000f;
    bones[2].initMat._41 =  0.0000f; bones[2].initMat._42 = -2.0000f;
    bones[3].initMat._41 = -0.6830f; bones[3].initMat._42 =  0.3943f;
    bones[4].initMat._41 = -1.5490f; bones[4].initMat._42 =  0.8943f;
    bones[5].initMat._41 =  0.6830f; bones[5].initMat._42 =  0.3943f;
    bones[6].initMat._41 =  1.5490f; bones[6].initMat._42 =  0.8943f;

    // ボーンオフセット行列を計算しておきます。
    // オフセット行列は各ボーンの「ローカル姿勢」の逆行列です。
    D3DXMATRIX *combMat = new D3DXMATRIX[7];    // 合成変換行列。これがシェーダに渡ります
    for ( int i = 0; i < 7; i++ ) {
        bones[i].id = i;
        bones[i].combMatAry = combMat;
        D3DXMatrixInverse(&bones[i].offsetMat, 0, &bones[i].initMat);
    }

    // 初期姿勢を親の姿勢からの相対姿勢に直します。
    // まず子の末端まで下りて、自分のローカル空間での初期姿勢 × 親のボーンオフセット行列で相対姿勢が出ます
    // 親子関係を辿るので再起関数が必要です。
    struct CalcRelativeMat {
        static void run(Bone* me, D3DXMATRIX *parentoffsetMat) {
            if ( me->firstChild )
                run( me->firstChild, &me->offsetMat );
            if ( me->sibling )
                run( me->sibling, parentoffsetMat );
            if ( parentoffsetMat )
                me->initMat *= *parentoffsetMat;
        }
    };
    CalcRelativeMat::run( bones, 0 );


    /////////////////////////////////////////
    // シェーダのコンパイルとシェーダ作成
    //////
    ID3DXBuffer *shader, *error;
    IDirect3DVertexShader9 *vertexShader;
    IDirect3DPixelShader9 *pixelShader;
    HRESULT res = D3DXCompileShader( vertexShaderStr, (UINT)strlen(vertexShaderStr), 0, 0, "main", "vs_3_0", D3DXSHADER_PACKMATRIX_ROWMAJOR, &shader, &error, 0 );
    if ( FAILED(res) ) {
        OutputDebugStringA( (const char*)error->GetBufferPointer() );
        return 0;
    };
    g_pD3DDev->CreateVertexShader( (const DWORD*)shader->GetBufferPointer(), &vertexShader );
    shader->Release();
    res = D3DXCompileShader( pixelShaderStr, (UINT)strlen(pixelShaderStr), 0, 0, "main", "ps_3_0", D3DXSHADER_PACKMATRIX_ROWMAJOR, &shader, &error, 0 );
    if ( FAILED(res) ) {
        OutputDebugStringA( (const char*)error->GetBufferPointer() );
        return 0;
    };
    g_pD3DDev->CreatePixelShader( (const DWORD*)shader->GetBufferPointer(), &pixelShader );
    shader->Release();

    // 各種行列初期化
    D3DXMATRIX view, proj;
    D3DXMatrixLookAtLH( &view, &D3DXVECTOR3(0.0f, -5.0f, -4.0f), &D3DXVECTOR3(0.0f, 0.0f, 0.0f), &D3DXVECTOR3(0.0f, 1.0f, 0.0f));
    D3DXMatrixPerspectiveFovLH( &proj, D3DXToRadian(30), 64.0f/48, 1.0f, 10000.0f);


    ////////////////////////////////////
    // ボーン描画用オブジェクト
    //   本質ではないので気にしない～(^-^;
    /////////
    ID3DXMesh *boneObj[7];
    float len[7] = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};
    for ( int i = 0; i < 7; i++ )
        D3DXCreateCylinder(g_pD3DDev, 0.0f, 0.1f, len[i], 16, 1, &boneObj[i], 0);


    ////////////////////////////////////////////
    // 描画ループ部
    //   毎フレームのボーンの姿勢更新がここで行われます
    /////////
    MSG msg;
    float val = 0.0f;
    float a[7] = {0};
    do{
        val += 0.03f;
        while( PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_REMOVE) ) {
            DispatchMessage(&msg);
        }
        g_pD3DDev->Clear( 0, NULL, D3DCLEAR_TARGET | D3DCLEAR_ZBUFFER | D3DCLEAR_STENCIL, D3DCOLOR_XRGB(40,40,80), 1.0f, 0 );
        g_pD3DDev->BeginScene();

