CG 日記

modoのリプリケータにある「ランダムタイム変動」について書いてみたいと思います。

リプリケータはアイテムを手軽に複製する機能ですが、アイテムにアニメーションが設定されている場合はアニメーションした状態で複製します。単純にアニメーションを複製すると、すべてのアイテムの動きがそろってしまいます。リプリケータの「ランダムタイム変動」を使用すると、アニメーションにランダムな時間の変化を設定することができます。

アイテムのトランスフォームにアニメーションを設定してる場合は、こんな感じにランダムにずれてアニメーションが再生されます。

デフォーマで変形したアイテムはビューポートで「ランダムタイム変動」を確認することができないので注意が必要です。下の画像はスケルトンで円柱を変形した例です。

レンダリングした場合は、正しく「ランダムタイム変動」が効いているのが確認できます。ビューポートで確認できないのがちょっと不便ですね。

アニメーションを特定のフレーム以降から再生したい場合は、「タイムオフセット」を使ってアニメーションの開始フレームを調整するといいです。

「量子化カウント」はアニメーションのパターン数を指定する機能です。例えば3を設定するとランダムなアニメーションのパターンが3種類になります。確認してませんが「量子化カウント」の値が小さい方が、メモリの使用量が少なくなったりするのかな？と思います。

リプリケータを使用してアニメーションしてるモデルを複製する場合は、「ランダムタイム変動」を使用すると手軽にランダム感が設定できて便利ですね。

ちなみにmodo11からリプリケータのパフォーマンスが大幅に向上しましたが、modo11.2～12.2でデフォーマを使用したメッシュに「ランダムタイム変動」を使用すると、ビューポートのアニメーション再生パフォーマンスが悪くなる問題が発生しているようです。レンダリング時のみ「ランダムタイム変動」に値を設定するといいかもしれません。

ファーを使用するときのレンダリング設定について書いてみたいと思います。
ファーマテリアルを使用するとノイズやチラツキが発生しやすくなります。メッシュが密集するのが原因ですが、以下の設定を変えることで改善します。

• 「間接サンプル」「放射照度」「反射サンプル」などサンプル値を高くする
• アンチエイリアシングを高くする

サンプル数

タイムラプスで使用した草を使って、どのサンプルがどの要素に影響しているか調べました。まずはmodoのデフォルト設定、「間接照明」の「跳ね返り」は 2 です。

デフォルト

アンチエイリアシング : 8サンプル/ピクセル
シェーディング率 : 0.5
間接サンプル : 64
放射照度 : 256

300％にズームした画像です。ファーの表面でノイズが多いのが確認できます。

シェーディング率

念のため「シェーディング率」を0に設定してレンダリングしてみた。

アンチエイリアシング : 8サンプル/ピクセル
シェーディング率 : 0.0
間接サンプル : 64
放射照度 : 256

シェーディング率の記事で書いた通り、「シェーディング率」を低く設定してもノイズへの影響は少ないです。

放射照度

GIノイズに影響する「放射照度」の値を上げてみます。

アンチエイリアシング : 8サンプル/ピクセル
シェーディング率 : 0.5
間接サンプル : 64
放射照度 : 512

「放射照度」は白い平面のノイズには影響がありましたが、ファーの表面のノイズに影響がないことがわかります。

間接サンプル

「間接サンプル」の値を上げてみます。

アンチエイリアシング : 8サンプル/ピクセル
シェーディング率 : 0.5
間接サンプル : 256
放射照度 : 256

ファーの表面のノイズが改善されました。ファーのノイズの原因は「放射照度」よりも「間接照明」の「間接サンプル」がより影響することがわかりました。

 アンチエイリアシング

ファーの形状は「円柱」と「ストリップ」が選択できます。草の場合は厚みのない「ストリップ」を使うんじゃないかと思います。

ですが「ストリップ」を使用するとカメラとポリゴンが垂直になるファーが、破線のようにとぎれてレンダリングされることがあります。板ポリゴンをカメラに垂直の位置でレンダリングすると、厚みがないのでレンダリングされないのと同じような問題です。ファーの場合は多少曲がった形状になることが多いので、アンチエイリアシングのサンプル数を上げることで改善します。

