かんたんXNA4.0 その１７ 透過パーティクル

3Dゲームでビームや火花、爆発や煙、水しぶきや雪などを表現する方法として
ポイントスプライトがあります。

・・・が、現在XNA4.0からはなくなっています。
DirectX10以降にはポイントスプライトがないのです。

例えばXNA Creators Clubのサンプル、Particle 3D Sampleでは
ポイントスプライトを使って爆発や煙を表現していました。

この爆発と煙は、実は簡単な小さい画像をたくさん並べたものなのです。
(爆発に使われた画像explosion.png)
(煙に使われた画像smoke.png)

現在はどうやって描画しているかというと、
四角いポリゴン多数に同じ画像を貼り付けて煙っぽく見せています。
以前この章ではポイントスプライトについて話していたのですが話すことがなくなってしまったので、
透過について話すことにします。

---

テクスチャを貼る

Creators ClubのサンプルParticle 3D Sampleのexplosion.pngを表示してみましょう。

（ちなみに、背景が黒なのは後で透過処理をするときにそこが透明であると解釈されるからです）

using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;

class MyGame : Game
{
    GraphicsDeviceManager graphics;
    BasicEffect effect;
    VertexPositionTexture[] vertices = new[]
    { 
        new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0, 0)),
        new VertexPositionTexture(new Vector3(1, 1, 0), new Vector2(1, 0)),
        new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1, 1)),

        new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0, 0)),
        new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1, 1)),
        new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, -1, 0), new Vector2(0, 1)),
    };
    Texture2D texture;

    public MyGame()
    {
        graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
    }

    protected override void LoadContent()
    {
        effect = new BasicEffect(GraphicsDevice)
        {
            TextureEnabled = true,
            View = Matrix.CreateLookAt
            (
                new Vector3(0, 0, 3),   //カメラの位置
                new Vector3(0, 0, 0),   //カメラの見る点
                new Vector3(0, 1, 0)    //カメラの上向きベクトル
            ),
            Projection = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView
            (
                MathHelper.ToRadians(45),   //視野の角度。ここでは45°
                GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio,//画面のアスペクト比(=横/縦)
                1,      //カメラからこれより近い物体は画面に映らない
                100     //カメラからこれより遠い物体は画面に映らない
            )
        };
        texture = Content.Load<Texture2D>("Content/explosion");
    }

    protected override void UnloadContent()
    {
        effect.Dispose();
    }

    protected override void Draw(GameTime gameTime)
    {
        GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

        effect.Texture = texture;

        foreach (var pass in effect.CurrentTechnique.Passes)
        {
            pass.Apply();
            GraphicsDevice.DrawUserPrimitives<VertexPositionTexture>(
                PrimitiveType.TriangleList,
                vertices,
                0,
                vertices.Length / 3
                );
        }
    }
}

このプログラムは2つのポリゴンからなる一つの四角形を表示しています。
その四角形にテクスチャを貼り付けているのです。

---

透過

さて、見事テクスチャが表示できましたが、まだ使い物になりません。
テクスチャに黒い縁がついているからです。
このような四角形をどんなにならべても絶対に炎には見えないでしょう。
（背景が夜なら別ですが）

実用レベルにするには黒い部分を透過することが必要です。
（正確には、黒い部分だけでなく全てを透過します）

透過を行うにはGraphicsDevice.BlendStateプロパティをBlendState.Additiveにします。
色を加算するのです。

using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;

class MyGame : Game
{
    GraphicsDeviceManager graphics;
    BasicEffect effect;
    VertexPositionTexture[] vertices = new[]
    { 
        new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0, 0)),
        new VertexPositionTexture(new Vector3(1, 1, 0), new Vector2(1, 0)),
        new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1, 1)),

        new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0, 0)),
        new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1, 1)),
        new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, -1, 0), new Vector2(0, 1)),
    };
    Texture2D texture;

    public MyGame()
    {
        graphics = new GraphicsDeviceManager(this);
    }

    protected override void LoadContent()
    {
        effect = new BasicEffect(GraphicsDevice)
        {
            TextureEnabled = true,
            View = Matrix.CreateLookAt
            (
                new Vector3(0, 0, 3),   //カメラの位置
                new Vector3(0, 0, 0),   //カメラの見る点
                new Vector3(0, 1, 0)    //カメラの上向きベクトル
            ),
            Projection = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView
            (
                MathHelper.ToRadians(45),   //視野の角度。ここでは45°
                GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio,//画面のアスペクト比(=横/縦)
                1,      //カメラからこれより近い物体は画面に映らない
                100     //カメラからこれより遠い物体は画面に映らない
            )
        };
        texture = Content.Load<Texture2D>("Content/explosion");
    }

    protected override void UnloadContent()
    {
        effect.Dispose();
    }

    protected override void Draw(GameTime gameTime)
    {
        GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

