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Linuxで動作するCプログラムのデバッグ環境構築

投稿日: 更新日:


こんにちはー!

今回は、Linuxで動作するCのデバッグ環境の整え方をお話しします。

皆さんは、Raspberry PiとかのLinux上で動作するプログラムを作るときにどうしていますか、
Raspberry Pi 上で make して色々プログラムを作っていくのもいいですが、
コンパイルの速度が遅いですし、効率も落ちてしまいます。

では、どうすればいいのか。
Windows環境で、Linux上のプログラムを作ってテストしたいと思った時に
一番簡単なのは、仮想環境でLinuxを起動させてPCでmakeしていく方法です。
ただ、仮想環境は重たい切実な問題があります。

そこで、今回はできる限り軽い仮想環境を作って
Cプログラムをデバッグ出来る方法まで説明します。


作戦

まず、Linuxといってもたくさん派生しており、色々な環境があります。
そのため、かるーいOSもあるはずです。

Linux

ベースとなるLinuxを考えましょう。

Linuxの種類

OSの説明です。
私が知っている情報は、この4つしかありません(認識不足)

RedHat

RHEL(Red Hat Enterprise Linux) / CentOS / Fedora 等のサーバー向けのOSです。
RHEL は、有料のOSであるため、サポートや情報が多く、サーバーに使用されることがおおいです。
CentOS は、RHEL の無料版です。サポートが受けられませんが、信頼性が高い RHEL を使えるような形です。
Fedora は、新しい機能を追加していくOSです。最新の機能を試したい向けです。

Debian

昔からある OS です。
これをベースに多くのOSが派生しています。
このOSをベースに組み込み向けのLinuxなども作られることもあります。

Ubuntu

Devian ベースのOSで、個人向けだと有名なOSです。
デスクトップPC向けに様々なカスタマイズがされているOSです。
利用者が多いため非常に情報量が多いです。

BSD系

上の3種類と違ってLinuxではありませんが、よく耳にするOSなので紹介します。
Linux系のOSは、総じてGPLなのですが、BSD系のOSは、BSDライセンスとなります。
製品に組み込む際にBSDがよいといった場合に選ばれるOSです。

どのLinuxを選択するのか

結論からいいますと、Debian を今回選択しました。
というのもカスタイマイズされた Ubuntu は、有名なOSで情報量も多いのですが、
デバッグ環境だけに限れば、必要がないアプリがインストールされます。

そして、Debianは、Raspbianなど組み込みLinuxでベースとされることが多いため、
Debian での環境で何か開発すれば、それを他の組み込みに持っていくのが楽かと考えたためです。
Armadillo とかも Debian が動いています。

デスクトップ環境

Linuxを知っている方ならご存知ですが、デスクトップ環境は好きなものが選べます。
ここで選ぶものによって、非力なPCでは重たくなってしまいます。
Debian では、インストール中にいくつかデスクトップ環境を選ぶことができます。

デスクトップ環境の種類

Unity, GNOME

下記のに比べるとグラフィカルでUIが洗練されていますが、
その分メモリやパワーを使用します。
Ubuntu のデスクトップ環境を選ぶと標準で利用されます。
※Unity は Debian では選べません。

Xfce

当初、これを検討していました。
歴史があるデスクトップ環境のためか、
現在のPCでは軽快に動作する特徴を持っています。

LXDE

これは歴史は浅いですが、処理能力の低いPC向けに作られた環境です。
軽快に動作することを目的としています。

どのデスクトップ環境を選択するのか

今回は、LXDEを選択します。
目的が軽さというのがよいです。
デバッグ環境のみに使用するという目的とマッチしています。

デバッグ用ツール

ここはあんまり調査していませんでした。
Windows でもよく使用される Eclipse を使用したいと思います。


開発環境を整えよう

全てはかきませんが、流れを説明します。

前準備

次の環境を用意します。

・Oracle VM VirtualBox
仮想環境です。今回は 5.2.4 を使用します。
仮想環境は、スナップショットという機能を使うことで誤った設定をしても以前の段階に戻れるためおススメです。
VMware という選択肢もありますが、商用利用に制限があるためこちらを選択します。

・Debian
Debianのサイト」で
「Debian を入手する」→「ネットワークインストール」→「最小の CD を使って、ネットワークインストールする」を選択します。
「netinst CD イメージ (約 150-300 MB ですがアーキテクチャよって変わります)」の中にある
「i386」を選択して「debian-9.3.0-i386-netinst.iso」をダウンロードします。(x86用OSを想定)

・ネットワーク
プロクシなしで、ネットワークに接続できる環境を準備します。

VMで仮想環境を作成

新規作成する

1. 「Oracle VM VirtualBox」を起動して、「新規」を選択します。
2. タイプはLinux、バージョンはDebian(32-bit)を設定します
3. メモリサイズは緑の範囲で出来る限り多くとります。
4. ハードディスクでは「仮想ハードディスクを作成する」を選び「作成」。
5. ハードディスクはVDIを選択。サイズは可変サイズを選択
6. 「ファイルの場所とサイズ」になったら、HDDファイルの場所を設定してください。
場所やファイル名は変更がすこし大変なので注意。
また、ハードディスクのサイズは120GBほどに設定しましょう。
こちらは、変更が非常に困難なので極力大きめにします。

設定変更する

新規作成すると左側の領域に作成した仮想環境が表示されます。
これを選択した状態で「設定」を選ぶと、より設定変更が行えます。
次のように設定していきます。
1. 一般の高度で、クリップボードの共有を双方向にする
2. システムのプロセッサーで、CPU数を増やす
3. オーディオとUSBは無効化する(使用しないため)
4. ネットワークはNATとなっていること(外部にアクセスするため)
よくやる設定はこんなものです。