アンチエイリアシング : 8サンプル/ピクセル

アンチエイリアシング : 16サンプル/ピクセル

アンチエイリアシング : 32サンプル/ピクセル

アンチエイリアシングはファーが細い場合にも効果的です。厚みのないファーが V-Ray Fur で廃止されてるらしいのは、やはり途切れてレンダリングされてしまうからなのかな？

フレームパス

ファーを最も綺麗にレンダリングする最終手段として「フレームパス」があります。「フレームパス」は同じフレームを複数回レンダリングして合成することで、ファー、モーションブラー、被写界深度を柔らかくレンダリングする機能です。とても効果が高いですが、レンダリング時間が長くなります。

フレームパス : 2

ファーのランダムシードを変えてレンダリングして合成するような動作なので、ファーの量が多くなってる。

フレームパス : 4

ファーのレンダリングに何が影響しているのかがわかれば、効率的に設定を詰めることがでるようになると思います。
次回はファーのレンダリング設定をふまえてヘアーマテリアルをレンダリングしようと思いましたが、ガイドをダイナミックカーブで動かそうとすると、modo 10以降は計算が変な気がしますね。

modoのシェーディング率について書いてみたいと思います。ぼけてないシャープな反射、影、テクスチャを綺麗にレンダリングするには「シェーディング率」を0.1に設定してレンダリングした方がいいという話です。

一般的にレンダリングの綺麗さは以下のパラメータで決まります。ここでいう綺麗さはピクセルの品質のことです。GIの計算とかシェーディングアルゴリズムよりもCGの基礎の話です。

• アンチエイリアシング
• シェーディング率
• サンプル数

アンチエイリアシングとは

アンチエイリアシングはレンダリング画像のジャギを滑らかにする処理です。アンチエイリアシングを使用するとチラツキがなくなり自然なアニメーションを作成することができます。
単純なアンチエイリアシング処理だとゲームで使われていたポストプロセス処理があります。周辺のピクセルの平均色を使用する方法でFXAAやTXAAというやつです。アンチエイリアシングの詳細はこちらの記事がわかりやすいです。

しかし3DCGは無限にズーム可能なので、ポストプロセスのようにピクセル単位で色を決めると情報が欠落してしまい正確なピクセル色になりません。アンチエイリアシングがポストプロセス処理のゲームを遊んだとき、オブジェクトの境界でチラツキ（クローリー）が発生するのを見かけたことがあると思います。

以下の画像はNvidia コントロールパネルを使用してmodoのビューポートにFXAAを適用したものです。

オブジェクトの境界を300％に拡大した画像です。FXAAはポストエフェクトなので静止してる場合はアンチエイリアシングが掛かって綺麗に見えますが、ビューが動くと階段状のチラツキ（クローリー）が発生しているのが確認できます。

ゲームは応答速度が重要なのでジャギやチラツキは許容されますが、映像目的のプリレンダリングではチラツキやノイズは好まれません。このため昔から3Dソフトのアンチエイリアシング処理は、1ピクセルを分割しサブピクセルをサンプリングしてピクセルの色を決定します。

例えば1ピクセルを4分割する場合、アンチエイリアシングがない状態で4倍の解像度でレンダリングするのと同じくらいの計算コストが掛かります。アンチエイリアシングのサンプル数を高くすることで、正確なピクセル色を得ることができますがレンダリング時間が長くなってしまいます。

全てのピクセルを分割するとレンダリング時間が長くなるので、レンダリング時間を短くする工夫として、3Dソフトのレンダラーはオブジェクトの境界を集中的にアンチエイリアシング処理するのが一般的です。

たとえば3dsMaxのスキャンラインレンダラーでレンダリングした画像です。Maxのスキャンラインレンダラーは2000年頃からほとんど変わってなくて、デフォルトでは鏡面部分のシェーディングでサブピクセルがほとんど考慮されない設定になってます。

同じ問題はmodoでも発生します。下の画像はmodoのデフォルト設定でレンダリングした画像です。球体の輪郭に比べて、シェーディング部分がジャギってるのがわかると思います。

