Rendering

odo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。

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

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。

レンダリングに関する設定で、テクスチャロケータの「ワールド座標系」について書いてみます。

modoには頂点にアイテムを複製するリプリケータという機能があります。アイテムを規則的に並べるのに便利ですが、たとえばノイズテクスチャを追加した場合に、全てのアイテムが同じパターンのノイズになってしまいCGっぽさが強調されてしまいます。

テクスチャロケータの「ワールド座標系」をONにするとアイテムのローカル位置でなくワールド位置を使用してノイズが設定されるようになり、アイテムごとに異なるノイズパターンがでるようになります。

ノイズテクスチャと Vertex Map Textureを組み合わせると、同じアイテムでも汚れやダメージの位置が異なる質感を手軽に作ることができて便利です。

ただし「ワールド座標系」ONでアニメーションを設定すると、ノイズがワールド座標に張り付いた状態になります。背景など動かないアイテムで使用するのがお勧めです。

「ワールド座標系」と同じ機能はLightWaveにもあって昔から便利に使ってました。実際に作れるかわかりませんが、ボリュームの設定にある「自動テクスチャオフセット」のように、パーティクル位置をテクスチャのオフセットに使用するリグが組めればアニメーションにも対応することができる気がします。

modo 12.0でフォールオフアイテムにイージング機能が追加されました。この機能追加によってカーブを使用した細かなフォールオフ制御ができるようになりました。

例えばリプリケータの「スケール」を制御して結晶化するような表現を作るとき、リニアに大きくなるだけではなく、大きくなったあと少し小さくなる。というようなニュアンスを加えることができます。

スケマティックはこんな感じです。

Surface Particle Generatorで球体にパーティクルを発生させます。Particle Modifierは「スケール」を0%に設定し、フォールオフアイテムをリンクしています。フォールオフ アイテムをアニメーションすると、リプリケータのスケールが変化します。

複数のフォールオフアイテムを使用している場合に注意が必要なのは、イージングのカーブが0～1の範囲を超えないように設定する必要があるかもしれません。
上の画像ではリニアフォールオフとテクスチャフォールオフを使用していますが、イージングのカーブが0以下に設定したとき、テクスチャフォールオフの領域に小さな円柱が発生しているのが確認できます。
テクスチャフォールオフの場合は、テクスチャの「上限値」を100以上の大きな値に設定すれば大丈夫なのですが、他のフォールオフ同士の組み合わせでどうなるかは調べてません。

modo11以前のバージョンでもFXアイテムの「パーティクルサイズ」を使用すると、同じようにリプリケータのスケールをアニメーションすることができました。下の画像はGradientのテクスチャロケータをアニメーションさせたものです。

FXアイテムはシェーダーツリーに統合されているので、レイヤーのブレンドやマスクなど制御しやすいのですが、フォールオフアイテムに比べると処理が遅いような気がします。

Particle Random Modifier を使うと位置や回転のランダムをフォールオフで制御できるようになります。ちょっとしたモーショングラフィックっぽいアニメーションが簡単に作ることができます。やはり同じような制御をFXアイテムでもできましたが、スケマティックで関係性が見やすいぶんフォールオフアイテムが使いやすい気がします。

ちなみに、この結晶化のアニメーションはレンダリングに5時間かかりました。初めのフレームは30秒くらいなのですが、最後のリプリケータのアニメーションが終わったあたりは1枚4分かかります。アイテムのランダムさはリプリケータの「ランダムスケール」を設定してます。

マテリアルのシェーディングモデルは「従来」を使用して、レンダリングの設定では「反射深度」2、「屈折深度」1と速度重視に設定してますが、反射と屈折が組み合わさるとレンダリング時間が長くなります。もっとリアルに磨かれていないような質感にしようとすると、反射と屈折にブラーを加えることになるので、もっとレンダリング時間がかかりそうです。

今回はレンダリング時間を短くする工夫として反射用のオブジェクトやライトの変わりに MatCap を使用してみました。輪郭が浮き上がっていい感じに反射してるように見えます。GLでは問題なかったのですが、レンダリングでは使用したマップの上下左右が少し切れてるのが原因で、チラツキが発生してしまいました。

さらにIridescence Material で表面を虹色っぽく設定してます。MatCapもそうですが、modoはマテリアルを加算でブレンドできるのが面白いですね。

屈折のレンダリングは時間がかかるので、MatCapと反射のみで屈折したような質感を再現できないかと実験してみました。これだけ見るとそういうものかと思うかもしれませんが、屈折したものと比較すると透明には見えないですね。やっぱりカメラが動くとわかちゃいます。この反射だけの質感だとレンダリング時間は35分でした。

modoではMatCapをミックスしたりマスクしたりできるので、他のソフトに比べて便利に使える気がします。そのうちトゥーンマテリアルを作ってみようかな。

今回はmodoのボリューム機能について書いてみます。マニュアルを補完する形で、パラメータをアニメーションしあた場合の変化を画像にしてみました。
modoのボリュームは LightWave の Hyper Voxel が進化したような機能なので、基本となるパラメータや設定は LightWave でも活用できると思います。

ボリュームとは

ボリュームは煙、爆発、炎のようなエフェクト表現に最適な機能です。ボリュームは表面の形状しかない中身からっぽのポリゴンと違い、中身まで詰まったボクセルデータです。このため半透明な設定にするとレンダリング時間が長くなりますが、雲海の中をカメラが進むような表現ができるようになります。