OSのインストール

1. 作成したプロジェクトを選び、起動を選びます。
2. 最初にISOを選択する画面が表示されるため「debian-9.3.0-i386-netinst.iso」を選択します
3. インストール方法は、グラフィカルじゃないインストール方法 Install を選択します。
※操作は、矢印キーとスペースキーで選択し、エンターキーで決定です。
4. あとは適当に進めていきます。途中で言語の設定が出た場合は「日本」を選びましょう
5. 途中で、初期インストールの設定が出たら、「LXDE」と「SSH サーバー」を選びましょう。
6. あとは適当に進めていけばOSのインストールが完了です。

OSの初期設定を行う

ターミナルを駆使して設定していきます。
スーパーユーザー権限で行うことが多いので「sudo su -」と入力しておくと楽です。

パスを英語化する

「デスクトップ」とかフォルダパスに
日本語が入っているとやり辛いので最初にやります。
1. xdg-user-dirs-gtk をインストールして、updateを実行します。

sudo apt-get install xdg-user-dirs-gtk
LANG=C xdg-user-dirs-gtk-update

Guest Additions CDをインストールする

Guest Additions CD とは、
VM上で動くOSでインストールすることで、
共有フォルダや画面解像度変更、クリップボード共有など
色々と使いやすくなるツールです。
1. VMのメニューバーにある「デバイス」→「Guest Additions CDイメージの挿入…」
2. CDが認識されます。このままだと実行できないので、一旦ディスクのフォルダをデスクトップへコピー(cdrom というフォルダにします)
3. 実行する前に、実行に必要なソフトをインストールします。

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo apt-get install dkms
sudo apt-get install build-essential module-assistant 
sudo apt-get install linux-headers-686 linux-headers-4.9.0-4-686
※Linuxの部分は、DebianのLinuxカーネルのバージョンに依存する
そのため、下記のVBoxLinuxAdditions.runを実行すると
必要なインストールファイルが表示されるのでそれを参考にするよい

4. Guest Additionsをインストールして再起動

cd /home/***/Desktop/cdrom
sudo ./VBoxLinuxAdditions.run
sudo reboot

※もし「VBoxLinuxAdditions.run」でエラーが出た場合は表示内容をインストールする。
それでも駄目なら、VirtualBoxを最新版にする。
(Debianのリリース日より新しいバージョンだと確実。)
5. Guest Additions CD を取り出す
VMのメニューバーにある「デバイス」→「光学ドライブ」から除去的なのを選ぶ

共有フォルダの設定

Windows上とファイルの行き来する際に、共有フォルダを作ると便利です
1. VMのメニューバーにある「デバイス」→「共有フォルダー設定…」
2. フォルダの追加ボタンで、ダイアログを表示させる
3. フォルダのパスを入力する部分で、右端の▼を押して「その他…」を選び、フォルダを選択
4. 「自動マウント」と「永続化する」を選びOKを押す
5. OSを再起動
6. 共有フォルダ「/media/sf_***」への権限を付与

sudo gpasswd -a ユーザ名 vboxsf

7. OSを再起動

不要なファイルを削除する

いらないファイルは予め削除しちゃいましょう。
下記のコマンドで、オフィスツールや画像編集ソフトをアンインストールできます。

sudo apt remove libreoffice*
sudo apt remove gimp*
sudo apt-get autoremove

あると便利なソフトをインストールする

コンパイルに必要なmakeやファイルサーバーのsambaは必須!よく使うので。

sudo apt-get install samba
sudo apt-get install make

サーバーを自動起動させる

あとは、SSHやSAMBAの設定を好みでしておきましょう。

Eclipseのインストール

Eclipseをインストールしていきます。
ここからは「Synaptic パッケージマネージャ」を使用していきます。
「Synaptic パッケージマネージャ」というのは、アプリストアみたいなものです。
1. スタートメニューから「設定」→「Synaptic パッケージマネージャ」
2. 次の4つを選択した後に適用を押し、インストールします。
・eclipse(本体)
・eclipse-cdt(C/C++開発用)
・pleiades(eclipseの日本語化)
・gdb(gccのデバッグ支援機能)
3. スタートメニューから「プログラミング」→「eclipse」を選択して、起動させて終了させる。
4. 日本語化のために次のように「eclipse.ini 」を開く

sudo nano /usr/lib/eclipse/eclipse.ini

5. 最終行に次の1行を追加して上書きする。

-javaagent:/usr/lib/eclipse/plugins/jp.sourceforge.mergedoc.pleiades/pleiades.jar

6. ターミナルで次のコマンドをうつ。

eclipse -clean

7. これでC言語でデバッグ環境の準備を終えました。


デバッグしてみよう

ここからは、通常のeclipseの使い方と同じです。
ここについては私がもっと詳しくなったら記述したいと思います。


おまけ

配布用のサイズを縮小する

仮想環境で作るメリットとして、
一旦作ってしまえば、面倒な環境構築無しで、他のパソコンでもすぐに実行できるということがあります。
ただ1つ問題がありまして、この仮想環境のファイルシステムはどんどん大きくなっていきます。
可変サイズという設定にしているので、
使用しなくなったらサイズが減ると思っているかもしれませんが減りません。

配布する際にこのようにファイルサイズが巨大になったまま配布すると扱いが大変なので、
縮小させることを行います。
1. ゴミ箱は空にしておく
2. スナップショットを使用しているならば、統合するためにスナップショットを全て統合させる。
3. 仮想OS上(Debian)で次のコマンドをうつ

sudo dd if=/dev/zero of=zero bs=4k; \rm zero

4. 仮想OSをシャットダウン
5. Windows上で管理者権限でコマンドプロンプトを起動させる
6. VirtualBox のインストール先にカレントディレクトリを移動させる
5. 「VBoxManage list hdds」で縮小させるVDIのUUIDを調査する
6. 「VBoxManage odifyhd [UUID] –compact」で縮小させる
7. 圧縮ソフト7-zipを使って、7z形式で高圧縮させる

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HSPで高DPI対応ソフトを作ろう

投稿日:


こんにちは!

