フォトリアルなキャラクター

フォトリアルなキャラクターのサンプルが Epic Games Launcher の [Learn (ラーニング)] タブに含まれる デジタルヒューマン プロジェクトのサンプルからダウンロードできるようになりました。

このショーケースでは、Epic Games の MOBA ゲーム、Paragon のキャラクターに使用されたのと同様の高品質なキャラクター シェーダー技術についてデモを行います。このショーケースを観るには、このプロジェクトを開いて [Play In Editor] を押して、シネマティックスのパン アラウンドを見ます。

このキャラクターを生成するために使った技術の詳しい情報は、『Unreal Engine Livestream - Tech & Techniques Behind Creating the Characters for Paragon』を参照してください。

肌のシェーディング

キャラクターの肌は、UE4 の サブサーフェス プロファイルのシェーディング モデル を使って作成されています。

肌のマテリアルのベースをセットアップするには、マテリアル関数 の使用に注意してください。これは、Paragon のマテリアルを作成する再利用可能なオーサリング アプローチとして行われます。このやり方を用いて、アーティストはひとつの関数に対する基本的な変更が、その関数を使用する全インスタンスを更新することを理解したうえで、一部のタイプのサーフェスを生成するアプローチを標準化することができます。

肌 シェーダーのテクスチャ

キャラクターの肌で使われているテクスチャーは、すべて 4K の解像度であり、もともと人の顔をスキャンして作られています。テクスチャは Epic のアーティストがクリーンアップして微調整しています。この肌のセットアップでは、ディフューズ、ラフネス、スペキュラリティ、散乱、法線の合計 5 種類の テクスチャ マップを利用しています。

ヘアシェーディング

ヘアシェーディングは、UE4 のヘア シェーダー モデルによって処理されます。このシェーダーは Eugene d'Eon 氏、Steve Marschner 氏、および Johannes Hanika 氏 によるリサーチに基づいた物理ベースのシェーディング モデルです。現在は、Weta Digital によって使用されています。シェーダーはアニソトロピック (異方性) スペキュラリティとそれを通る屈折と複数の髪の毛への散乱を用いて髪のサーフェスからの光の反射を近似します。

UE4 のヘア シェーダーを利用するには、マテリアルの Shading Model プロパティを Hair に設定します。

髪とスペキュラリティ

現実世界では、髪は複数のスペキュラ ハイライトを持ちます。光の色を表すものと髪の色と光の色を混ぜ合わせたものもあります。本ページでは、これらをプライマリ スペキュラ ハイライトとセカンダリ スペキュラ ハイライトと呼びます。ヘア シェーダーは、現実のこのようなエフェクトを近似させることによって、非常にリアルな結果をもたらします。

1. 淡い色の髪はプライマリ スペキュラ ハイライトです。2. 濃い赤い色の髪は、セカンダリ スペキュラ ハイライトです。

UE4 のヘア シェーダーで使われる近似アルゴリズムは、現実世界と同じようなやりかたでこうしたエフェクトを作成します。ライトが毛包 (毛が作られる場所で、その中で肌表面から見える部分が毛穴) の表面にあたり、単純にバウンスしません。髪は透過であるため、一部の光は髪の中を通過し、その中でバウンスして出ていきます。以下のアニメートされた GIF の図のようにヘア シェーダーは、光が髪に作用する場合に、これを光が伝搬する 3 つの考えうる経路で近似します。

一本の髪の毛包の断面を見ると、3 つの主な光の通り道があり、光との相互作用でヘア シェーダーがどのように近似するかがわかります。プロセスの各部分の説明については、以下の表をご覧ください。

上図のように髪の束は完全なシリンダー状、チューブ状ではありません。実際の髪は、円錐状のものが重なった状態に似ています。つまり、髪の表面で跳ね返る光は、髪が完璧に滑らかな場合に比べて、散乱の様子が異なります。さらに髪の一本一本は一般的に別の方向を向いています。スペキュラのハイライトは統一されませんが、髪が向いている方向に応じて個別に配置されます。これは、アニソトロピック (異方性) スペキュラリティと呼ばれ、UE4 のヘア シェーダーでもサポートされています。

髪と透過処理

ヘア シェーダーでは半透明の代わりにマスクしたブレンド モードを使用します。ただし、マスクした透過処理では二値の結果が得られます。サーフェスは完全に不透明か完全に透明になります。ノイズのディザ パターンが絶えずサーフェス上を移動し、よりソリッドになる必要がある箇所では密度が高くなります。ディザはマスクした透過処理をブレンドする方法として使われますが、TemporalAA がアクティブな場合に限り機能します。

アニメートされたディザを TemporalAA と合わせて使用すると、このブレンドをリゾルブするためにいくつかのフレームが必要です。これにより動作中に髪にアーティファクトが生じることがありますが、これは、この技術で起こる予測範囲内の影響です。

