シェーダー伝道師第一回

DirectX 11 (DirectX HLSL)
シェーダー伝道師
第一回
～シェーダーの基本とフィルタ処理～

※注意書き
• 確実に技術が身に付く確証はありません
• 2D中心にシェーダーの解説します
• 魅力を精一杯伝えたいだけ！
• あと変なノリが含まれます
• あと、公開しているファイル等の責任は取れません
※表記上、シェーダとシェーダーが混ざる可能性がありますが特に区別はありません
それでもいいなら進めていってください。

当講座について
• C++
• DirectX 11
• DirectX HLSL
• Visual Studio 2015 (2013)
前略、DirectX 11 シェーダー講座、始めます。

• C++
• DirectX 11
• DirectX HLSL
主な目的は、
シェーダーの魅力を伝えたい！
つまるところシェーダーの伝道師です。

• C++
• DirectX 11
• DirectX HLSL
開発環境はここに示しているものです。
私は2015ですが…
プロジェクト自体は2013です。

当講座についての注意
•3DCGは扱わない
簡単に理解してもらいたい！
ということで、3DCGは扱いません。

• 複雑な座標計算は扱わない
• 結果がわかりやすい
理由としましてシェーダーの魅力を簡単に…
今回は、画像処理中心となります。

複雑な座標計算は理解の妨げになります。

そして、何より結果が二次元です。
書いたものが絵に現れる…
非常に直感的です。

その為、3DCGは見送らせて頂きます。
(機会があれば解説するかも…です)

本日の献立 (第一回)
• シェーダーの基本
• シェーダーを用いた画像処理フィルタでは、よろしいでしょうか？
第一回の献立はこちらとなります。

• シェーダーを用いた画像処理フィルタまず、シェーダーの基本。
あまり詳しく説明はしませんが…

• シェーダーを用いた画像処理フィルタ後は、実際に動かしてみよう…
というわけでフィルター処理です。
ぼかしとかラプラシアンとか…

シェーダーの基本
• シェーダーとは？
グラフィックスを扱うプログラム
では、まずシェーダーの基本というわけで、
シェーダーとは、何でしょうか。

広義ではグラフィックスを扱うプログラム…
とでも置きましょうか。

• 主なシェーダー？
テクスチャの貼り付け影鏡面水面
例えば、テクスチャを貼り付けるもの、
影をつけるもの、鏡面、水面…
なんでもシェーダーですね。

それらのプログラムは、内部で分割され…
DirectX HLSLでメインとなって記述するのが…

• シェーダーステージ
頂点シェーダー
ピクセルシェーダー
頂点シェーダーとピクセルシェーダーです。
基本的にはこの2つあれば描画できます。

逆に言えば、最低でもこの2つを記述しなけ
れば全く描画ができないと言ってもいいです。

例えば3DCGの描画では、箱を描画する時、
空間にカメラを配置し、箱との位置関係で、
画面のどこに描画するか決定します。

その座標変換を中心となって行うのが
頂点シェーダー(Vertex Shader)です。

頂点シェーダーによって変換された座標で、
実際に画面に対応する色を決定するのが
ピクセルシェーダー(Pixel Shader)となります。

箱の面に対応するテクスチャの色を取って
来る事で、箱を塗ることができます。

あるいは箱の頂点に色情報を付加しておく
ことで、色の付いた箱…などですね。
後は光源から反射や陰影など…

今回は、このピクセルシェーダー中心に
講座を進めていきたいと思います。

プロジェクトファイルのダウンロード
• GitHubのURLを私のサイトに記載します
私のサイトで見ている方はページ下の方を
ご確認頂ければ見つけられると思います
SlideShareでは説明文に私のサイトURLを
(露骨なカウント稼ぎ失礼致します)
URL怖い方はSlideShareと同じIDですので検索を
というわけで早速フィルタ処理を
実装してみましょう。

シェーダーのコンパイルから描画まで
実装したプロジェクトです。

稀に動かない環境もありますのでご注意を。
グラボはあった方がいいかもです。

プロジェクトファイルを開く
• プロジェクトは2013
アップグレードはしない
• x86で
x64 ✕
x86 ○
プロジェクトは2013のものです。
x86でbuildして下さい。

実行すると
• レナ姉さん！
実行するとウィンドウにレナ姉さんが出ます。

実行すると
Qキーを押す度にシェーダーが変わります。

実行すると
実行直後はそのまま描画で…

実行すると
平滑化フィルタ(ぼかし)