久しぶりにHSPの記事を書きたいと思います!
今回は、HSPの高DPI対応です。


はじめに

高DPIとはなんぞや、という説明をします。

昔のディスプレイは、1ドットのサイズが細かくないため、
1ピクセル=1ドットのような設計がほとんどでした。
そして、1ピクセルの大きさも、どのディスプレイもだいたい同じようなサイズ(96dpi)でした。
従って、ソフトを作る際に、1ドット=1ピクセルの前提で、GUIの設計をしていました。

ただ5、6年前ぐらいから、スマホが高繊細化してきており、
ディスプレイもRatinaディスプレイや4kディスプレイなど、高繊細なものが登場してきました。

例をあげると、次のようなものがあります。
Apple MacBook Pro 解像度 2560×1600、227dpi
Microsoft Surface Pro 解像度 2736×1824 、267 dpi
iiyama 4Kディスプレイ B2875UHSU-B1A 解像度 3840×2160、157 dpi

このように、96dpiより大きなものを高DPI(High DPI)と呼びます。

高DPIに対応していないソフトの問題点

このような高密度なディスプレイで、
これまで作成したソフトを実行するとどうなるでしょう。

高DPIで動作することを考えていないソフトの場合は、
OSがソフトのGUIを自動的にスケーリングして表示することとなります。

しかし、このスケーリングが問題でして、
ASCII.jp Windows 10+高解像度ディスプレイでのアプリのボケはRS2で解消される」のように
文字や画像がボケてしまうのです。

高DPI化に対応する方法と問題点

まず前提として、アプリ自身が「高DPIに対応してますよ!」と宣言しないといけません。
この宣言方法は、2種類あり、マニフェストで宣言するか、
アプリ内で「SetProcessDPIAware」を呼び出す方法があります。
これらの宣言方法については、「SetProcessDPIAware function」に記載されています。

一見、上記の方法だけで対応できるなら簡単じゃないかと思えるかもしれません。
実際の問題点は、高DPI対応宣言後の処理となります。
具体的には、座標、サイズ、位置などについて、
高DPIを考慮した数値で設定する必要が出てきます。

これから作るソフトならまだよいですが、今まで作ったソフトで高DPI化させようとした場合、
ソースコード上の全ての位置やサイズ情報を書き直す必要があるのです。

現実的な解決策

実は、今までのソースコード書き直しせず、簡単に解決することが可能です。
それは、標準関数の置き換えです。

以下に、いくつかの標準関数を置き換えたモジュールの例をおきます。
HIGHDPI モジュール
(このモジュールは、実際に私が作ったツールで利用しています。)

このように、標準関数を置き換えたモジュールを
ソースコードの最初でincludeすることで、
全コードが高DPI対応用の命令で実行させるということです。

おわりに

これで、高DPI対応に関する記事は終わりです。
ありがとうございました。

ちなみに、高DPI対応を試験する際の注意点として
ディスプレイの設定から、「拡大縮小とレイアウト」で「100%」から変更させるという方法があるのですが、
一旦、サインアウト・サインインをやり直す必要があります。

サインアウト・サインインをしないと、
GetDeviceCaps の HIGHDPI_LOGPIXELSX / HIGHDPI_LOGPIXELSY
で取得できる数値が96のままになってしまいます。
気が付かずに、すこしはまってしまいました……。

Raspberry Pi 3 に CentOS 7

投稿日: 更新日:


これまでも何度も Raspberry Pi を初期化していますが、
今回はサーバー運用に定評がある CentOS(for armv7hl) を入れてみました。
その時の設定メモです。

補足
armv7hl とは、文字通り ARMv7 向けかと思いますが、Raspberry Pi 3は、ARMv8 です。
なので、本来であれば v8用が必要なのかもしれませんが、
CentOSのサイトには Raspberry Pi 3 用であっても armv7hl とファイル名にかいてあるので、
この辺のARMのバージョンは気にしなくていいのかもしれません。

そしてですが、このCentOS用のイメージはテスト版であることと、ARM用ということなので、
普通のx86版のCentOSで行えるようなサードパーティのパッケージが用意されていない場合がありますので注意してください。
.
.
1. パーティションが存在するSDカードの初期化
1-1. コマンドプロンプトで「diskpart」を実行
1-2. 「list disk」で初期化したいSDカードのディスク番号を調べる
1-3. 「select disk 1」でディスク番号1を選択する
1-4. 「list partition」でパーティションを確認し選択しているのが正しいことを確認
1-5. 「clean」で内部を初期化
.
.
2. SDカードをフォーマットする
2-1. 「SD/SDHC/SDXC用SDメモリカードフォーマッター 5.0」を利用
.
.
3. CentOSのRaspbeyPi3用のimgファイルを準備
3-1. 「CentOS-Userland-7-armv7hl-Minimal-1611-test-RaspberryPi3.img.xz」をダウンロードして「7zip」などで展開
3-2. 「Win32DiskImager」を利用して、imgファイルをSDカードに入れる
3-3. これを差し込めば一応利用可能になる
.
.
4. SSHでログインできるまでの基礎設定
4-1. HDMI でディスプレイに接続して、USBキーボードを接続する
4-2. 次のコマンドをうち日本語キーボード入力を有効化する

localectl set-keymap jp106
localectl set-keymap jp-OADG109A
localectl LANG=ja_JP.utf8