エッジのマ肌グ

シェーダーの一部ではありませんが、サンプル キャラクターの髪で使われているマテリアルおよび 『Paragon』 の他のキャラクターでは、いわゆる「エッジ マスク」を使ってカメラに対して真横になるにつれて髪をフェードさせます。髪は一連の平面としてレンダリングされるため、 (以下の 髪のジオメトリ を参照) 一定のカメラ アングルからは、各シートのエッジが見えて、髪のエフェクトが壊れます。

この問題を軽減するために、マテリアルは頂点法線に対してカメラのベクターを計算し、サーフェスがカメラから垂直に遠ざかるにつれて、完全に透過にフェードしていくようにします。このアプローチの他の面としては、そうすることでヘア シェーダーが頭皮を多く見せる可能性があります。これは髪の量が多いキャラクターでは多くの場合、以下の画像のように頭皮にヘア テクスチャがペイントされている理由でもあります。

このエフェクトは、Quality Switch ノードに結び付いていて、性能が低いプラットフォームでは一部のシェーダー パフォーマンスと引き換えに簡単にオフにすることができます。常にターゲット プラットフォームでテストを実施すると良いでしょう。

髪のオーサリング

このショーケースで示した技術を使って髪を作成するには、エピックがこのキャラクターの髪をどのように作成したかについて少々理解する必要があります。

髪のジオメトリ

UE4 のヘア シェーダーを使ったヘア ジオメトリは一般的に、一連の平面でないシート サーフェスを使って構築されます。これは、多くのリアルタイム ヘア ソリューションで一般的なアプローチです。これは、お好きな DCC アプリケーションでオーサリングできます。

ヘア ジオメトリの詳細について厳格なルールがあるわけではありませんが、このキャラクターは約 800 の個別のヘア シートを使用し、合計で約 18,000 のトライアングルを使っています。メイン マテリアル ノードのプロパティではヘア マテリアルは両面を使うように設定されていることにも注意してください。

ヘア テクスチャ

UE4 のヘア シェーダーでこれを使用すると、最終結果は以下の 5 つの主要テクスチャによって操作されます。すなわち、Diffuse、 Alpha、 Root、Depth、および髪一本毎に固有の ID の 5 つです。エピックでは、こうしたテクスチャは通常 3ds Max の Hair システムを使って生成しています。シミュレートしたヘアの結果をジオメトリのピースに投影しています。ただし、同じような結果を得るために利用できるオプションは他にもあります。

ヘア シェーダーのプロパティ

ヘア シェーダーを使用すると、メインのマテリアル ノードで一部の新しいプロパティ、Scatter、 Tangent、 および Backlit を利用できるようになります。

このドキュメントの作成時点 (4.13) では、Backlit プロパティは、シェーダーの早期バージョンの一部としてのみ存在します。ヘア シェーダー内部では、これに接続しないため、このプロパティは無視することができます。

散乱

ヘア シェーダーをシミュレーションではなく、近似であると言及する主な理由は、実際には個々の髪をシミュレーションせず、完全に正確なライティングの挙動をシミュレーションするわけではないからです。現実世界では、光が、毛包をバウンスし、その中を透過すると、多くの場合、他の髪の束があり、同じプロセスを何回も連続して繰り返すことになります。現時点で、こうしたシミュレーションのエフェクトをリアルタイムで正確に生成する機能を持つコンピューティング システムはありません。

しかし、髪の中で光がどのように散乱するかは、現実世界と同じようにゲーム内で髪をリアルに見せるために重要です。これを制御するためにヘア シェーダーには、Scatter プロパティがあります。これはプライマリ シェーダー ノードの Metallic に代わるものであり、0.0 と 1.0 の間の値に制限されます。Scatter は、キャラクターの髪全体を単一のサーフェスであるかのように、どれくらいの光が通過するかを制御します。

Scatter について重要な点は、明るい色の髪では高くなり、暗い色の髪では暗くなります。これは自然界の物理のルールに従います。髪の色が暗いほど、より多くの光を吸収します。実際の問題として、ブロンドの髪のキャラクターを作ろうとしているなら、ディフューズ テクスチャまたは色を変えるだけでは不十分です。Scatter 値も増やさなければなりません。

このサンプルでは Root と Tip の色は、淡いブロンドに設定され、Random Variation は 0.0 に設定されています。Scatter を使ってどれくらいの光が髪を通るかを近似します。これは、Scatter 値を変えるだけで、様々な髪のトーンが生成される様子を表しています。

Tangent

Tangent プロパティは、ヘア シェーダーの Normal プロパティに変わるものです。接線は毛根に向かう各髪に平行なベクターとして計算されます。Tangent プロパティは、適切な異方性スペキュラリティを支援するためのものです。異方性スペキュラリティとは、つや消しした金属など、微小な溝のあるサーフェスからライトがバウンスするときに起こるものです。