実行すると
ガンマ値の変更

実行すると
最後は先鋭化で再び標準に遷移します。

実行すると
なお、下2つにつきましては、
PageUp・PageDownや
カーソルキー上下で変数が変化します。

実行すると
明るくなったり、暗くなったり…
先鋭化に関しても見た目が変わります。

実行すると
あとはRキーで変数のリセット、
SキーでOutputフォルダに書き出しです。

実行すると
実装、についてですが…
これらの画像処理フィルタの原理に
関しては各自で調べてください。

画像処理フィルタ
• 例：平滑化フィルタ
調べてもらうと…もしくは経験上、
このような図を見ませんでしたか？
これが画像処理のフィルタです。1
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画像はピクセルで構成されていますが、
そのピクセルの色を決定する計算を…
3×3では中央が色を決めるピクセルです。1
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例えばこちらは色を決めたいピクセルの
左上のピクセルを示しています。1
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つまり周囲のピクセルを計算に使用します。
そして数値はその重み付けです。1
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平滑化は見ていただくと分かるように、
9分の1…つまり平均ですね。
これで、ぼかしを表現するわけです。1
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では早速、画像処理のフィルタを
書き換えてみましょう。1
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画像処理フィルタ (DirectX HLSL)
• ShaderFiles/2DShaders.hlsl
書き換えるということで、まず確認。
プロジェクト内にhlslファイルがあります。
その中にこのような記述があります。
//===================================
// ピクセルシェーダ
//===================================
float4 mainPS(PSINPUT input) : SV_TARGET
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
g_Tex0.GetDimensions(width, height);
int2 size = int2(width, height);
int3 sp = int3(input.tex * size, 0);
Samp = g_Tex0.Load(sp);
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

ピクセルシェーダー…ですね。
これは、実行直後の標準のシェーダーです。
つまりそのままの描画です。
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

記述、に関してですが…
普通の関数という認識で構いません。
float4(rbga)を返すmainPSという関数です。
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

rgbaを1つしか返さない関数…
ということで、このピクセルシェーダーは、
描画する各ピクセルで実行される関数です。
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

今回の書き換えは、このピクセルシェーダー
に限定したものとなります。
次回以降、テクスチャの生成やシェーダー
追加などに触れていきますのであしからず。
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

では、この関数について簡単に解説します。
まず入力したテクスチャの解像度を取得。
(g_Tex0が入力テクスチャ)
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

解像度と描画する座標(input.tex)より、
テクスチャの画素を読み取る座標を
計算します。
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

変数に値を読み取ります。
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

今回の場合はそのまま描画ですね。
(α値だけ1に固定)
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

最後にreturnですね。
では、平滑化フィルタに参りましょう。
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.rgb;
Out.a = 1;
return Out;
}

先程の1つ下にぼかしフィルタがあります。
こちらについても解説していきます。
//===================================
// ピクセルシェーダぼかし
//===================================
float4 blurPS(PSINPUT input) : SV_TARGET
{
~~~~~~~~~~~~~~~~~~略~~~~~~~~~~~~~~~~
float dw = 1.0f / width;
float dh = 1.0f / height;
float2 ei[9] = { float2(-dw, -dh), float2(0, -dh), float2(dw, -dh), float2(-dw, 0), float2(0, 0), float2(dw, 0), float2(-dw, dh), float2(0, dh), float2(dw, dh) };
float2 center = input.tex ;
float3 s = float3(0, 0, 0);
for (i = 0; i < 9; i++)
s += g_Tex0.Sample(g_Sampler, center + ei[i]).rgb;
Out = float4(s / 9.0f, 1);
return Out;
}

略、に関しては解像度の取得です。
//===================================
//===================================
{
~~~~~~~~~~~~~~~~~~略~~~~~~~~~~~~~~~~
for (i = 0; i < 9; i++)
Out = float4(s / 9.0f, 1);
return Out;
}

こちらは解像度から、
1ピクセル分のテクスチャ座標を求めます。
つまり、1つ隣の移動量を算出します。
//===================================
//===================================
{
~~~~~~~~~~~~~~~~~~略~~~~~~~~~~~~~~~~
for (i = 0; i < 9; i++)
Out = float4(s / 9.0f, 1);
return Out;
}

そして、9方向分の移動を配列に格納します。
ちょうど[4]がfloat2(0,0)で中心です。
//===================================
//===================================
{
~~~~~~~~~~~~~~~~~~略~~~~~~~~~~~~~~~~
for (i = 0; i < 9; i++)
Out = float4(s / 9.0f, 1);
return Out;
}

テクスチャ座標(center)と配列の値より
周囲のピクセルの値をサンプリングします。
//===================================
//===================================
{
~~~~~~~~~~~~~~~~~~略~~~~~~~~~~~~~~~~
for (i = 0; i < 9; i++)
Out = float4(s / 9.0f, 1);
return Out;
}

「あれ？さっきはLoadじゃなかった？」
という点については後ほど解説致します。
//===================================
//===================================
{
~~~~~~~~~~~~~~~~~~略~~~~~~~~~~~~~~~~
for (i = 0; i < 9; i++)
Out = float4(s / 9.0f, 1);
return Out;
}