4-3. タイムゾーンの設定を行う

timedetectl set-timezone Asia/Tokyo

4-4. SDカードの拡張を行う

/usr/local/bin/rootfs-expand

4-5. 次のコマンドでIPアドレスを調べる

ifconfig

4-6. sshで、ユーザー名 root、パスワード、centos でログイン
4-7. パスワードは次のコマンドで変更できるので必ず変更しておきましょう

passwd

.
.
5. 外部にネットワークで接続できるようにする(CentOS7 から後述の nmtui を使うと良い)
5-1. 「/etc/sysconfig/network」がないので、「touch」で新規作成する※後述
5-2. 中はネットワーク接続と、デフォルトゲートウェイの設定をする

NETWORKING="yes"
GATEWAY="192.168.11.1"(デフォルトゲートウェイ)

5-3. 「/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0」を編集して、固定IPアドレスにする

TYPE="Ethernet"
BOOTPROTO="dhcp"
NM_CONTROLLED="yes"
DEFROUTE="yes"
NAME="eth0"
UUID=xxx
ONBOOT="yes"

TYPE="Ethernet"
BOOTPROTO="static"
NM_CONTROLLED="yes"
DEFROUTE="yes"
NAME="eth0"
UUID=xxx(いじらない)
ONBOOT="yes"
IPADDR="192.168.11.200"(自分のIPアドレスにする)
NETMASK="255.255.255.0"
DNS1="8.8.8.8"(Google のDNSサーバーを設定する)
DNS2="8.8.4.4"

5-4. NetworkManagerを止める

systemctl stop NetworkManager

5-5. ネットワークの設定をリロードする

systemctl daemon-reload
systemctl restart network

5-6. ping で外部サーバーに接続できるかテストする

[root@centos-rpi3 sysconfig]# ping google.com
PING google.com (216.58.200.174) 56(84) bytes of data.
64 bytes from nrt12s11-in-f174.1e100.net (216.58.200.174): icmp_seq=1 ttl=49 time=20.3 ms
64 bytes from nrt12s11-in-f174.1e100.net (216.58.200.174): icmp_seq=2 ttl=49 time=20.5 ms
64 bytes from nrt12s11-in-f174.1e100.net (216.58.200.174): icmp_seq=3 ttl=49 time=20.2 ms

※「/etc/sysconfig/network」の設定がないと、次のようにエラーで立ち上がりません。

[root@centos-rpi3 sysconfig]# systemctl status network.service
● network.service - LSB: Bring up/down networking
   Loaded: loaded (/etc/rc.d/init.d/network; bad; vendor preset: disabled)
   Active: failed (Result: exit-code) since Thu 1970-01-08 06:27:21 JST; 8min ago
     Docs: man:systemd-sysv-generator(8)

Jan 08 06:27:21 centos-rpi3 systemd[1]: Starting LSB: Bring up/down networking...
Jan 08 06:27:21 centos-rpi3 systemd[1]: network.service: control process exited, code=exited status=6
Jan 08 06:27:21 centos-rpi3 systemd[1]: Failed to start LSB: Bring up/down networking.
Jan 08 06:27:21 centos-rpi3 systemd[1]: Unit network.service entered failed state.
Jan 08 06:27:21 centos-rpi3 systemd[1]: network.service failed.

【注意】
CentOS7 から手動でファイルをいじる方法は推奨されていません。
nmtui を使用して NetworkManager で設定するのを推奨されています。
nmtui のほうが簡単にIPアドレスを設定できるので、おすすめです。
コマンドで設定ができる nmcui というのもあります。
.
.
6. yum コマンドを使用できるようにする
6-1. 「/etc/yum.repos.d/CentOS-armhfp-kernel.repo」を下記のように編集する

[centos-kernel]
name=CentOS Kernels for armhfp
baseurl=http://mirror.centos.org/altarch/7/kernel/$basearch/kernel-$kvariant ★ここを変更する
enabled=1
gpgcheck=1
gpgkey=file:///etc/pki/rpm-gpg/RPM-GPG-KEY-CentOS-7
       file:///etc/pki/rpm-gpg/RPM-GPG-KEY-CentOS-SIG-AltArch-Arm32

[centos-kernel]
name=CentOS Kernels for armhfp
baseurl=http://mirror.centos.org/altarch/7/kernel/$basearch/kernel-rpi2
enabled=1
gpgcheck=1
gpgkey=file:///etc/pki/rpm-gpg/RPM-GPG-KEY-CentOS-7
       file:///etc/pki/rpm-gpg/RPM-GPG-KEY-CentOS-SIG-AltArch-Arm32

※なにもせずに「yum update」をすると、404エラーが発生します。

[root@centos-rpi3 ~]# yum update
Loaded plugins: fastestmirror
base | 3.6 kB 00:00:00
http://mirror.centos.org/altarch/7/kernel/armhfp/kernel-%24kvariant/repodata/repomd.xml: [Errno 14] HTTP Error 404 - Not Found
...
failure: repodata/repomd.xml from centos-kernel: [Errno 256] No more mirrors to try.
http://mirror.centos.org/altarch/7/kernel/armhfp/kernel-$kvariant/repodata/repomd.xml: [Errno 14] HTTP Error 404 - Not Found

