Qt Quick 3D - プロシージャルテクスチャの例

C++またはQMLからカスタムテクスチャデータを提供する方法を示します。

テクスチャのサイズと色をプロシージャルに制御できるグラデーションキューブ

ここでは、静的なアセットから読み込むのではなく、実行時に動的に生成されたテクスチャデータを提供するさまざまな方法を示します。デモの目的上、この例では指定された開始色と終了色から垂直グラデーションのテクスチャを生成します。

まず、テクスチャデータ用のC++クラスを定義します。これをQQuick3DTextureData のサブクラスにします。仮想関数がないため、これは厳密には必須ではありませんが、すべてを1つのクラスにまとめる方がはるかに便利です。使用するプロパティを定義し、QMLから利用できるようにQML_NAMED_ELEMENT を追加します：

class GradientTexture : public QQuick3DTextureData
{
    Q_OBJECT
    Q_PROPERTY(int height READ height WRITE setHeight NOTIFY heightChanged)
    Q_PROPERTY(int width READ width WRITE setWidth NOTIFY widthChanged)
    Q_PROPERTY(QColor startColor READ startColor WRITE setStartColor NOTIFY startColorChanged)
    Q_PROPERTY(QColor endColor READ endColor WRITE setEndColor NOTIFY endColorChanged)
    QML_NAMED_ELEMENT(GradientTexture)
    ...

テクスチャを更新する関数を追加します。この関数では、setSizeおよびsetFormatを使用してテクスチャを設定し、setTextureDataを使用して画像データを設定します：

void GradientTexture::updateTexture()
{
    setSize(QSize(m_width, m_height));
    setFormat(QQuick3DTextureData::RGBA8);
    setHasTransparency(false);
    setTextureData(generateTexture());
}

関数 `generateTexture ` は、適切なサイズの `QByteArray ` を作成し、そこに画像データを格納します：

QByteArray GradientTexture::generateTexture()
{
    QByteArray imageData;
    // Create a horizontal gradient between startColor and endColor

    // Create a single scanline and reuse that data for each
    QByteArray gradientScanline;
    gradientScanline.resize(m_width * 4); // RGBA8

    for (int x = 0; x < m_width; ++x) {
        QColor color = linearInterpolate(m_startColor, m_endColor, x / float(m_width));
        int offset = x * 4;
        gradientScanline.data()[offset + 0] = char(color.red());
        gradientScanline.data()[offset + 1] = char(color.green());
        gradientScanline.data()[offset + 2] = char(color.blue());
        gradientScanline.data()[offset + 3] = char(255);
    }

    for (int y = 0; y < m_height; ++y)
        imageData += gradientScanline;

    return imageData;
}

プロパティが変更されるたびに、updateTexture を呼び出します：

void GradientTexture::setStartColor(QColor startColor)
{
    if (m_startColor == startColor)
        return;

    m_startColor = startColor;
    emit startColorChanged(m_startColor);
    updateTexture();
}

最後に、QMLからこの新しいテクスチャを使用できます：

Texture {
    id: textureFromCpp

    minFilter: applicationState.filterMode
    magFilter: applicationState.filterMode
    textureData: gradientTexture

    GradientTexture {
        id: gradientTexture
        startColor: applicationState.startColor
        endColor: applicationState.endColor
        width: applicationState.size
        height: width
    }
}

QML内で同じテクスチャデータを生成することも可能です。この場合、ProceduralTextureData コンポーネントを使用します：

Texture {
    id: textureFromQML
    minFilter: applicationState.filterMode
    magFilter: applicationState.filterMode
    textureData: gradientTextureDataQML