左の球体は異方性があり影がありますが、右側はそうではありません。異方性スペキュラ ハイライトがサーフェスにそって伸びているのがわかります。

Tangent プロパティは、主に異方性ハイライトが伸びる方向を制御するためのベクターとして使用されます。

この画像では黄色の線は、髪一本に沿う毛根に向かう接線を表します。

サンプル キャラクターのヘア シェーダーでは、ベクターは固有の ID テクスチャを使って 0.3 と -0.3 との間の Z- 軸でランダムなオフセットを与えられます。これで、円弧内でランダムな方向を持つベクターが生成され、異方性スペキュラ ハイライト内で変化をつけます。実際の髪の束で見られるのと同様です。

接線は、自動またはフロー マップの使用のいずれかの方法でマッピングされます。自動の方法では、一面の髪のテクスチャが、毛根が上に向かい、先端が下部に向くようにする必要があります。髪が短い限り、面が曲がったり、ツイストしすぎたりせず、この方法が適切です。サンプル キャラクターの髪で使われたのはこの方法です。

接線のフローマップ

もうひとつの方法では、フローマップを作成する必要があります。これはキャラクターの髪が長く、真っ直ぐではなく、実際のジオメトリよりも曲がったり、カールしている必要がある場合、または髪の個々のテクスチャ部分が様々な方向に向いている場合に便利です (上記のように上から下ではなく)。フロー マップは、タンジェント空間すなわちサーフェスに沿って髪が動く方向を表します。Photoreal Character Bust プロジェクト内には、T_Hair_Flow という名前の未使用のフローマップがあります。以下は、フローマップとスペキュラリティの結果を比較したものです。

ここでは、Sparrow の髪の表面にそってフローマップがどのようにテクスチャリングされるかがわかります。フローマップは、一部の髪の面でのみ使用され、髪全体で使用されるわけではないことに注意してください。フローマップに沿う様々な値によって、髪に沿ってスペキュラリティが変わるのがわかります。

ヘア シェーダーでピクセル深度オフセットを使用する

Pixel Depth Offset (PDO、ピクセル深度オフセット) は、ヘア シェーダー固有のプロパティではありません。わかりやすく説明すると、PDO ではカメラから離れてピクセルがへこんでいるように見え、サーフェスにそって人工的な深度を作り出します。髪のジオメトリ で説明しているように、髪は単純なジオメトリのシートでできています。PDO を使用すると、全体として髪の形状に深度を加えます。以下のように髪のジオメトリの面が頭皮に接触する交差ポイントも分けます。

目のシェーディング

目は、しばしば「心の窓」と言われます。実際の人間としてキャラクターの目ほど見る側の認識に影響を及ぼす部分はありません。UE4 の目のシェーダーは、目の表面をリアルにレンダリングするように設計されています。そのため、目そのものの生物学的な各部位をアーティスティックに制御 できる仕組みが用意されています。

UE4 の目のシェーダーは非常に技術的で、シェーダーのコード、マテリアル、ジオメトリの形状、およびジオメトリの UV レイアウトとの間で非常に 強い従属関係 を持つように開発されてきました。シェーダー開発に幅広い経験がない場合は、このシェーダーを使って最初から目を作ることはお勧めしません。この観点から、リアルな人間の目を作るには、このサンプルから目のジオメトリを抽出して、目的に合わせて必要なテクスチャを置き換えて目のマテリアルを そのまま 使うことを強くおすすめします。 Photoreal Character プロジェクト内に PhotorealEyeGeo という名前のスタティックメッシュがあります。これをプロジェクトから FBX 経由でご自分の DCC アプリケーションにエクスポートして各自のプロジェクトで使用することができます。

目の生物学

目の機能を十分に理解するには、簡単に目の仕組みを理解すると良いでしょう。ここで示す各部は、この目の構造で表されています。サンプル キャラクターの目に適用されたマテリアル インスタンス (MI_TwinBlast_EyeRefractive_Bust) で公開されているパラメータを使って変更することができます。

以下は概要です。

目の中の屈折 - これまでと現在

眼球は液体で満たされているため、その中を通る光は屈折します。複数の角度から目を見ると、現実世界でもこれがわかります。角膜から見ると虹彩と瞳孔は反射によって歪みます。ゲームや映像でこれに対処する従来のアプローチは、2 つの別箇の目のサーフェスを作るというものです。ひとつは、強膜、虹彩、瞳孔になり、その上のもうひとつのサーフェスは角膜と全体的な目の水分になります。これにより、屈折が可能になります。下の方にあるサーフェスが水分がある層のシェルを通して見られるからです。こうしたアプローチは、エピックの「A Boy and His Kite」の技術デモで使用されました。以下の図は、そのような 2 つのサーフェスを表しています。