6-2. yum の更新を行う

yum clean all
yum update

.
.
7. pi@centos に変更してみる
6-1. 現在使用しているのは「root@centos-rpi3」となりますが、rootを権限で常にいるのはよくないとききます。そのため、別のアカウントを作ってみましょう。
6-2. 次のようにすることで、簡単にpiユーザーを作成できます。

useradd pi
passwd pi

6-3. ホスト名もついでに変更する

hostname centos

6-4. 新規に作ったpiユーザーで、sudoを使用できるようにする

visudo

6-5. 「visudo」で「/etc/sudoers」を編集します。

## Allow root to run any commands anywhere 
root	ALL=(ALL) 	ALL

## Allow root to run any commands anywhere 
root	ALL=(ALL) 	ALL
pi	ALL=(ALL)	ALL

6-6. pi ユーザーで ssh ログインが出来るようになり、pi で sudo も利用が行えます。
.
.
7. 便利なものをインストールする。
7-1. nano のインストール

sudo yum install nano

7-2. make コマンドが使えるようなツールのインストール

sudo yum install make gcc gcc-c++

.
.
8. Sambaをインストールする。
8-1. インストール

yum install samba

8-2. アカウントを作成する(下記のどちらかのコマンドでよい)

smbpasswd -a pi
pdbedit -a pi

8-3. 設定ファイルを編集する

vi /etc/samba/smb.conf

8-4. 中身がおかしな部分があるので修正する

[global]
        workgroup = SAMBA
        security = user

        passdb backend = tdbsam

        printing = cups
        printcap name = cups
        load printers = yes
        cups options = raw
        encrypt_passwords = yes ← 実際は"encrypt passwords"

8-5. アカウントを確認する

pdbedit --list

8-6. サービスの起動と、自動開始の設定、ファイアーウォールの設定をする

systemctl start smb.service
systemctl start nmb.service
systemctl enable smb.service
systemctl enable nmb.service
firewall-cmd --permanent --add-service=samba --zone=public
firewall-cmd --reload

8-7. ホームディレクトリも見えるようにしておく

setsebool -P samba_enable_home_dirs on

何かしたら追記していきます
.
.


参考サイト
・2016/02/18 pb_tmz08 – [Raspberry Pi] RaspberryPi 2でCentOS7 ことはじめ
・2017/03/21 MSeeeeN – Raspberry Pi 3 で CentOS 7 を動かす
・2016/09/22 NAZA – raspberry Pi3にcentos7を入れてみた – Qiita
Raspberry Pi 用のSDカードを初期化する方法
Raspberry Pi 3へのCentOS7のインストール 基本編
NetworkManager 使用方法(nmtui編)
・2014/07/12 enakai00 – RHEL7/CentOS7でipコマンドをマスター
・2017/01/22 miyu – net-tools は使われなくなり iproute2 が標準的になるかも
・2016/04/14 k-sh – CnetOS 7 (on Raspberry Pi)でのrpmパッケージビルド環境の構築
・2015/06/28 CentOS 7 で ネットワーク(IPアドレス、ホスト名、ドメイン名など)の設定を行う

 

DirectXとOpenGLのカリングの設定方法の違い

投稿日: 更新日:


はじめに

こんにちはー!
今日は、3D描写するときのテストの話をします。

テストと聞いて何を思い浮かびますでしょうか。
試験とか、勉強とかそんなことをきっと思い浮かべるでしょう。

作成した3Dポリゴンの頂点を描写するときも、
本当に描写していいのか、無駄ではないのか試験をしています。

いくつかテスト方法を紹介しましょう。

背面カリング(裏面カリング)
モデルは多くの3角ポリゴンから構成されています。
モデルが回転すれば、裏を向いているポリゴンが出てきます。
そんな裏を向いている面を描写しないようにテストします。

クリッピング
視錐台(しすいだい)の中に、ポリゴンが収まっているかどうかテストします。
例えば、カメラより手前側にポリゴンが来ていないかといったチェックです。

バウンディングボリュームなど
見えている部分をより特定していく方法です。
衝突判定などにも、高速化のために使用するよ!

今回は、この中でも裏面カリングの設定方法について解説します。


カリングの仕組み

3Dオブジェクトは、細かな三角形ポリゴンによって構成されています。
それは三角形が最も小さな単位だからです。

では、この三角形の裏と表をどのように決めればいいのでしょうか。
まず前提条件として、ディスプレイに三角形を表示することを考えます。
三角形を構成するためには、3点の座標が必要です。
この3点の座標を囲めば、ポリゴンを作ることができるのです。

これに対して、裏と表を決める方法は、
三角形を結ぶ順番が、時計回りか、反時計回りかで決めればいいのです。
そう、決めの問題なのです!

例えば、表向きを時計回りと考えてみましょう。
3角形の頂点を裏返した場合は、
反時計回りの順序になるので裏と表が分かるわけなのです。


カリングの計算方法

3つの頂点が、時計回りか反時計回りかは簡単に計算できます。

下記の3つの頂点があり、a, b, c の3点を順番に通る三角形を考えます。
なお、2次元なので、 x と y 以外は 0 としています。

そして、
a, bへ向かうベクトルmを計算します。
a, cへ向かうベクトルnを計算します。

あとは、クロス積を計算しましょう。
計算にはmnの各ノルムと角度θを使用しますが、
ベクトルのまま計算することもできます。
なお、a, b, c の3次元目が 0 のため、下記のように簡略化されます。

クロス積の結果は、mnと直行するベクトルです。
従って3次元目の成分 、直行成分となっており、正負で方向が分かります。

ね!かんたん!


