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December 2011 の記事

RenderScript で光源やカメラ位置を使った描画方法を取り上げて欲しいとの
メールをいただいたので試してみました。

renderscript_ap02d.jpg

OpenGL ES 2.0 なのでこれらのパラメータの反映はシェーダー任せです。
演算は RenderScript よりも GLSL の範疇になるかと思いますが、
複数の ConstantBuffer の作製や PixelShader への渡し方などを参考にして
いただければと思います。


●必要なデータ構造の定義と初期化

RenderScript で、必要な情報の構造体を宣言します。
内容は Java, RenderScript, Shader でそれぞれ共有します。

ジオメトリ関連

// RenderScript
typedef struct GeometryConstant {
    rs_matrix4x4    Projection;		// Projection Matrix
    rs_matrix4x4    World;		// World Matrix
    rs_matrix4x4    PView;		// RS → Shader 用
    float4          CameraPosition;	// (x y z -) カメラ位置
    float4          CameraAim;		// (x y z -) 注視点
} GeometryConstant_T;

描画オブジェクトのマテリアル

// RenderScript
typedef struct MaterialConstant {
    float4      AmbientColor;	// (r g b -)
    float4      DiffuseColor;	// (r g b -)
    float4      SpecularColor;	// (r g b p)
} MaterialConstant_T;

光源。Intensity は Color に事前乗算しておく。

// RenderScript
typedef struct LightConstant {
    float4      AmbientLightColor;		// (r g b -)
    float4      DirectionalLightColor;		// (r g b -)
    float4      PointLightColor;		// (r g b -)
    float4      DirectionalLightDirection;	// (x y z -)
    float4      PointLightPosition;		// (x y z -)
} LightConstant_T;

Java 上でインスタンスを作って初期化します。
カメラは座標と注視点を登録しています。

// Java
// Geometry Uniform
ScriptField_GeometryConstant  geometry_const= new ScriptField_GeometryConstant( mRS, 1, Allocation.USAGE_SCRIPT|Allocation.USAGE_GRAPHICS_CONSTANTS );

// Projection Matrix
Matrix4f    projection= new Matrix4f();
projection.loadPerspective( 30.0f, mWidth/mHeight, 0.1f, 100.0f );
geometry_const.set_Projection( 0, projection, true );

// Camera Position
geometry_const.set_CameraPosition( 0, new Float4( 0.0f, 0.0f, 3.0f, 0.0f ), true );
geometry_const.set_CameraAim( 0, new Float4( 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f ), true );

// World Matrix
Matrix4f    world= new Matrix4f();
world.loadIdentity();
geometry_const.set_World( 0, world, true );

テクスチャを使わないのでマテリアルカラーを設定。

// Java
// Material Uniform
ScriptField_MaterialConstant  material_const= new ScriptField_MaterialConstant( mRS, 1, Allocation.USAGE_SCRIPT|Allocation.USAGE_GRAPHICS_CONSTANTS );

material_const.set_AmbientColor( 0, new Float4( 0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f ), true );
material_const.set_DiffuseColor( 0, new Float4( 1.0f, 0.9f, 0.9f, 1.0f ), true );
material_const.set_SpecularColor( 0, new Float4( 1.0f, 1.0f, 0.4f, 30.0f ), true );

光源を設定

// Light Uniform
ScriptField_LightConstant  light_const= new ScriptField_LightConstant( mRS, 1, Allocation.USAGE_SCRIPT|Allocation.USAGE_GRAPHICS_CONSTANTS );

light_const.set_AmbientLightColor( 0, new Float4( 0.3f, 0.3f, 0.3f, 1.0f ), true );
light_const.set_DirectionalLightColor( 0, new Float4( 1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f ), true );
light_const.set_PointLightColor( 0, new Float4( 0.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f ), true );
light_const.set_DirectionalLightDirection( 0, new Float4( 0.57f, -0.57f, -0.57f, 0.0f ), true );
light_const.set_PointLightPosition( 0, new Float4( 0.0f, 0.2f, 0.0f, 0.0f ), true );