ここまで前置きです。シェーディング部分のジャギを軽減するために使用するのが「シェーディング率」です。レダリングパフォーマンス上げるために、アンチエイリアシングからシェーディングを切り離すために考案されました。

シェーディング率

「シェーディング率」はシェーディング部分のサンプリングを増やすことでジャギを軽減します。反射、影、テクスチャのジャギが発生したら、シェーディング率を0.1や0のように小さな値を設定することで改善することができます。

シェーディング率はアンチエイリアシングと関係していて、シェーディング率 0.5は1ピクセルあたり4サンプル、0.25は16サンプリング、0.1は1ピクセルあたり100サンプリングのようにサンプルが増えるらしい。

下の画像は「シェーディング率」 の比較画像です。シェーディング部分のジャギが改善しているのを確認することができます。

リファインメントしきい値 と リファインメントシェーディング率

「シェーディング率」の下には「リファインメントシェーディング率」「リファインメントしきい値」というパラメータがあります。これはレンダリングを最適化するためのパラメータです。「リファインメントしきい値」で設定されたしきい値内のピクセルのみ「リファインメントシェーディング率」で設定された値でサンプリングします。

modoは「シェーディング率」と「リファインメントシェーディング率」で値が低い方の設定を採用するようです。デフォルトでは「シェーディング率」が0.5、「リファインメントシェーディング率」が1.0に設定されているため、「リファインメントシェーディング率」が使用されることはないようです。通常は「シェーディング率」だけ設定しておけば問題ないと思います。

「リファインメントしきい値」の動作が気になたのでアニメーションしてみました。
色の差が大きいピクセルから徐々に滑らかになるのが確認できます。有効に動作しそうなのは50％以下で、0%になると全てのピクセルがサンプリングされるためテクスチャがぼけたように見えます。

左はテクスチャのみ、右はテクスチャとバンプです。バンプを使用するとシェーディングでチラツキが発生しやすくなります。

UV確認用のテクスチャ、テクスチャの模様が滑らかに変化するのが確認できます。AEにいれてコマ送りでみると変化がよくわかると思います。

反射サンプル と シェーディング率

「ブラー反射」を使用した場合にノイズが軽減するかテストしてみました。シェーディング率を下げるとノイズが少しぼけますが、ノイズそのものへの影響が少ないことが確認できます。反射やGIのノイズを軽減したい場合は、サンプル数を増やした方がよいです。

反射サンプル:64、シェーディング率:0.5

反射サンプル:64、シェーディング率:0.1

反射サンプル:1024、シェーディング率:0.5

反射サンプル:1024、シェーディング率:0.1

「シェーディング率」はRender設定の他に、Shaderにもパラメータが存在します。

Renderのシェーディング率はシーン内の全てのマテリアルに影響しますが、Shaderは特定のマテリアルだけシェーディング率を上げることができます。
modoはRender設定とShaderのうち値が低い方のシェーディング率を採用するようです。またShaderはサンプリングのグループを結合する役目があるようです（後述）。アニメーションなどでレンダリング時間を最適化したい場合は、Shader単位で設定が変えられるのが便利ですね。

Shaded AA Samples Output

modoのレンダー出力には、アンチエイリアシングとシェーディング率のサンプリングを確認するための出力「Shaded AA Samples Output」があります。Shaded AA Samples Outputはピクセルのサンプリングの割合を視覚化した物で、1回のサンプリングで終了しているピクセルは青、設定の上限までサンプリングされたピクセルが赤で表示されます。適切なサンプリングが行われてるか確認するのに役立ちます。シェーディング率を0.1にすると全てのピクセルが赤になります。

以下の画像はシェーディング率0.5で、アンチエイリアシングの設定を上げた場合のShaded AA Samples Outputです。アンチエイリアシングを上げると青になるのはピクセルあたりのサンプリング数が増えるため、サンプリングの上限に達する前に計算が打ち切られてるってことかな？このことからアンチエイリアシングを上げた場合はシェーディング率を0.1で固定するよりは、シェーディング率を0.25とか適度に設定した方が効率的にレンダリングできるのかもしれない。

