3Dモデルを最適化するためにポリゴンを数えるだけでは不十分です

メッシュレンダリングの基本を理解することにより、さまざまな手法を使用してレンダリング速度を最適化できます。

はじめに

いくつのポリゴンを使用できますか？ これは、リアルタイムレンダリング用のモデルを作成するときにアーティストが尋ねる非常に一般的な質問です。 この質問は数字だけの問題ではないため、答えるのは困難です。



最初のPlayStationの時代に3Dアーティストとしてキャリアを始め、後にグラフィックプログラマーになりました。 ゲーム用の3Dモデルの作成を開始する前に、この記事を読みたいと思います。 その中で考慮される基本的な基礎は、多くのアーティストにとって有用です。 この記事の情報のほとんどは、毎日の作業の生産性に大きな影響を与えませんが、作成したメッシュをグラフィック処理ユニット（GPU）がどのようにレンダリングするかについての基本的な理解を与えます。



通常、レンダリングの速度はメッシュ内のポリゴンの数に依存します。 ただし、ポリゴンの数は1秒あたりのフレームレート（FPS）と相関することがよくありますが、ポリゴンの数を減らした後でも、メッシュのレンダリングが遅いことがあります。 しかし、メッシュの一般的なレンダリング方法を理解することで、一連の手法を適用してレンダリング速度を上げることができます。

ポリゴンデータの表示方法

GPUによるポリゴンの描画方法を理解するには、まずポリゴンの記述に使用されるデータ構造を考慮する必要があります。 ポリゴンは、頂点とリンクと呼ばれる一連のポイントで構成されます。 多くの場合、頂点は、図1のように、値の配列として保存されます。









図1.単純なポリゴン値の配列。



この場合、3次元（x、y、z）の4つの頂点から12の値が得られます。 図2に示すように、ポリゴンを作成するために、値の2番目の配列は頂点自体を記述します。









図2.トップへのリンクの配列。



互いに接続されたこれらの頂点は、2つのポリゴンを形成します。 頂点1と2は両方の三角形で使用されるため、それぞれ3つの角度を持つ2つの三角形は4つの頂点で記述できることに注意してください。 GPUがこのデータを処理できるように、各ポリゴンは三角形であると想定されています。 GPUは、三角形を描画するために特別に設計されているため、三角形の使用を期待しています。 異なる数の頂点を持つポリゴンを描画する必要がある場合、GPUにレンダリングする前にポリゴンを三角形に分割するアプリケーションが必要です。 たとえば、それぞれが4つの辺を持つ6つの多角形の立方体を作成する場合、3つの辺で構成される12の多角形の立方体を作成するよりも効果的ではありません。 GPUが描画するのはこれらの三角形です。 ルールを覚えておいてください。ポリゴンではなく三角形を数える必要があります。



前の例で使用した頂点データは3次元ですが、これは必須ではありません。 2次元で十分ですが、多くの場合、他のデータ、たとえばテクスチャのUV座標と照明の法線などを保存する必要があります。

ポリゴン描画

ポリゴンを描画するとき、GPUは最初にポリゴンを描画する場所を決定します。 これを行うために、彼は3つの頂点が存在する画面上の位置を計算します。 この操作は変換と呼ばれます。 GPUでのこれらの計算は、頂点シェーダーと呼ばれる小さなプログラムによって実行されます。



多くの場合、頂点シェーダーは、アニメーションの処理など、他の種類の操作を実行します。 ポリゴンの3つの頂点すべての位置を計算した後、GPUはこのピクセルがどのピクセルにあるかを計算し、「フラグメントシェーダー」（フラグメントシェーダー）と呼ばれる別の小さなプログラムでこれらのピクセルを塗り始めます。 フラグメントシェーダーは通常、ピクセルごとに1回実行されます。 ただし、まれに、たとえばアンチエイリアスを改善するために、ピクセルごとに数回実行できます。 ほとんどの場合、フラグメントはピクセルに対応するため、フラグメントシェーダーはピクセルシェーダーと呼ばれます（図3を参照）。









図3.画面に描かれた1つのポリゴン。



図4は、ポリゴンをレンダリングするときにGPUによって実行される一連のアクションを示しています。









図4. GPUがポリゴンをレンダリングする手順。



三角形を2つに分割し、両方の三角形を描画する場合（図5を参照）、手順は図6に対応します。









図5.ポリゴンを2つに分割。









図6. GPUが2つのポリゴンを描画する手順。



この場合、2倍の変換と準備が必要になりますが、ピクセルの数は同じままなので、追加のピクセルをラスタライズする必要はありません。 これは、ポリゴンの数を2倍にしても、レンダリング時間が2倍になるとは限らないことを示しています。