        GraphicsDevice.BlendState = BlendState.Additive;
        effect.Texture = texture;

        foreach (var pass in effect.CurrentTechnique.Passes)
        {
            pass.Apply();
            GraphicsDevice.DrawUserPrimitives<VertexPositionTexture>(
                PrimitiveType.TriangleList,
                vertices,
                0,
                vertices.Length / 3
                );
        }
    }
}

黒い部分がなくなりました！
ただ炎の部分も薄くなっています。
色を背景に加算したからです。

さてここまでは一枚の四角形があるだけでしたが、
もしたくさん四角形があったらどうなるでしょうか？

using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;

class MyGame : Game
{
    GraphicsDeviceManager graphics;
    BasicEffect effect;
    VertexPositionTexture[] vertices;
    Texture2D texture;

    public MyGame()
    {
        graphics = new GraphicsDeviceManager(this);

        const int particleCount = 20;
        vertices = new VertexPositionTexture[particleCount * 6];

        for (int i = 0; i < particleCount; i++)
        {
            vertices[i * 6 + 0] = new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0, 0));
            vertices[i * 6 + 1] = new VertexPositionTexture(new Vector3(1, 1, 0), new Vector2(1, 0));
            vertices[i * 6 + 2] = new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1, 1));

            vertices[i * 6 + 3] = new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0, 0));
            vertices[i * 6 + 4] = new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1, 1));
            vertices[i * 6 + 5] = new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, -1, 0), new Vector2(0, 1));

            for (int j = 0; j < 6; j++)
            {
                vertices[i * 6 + j].Position *= 0.5f;
                vertices[i * 6 + j].Position += new Vector3(
                    (float)System.Math.Cos(2 * System.Math.PI * i / particleCount),
                    0,
                    (float)System.Math.Sin(2 * System.Math.PI * i / particleCount)
                    );
            }
        }

    }

    protected override void LoadContent()
    {
        effect = new BasicEffect(GraphicsDevice)
        {
            TextureEnabled = true,
            View = Matrix.CreateLookAt
            (
                new Vector3(0, 3, 3),   //カメラの位置
                new Vector3(0, 0, 0),   //カメラの見る点
                new Vector3(0, 1, 0)    //カメラの上向きベクトル
            ),
            Projection = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView
            (
                MathHelper.ToRadians(45),   //視野の角度。ここでは45°
                GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio,//画面のアスペクト比(=横/縦)
                1,      //カメラからこれより近い物体は画面に映らない
                100     //カメラからこれより遠い物体は画面に映らない
            )
        };
        texture = Content.Load<Texture2D>("Content/explosion");
    }

    protected override void UnloadContent()
    {
        effect.Dispose();
    }

    protected override void Draw(GameTime gameTime)
    {
        GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

        GraphicsDevice.BlendState = BlendState.Additive;
        effect.Texture = texture;

        foreach (var pass in effect.CurrentTechnique.Passes)
        {
            pass.Apply();
            GraphicsDevice.DrawUserPrimitives<VertexPositionTexture>(
                PrimitiveType.TriangleList,
                vertices,
                0,
                vertices.Length / 3
                );
        }
    }
}

ここでは、20個の四角形で円を作り、透過して描画してあります。
ゲームでミニラの放射熱線を描画したいのなら
こんな感じにするといいかもしれません。

さて、これには明らかにおかしなところがあります。
それは円の左側が上手く表示されなくなっているというところです。

奥のポリゴンが手前のものに隠れているのです。
これはデプス・バッファ（深度バッファ）がすでに手前のものになっているためです。

どういうことかというと、これは深度バッファの仕組みに関係しています。
3D空間では手前に物がある場合、より奥のものは見えません。
（もしそうでなければX線CTやMRIは必要ありません！
ついでに言うと、これは2Dでも1Dでも言える話です）