作成した Constant Buffer をシェーダーで読めるようにします。
Builder で必要な数だけ addConstant() して Uniform を予約します。
インスタンスは ProgramVertex の bindConstants() で渡します。

必要な constnat buffer だけ渡しています。
VertexShader は GeometryConstant と LightConstant。

// Java
// VertexShader
ProgramVertex.Builder   vsh_builder= new ProgramVertex.Builder( mRS );
vsh_builder.setShader( mRes, R.raw.mesh3d_vsh );
vsh_builder.addConstant( geometry_const.getType() );
vsh_builder.addConstant( light_const.getType() );
vsh_builder.addInput( model.getElement() );

ProgramVertex   vsh= vsh_builder.create();
vsh.bindConstants( geometry_const.getAllocation(), 0 );
vsh.bindConstants( light_const.getAllocation(), 1 );

PixelShader (FragmentShader) も同様です。
MaterialConstant/LightConstant の 2つです。

// Java
// PixelShader
ProgramFragment.Builder psh_builder= new ProgramFragment.Builder( mRS );
psh_builder.setShader( mRes, R.raw.mesh3d_psh );
psh_builder.addConstant( material_const.getType() );
psh_builder.addConstant( light_const.getType() );

ProgramFragment psh= psh_builder.create();
psh.bindConstants( material_const.getAllocation(), 0 );
psh.bindConstants( light_const.getAllocation(), 1 );

Shader と同じように、RenderScript にもアクセスするデータを渡します。
GeometryConstant/LightConstant の 2つ。

// Java
mScript.bind_vconst( geometry_const );
mScript.bind_light( light_const );


●RenderScript

ViewMatrix (WorldSpace To CameraSpace) の作成と ProjectionMatrix
との前計算を行なっています。

CameraPosition/CameraAim, ProjectionMatrix を元に、
PView (ProjectionMatrix * ViewMatrix) を求めます。
// RenderScript
rs_matrix4x4    viewMatrix;
LookAt( &viewMatrix, vconst->CameraPosition.xyz, vconst->CameraAim.xyz );
rsMatrixLoadMultiply( &vconst->PView, &vconst->Projection, &viewMatrix );

RenderScript は C言語ながら、上記のようにシェーダーのような vector 記法
が使えます。例えば float4 で宣言した変数も .xyz をつけることで float3
の部分アクセスができます。

float4 vec;
float3 pos= vec.xyz;

swizzle もできました。使いやすいです。

float4 d= vec.wzyx;
float4 e= vec.yyyy;
float4 f;
f.zw= vec.xy;

RenderScritp に LookAt 関数があるかと思ったらなかったので作ります。

// RenderScript
static void LookAt( rs_matrix4x4* view, float3 pos, float3 aim )
{
    rsMatrixLoadIdentity( view );
    float3  up= { 0.0f, 1.0f, 0.0f };
    float3  pz= normalize( aim - pos );
    float3  px= normalize( cross( pz, up ) );
    float3  py= normalize( cross( px, pz ) );
    view->m[0]= px.x;
    view->m[4]= px.y;
    view->m[8]= px.z;
    view->m[1]= py.x;
    view->m[5]= py.y;
    view->m[9]= py.z;
    view->m[2]= -pz.x;
    view->m[6]= -pz.y;
    view->m[10]= -pz.z;
    rsMatrixTranslate( view, -pos.x, -pos.y, -pos.z );
}

これ以外に、サンプルの script では効果がわかりやすいように
カメラ位置と点光源のアニメーションを行なっています。


●Shader

シェーダーでは与えられたパラメータを元に座標と色の計算を行なっています。
ScreenSpace だけでなく WorldSpace での座標と法線の算出。

// GLSL
varying vec3    onormal;
varying vec3    oeye;
varying vec3    opos;

void main()
{
    vec4    wpos= UNI_World * vec4( ATTRIB_position.xyz, 1.0 );
    gl_Position= UNI_PView * wpos;
    onormal.xyz= mat3(UNI_World) * ATTRIB_normal.xyz;
    oeye.xyz= UNI_CameraPosition.xyz - wpos.xyz;
    opos.xyz= wpos.xyz;
}