頂点キャッシュを使用する

前の例の2つのポリゴンを見ると、2つの共通の頂点があることがわかります。 これらの頂点は2回計算する必要があると想定できますが、頂点キャッシュと呼ばれるメカニズムを使用すると、計算結果を再利用できます。 再利用のための頂点シェーダーの計算結果は、キャッシュに保存されます。キャッシュは、最後のいくつかの頂点を含む小さなメモリ領域です。 頂点キャッシュを使用して2つのポリゴンを描画する手順を図7に示します。









図7.頂点キャッシュを使用して2つのポリゴンを描画します。



頂点キャッシュのおかげで、共通の頂点がある場合、2つのポリゴンを1つのポリゴンとほぼ同じ速度で描画できます。

頂点のパラメーターを扱います

頂点を再利用可能にするには、使用するたびに頂点を変更する必要があります。 もちろん、位置は同じままにする必要がありますが、他のパラメーターも変更しないでください。 トップに渡されるパラメーターは、使用するエンジンによって異なります。 一般的なオプションは次の2つです。

• テクスチャ座標
• 普通

UVが3Dオブジェクトに適用される場合、作成された継ぎ目は、継ぎ目に沿った頂点を共有できないことを意味します。 したがって、一般的な場合、縫い目は避けてください（図8を参照）。









図8. UV縫合テクスチャー。



表面を適切に照明するために、各頂点には通常、法線（表面からのベクトル）が保存されます。 共通の頂点を持つすべてのポリゴンは1つの法線で定義されるため、その形状は滑らかに見えます。 これはスムーズシェーディングと呼ばれます。 各三角形に独自の法線がある場合、ポリゴン間のエッジが顕著になり、表面は平らに見えます。 したがって、これはフラットシェーディングと呼ばれます。 図9は、2つの同一のメッシュを示しています。1つはスムーズシェーディングで、もう1つはフラットシェーディングです。









図9.スムーズシェーディングとフラットシェーディングの比較。



この滑らかなシェーディングジオメトリは18個の三角形で構成され、16個の共通の頂点があります。 18個の三角形のフラットシェーディングでは、頂点が共有されないため、54（18 x 3）の頂点が必要です。 2つのメッシュのポリゴン数が同じであっても、レンダリング速度は依然として異なります。

フォームの重要性

GPUは、主に多くの操作を並行して実行できるため、高速で動作します。 GPUマーケティング資料は、多くの場合、同時に実行できるGPUの数を決定するパイプラインの数に焦点を合わせます。 GPUがポリゴンを描画すると、ピクセルの正方形を埋めるための多くのパイプラインのタスクが提供されます。 これは通常、8 x 8ピクセルの正方形です。 GPUは、すべてのピクセルがいっぱいになるまでこれを続けます。 明らかに、三角形は正方形ではないため、正方形内の一部のピクセルは三角形の内側にあり、他のピクセルは外側にあります。 機器は、三角形の外側にあるものも含め、正方形内のすべてのピクセルで機能します。 正方形のすべての頂点を計算した後、機器は三角形の外側のピクセルを破棄します。



図10は、描画に3つの正方形（タイル）が必要な三角形を示しています。 計算されたピクセル（シアン）のほとんどが使用され、赤で表示されたピクセルは三角形の境界を超えて破棄されます。









図10.三角形を描くための3つのタイル。



図11のポリゴンとまったく同じピクセル数ですが、ストレッチされているため、塗りつぶすためにより多くのタイルが必要です。 各タイル（赤い領域）の結果のほとんどは破棄されます。









図11.ストレッチ画像のタイルの塗りつぶし。



レンダリングされるピクセル数は、要因の1つにすぎません。 多角形の形状も重要です。 効率を上げるには、長くて狭いポリゴンを避け、辺の長さがほぼ同じで、角度が60度に近い三角形を優先するようにしてください。 図12の2つの平面は、2つの異なる方法で三角形分割されていますが、レンダリングすると同じように見えます。