        ///////////////////////////////////////
        // ボーンの姿勢を更新
        //  最終的には、
        //   [ボーンオフセット行列] × [ワールド空間でのボーンの姿勢]
        //  を計算します。

        // 各ボーンの初期姿勢からの差分姿勢（親空間ベース）を更新
        //  これは適当にぐにぐに動かして構わない部分です
        D3DXMATRIX defBone[7];
        D3DXMatrixIdentity(&defBone[0]);
        for ( int i = 1; i < 7; i++ ) {
            D3DXMATRIX tmp;
            D3DXMatrixRotationY(&defBone[i], D3DXToRadian(sinf(val) * 70.0f));
        }

        // 各ボーン行列の親空間ベースでの姿勢を更新
        // 差分姿勢×初期姿勢（共に親空間ベース）です。
        for ( int i = 0; i < 7; i++ )
            bones[i].boneMat = defBone[i] * bones[i].initMat;

        // 親空間ベースにある各ボーン行列をローカル空間ベースの姿勢に変換
        // ここは親子関係に従って行列を掛ける必要があります
        // 掛ける順番は 子 × 親 です。
        D3DXMATRIX global;
        D3DXMatrixRotationZ( &global, val * 0.1f );
        struct UpdateBone {
            static void run( Bone* me, D3DXMATRIX *parentWorldMat ) {
                me->boneMat *= *parentWorldMat;
                me->combMatAry[me->id] = me->offsetMat * me->boneMat;
                if ( me->firstChild )
                    run( me->firstChild, &me->boneMat );
                if ( me->sibling )
                    run( me->sibling, parentWorldMat );
            };
        };
        UpdateBone::run( bones, &global );

        // シェーダ設定
        // 変数を書き込むレジスタ位置はシェーダに書いてありますよ。
        g_pD3DDev->SetVertexShader( vertexShader );
        g_pD3DDev->SetPixelShader( pixelShader );
        g_pD3DDev->SetVertexShaderConstantF(0, (const float*)&view, 4);
        g_pD3DDev->SetVertexShaderConstantF(4, (const float*)&proj, 4);
        g_pD3DDev->SetVertexShaderConstantF(8, (const float*)combMat, 4 * 7);

        // ポリゴン描画
        // ワイヤーフレーム描画でカリング無しで
        g_pD3DDev->SetRenderState(D3DRS_FILLMODE, D3DFILL_WIREFRAME);
        g_pD3DDev->SetRenderState(D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_NONE);

        g_pD3DDev->SetVertexDeclaration( decl );
        g_pD3DDev->DrawPrimitiveUP(D3DPT_TRIANGLELIST, 13, &v, sizeof(Vertex));


        ////////////////////////////////
        // ボーンオブジェクト描画
        //   本質ではないので気にしない部分です(^-^;
        ///////
        {
            D3DMATERIAL9 material = {{1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}}; material.Power = 10.0f;
            D3DLIGHT9 light = {D3DLIGHT_DIRECTIONAL, {1.0f, 0.7f, 0.5f, 1.0f}};
            light.Direction = (D3DVECTOR)D3DXVECTOR3(1.0f, 1.0f, 1.0f);

            g_pD3DDev->SetLight( 0, &light );
            g_pD3DDev->LightEnable( 0, TRUE) ;
            g_pD3DDev->SetRenderState( D3DRS_LIGHTING, TRUE );
            g_pD3DDev->SetMaterial( &material );
            g_pD3DDev->SetRenderState(D3DRS_FILLMODE, D3DFILL_SOLID);
            g_pD3DDev->SetRenderState(D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_CCW);
            g_pD3DDev->SetVertexShader( 0 );
            g_pD3DDev->SetPixelShader( 0 );
            g_pD3DDev->SetTransform( D3DTS_VIEW, &view );
            g_pD3DDev->SetTransform( D3DTS_PROJECTION, &proj );
            D3DXMATRIX boneObjRot;
            D3DXMatrixRotationY( &boneObjRot, D3DXToRadian(-90.0f) );
            boneObjRot._41 = 0.5f;
            for ( int i = 0; i < 7; i++ ) {
                g_pD3DDev->SetTransform( D3DTS_WORLD, &(boneObjRot * bones[i].boneMat) );
                boneObj[i]->DrawSubset( 0 );
            }
        }

        g_pD3DDev->EndScene();
        g_pD3DDev->Present( NULL, NULL, NULL, NULL );
    }while(msg.message != WM_QUIT);

    for ( int i = 0; i < 7; i++ )
        boneObj[i]->Release();
    vertexShader->Release();
    pixelShader->Release();
    decl->Release();

    delete[] bones;
    delete[] combMat;

    return 0;
}