カリングの設定方法

各種エンジンでの設定方法をまとめてみます。
mk様の算譜記録帳にもまとまっております。

DirectX 9

次のように、裏面(描写しない面)が時計回りなのか、反時計回りなのかを設定します。
つまり、時計回りを表とみなす場合は、D3DCULL_CCWを設定する必要があります。

参考:D3DCULL

// 背面のカリングはしません。
SetRenderState(D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_NONE);

// 三角形の頂点が時計回りならば裏向きと見なし描画しません。
SetRenderState(D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_CW);

// 三角形の頂点が反時計回りならば裏向きと見なし描画しません。(デフォルト)
SetRenderState(D3DRS_CULLMODE, D3DCULL_CCW);

DirectX 11

FrontCounterClockwise で表面の定義をして、
CullMode で描写しない面の設定が可能です。

参考:D3D11_RASTERIZER_DESC

// 三角形の頂点が反時計回りならば三角形は前向き
FrontCounterClockwise = TRUE;

// 三角形の頂点が時計回りならば三角形は前向き(デフォルト)
FrontCounterClockwise = FALSE;

// 常にすべての三角形を描画します。
CullMode = D3D11_CULL_NONE;

// 前向きの三角形を描画しません。
CullMode = D3D11_CULL_FRONT;

// 後ろ向きの三角形を描画しません。(デフォルト)
CullMode = D3D11_CULL_BACK;

OpenGL

glFrontFace で表面の定義をして、
glCullFace で描写しない面の設定が可能です。

参考:glFrontFace, glCullFace

// 三角形の頂点が時計回りならば三角形は前向き
glFrontFace(GL_CW);

// 三角形の頂点が反時計回りならば三角形は前向き(デフォルト)
glFrontFace(GL_CCW);

// 常にすべての三角形を描画します。
glDisable(GL_CULL_FACE);

// 前向きの三角形を描画しません。
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_FRONT);

// 後ろ向きの三角形を描画しません。(デフォルト)
glEnable(GL_CULL_FACE);
glCullFace(GL_BACK);

おわりに

今回は、描写テストでも基本的なカリングの解説をしました。

カリングは計算も簡単で、
お手軽に描写負荷を下げることができます。

レンダラーを作る方や、
頂点とインデックスで構成された
モデルデータのローダーを作成する方などの参考になると幸いです。

では、またね!


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DirectXとOpenGLの回転行列、回転軸、回転方向

投稿日: 更新日:


はじめに

こんにちは!
ハンドスピナーを最近買ったなたでです!

今日も勉強会をしましょう。
本日は、DirectXとOpenGLの軸の違いに焦点をあてて
回転行列をおさらいしてみましょう。


掛ける順序

3D環境といえば、DirectX、OpenGLです。
今回、回転用の標準関数を調査して比較していきたいと思います。

比較する前に基本的な掛け算のおさらいをしましょう。


上記を確認してください。
これは、DirectX と OpenGL の計算方法の違いを表しています。

DirectX では、横行列に対して正方行列を掛け算して、横行列を求めます。
OpenGL では、正方行列に縦行列を掛け算して、縦行列を求めます。


標準関数の中身

3D環境といえば、DirectX、OpenGLです。
それぞれ、回転用の標準関数が用意されています。
.

DirectX

DirectXでは回転させる命令として、
D3DXMatrixRotation(D3DXMatrixRotationX/D3DXMatrixRotationY/D3DXMatrixRotationZ) が用意されています。

トランスフォーム (Direct3D 9) より
.

OpenGL

OpenGLでは、
glRotate(glRotated/glRotatef) が用意されています。
OpenGL Programming Guide に、標準関数の中の回転行列が書いてあります。
一見、DirectXの回転行列の転置行列となっていますが、
OpenGLでは、「掛ける順序」のように異なるため、この違いは吸収されます。
混乱しないように、DirectXのように掛け算した場合を考えたいと思います。

.

回転行列の特徴

X、Y、Zを順番に見ていくと、
対角成分が1となっている箇所があります。
回転行列は、ベクトルに掛け算することで回転させることができますが、
1となっている部分は、以前の位置と変わらないことを示します。

例えば、ベクトルa=[x,y,z]に行列rotateYをかけた場合、
a[y] の位置は1を掛けるだけであるため、変わらないわけです。
たしかに、Y軸を中心に回転させるので、yの値が変わってしまうのはおかしいですよね。

ところで、Wikipediaを見ると2次元の回転行列が書いてあります。

Wikipediaの2次元の回転行列は、θはどちらの方向に回転するのでしょうか
Wikipediaでは、下記のように書いてあります。
> ユークリッド空間の2次元空間では、原点中心の θ 回転(反時計回りを正とする)の回転行列」

この記述はすこし正確ではありませんが(後述)、
教科書でよくある次のような座標系での反時計回りを指します。

.

転置行列の特徴

Wikipediaの2次元の回転行列と、
D3DXMatrixRotationやglRotateの回転行列は似ています。

具体的には、転置行列のような関係になっていることに気が付くと思います。

ところで、回転行列は、直行行列です。
直行行列の特徴は、転置させると逆行列となります。

ここから、単純に考えるとWikipediaの2次元の回転行列は、反時計回りなので、
その転置行列に似た、D3DXMatrixRotationやglRotateは、時計回り?といった疑問がわきます。
.

回転方向

D3DXMatrixRotationやglRotateは、
実際にどのような回転方向になっているでしょうか。
同様の行列のため、同じ回転方向なのでは?
と一見思えるかもしれません……が

実はこれを考えるためには、
軸の方向の定義を考える必要があります。

例えば、

上記のような場合と

上記のような場合の2種類の座標系があった場合、
X軸の正方向で時計回りした場合、
上の図と下の図とで、体感的に回転方向が変わってくるはずです。

つまり、X軸での時計回りについては、
Y軸とZ軸の正の方向を定義しないといけません。

そして、先ほど触れた Wikipediaに記述されている
「 ユークリッド空間の2次元空間では、原点中心の θ 回転(反時計回りを正とする)」
という記述は、右がX、上がYと定義しておかないと、
「反時計回りを正とする」とは言えないのです……。


軸の定義

DirectXが左手座標系
OpenGLは右手座標系
です。
座標系 (Direct3D 9) より
.