図12. 2つの異なる方法で三角形分割された表面。



ポリゴンとピクセルの数はまったく同じですが、左側のサーフェスは右側よりも長くて狭いポリゴンであるため、レンダリングが遅くなります。

再描画

6点の星を描くには、図13に示すように、10個のポリゴンのメッシュを作成するか、2つのポリゴンから同じ形状を描画します。









図13. 6角の星をレンダリングする2つの異なる方法。



10個よりも2個のポリゴンを描く方が速いと判断できます。ただし、この場合、星の中心のピクセルが2回描画されるため、これはおそらく間違いです。 この現象はオーバードローと呼ばれます。 本質的には、ピクセルが複数回再描画されることを意味します。 再描画は、レンダリングプロセス全体で自然に発生します。 たとえば、文字が列によって部分的に非表示になっている場合、列が文字の一部と重なっているにもかかわらず、文字全体が描画されます。 一部のエンジンは複雑なアルゴリズムを使用して、最終画像では見えないオブジェクトのレンダリングを回避しますが、これは難しい作業です。 CPUは、描画するためにGPUを使用するよりも、レンダリングする必要のないものを把握するのが難しい場合があります。



アーティストとして、あなたは再描画を取り除くことができないという事実に同意する必要がありますが、見えない表面を取り除くことは良い習慣です。 開発チームと協力している場合は、ゲームエンジンにデバッグモードを追加して、すべてが透過的になるように依頼してください。 これにより、削除可能な非表示のポリゴンを見つけやすくなります。

床に引き出しの実装

図14は、単純なシーンを示しています。床に立つ箱です。 床は2つの三角形のみで構成され、ボックスは10個の三角形で構成されています。 このシーンの再描画は赤で表示されます。









図14.床の上に立つ引き出し。



この場合、GPUは、見えないという事実にもかかわらず、床の一部を引き出しで床に描画します。 代わりに、ボックスの下の床に穴を作成した場合、図15からわかるように、より多くのポリゴンを受け取りますが、再描画ははるかに少なくなります。









図15.再描画を避けるための引き出しの下の穴。



そのような場合、それはすべて選択に依存します。 場合によっては、ポリゴンの数を減らして見返りに再描画する価値があります。 他の状況では、再描画を避けるためにポリゴンを追加する価値があります。 別の例：以下に示す2つの図は、点が突き出ている同じ外観の表面メッシュです。 最初のメッシュ（図16）では、チップは表面にあります。









図16.チップは表面にあります。



図17の2番目のメッシュでは、再描画の量を減らすために、チップの下の表面に穴が開けられています。









図17.チップの下に穴が開けられています。



この場合、多数のポリゴンが穴をカットするために追加され、そのいくつかは狭い形状をしています。 さらに、削除した再描画の表面はあまり大きくないため、この場合、この手法は効果的ではありません。



あなたが地面に立っている家をモデル化していると想像してください。 作成するには、地球をそのままにするか、家の下の地面に穴を開けます。 再描画は、家の下に穴が開けられていない場合に多くなります。 ただし、選択は、プレーヤーが家を見るジオメトリと視点によって異なります。 家の土台の下に地球を描くと、家の中に入って見下ろすと大量の再描画が作成されます。 ただし、飛行機から家を見た場合の違いはそれほど大きくありません。 この場合、ゲームエンジンにデバッグモードを設定して、表面を透明にして、プレーヤーが見える表面の下に描かれているものを確認できるようにすることをお勧めします。

ZバッファーにZ競合がある場合

GPUが2つのオーバーラップするポリゴンを描画するとき、どちらが他方の上にあるかをどのように判断しますか？ 最初のコンピューターグラフィックス研究者は、この問題の調査に多くの時間を費やしました。 Ed Catmell（後にPixar and Walt Disney Animation Studiosの社長になった）は、このタスクに対する10の異なるアプローチを概説した記事を書きました。 記事の一部では、コンピューターにピクセルごとに1つの深度値を格納するのに十分なメモリがある場合、この問題の解決策は簡単になると彼は述べています。 1970年代および1980年代には、これは非常に大量のメモリでした。 ただし、今日のほとんどのGPUは次のように機能します。このようなシステムはZバッファーと呼ばれます。



Zバッファ（深度バッファとも呼ばれます）は次のように機能します。各ピクセルに深度値が関連付けられています。 機器がオブジェクトを描画するとき、カメラからピクセルがどれだけ離れて描画されるかを計算します。 次に、既存のピクセルの深度値をチェックします。 新しいピクセルよりもカメラから遠い場合、新しいピクセルが描画されます。 既存のピクセルが新しいピクセルよりもカメラに近い場合、新しいピクセルは描画されません。 このアプローチは多くの問題を解決し、ポリゴンが交差しても機能します。