    ProceduralTextureData {
        id: gradientTextureDataQML

        property color startColor: applicationState.startColor
        property color endColor: applicationState.endColor
        width: applicationState.size
        height: width
        textureData: generateTextureData()

        function linearInterpolate(startColor : color, endColor : color, fraction : real) : color{
            return Qt.rgba(
                        startColor.r + (endColor.r - startColor.r) * fraction,
                        startColor.g + (endColor.g - startColor.g) * fraction,
                        startColor.b + (endColor.b - startColor.b) * fraction,
                        startColor.a + (endColor.a - startColor.a) * fraction
                        );
        }

        function generateTextureData() {
            let dataBuffer = new ArrayBuffer(width * height * 4)
            let data = new Uint8Array(dataBuffer)

            let gradientScanline = new Uint8Array(width * 4);

            for (let x = 0; x < width; ++x) {
                let color = linearInterpolate(startColor, endColor, x / width);
                let offset = x * 4;
                gradientScanline[offset + 0] = color.r * 255;
                gradientScanline[offset + 1] = color.g * 255;
                gradientScanline[offset + 2] = color.b * 255;
                gradientScanline[offset + 3] = color.a * 255;
            }

            for (let y = 0; y < height; ++y) {
                data.set(gradientScanline, y * width * 4);
            }

            return dataBuffer;
        }
    }
}

C++と同様に、QByteArray にテクスチャのサイズとフォーマットに応じた画像データを格納します。QMLからこれを行う際は、不要な型変換を避けるためにArrayBuffer型を使用してください。

前述の2つの例では、テクスチャ用のデータはすべてCPU側で生成され、その後GPUにアップロードされてテクスチャデータとして使用されます。テクスチャデータをGPU上で直接生成することも可能です。この場合、代わりにQQuick3DTextureProviderExtension のサブクラスを使用します。

class GradientTextureProvider : public QQuick3DTextureProviderExtension
{
    Q_OBJECT
    Q_PROPERTY(int height READ height WRITE setHeight NOTIFY heightChanged)
    Q_PROPERTY(int width READ width WRITE setWidth NOTIFY widthChanged)
    Q_PROPERTY(QColor startColor READ startColor WRITE setStartColor NOTIFY startColorChanged)
    Q_PROPERTY(QColor endColor READ endColor WRITE setEndColor NOTIFY endColorChanged)
    QML_ELEMENT

QQuick3DTextureProviderExtension QSSGRenderExtension ベースのクラスは、Qt RHI API を使用してレンダリング拡張機能を定義します。サブクラスは、 () が呼び出された際に、ベースのオブジェクトを返さなければなりません。QQuick3DTextureProviderExtension::updateSpatialNode

QSSGRenderGraphObject *GradientTextureProvider::updateSpatialNode(QSSGRenderGraphObject *node)
{
    if (!node)
        node = new GradientTextureProviderNode(this);

    // Update the state of the backend node
    auto gradientNode = static_cast<GradientTextureProviderNode *>(node);
    gradientNode->m_isDirty = true;
    gradientNode->m_width = m_width;
    gradientNode->m_height = m_height;
    gradientNode->m_startColor = m_startColor;
    gradientNode->m_endColor = m_endColor;

    return node;
}

実際に何がレンダリングされるかは、このQSSGRenderExtension のサブクラスによって定義されます：

class GradientTextureProviderNode : public QSSGRenderTextureProviderExtension
{
public:
    explicit GradientTextureProviderNode(GradientTextureProvider *ext);
    ~GradientTextureProviderNode() override;
    bool prepareData(QSSGFrameData &data) override;
    void prepareRender(QSSGFrameData &data) override;
    void render(QSSGFrameData &data) override;
    void resetForFrame() override;

    bool m_isDirty = false;

    // state
    int m_width = 256;
    int m_height = 256;
    QColor m_startColor = QColor(Qt::red);
    QColor m_endColor = QColor(Qt::blue);

private:

    QPointer<GradientTextureProvider> m_ext;
    QSSGExtensionId extensionId {};

    std::unique_ptr<QRhiBuffer> quadGeometryVertexBuffer;
    std::unique_ptr<QRhiBuffer> quadGeometryIndexBuffer;