DirectXの座標系

座標系 (Direct3D 9)を見ると、
次のような座標系となることが分かります。

上の図の座標系で各軸の方向を考慮すると、
DirectX の回転は次のようになります。

D3DXMatrixRotationX
回転方向のプラスは、原点からX軸の正の方向を向いたときに、反時計回りをさす。

D3DXMatrixRotationY
回転方向のプラスは、原点からY軸の正の方向を向いたときに、反時計回りをさす。

D3DXMatrixRotationZ
回転方向のプラスは、原点からZ軸の正の方向を向いたときに、反時計回りをさす。

図に表すとこのようになります。

先ほどの数式を見る限り、時計回りに回転すると思いきや、
軸を考慮すると反時計回りをしめしていることが分かります。
.

OpenGLの座標系

OpenGL座標系は、右手座標系です。

これも同様に、
OpenGL の glRotate をあてはめると、

glRotate X
回転方向のプラスは、原点からX軸の正の方向を向いたときに、時計回りをさす。

glRotate Y
回転方向のプラスは、原点からY軸の正の方向を向いたときに、時計回りをさす。

glRotate Z
回転方向のプラスは、原点からZ軸の正の方向を向いたときに、時計回りをさす。

図に表すとこのようになります。
右ねじの法則のようですね。

座標系の違いと回転行列

回転行列を見ると、DirectXとOpenGLは同じにみえました。
しかし、座標系が異なっており、
Z軸のみが反転している関係があることから、
DirectXとOpenGLとで回転の向きが逆向きになっています。

ただし!
反時計回りとは言っても
Z軸のみに関しては、そもそも方向自体が逆にになっているため、
見た目上の動きは、DirectXとOpenGLとで同様の回転方向に見えます。


おわりに

今回、DirectXとOpenGLの標準関数の回転行列の式の解説、
そして、DirectXとOpenGLの座標系を比べて、
正方向が時計回りか反時計回りかを調べました。

DirectXとOpenGLは、Z軸の方向が逆という話はよくききますが、
見た目上の回転方向にも違いがあるという点はそんなにききません。

両方を考える場合は、これらを注意する必要があります。

セカンドライフのテクスチャの秘密1

投稿日: 更新日:


はじめに

こんにちは!

久しぶりのブログです。

今日は、セカンドライフのテクスチャ、ノーマルマップ  の秘密について話します。
続かないかもしれませんが、とりあえず第1弾です。


ノーマルマップの色成分の基礎

ノーマルマップといえば、平面の凹凸を現した画像です。
通常グレースケールで高さを表した画像から、このノーマルマップを作成します。
おそらく、少し詳しzい方はこの辺までは、ご存知かと思います。

しかし、具体的に
赤色成分は、何をセカンドライフ上の何を示すのか、
青色成分は……?
といったことまで知っている方はそんなにいないのでは?

ということで、この色成分が何を表しているかの解説となります。

ノーマルマップの英語の解説を確認してみましょう。
これを見ると、次のような情報が分かります。
赤成分R = 方向成分X
緑成分G = 方向成分Y
青成分B = 方向成分Z

ただし、方向とは言ってもX+がR+に
対応しているのかといったことはテキストには書いてありません。
なぜ、それが重要かといいますと、ソフトによって色成分との対応が異なるためです。

>・ZBrush:(-X,+Y,+Z)
>・CrazyBump:(+X,+Y,+Z)
>・Blender 2.4x:(-X,-Y,+Z)
>・Blender 2.57以降:(+X,+Y,+Z)
Sandy Virtual City様のブログから引用
※XYZ軸がどちらに対応しているかも重要となるため、ブログ内の軸の解説も参照しましょう。
ブログでは、X軸のプラスをUV座標系のU方向、Y軸のプラスをUV座標系のV方向、Z軸のプラスを凸方向としています。

では、セカンドライフを調べてみましょう。
公式ページにあるノーマルマップの画像から、
凸に対して、画素の色が次のようになっています。
上が RGB(126,178,212)
右が RGB(169,124,210)
下が RGB(109, 75,206)
左が RGB( 69,124,212)

つまり、セカンドライフ(+X, -Y, +Z)
となることが分かります。

これは、NormalMap-Onlineでは、
Invert の R にチェックが入った場合と同様になります。

これらをおさらないすると、たとえば下記のようなバンプマップ/ハイトマップを用意したとすると、

次のような画像がセカンドライフ上でのノーマルマップとなります。

本日は、ここまで!

セカンドライフで自分の行動の色々な情報を取得する

投稿日: 更新日:


次のような自分の行動の情報を取得してみます。
・自分が喋った回数
・人から聞いた回数(アバターが話したものに限定)
・空を飛んでいる時間(ホバーは含めない)
・海の中を泳いでいる時間(ホバーは含めない)
・歩いている時間
・走った時間
・ジャンプ中の時間
・テレポートした回数
・SIMをまたいだ回数
・人や当たり判定がある物体と衝突した回数