図18.デプスバッファーによって処理された多角形の交差。



ただし、Zバッファの精度は無限ではありません。 2つのサーフェスがカメラからほぼ同じ距離にある場合、GPUが混乱し、図19に示すように、サーフェスの1つをランダムに選択できます。









図19.同じ深さの表面には表示上の問題があります。



これはZファイティングと呼ばれ、非常にバグが多いようです。 多くの場合、Zコンフリクトは、カメラからの距離が遠いほど悪化します。 エンジン開発者は、この問題を解決するために修正を組み込むことができますが、アーティストが十分に近く、互いに重なり合うポリゴンを作成した場合、問題が発生する可能性があります。 別の例は、ポスターが掛かっている壁です。 ポスターは、カメラから背後の壁とほぼ同じ深さにあるため、Zコンフリクトのリスクは非常に高くなります。 解決策は、ポスターの下の壁に穴を開けることです。 これにより、再描画の量も削減されます。









図20.重複するポリゴンのZコンフリクトの例。



極端な場合、オブジェクトが互いに接触している場合でもZの競合が発生する可能性があります。 図20は床の引き出しを示しています。引き出しの下の床に穴を開けていないため、床が引き出​​しに接する端の隣でzバッファを混同する可能性があります。

描画呼び出しを使用する

GPUは非常に高速になりました-非常に高速なため、CPUがそれに追いついていない可能性があります。 GPUは基本的に1つのタスクを実行するように設計されているため、すぐに作業を開始するのがはるかに簡単です。 グラフィックスは本質的に複数のピクセルの計算に関連しているため、複数のピクセルを並行して計算する機器を作成できます。 ただし、GPUはCPUをレンダリングするために注文したもののみをレンダリングします。 CPUがGPUにデータをすばやく「フィード」できない場合、ビデオカードはアイドル状態になります。 CPUがGPUに何かを描画するように命令するたびに、それは描画呼び出しと呼ばれます。 最も単純な描画呼び出しは、1つのシェーダーと1つのテクスチャセットを含む1つのメッシュのレンダリングで構成されます。



フレームあたり100の描画呼び出しを転送できる低速のプロセッサと、フレームあたり100万のポリゴンを描画できる高速のGPUを想像してください。 この場合、理想的な描画呼び出しは10,000個のポリゴンを描画できます。 メッシュが100個のポリゴンのみで構成されている場合、GPUはフレームごとに10,000個のポリゴンのみを描画できます。 これは、GPUがアイドル状態になる時間の99％です。 この場合、メッシュ内のポリゴンの数を失うことなく簡単に増やすことができます。



描画呼び出しの構成要素とそのコストは、特定のエンジンとアーキテクチャに大きく依存しています。 一部のエンジンは多くのメッシュを1つの描画呼び出しに結合できます（バッチ処理、バッチ処理を実行します）が、すべてのメッシュは同じシェーダーを使用するか、他の制限を持つ必要があります。 VulkanやDirectX 12などの新しいAPIは、プログラムがグラフィックスドライバーと通信する方法を最適化することでこの問題を解決するために特別に設計されており、単一フレームで転送できる描画呼び出しの数を増やします。



チームが独自のエンジンを作成している場合は、エンジンの開発者にドローコールの制限を尋ねてください。 UnrealやUnityなどの既製のエンジンを使用する場合は、パフォーマンスベンチマークを実行して、エンジンの機能の制限を決定します。 速度を低下させることなくポリゴンの数を増やすことができる場合があります。

おわりに

この記事が、レンダリングパフォーマンスのさまざまな側面を理解するのに役立つ良い入門書となることを願っています。 さまざまなメーカーのGPUでは、すべてが独自の方法で少し実装されています。 特定のエンジンとハードウェアプラットフォームに関連する多くの予約と特別な条件があります。 プロジェクトで推奨事項を使用するために、レンダリングプログラマーとのオープンな対話を常に維持します。

著者について

Eskil Steenbergは、ゲームとツールの独立した開発者であり、コンサルタントとして、また独立したプロジェクトで働いています。 すべてのスクリーンショットは、エスキルが開発したツールを使用したアクティブなプロジェクトで撮影されました。 Quel Solaarの Webサイトと@quelsolaarのTwitterアカウントで、彼の作品について詳しく知ることができます。