    //
    std::unique_ptr<QRhiTexture> outputTexture; // the final output texture
    std::unique_ptr<QRhiTextureRenderTarget> outputTextureRenderTarget;
    std::unique_ptr<QRhiRenderPassDescriptor> ouputTextureRenderPassDescriptor;

    std::unique_ptr<QRhiBuffer> gradientTextureUniformBuffer;
    std::unique_ptr<QRhiShaderResourceBindings> gradientTextureShaderResouceBindings;
    std::unique_ptr<QRhiGraphicsPipeline> gradientTexture2dPipeline;
};

QSSGRenderExtension のインターフェースを実装することで、拡張機能はテクスチャデータをGPU上で直接レンダリングできます。prepareDateの実装により、出力テクスチャが正しいサイズとフォーマットで作成されることが保証されるほか、その出力テクスチャが提供されるテクスチャとして登録されます。

bool GradientTextureProviderNode::prepareData(QSSGFrameData &data)
{
    if (!m_isDirty)
        return false;

    const auto &ctxIfx = data.contextInterface();
    const auto &rhiCtx = ctxIfx->rhiContext();
    QRhi *rhi = rhiCtx->rhi();

    // If there is no available rhi context, then we can't create the texture
    if (!rhiCtx)
        return false;

    extensionId = m_ext ? QQuick3DExtensionHelpers::getExtensionId(*m_ext) : QSSGExtensionId{};
    if (QQuick3DExtensionHelpers::isNull(extensionId))
        return false;

    // Make sure that the output texture is created and registered as the texture provider
    if (!outputTexture ||
        outputTexture->pixelSize().width() != m_width ||
        outputTexture->pixelSize().height() != m_height) {
        outputTexture.reset(rhi->newTexture(QRhiTexture::Format::RGBA8, QSize(m_width, m_height), 1, QRhiTexture::RenderTarget | QRhiTexture::sRGB));
        outputTexture->create();

        outputTextureRenderTarget.reset(rhi->newTextureRenderTarget({ outputTexture.get() }));
        ouputTextureRenderPassDescriptor.reset(outputTextureRenderTarget->newCompatibleRenderPassDescriptor());
        outputTextureRenderTarget->setRenderPassDescriptor(ouputTextureRenderPassDescriptor.get());
        outputTextureRenderTarget->create();

        // Register the output as the texture provider
        QSSGRenderExtensionHelpers::registerRenderResult(data, extensionId, outputTexture.get());

        gradientTexture2dPipeline.reset();
    }

    // If m_isDirty is true than prepareRender and render will actually get called.
    return m_isDirty;
}

`prepareRender` では、パイプラインが作成され、ユニフォームバッファが更新されます。

void GradientTextureProviderNode::prepareRender(QSSGFrameData &data)
{
    const auto &ctxIfx = data.contextInterface();
    const auto &rhiCtx = ctxIfx->rhiContext();
    if (!rhiCtx)
        return;

    QRhi *rhi = rhiCtx->rhi();
    QRhiCommandBuffer *cb = rhiCtx->commandBuffer();
    QRhiResourceUpdateBatch *resourceUpdates = rhi->nextResourceUpdateBatch();

    // Create the pipeline if necessary
    if (!gradientTexture2dPipeline) {
        // 1 quad (2 trianges), pos + uv.  4 vertices, 5 values each (x, y, z, u, v)
        quadGeometryVertexBuffer.reset(rhi->newBuffer(QRhiBuffer::Immutable, QRhiBuffer::VertexBuffer, 5 * 4 * sizeof(float)));
        quadGeometryVertexBuffer->create();

        // 6 indexes (2 triangles)
        quadGeometryIndexBuffer.reset(rhi->newBuffer(QRhiBuffer::Immutable, QRhiBuffer::IndexBuffer, 6 * sizeof(uint16_t)));
        quadGeometryIndexBuffer->create();

        // Uniform buffer: packed into 2 * vec4 (2 RGBA colors)
        const size_t uBufSize = (sizeof(float) * 4) * 2;
        gradientTextureUniformBuffer.reset(rhi->newBuffer(QRhiBuffer::Dynamic, QRhiBuffer::UniformBuffer, uBufSize));
        gradientTextureUniformBuffer->create();