以下、サンプルです。
このコードを適当なオブジェクトに入れた後、HUDとして装備してください。
drawStatusと発言すると、自分の情報が表示されます。

ログインした回数とかも取れるかなと思ったのですが、
装備した回数と見分けがつかないので諦めました。

integer count_attack		= 0;
integer count_speak			= 0;
integer count_listen		= 0;
integer count_flying		= 0;
integer count_swimming		= 0;
integer count_running		= 0;
integer count_walking		= 0;
integer count_teleport		= 0;
integer count_simtraversal	= 0;
integer count_jumping		= 0;

integer TYPE_ATTACK			= 0;
integer TYPE_SPEAK			= 1;
integer TYPE_LISTEN			= 2;
integer TYPE_FLYING			= 3;
integer TYPE_SWIMMING 		= 4;
integer TYPE_RUNNING		= 5;
integer TYPE_WALKING		= 6;
integer TYPE_TELEPORT		= 7;
integer TYPE_SIMTRAVERSAL	= 8;
integer TYPE_JUMPING		= 9;

integer show_dialog		= FALSE;
integer listen_handle	= -1;

addAction(integer action) {
//	llOwnerSay("action : "+ (string)action);
	if(action == TYPE_ATTACK) {
		count_attack	= count_attack + 1;
	}
	else if(action == TYPE_SPEAK) {
		count_speak		= count_speak + 1;
	}
	else if(action == TYPE_LISTEN) {
		count_listen	= count_listen + 1;
	}
	else if(action == TYPE_FLYING) {
		count_flying	= count_flying + 1;
	}
	else if(action == TYPE_SWIMMING) {
		count_swimming	= count_swimming + 1;
	}
	else if(action == TYPE_RUNNING) {
		count_running	= count_running + 1;
	}
	else if(action == TYPE_WALKING) {
		count_walking	= count_walking + 1;
	}
	else if(action == TYPE_TELEPORT) {
		count_teleport	= count_teleport + 1;
	}
	else if(action == TYPE_SIMTRAVERSAL) {
		count_simtraversal	= count_simtraversal + 1;
	}
	else if(action == TYPE_JUMPING) {
		count_jumping	= count_jumping + 1;
	}
}

showStatus() {
	llWhisper(0,
		"attack\t:"			+ (string) count_attack			+ " times\n" +
		"speak\t:"			+ (string) count_speak			+ " times\n" +
		"listen\t:"			+ (string) count_listen			+ " times\n" +
		"teleport\t:"		+ (string) count_teleport		+ " times\n" +
		"simtraversal\t:"	+ (string) count_simtraversal	+ " times\n" +
		"flying\t\t:"		+ (string) count_flying			+ " sec\n" +
		"swimming\t\t:"		+ (string) count_swimming		+ " sec\n" +
		"running\t:"		+ (string) count_running		+ " sec\n" +
		"walking\t:"		+ (string) count_walking		+ " sec\n" +
		"jumping\t:"		+ (string) count_jumping		+ " sec"
	);
}

openDialog() {
	if(listen_handle != -1) {
		llListenRemove(listen_handle);
	}
	listen_handle = llListen(-100, "", llGetOwner(), "");
	llDialog( llGetOwner(), "Which operation?\nYou say \"drawStatus\"... or \"resetStatus\"", ["status", "reset", "cancel"], -100 );
	llSetTimerEvent(0.0);
	llSetTimerEvent(30.0);
	show_dialog = TRUE;
}

closeDialog() {
	if(listen_handle != -1) {
		llListenRemove(listen_handle);
	}
	show_dialog = FALSE;
	listen_handle = llListen(0, "", "", "");
	llSetTimerEvent(0.0);
	llSetTimerEvent(1.0);
}

default {
	state_entry() {
		llOwnerSay("Start Script !\nYou say \"drawStatus\"... or \"resetStatus\"");
		closeDialog();
	}
	
	touch_start(integer total_number) {
		openDialog();
	}
	
	timer() {
		if(show_dialog) {
			closeDialog();
		}
		else {
			string my_animatin = llGetAnimation(llGetOwner());
			if(my_animatin == "Flying") {
				vector v = llGetPos();
				if(llWater(v) > v.z) {
					addAction(TYPE_SWIMMING);
				}
				else {
					addAction(TYPE_FLYING);
				}
			}
			else if(my_animatin == "Running") {
				addAction(TYPE_RUNNING);
			}
			else if(my_animatin == "Walking") {
				addAction(TYPE_WALKING);
			}
			else if(my_animatin == "Jumping") {
				addAction(TYPE_JUMPING);
			}
		}
	}
	
	listen( integer channel, string name, key id, string message ) {
//		llOwnerSay(""+ (string)channel +" " + name + " " + (string)id + " " + message);
		if(show_dialog) {
			if(message == "status") {
				showStatus();
			}
			else if(message == "reset") {
				llResetScript();
			}
			else if(message == "cancel") {
			}
			closeDialog();
		}
		else {
			if(id == llGetOwner()) {
				if(message == "drawStatus") {
					showStatus();
				}
				else if(message == "resetStatus") {
					llResetScript();
				}
				else {
					addAction(TYPE_SPEAK);
				}
			}
			else if(llGetAgentSize(id)){
				addAction(TYPE_LISTEN);
			}
		}
	}
	
	changed(integer mask) {
		if(mask & CHANGED_OWNER) {
			llResetScript();
		}
		if((mask & CHANGED_TELEPORT) && (mask & CHANGED_REGION)) {
			addAction(TYPE_TELEPORT);
		}
		else if(mask & CHANGED_TELEPORT) {
			addAction(TYPE_TELEPORT);
		}
		else if(mask & CHANGED_REGION) {
			addAction(TYPE_SIMTRAVERSAL);
		}
	}
	
	collision_start(integer num) {
		if(llDetectedType(0) & ACTIVE) {
			vector my_velocity = llGetVel();
			vector velocity = llDetectedVel(0);
			float power = llVecMag(my_velocity - velocity);
			if(power >= 1.0) {
				addAction(TYPE_ATTACK);
			}
		}
	}
	
	on_rez(integer param) {
		// 1 ログイン、装備、rez
	}
	
	attach(key attached) {
		if(attached) {
			// 2 ログイン、装備
		}
	}
}