最近では煙と言えば、FumeFXやPhoenix FDのようにフルードダイナミクスを使用した表現が主流です。フルードダイナミクスは流体のようなリアルな動きを作成することができますが、シミュレーション空間をボクセルに分割して計算するため、カメラが近づくと荒くみえる。シミュレーションに計算が必要。シミュレーションキャッシュが1フレームで1GB超えることもよくあるため、PCスペックを要求するなどの大変さがあります。

modoのボリュームは流体のようなリアルなアニメーションはできませんが、カメラがどれだけ近づいても荒くならない。シミュレーションが不要のため、PCにかかる負荷が低いというメリットがあります。

ボリュームシェーディング

以下はボリュームシェ-ディング タブのパラメータをアニメーションさせた物です。

密度

ボリュームの厚さを設定する機能。値が50%以下のときは薄く色も明るくなり、値が大きいと厚みのある質感になる。

フォールオフ

密度にバイアスを設定する機能。ボリュームはデフォルトで中心から外側に向かって密度が薄くなるので、放射状に密度が変化する。

レベル

密度の最大値を設定する機能。AfterEffectsのレベルエフェクトと同じ感じの機能。

密度 グラディエント

上にある「密度」をミニグラディエントで制御する便利パラメータかと思うと、全く違うアニメーションになる。ボリュームの厚さをアニメーションしたい場合は、上の「密度」にキーを設定するしかない。

ハイパーテクスチャ高さ

レイヤーエフェクトで「ボリューメトリック密度」を設定しているとき、テクスチャが影響する距離を指定する機能。「ディスプレースメント距離」のような機能で、値が小さいとボリュームの中心にテクスチャの影響が出ない。「拡張 & ディゾルブ」を使用する場合は高めに設定しておくとよい。

ハイパーテクスチャスケール

ボリュームに設定したテクスチャのスケール。0%のときは100%として扱われる。マニュアルには「テクスチャロケータの スケール 設定と同じ働きをします。」と書かれていたので、テクスチャロケータをスケールした物と比較したが、レンダリング結果は完全に一致しないようだ。

テクスチャエフェクト

テクスチャをアニメーションしてくれる便利機能。細かなニュアンスまで制御したいときには、グラディエントレイヤーや、チャンネルにキーを設定した方がいいと思う。
テクスチャエフェクトはパーティクルエイジを使用するので、パーティクルシミュレーションで「パーティクルの寿命」が保存されている必要がある。

なし

当然動かない。

速度変換

パーティクルの速度ベクトルの方向にテクスチャが移動する。放物線をえがくパーティクルなんかだと変化がわかりやすいかも。

拡張

テクスチャのスケールが拡大するアニメーション。テクスチャが大きくなりながらクロスフェードを繰り返す。

拡張 & ディゾルブ

拡張のアニメーションしながらボリュームが消える。ディゾルブに使用しているパラメータが「密度 グラディエント」なのかも。個人的に好きなエフェクトで LightWave 時代からよく使ってた。

火砕

テクスチャを放射状にブラーしてる感じなかな。

エフェクト速度

エフェクトのアニメーション速度を設定する機能。テクスチャエフェクトの画像にある数字はエフェクト速度の値です。遅めは 50% 、早めは 100％ を基準に調整開始するといいかもしれない。「拡張 & ディゾルブ」だけ効果が変則的で、50％は30フレーム、25％は60フレーム、10％は150フレームでボリュームが消える。テクスチャや密度の設定により消える時間が変わる気がする。

レンダー品質

高い設定にするとボリュームのシェーディングの階調が多く滑らかな見た目になる。

サンプリングレート

ボリュームをより精細に計算するための機能。「ボリューメトリック密度」にテクスチャを使用している場合、ボリュームの「半径」やスケールが100mのように大きなサイズにすると、ボリュームにバンディングのような縞模様が発生します。サンプリングレートの値を下げると縞模様を軽減することができます。
ただしサンプリングレートの値を下げるとレンダリング時間が長くなります。参考までにこの画像ではサンプリングレート1のとき2.7秒、0.5のとき4.8秒、0.25のとき9.5秒、0.1のとき23.1秒、0.01のとき5分36.6秒でした。

シャドー品質

高い設定するとシャドーが滑らかになる。設定が低いと影が階段状なる。

スキャッタリング

ボリュームの光の拡散具合を設定する機能。値を大きくすると白く雲のような感じになる。

前方スキャッタリング

背後のライトからの拡散具合を設定する機能。ボリュームの明るさが加算されて明るくなるのを期待したが、値を大きくすると黒くなる。

ライトを180°回転して前方スキャッタリングの効果を確認してみた。ライトが背面のときより効果が強く現れる。

前方スキャッタリングを高くすると黒くなるため、スキャッタリングも同時に調整する必要があるようだ。またライトにはシャドーが設定されている必要がある。シャドータイプが「なし」の場合はボリューム全体が明るくなる。

ボリュームの設定

今回テストに使用したボリュームの設定を書いておきます。基本的にはボリュームの「密度」を100に設定した以外はデフォルトのままです。

テクスチャにはMulti‐Fractalレイヤーを使用しました。ボリュームによく合うお気に入りのテクスチャです。レイヤーエフェクトを「ボリューム密度」に設定しています。テクスチャを設定していない場合、テクスチャエフェクトは機能しません。

シーンにはライトを2個配置してます。右のライトはボリュームの後ろ側に配置してます。ボリュームの直径は1m。

全パラメータレンダリングするのは面倒だったので、変化が明らかにわかるパラメータは省きました。ボリューム機能があれば、こんな爆発も簡単に作ることができます。次回はパーティクルを使用した爆発の作り方について書いてみたいと思います。