コンピュータグラフィックス ソフトウェア製品の調査

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1 コンピュータグラフィックス ソフトウェア製品の調査
鶴野研究室 柏木勇太　　川崎賢一 　　紫村祐樹　　田尻力也　

2 目次 　　・レンダラーとは 　　・レンダラーソフトの紹介 　　・主なレンダリング方式 　　・フォトンマップ 　　・sss（サブサーフェススキャッタリング）　　　　

3 写真か、それともＣＧか？ 　　　使用ソフト　3dsmax 8 7号館コンピュータ室のパソコンでレンダリング 　　　　　　　　　　　　レンダリング時間　約30分

4 レンダラーとは レンダリング処理専用システムのこと 一般の3Dソフト標準のものよりも高機能なレンダラーソフトが存在
例）　mental-ray (Mental Images) Renderman (Pixar) V-ray (Chaos Group)

5 mental-ray 業界標準レンダラー 3dsMax,Maya,XSIに搭載 ファイナルギャザー、コースティクスの表現に定評

6 VRay 3ds max 用のプラグインレンダラー 高速・正確で、美しいレイトレースとグローバルイルミネーション
正確な反射・屈折、ぼやけた反射・屈折、異方性反射などリアル感を出すための表現が可能

7 RenderMan Pixar 開発 3Dモーションブラーの処理速度とクオリティーに定評 映画におけるVFX,CG表現を支える代表的なツール

8 レンダラーの評価 レンダラーソフトそれぞれに得意分野があり、価格、対応OS等もまちまちなため、優劣は付け難い。
出力結果に大差なし　→　ユーザーが選択

9 写実的なレンダリング技術 ・ラジオシティー法 ・フォトンマップ法 ・ローカルイルミネーション
光源から直接届く光のみを考慮してレンダリングする方法。 ・グローバルイルミネーション 他の物体表面で1回以上反射、透過して届いてくる光も考慮するレンダリング方法。 ローカルイルミネーションに比べ、よりリアルなレンダリングが可能だが、そのぶん多くの計算時間が必要。 ・ラジオシティー法 ・フォトンマップ法

10 シェーディングとは 光源とモデル(物体)の形状などをもとに、モデルに陰影をつけること。
　　正確な物体の色を算出するためには様々な条件が複雑に絡んでくる。 　　そのため計算を簡略化した技法が多く存在している。

11 シェーディングの種類 フラットシェーディング
ポリゴンの法線ベクトルと光源との角度から各ポリゴンの色を算出する。一つのポリゴンは一色に塗りつぶされる。計算速度が高速であるが、ポリゴンの継ぎ目ごとに不連続的に色が変化するため、滑らかには見えない。 グーローシェーディング オブジェクトの各頂点の法線ベクトルを求め、頂点間は一次補間してピクセルの色を算出する。ピクセル間の継ぎ目は目立たなくなる。 フォンシェーディング オブジェクトの各頂点の法線の一次補間から、各ピクセルにおける法線を求めて、それを元に最終的なピクセルの輝度を算出する。グーローシェーディングにおける光沢の不自然さを改善する。

12 レイトレーシング法 視点に届く光線（レイ）を逆にたどる（トレース）ことによって描画する。物体の表面の反射率や透明度・屈折率などを細かく反映させることができるのが特徴。1画素ずつ光線の経路を計算するため計算量が多くなるが、その分高い画質で描画することができる。 この、レイをトレースするという技術はどんどん進化していき、 GIの表現力向上に貢献する。 例えば、 パス・レイ・トレーシング モンテカルロ・レイ・トレーシング

13 ラジオシティー法 視点を出発点にトレースを行うレイトレーシング法とは逆に、ライトを基準に放出される光線をトレースする計算法。
光の相互反射を厳密に計算することにより、各面の持つ光のエネルギーを算出する。柔らかな間接光の効果を表現できるのが特徴。 例）白い床に赤いボールがあれば、隣接する床は赤く、ボールは白い床の影響を受け底が明るく見える。(カラーブリーディング)また、影も柔らかくなり、周囲にあふれる環境光を表現することが可能。