アンチエイリアシング : 8サンプル/ピクセル

アンチエイリアシング : 16サンプル/ピクセル

アンチエイリアシング : 32サンプル/ピクセル

アンチエイリアシング : 64サンプル/ピクセル

色がブロックのようにまとまってるのは、シェーディング部分の効率化による物です。サーフェース上のサンプリングが近い場合、グループとして結合することでシェディングの計算を効率化しているとのことです。

このサンプリングのグループ化は、Shaderのシェーディング率の値によって許容量が決定されるらしい。シェーディング率が1.0の場合、ピクセル内のすべてのサンプルが1つのグループとしてシェーディングけされる可能性がある。

modoのデフォルトのレンダリング設定は、速さを優先しているように思います。最終レンダリング時には「シェーディング率」は0.1のように低い値に設定するのがお勧めです。「シェーディング率」を下げてモアレやチラツキが酷いときに、はじめてアンチエイリアシングのサンプル数を上げるのがよいのではないでしょうか。

MentalRayやArnoldのようなプロダクション向けのレンダラーは、デフォルトでシェーディング部分をある程度サンプリングする設定になってます。そのため、はじめてレンダリングしたときはレンダリングの遅さが気になったりします。

ちなみにMaxでは「スーパーサンプリング」を使用するすことでシェーディング部分のジャギを消すことができます。

参考

https://community.foundry.com/discuss/post/339862
https://community.foundry.com/discuss/post/808199
https://www.linkedin.com/pulse/modo-renderer-gets-overhaul-shane-griffith/

Modoのレンダラは、2003年にグローバルイルミネーション技法と既存のプロダクションレンダラのパフォーマンスの問題点を改善するために設計されました。当時はグローバルイルミネーションがプロダクションで使用されることはほとんどありませんでした。高パフォーマンスレンダリングの鍵は、高品質のアンチエイリアシング(つまりアンチエイリアシングからシェーディングを切り離す)を維持しながら、直接表示されるサーフェスのシェーディング評価の回数を減らすことでした。PRManのREYESアルゴリズムは、各ピクセル内のより高い密度での視認性を評価する前に低密度でマイクロポリゴンのグリッドをシェーディングすることによってこれを達成した。

デフォルトmodoレンダラのパフォーマンス上の利点の秘密は、まず高密度での可視性のサンプリングとREYESの順序を逆にし、次に遅延シェーディングフェーズ(後にLuxology社が特許を取得したアイデア)の前に近くの類似したサンプルをマージすることです。すべてのサーフェスをさいの目に切ってマイクロポリゴンにする必要がないため、この方法はレイトレーシングに適していました。その後、物理ベースのレンダリングの人気が高まるにつれ、この方法が有益であることがわかりました。

modoのファーガイドについて書いてみます。セグメント数の少ないガイドを使用する場合は「ポリライン」より「カーブ」を使用した方がいいんじゃないかという話しです。

ファーマテリアルとガイド

modoにはファーやヘアーを表現するためのFur Materialがあります。Fur Materialで髪の毛や長い草のような形状を指定する場合や、アニメーションしたい場合は「ガイド」を使用します。
ガイドとして使用できるのは「カーブ」と「ポリライン」の2種類です。現在はヘアーツールの「ガイドを生成」で生成されるのは「ポリライン」ですが、701以前のバージョンでは「カーブ」が生成されていました。ガイドを多く生成した場合に「カーブ」より「ポリライン」の方がパフォーマンスがよいとのことで仕様が変更されました。

ですがタイムラプス表現で使用したように「ダイナミックカーブ」で草を揺らす場合は、ガイドの「セグメント数」が多いと物理計算の負荷が上がります。アニメーションを前提とした場合も「セグメント数」が少ない方が制御しやすいと思います。
そこで少ないセグメント数のガイドを使用したとき、「カーブ」と「ポリライン」でどんな違いが出るかテストしてみました。

ガイドと最大セグメントの数

下の画像では緑の線が「ガイド」です。左から順に「セグメント数が20のポリライン」「セグメント数が5のポリライン」「セグメント数が5のカーブ」です。赤の線はファーのプレビューです。パースの関係でガイドの形状が違うように見えますが、全部同じ形状です。