あとは9分の1にして描画ですね。
//===================================
//===================================
{
~~~~~~~~~~~~~~~~~~略~~~~~~~~~~~~~~~~
for (i = 0; i < 9; i++)
Out = float4(s / 9.0f, 1);
return Out;
}

• 例題1
標準シェーダーを変更
rgb=argに
• 例題2
ぼかしシェーダーを変更
周囲の平均r値より自身のr値が高ければ白
そうでなければ黒に
ということで実際のコードに触れてみましょう。
触れるには書き換えが一番です。
これらの例題の解説をします。

• 例題1
まず例題1ですが、ここを書き換えてください。
HLSLの面白い記述方法の一つです。
Aはαチャンネルですね。
//===================================
//===================================
{
float4 Out;
float4 Samp;
int width, height;
Out.rgb = Samp.arg;
Out.a = 1;
return Out;
}

• 例題1
実行すると左の様に黄色一色です。
argであれば、右の様な配色となるはずです。
右の様な配色になる理由は…

• 例題1
rgb<-argより、出力のrは1固定、
gb成分にrg成分が書き込まれるので、
(元が赤が強くrg成分が目立ち)橙です。

• 例題1
黄色一色ということは、r=g成分です。
もっと言えば、b成分しか変化していません。
その理由こそが…

• 例題1
実は2回実行されているのです。
1回目でrは1が書き込まれます。
2回目では更にrとgも1になり黄色になります。

• 例題1
画面に描画する際にも同じシェーダーを
用いていることが原因です。
証拠に、黄色い画面でSキーで保存すると、
右のような配色で出力されると思います。

• 例題2
次に例題2ですが、このような感じでしょうか。
//===================================
//===================================
{
~~~~~~~~~~~~~~~~~~略~~~~~~~~~~~~~~~~
float2 center = input.tex;
for (i = 0; i < 9; i++)
Out = s.r / 9.0f < g_Tex0.Sample(g_Sampler, center).r;
Out.a = 1;
return Out;
}

• 例題2
出力結果はこんな感じ。

• 例題2
先鋭化フィルタやラプラシアンフィルタなど、
周囲の値を用いるものはすぐ書けますね。

• 例題2
あ、例題で変更した箇所は戻してくださいね。

• 実践1 (グレースケール変換)
変換式を調べる
ヒント : rgb = r * _ + g * _ + b * _;
• 実践2 (3成分ラプラシアンフィルタ)
ラプラシアンフィルタを調べる
ヒント : 先鋭化フィルタ
実践ということで、このような感じでしょうか。
余裕があればやってみてください。

DirectX HLSL
• 4成分変数の扱い方
o.rgb = i.bgr; // 順番
o.rgb = i.rrr; // 好きな成分
o.rgb = 0; // 一気に代入
o.a = 1; // 当然1つも
o.xyzw = i.xyzw; // xyzwでも
o.rgb *= 2.0f; // 3成分に同時
o = float4(i.rgb, 1); // 初期化が多彩
o = float4(i1.xy, i2.xy);// 初期化が多彩
さて、いかがでしたか？
簡単ですが書き換えは楽しかったですか？
hlslの書き方は特徴的？

DirectX HLSL
• 多彩な組み込み関数
sin cos tan … // 数学関数
sature clamp … // クランプ関係
distance length … // 座標関係
clip // 計算破棄
hlslには多彩な組み込み関数もあります。

まとめ
• ピクセルシェーダーを触ってみた
• 画像処理フィルタを触ってみた
• hlslは面白い
次回予定
シェーダーによるライフゲーム
・テクスチャの生成や更新
・シェーダーの追加など
少し早いですが本日はここまで。
次回予定はライフゲームです。
それでは失礼致します。

P.S. LoadとSampleについて
• Load (ピクセル単位で取り出す)
よって整数型で指定する
• Sample (テクスチャ座標でサンプリング)
よって浮動小数点型で指定する
• なぜ周囲を見る時Sampleか
出力画像の解像度でフィルタ処理を行いたい
入力画像の解像度に依存しないSample
追伸、LoadとSampleの件。
Loadは配列の値を読み取るように、
整数の値によってピクセルを指定して
その色を取り出します。

逆にSampleは適当な座標でも適切な値を算
出します。この時、サンプリングの設定で線
形補間などを選択できます。

なぜSampleかと言うと、出力画像の解像度
でフィルタ処理を行いたいためです。

入力画像の解像度によって、
フィルタが変わるのはナンセンスです。
ということでよろしいでしょうか。

立ち絵素材
• 臼井の会様 http://usui.moo.jp/frame2.html

ご視聴ありがとうございました。

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