MaterialConstant と LightConstant を用いてライティング。

// GLSL
precision mediump   float;

varying vec3 onormal;
varying vec3 oeye;
varying vec3 opos;

void main()
{
    vec3    normal= normalize( onormal.xyz );

    // AmbientLight
    lowp vec3    diffuse= UNI_AmbientLightColor.xyz * UNI_AmbientColor.xyz;

    // DirectinalLight
    float   dd= clamp( dot( normal.xyz, -UNI_DirectionalLightDirection.xyz ), 0.0, 1.0 );
    diffuse.xyz+= UNI_DirectionalLightColor.xyz * UNI_DiffuseColor.xyz * dd;

    float   ds= pow( clamp( dot( normal.xyz, normalize( oeye.xyz - UNI_DirectionalLightDirection.xyz ) ), 0.0, 1.0 ), UNI_SpecularColor.w );
    lowp vec3    specular= UNI_SpecularColor.xyz * ds;

    // PointLight
    vec3    lightvec= UNI_PointLightPosition.xyz - opos.xyz;
    vec3    lightdir= normalize( lightvec.xyz );
    float   dl= dot( lightvec.xyz, lightvec.xyz ) * 10.0;
    float   pd= clamp( dot( normal.xyz, lightdir.xyz ), 0.0, 1.0 ) / dl;
    diffuse.xyz+= UNI_PointLightColor.xyz * UNI_DiffuseColor.xyz * pd;

    gl_FragColor.xyz= diffuse.xyz + specular.xyz;
    gl_FragColor.w= 1.0;
}


●ソースコード

モデルデータの読み込みは以前のエントリと同じ物を使っています。

flatlib_ap02d.zip ソースコード


●最適化

無駄が多いので最適化の余地があります。

ConstantBuffer は更新するデータ量が少なくなるように分割できます。
今回は Java, RenderScript, Shader でバッファを共有していますが不要な
パラメータがあります。RenderScript で書き換えるものと Shader だけが
参照するものをわけると転送量を減らせます。

それでも ConstantBuffer (Uniform) は頂点書き換えと異なり PushBuffer
を経由するため lock が発生しないため効率は良いです。

PixelShader (FragmentShader) での演算は負荷が重いので、出来る限り
シェーダーの外に出した方が良いです。
MaterialColor * LightColor はプリミティブ単位で求まるので前計算可能です。
頂点単位で十分なものは VertexShader に分散させることができます。



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Android 用のゲームコントローラ Zeemote JS1 H を試してみました。
Zeemote の特徴は Bluetooth によるワイヤレス接続であることと、
通信に HID ではなく SPP を使うことです。
Bluetooth さえあれば Android 2.1 以降のほとんどの端末で使えるようです。

BUFFALO Zeemote JS1 H (BSGPJS1)

見た目はヌンチャクのようですが非常に小さくモーションセンサーはありません。
アナログスティックx1 + デジタル 4ボタンのシンプルな構成です。


●3つのモード

Bluetooth の HID または SPP プロファイルで接続されています。
下記のように 3つの動作モードを持っています。

(A) ポインターモード          HID    マウスエミュレーション
(B) キーボードモード          HID    キーボードエミュレーション
(C) ジョイスティックモード    SPP    専用のジョイスティックモード

電源投入時に押していたボタン (A)~(C) によってモードが決まります。

(A)/(B) は通常の Bluetooth 入力デバイスとして認識されるので、
HID に対応していれば Android に限らず使うことができます。

実際に Windows PC に接続して 3ボタンマウスの代わりに使えました。
キーボードモードではカーソルキーや Enter/ESC として利用できます。

Android の場合 HID 対応デバイスは限られているので、(A)/(B) のモードが
使えるかどうかは端末や OS のバージョン依存となります。

(C) のジョイスティックモードでつなぐには専用の SDK を利用した
Zeemote 対応アプリが必要です。
対応アプリケーションであれば (C) のモードでつながるので HID に
対応していない端末でも使用することができます。