        // Uniform buffer is only bound/used in Fragment Shader
        gradientTextureShaderResouceBindings.reset(rhi->newShaderResourceBindings());
        gradientTextureShaderResouceBindings->setBindings({
                QRhiShaderResourceBinding::uniformBuffer(0, QRhiShaderResourceBinding::FragmentStage, gradientTextureUniformBuffer.get()),
        });
        gradientTextureShaderResouceBindings->create();

        gradientTexture2dPipeline.reset(rhi->newGraphicsPipeline());
        gradientTexture2dPipeline->setShaderStages({
                { QRhiShaderStage::Vertex, getShader(QLatin1String(":/shaders/gradient.vert.qsb")) },
                { QRhiShaderStage::Fragment, getShader(QLatin1String(":/shaders/gradient.frag.qsb")) }
        });
        // 2 Attributes, Position (vec3) + UV (vec2)
        QRhiVertexInputLayout inputLayout;
        inputLayout.setBindings({
                { 5 * sizeof(float) }
        });
        inputLayout.setAttributes({
                { 0, 0, QRhiVertexInputAttribute::Float3, 0 },
                { 0, 1, QRhiVertexInputAttribute::Float2, 3 * sizeof(float) }
        });
        gradientTexture2dPipeline->setVertexInputLayout(inputLayout);
        gradientTexture2dPipeline->setShaderResourceBindings(gradientTextureShaderResouceBindings.get());
        gradientTexture2dPipeline->setRenderPassDescriptor(ouputTextureRenderPassDescriptor.get());
        gradientTexture2dPipeline->create();

        // Upload the static quad geometry part
        resourceUpdates->uploadStaticBuffer(quadGeometryVertexBuffer.get(), g_vertexData);
        resourceUpdates->uploadStaticBuffer(quadGeometryIndexBuffer.get(), g_indexData);
    }

    // Upload the uniform buffer data
    const float colorData[8] = {
        m_startColor.redF(), m_startColor.greenF(), m_startColor.blueF(), m_startColor.alphaF(),
        m_endColor.redF(), m_endColor.greenF(), m_endColor.blueF(), m_endColor.alphaF()
    };
    resourceUpdates->updateDynamicBuffer(gradientTextureUniformBuffer.get(), 0, sizeof(colorData), colorData);

    cb->resourceUpdate(resourceUpdates);
    m_isDirty = false;
}

このパスの実際のレンダリングは、render 関数内で定義されています。

void GradientTextureProviderNode::render(QSSGFrameData &data)
{
    const auto &ctxIfx = data.contextInterface();
    const auto &rhiCtx = ctxIfx->rhiContext();
    if (!rhiCtx)
        return;

    QRhiCommandBuffer *cb = rhiCtx->commandBuffer();

    // Render the quad with our pipeline to the outputTexture
    cb->beginPass(outputTextureRenderTarget.get(), Qt::black, { 1.0f, 0 }, nullptr, rhiCtx->commonPassFlags());
    cb->setViewport(QRhiViewport(0, 0, m_width, m_height));
    cb->setGraphicsPipeline(gradientTexture2dPipeline.get());
    cb->setShaderResources(gradientTextureShaderResouceBindings.get());
    QRhiCommandBuffer::VertexInput vb(quadGeometryVertexBuffer.get(), 0);
    cb->setVertexInput(0, 1, &vb, quadGeometryIndexBuffer.get(), QRhiCommandBuffer::IndexFormat::IndexUInt16);
    cb->drawIndexed(6);
    cb->endPass();
}

この例では、QMLでテクスチャプロバイダを次のように使用しています：

Texture {
    id: textureFromGPU
    minFilter: applicationState.filterMode
    magFilter: applicationState.filterMode
    textureProvider: GradientTextureProvider {
        startColor: applicationState.startColor
        endColor: applicationState.endColor
        width: applicationState.size
        height: width
    }
}

サンプルプロジェクト @ code.qt.io

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