ファーをガイドの形状にそわせるには「最大セグメント数」が関わってきます。「最大セグメント数」はファーの長さの分割数で、値が大きいほどなめらかに曲がったファーになります。

最大セグメント数:5

最大セグメント数:10

最大セグメント数:50

最大セグメント数:100

最大セグメント数:1000

レンダリング結果を見ると一目瞭然ですね。ガイドのセグメント数が5のように少ない場合は、ポリラインよりカーブを使用した方がなめらかに曲がります。ポリラインをガイドに使用する場合は、なめらかに曲がる程度のセグメント数が必要です。ファーのガイドをアニメーションさせたい場合は、カーブを使ったほうが良好な結果が得られそうです。またカーブを使用した方がガイドの先端までファーが伸びているのが確認できます。

「最大セグメント数」は値が小さすぎるとカクカクした形状になりガイドから離れてしまいます。値が1000のように大きい場合はガイドに近い曲がり方になりますが、ポリラインを使用した方はセグメント数が20程度だと、ガイドのカクカクした感じがレンダリングにあらわれてしまいます。

「最大セグメント数」の値が大きければよいかというとそうでもなく、「成長ジッター」に値が入っている場合はシェーディングがデコボコすることがります。以下の画像は「最大セグメント数」1000で「成長ジッター」25%（デフォルト）のレンダリング画像です。成長ジッターの影響でセグメントの長さが重なってるのか？バンプを設定したようになりました。髪のように綺麗なスペッキュラが欲しい場合には、このあたりの設定に注意が必要だと思います。

ファーの長さにもよりますが「最大セグメント数」は10～50くらいが実用的かもしれません。ちなみにカーブの作り方は、ポリラインでガイドを生成してから、エッジモードでポリラインを選択して「エッジからカーブ」を実行しました。

ガイドオプション

Fur Material でガイドを使用する場合はガイドオプションで「ガイド」の適用方法を指定します。ガイドをアニメーションしたときに、GLでの動きとレンダリングが違うのが気になったので検証してみました。

クランプ

クランプは「クランプ量」が設定されてるときファーがガイドに集まるようになります。

クランプはGLとレンダリング結果が変わります。画像の左がポリライン、右がカーブです。ガイドのセグメント数は3ポイントです。ポリラインはカーブに比べてファーの長さが短くなるようです。先端の集まり方も極端ですね。

方向

GLとレンダリング結果が一致してます。

方向 + 長さ

GLとレンダリング結果が一致してます。

シェイプ

GLとレンダリング結果が変わります。赤のガイドは意図した通りにアニメーションしていますが、緑のファーがカクカクしてます。マニュアルによると「シェイプ」は近くの3本のガイドを補間する処理で、ロングヘアーには向いていないとのことです。GLではガイドの補間が処理されないため、ファーの位置が飛んで見えるのかもしれません。

範囲

GLとレンダリング結果が変わります。下の画像ではファーが表示されてませんが、「範囲」はポリゴン数が少ないとファーが表示されないようです。ポリゴンを細分化すると表示されるようになります。
またGLとレンダリングでファーの長さが違います。マニュアルにはヘアーの長さはガイドの長さで決まる。ロングヘアーに向いてると書いてます。ガイドが密集してる場所はガイドの長さに近づき、ガイドの外側はファーが短くなる処理されるようです。その範囲の処理がGLに反映されないので、GLとレンダリングが違って見えます。また左のポリラインを使用したレンダリングは、ファーの長さがガイドより短いようです。ポリラインに「範囲」を使用すると、先端が考慮されないのかもしれません。

ファーのGL表示は極端な動きに見えることがわかりました。しかしレンダリングでは極端な動きが発生しないことが確認できました。プレビューなのでレンダリングと異なるのは理解していましたが、思ったより違う印象ですね。

ちなみに、ガイドのアニメーションはLinear FalloffのテクスチャロケータにRippleを設定しています。

次回はファーマテリアルを使用した時のレンダリング設定について書いてみたいと思います。