14 レンダリング比較 レイトレーシング法 ラジオシティー法

15 レンダリング速度の違い ↓標準レンダラー（10秒） ↓Mental ray使用（5秒）

16 高性能レンダラーのもつ技術 ・高速レンダリングが可能
　・高速レンダリングが可能　 　・３ｄｓMAXやMayaなどの標準レンダラーにはない技術をmental rayなどの高性能レンダラーを用いることで表現することができる。 ・フォトンマップ ・ファイナルギャザー ・サブサーフェス・スキャタリング　など

17 フォトンマップ技術解説 ライト（光源）からフォトンをシーン中にばら撒き、周囲の物体とフォトンが衝突した地点でマッピングデータを生成する。
　　ライト（光源）からフォトンをシーン中にばら撒き、周囲の物体とフォトンが衝突した地点でマッピングデータを生成する。 　　その地点にばら撒かれたフォトンの密集度から明るさを推定する方法。 ▲ 　フォトンマップによりコースティクス　　　　　　　　　　　の表現が可能となる。

18 ↓フォトンマップを使ってみた（３dsmax）

19 レンダリング比較 ←フォトン200個 ←フォトン500個

20 レンダリング比較 ←フォトン1000個 ←フォトン2000個

21 レンダリング比較 ←フォトン5000個 ←フォトン10000個

22 レンダリング比較 ←フォトン100000個 ←フォトン1000個,ファイナルギャザー

23 ファイナル・ギャザリング ファイナル・ギャザリングは、レイトレーシングの応用のようなもので、オブジェクトに当たったときに一回だけランダムに跳ね返るようなレイを加えて、それをレイトレーシングするときにも考慮するという技術です。シェーディングによって明るくなっている部分により、オブジェクトが光源として働きます。そうすることで自然な影ができ、隣どおしのオブジェクトのあいだでカラーブリーディングが起きます。 ファイナル・ギャザリングを用いることでフォトン数をあまり増やさないでもよりリアルな表現ができる。 　　 また、フォトン数を減らすことにより、レンダリング時間の短縮にもつながる。 ファイナルギャザー未使用 ファイナルギャザー使用

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25 フォトンマップまとめ やわらかい影、光の回りこみなどを表現でき、リアルな描写が可能である
フォトン数をかなり増やさないと、独特のしみのようなものが残ってしまう シンプルなモデルでも多大な時間がかる。 　　　　→アニメーションや、複雑なシーンにはまだまだ不向きか フォトン数、ファイナルギャザーを併用してより最適な画像をつくることができる。 映画など実践使用には、まだ改良が必要であるといえる。

26 sss（サブサーフェススキャタリング） 物体に入射した光が内部で散乱を繰り返した後に再び表面から外部に出ていく現象のことを指す。
　物体に入射した光が内部で散乱を繰り返した後に再び表面から外部に出ていく現象のことを指す。 　自然界ではほとんどの物体で多かれ少なかれこの現象が起きており，これをCGで正確に模擬すれば自然な質感を表現できる。 実世界にみるsss 3ds max8によるsss

27 ｓｓｓ技術解説 光 表皮 真皮

28 ｓｓｓ使用例 参考HP　

29 ハリウッド映画におけるsss実用例 STARWARS ep.3のヨーダで使用される(プロダクションILM)
耳など薄い皮膚での光の透過など、よりリアルな表現を実現することができた

30 sssまとめ sssを用いることによって、今までにはなかった、よりリアルに物の質感を表現することが可能になった。
マルチレイヤー(複数の層から構成されている物体)への対応が不完全。 コントロール面での問題がある。

31 総括 CG技術は日進月歩、絶え間なく進化し続けている。 レンダラーには各々特性はあるものの、ソフト間で優劣を付けるのは難しい。

32 参考文献 CGWORLD (ワークスコーポレーション社) CG Education http://www.neilblevins.com/
　 デザイナーの視点で見た~ 3DCGのススメ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　等 スペシャルサンクス 鶴野先生、松村さん、吉田さん、他鶴研の皆さん。