これをコンピュータで実現するために、
ピクセルは3つの色のデータに加えて、その点のカメラからの距離（深度）の情報を持っています。
（と言っても実際の距離ではなく、相対的な、0.0から1.0までの値ですが）

それぞれのピクセルを描画するたびに、深度バッファを更新していき、
もし今描画しようとしている点の深度が深度バッファの値よりも大きければ
（すなわちその点の手前に既に物があるのなら）
描画しないようになっています。

そうすれば奥のものは手前のものにうまく隠されることになります。

ここで問題になっているのはデプス・バッファのこの性質なのです。

いくらテクスチャが透過されるとはいえ、深度バッファが更新されないわけではありません。
もう既に描いた四角形の奥に新たに四角形を描画しようとすると、
深度バッファがその四角形の深度よりも小さいため、
手前のものに隠れてしまうと解釈されて、描画されなくなってしまうのです。

この問題はどうやって解決すればいいのでしょうか？

1つの方法として、描画するときに深度バッファを更新しないと言う方法があります。
そうすれば奥のものが隠れることはなくなるでしょう。

XNA Creators SampleのParticle 3D Sampleで行われているのはこの方法です。

深度バッファの更新を一時的にストップするには、
GraphicsDevice.DepthStencilStateプロパティをDepthStencilState.Noneにします。
（用が終わったらまたDepthStencilState.Defaultに戻してあげましょう。
でないと透過を使っていないほかの部分がおかしなことになるはずです。
このサンプルでは問題ないですが）

using Microsoft.Xna.Framework;
using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;

class MyGame : Game
{
    GraphicsDeviceManager graphics;
    BasicEffect effect;
    VertexPositionTexture[] vertices;
    Texture2D texture;

    public MyGame()
    {
        graphics = new GraphicsDeviceManager(this);

        const int particleCount = 20;
        vertices = new VertexPositionTexture[particleCount * 6];

        for (int i = 0; i < particleCount; i++)
        {
            vertices[i * 6 + 0] = new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0, 0));
            vertices[i * 6 + 1] = new VertexPositionTexture(new Vector3(1, 1, 0), new Vector2(1, 0));
            vertices[i * 6 + 2] = new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1, 1));

            vertices[i * 6 + 3] = new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0, 0));
            vertices[i * 6 + 4] = new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1, 1));
            vertices[i * 6 + 5] = new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, -1, 0), new Vector2(0, 1));

            for (int j = 0; j < 6; j++)
            {
                vertices[i * 6 + j].Position *= 0.5f;
                vertices[i * 6 + j].Position += new Vector3(
                    (float)System.Math.Cos(2 * System.Math.PI * i / particleCount),
                    0,
                    (float)System.Math.Sin(2 * System.Math.PI * i / particleCount)
                    );
            }
        }

    }

    protected override void LoadContent()
    {
        effect = new BasicEffect(GraphicsDevice)
        {
            TextureEnabled = true,
            View = Matrix.CreateLookAt
            (
                new Vector3(0, 3, 3),   //カメラの位置
                new Vector3(0, 0, 0),   //カメラの見る点
                new Vector3(0, 1, 0)    //カメラの上向きベクトル
            ),
            Projection = Matrix.CreatePerspectiveFieldOfView
            (
                MathHelper.ToRadians(45),   //視野の角度。ここでは45°
                GraphicsDevice.Viewport.AspectRatio,//画面のアスペクト比(=横/縦)
                1,      //カメラからこれより近い物体は画面に映らない
                100     //カメラからこれより遠い物体は画面に映らない
            )
        };
        texture = Content.Load<Texture2D>("Content/explosion");
    }

    protected override void UnloadContent()
    {
        effect.Dispose();
    }

    protected override void Draw(GameTime gameTime)
    {
        GraphicsDevice.Clear(Color.CornflowerBlue);

        GraphicsDevice.BlendState = BlendState.Additive;
        GraphicsDevice.DepthStencilState = DepthStencilState.None;
        effect.Texture = texture;

        foreach (var pass in effect.CurrentTechnique.Passes)
        {
            pass.Apply();
            GraphicsDevice.DrawUserPrimitives<VertexPositionTexture>(
                PrimitiveType.TriangleList,
                vertices,
                0,
                vertices.Length / 3
                );
        }
    }
}

上手くいきました！

ともかく、これをいろんな風に動かしていくことによって
爆発や煙、水滴や雪などを描画できるようになるのです。