●ペアリング

ペアリングを行う方法は二種類あります。

(1) Android の設定画面で自分でペアリングする
(2) "JS1 Quick Start Application" を使う (Android Market から入手)

基本的には Bluetooth の設定画面でペアリングできます。
固定キー 0000 を入力するだけです。
ただ試したところ、一部の端末では固定キーの入力ができないことが
あるようです。

HTC EVO 3D (ISW12HT) はペアリング時にキー入力画面になりませんでした。
このような場合 (2) の方法が使えます。

 1. "JS1 Quick Start Application" を Android Market からダウンロードして
   インストールする。
 2. Zeemote をジョイスティックモードにする
   (電源を切った状態で (C) を押しながら (D)ボタン長押しで電源を入れる)
 3. "JS1 Quick Start Application" を起動する。
 4.「JS1に接続する」を押す
 5.「ペアリングを自動で行う」にチェックが入った状態で「接続」を押す
 6. もしここでエラーが出たら Manual #3 に変更して接続する。

接続ができたらアプリを終了して構いません。
これでペアリング登録された状態になっています。


●対応アプリケーション

動作テストには上で説明した "JS1 Quick Start Application" 及び
R-TYPE Lite/R-TYPE を使いました。

色々試してみたところ、対応アプリケーション (Zeemote SDK) は
どうやら Bluetooth のペアリング情報を見て判別しているようです。

 1. Bluetooth でペアリングされたデバイスを列挙する
 2. "Zeemote JS1 H" が含まれていればデバイス選択画面を表示し接続を行う

また各アプリが起動後にあらためて Zeemote との再接続を行います。
例えばポインターモードで OS を操作していても、アプリ起動後の再接続を
行ったタイミングで (C) のジョイスティックモードに切り替わります。


●接続してみた端末

手持ちの端末をつないでみました。
(A)/(B) のポインター/キーボードモードが使えるかどうかは端末依存です。
(C) のジョイスティックモードはすべての機種で使うことができました。

Galaxy S2 (SC-02C)      Android 2.3
EVO 3D (ISW12HT)        Android 2.3
Desire (X06HT)          Android 2.2
IDEOS                   Android 2.2
ICONIA TAB (A500)       Android 3.2
Optimus Pad (L-06C)     Android 3.1
LifeTouch NOTE (NA75W)  Android 2.2


●Android 3.x HID と Zeemote

ICONIA TAB A500 Android 3.2 は (A) のポインターモードできちんと
つながります。
マウスカーソルが表示されてタッチの代わりに使えるだけでなく、
B ボタンがバックボタンになるので快適にリモート操作できました。
HDMI で大画面につないだ場合のリモコンとしても使えそうです。

Optimus Pad L-06C Android 3.1 は、マウスカーソルが出るものの
B ボタンがバックとして機能しませんでした。
端末依存なのか OS バージョンによる違いなのかはわかりません。


●ゲームで使った Zeemote

アナログスティックなので 3D 系のゲームに向いているかもしれません。
R-TYPE 等の 2D ゲームでデジタル方向キーの代わりに使った場合は
ストロークの深さが若干気になります。
完全に倒しこまなくても反応するため、ボタンを離したつもりでも
ニュートラルに戻すまでの間よけいに動いてしまうからです。
使っているうちに慣れてきて両手で操作したら微調整しやすくなりました。

外装はすべらないラバー状になっていますがゴミを吸いやすく
剥がれやすいのが気になりました。


●開発者から見た Zeemote

Android 3.1 以降の端末は USB のゲームコントローラに対応しています。
USB Host があれば Xbox360 や PS3 のコントローラをつなぐことが出来ました。
ただ問題もあります。

USB HOST と USB 端子兼用の端末が多く、開発時に USB ケーブルでデバッガを
繋いでいるとゲームコントローラを使うことができません。
そのため気に入っているのが ICONIA TAB A500 で、Micro USB 端子の他に
独立したフルサイズの USB HOST コネクタを備えているのでたいへん重宝しています。

Zeemote は Bluetooth 接続なのでこのような問題が起こりません。
デバッガをつないでいても使えるのは魅力的です。


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