ただし、目のシェーダーを使うと、1 つのサーフェスでさらにリアルなエフェクトを実現できます。角膜表面を通る光の屈折は、現在完全にシェーダー内で処理されています。これにより、下の層のジオメトリの必要性が軽減されます。これを試すには、MI_EyeRefractive_Bust マテリアル インスタンスを開いて、Refraction On/Off プロパティを調整します。

Eye Shader のパラメータ

目のシェーダーは非常に複雑であり、そのまま使うことを推奨しています。マテリアルに組み込まれたアーティスティックなパラメータの内容を示します。以下は、 MI_EyeRefractive_Bust Material Instance Constant 内から微調整可能な目のシェーダーのパラメータです。可能な限り、パラメータ値の推奨される範囲も示しました。

目のシェーダーの二次環境

二次環境は目のシェーダーの一部であり、目の表面に見せかけの反射マップを与えます。シェーダーで SecondaryEnv ParamCube を使ってテクスチャを与えて、他の SecondaryEnv プロパティで制御することができます。これは、目の前の環境や別のキャラクターなど特定の反射が見えるようにする場合、目をドラマチックにクローズアップする場合に役立ちます。

目のオーサリング

このセクションの前の方で、目のシェーダーのコード、マテリアルのセットアップ、目のメッシュのジオメトリとの間には強い従属関係があることを警告しました。以下では目のセットアップがいかに特別であるかについての概要を説明します。これは、ジオメトリをキャラクターの目のメッシュで置き換える場合に役立ちます。

独自の目を作成する場合、このサンプルに入っている実際の目のジオメトリとマテリアルを使用することを 強く お勧めします。ここで扱う情報のほとんどは、これらを使用することを前提にしています。

Photoreal Character プロジェクト内に PhotorealEyeGeo という名前のスタティックメッシュがあります。これをプロジェクトから FBX 経由でご自分の DCC アプリケーションにエクスポートして各自のプロジェクトで使用することができます。

形状と UV レイアウト

現実世界の人間の目のように、目のメッシュは完全に球状になるようにモデル化されていません。角膜を表すために前面ではっきりとドーム状になっています。こうした形状から、目はほとんど卵形になっています。

この画像では、Maya で横から見た目のジオメトリを示しています。前面の角膜の一部が高く上がっているのがわかります。

目の UV レイアウトも非常に重要です。これを使って、各目のテクスチャの比率が生成されるからです。幸い、目のシェーダーで最もうまく機能する UV レイアウトはどちらかというと基本的なものです。目の前の軸に沿った平面プロジェクションです。裏面を含めるかどうかは、あまり重要ではありません (いずれにせよ目の後ろ側だからです)。サンプル キャラクターをご覧いただければわかります。

UV レイアウトは以下のようになります。

UV レイアウトは 0-1 空間の中心にあり、プロジェクションは直接角膜を見ます。

目のテクスチャ

目のために作成するテクスチャの多くは、虹彩のマップを除いて、上記で作成した UV レイアウトに基づきます。主な編集可能なテクスチャには以下のものがあります。

Tangent Map の出力が Normal Map の入力に直接 入力されないことに注意してください。これは、Tangent Output ノードに接続されます。マスター マテリアルの M_HairSheet_Master2 のように別個に作成しなければなりません。

目のアンビエント オクルージョン

サンプル キャラクターの目のセットアップの最終部分では、目の周囲にアンビエント オクルージョンをシミュレーションするために、透明のヘルパー サーフェスを使用します。現実世界では、目がまぶたや涙腺などの他の組織に接触するたびに、非常にソフトな陰影があります。このソフトさは、目そのものが透明であるためであり、光がその中で散乱します。これを現実的にシミュレートするために、目をカバーし、近似されたアンビエント オクルージョンが得られるジオメトリのシートを配置し、目全体のリアルさを増します。

このシートに適用されるマテリアルは、MI_Eye_Occlusion_Bust という名前であり、サンプル キャラクター モデルの Element 3 に入っています。

キャラクターの目のコンテンツのオーサリングをする場合、ジオメトリのこの部分を自分でビルドする必要性が高くなります。まぶたが開いた領域にフィットし、その UV がご利用の 3D モデリング アプリケーション 0 から 1 の UV 空間をきちんと満たすようにします。

この画像は、顔のジオメトリなしの Maya のアンビエント オクルージョン シートのジオメトリです。シートの境界エッジはまぶたの開口部分を完全に満たします。

謝辞

Importance of sampling for physically-based hair fiber models (物理ベースの髪の繊維モデルのサンプリングの重要性) を公開してくださった Eugene d'Eon 氏、 Steve Marschner 氏、 およびJohannes Hanika 氏 の皆様に感謝いたします。 UE4 のヘア シェーダーの一部はこの内容に基づいたものです。