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−3DCGテクニックうんぬん−

　3DCGを扱う時の基本的なテクニックや、 glclockで使っているちょっとしたテクニックを紹介します。
　 OpenGL依存の部分もありますが、3DCGのプログラミングをやろうという人には少しは
役に立つでしょう！ 立つと思う... 立ってほしい... 立つかなぁ... 立たないか... (^^;;

ただし、3DCGについて、ある程度の知識が必要になります。

シェーディングうんぬん
　立体感を高めるための重要な処理の一つ、シェーディング（照光処理）についてちょこっと。まずは基本的なことから。
　材質表面での光の反射に関しての基礎知識が前提になりますのでよろしぅ。

素材(マテリアル)の表現
　シェーディングで表面のさまざまな素材を表現する場合、ディフューズ(拡散反射)・スペキュラー(鏡面反射)とその広がりの指数（鋭さ）などのバランスがポイントになります。
　ざらざらした材質（コンクリート、段ボール etc.）はディフューズが高く、スペキュラーはほとんどありません。
　つるつるした材質（プラスティックやニスがけした材木、大理石 etc.）はディフューズに加え、スペキュラーも高くシャープになります。 またこのような材質では、ハイライト（淵のキラリと光る光沢）は光源と同じ色になります（ビリヤードのカラーボールのハイライトは、照明の色とおんなじですよね）。
　金属はまたこれらとは一味違った特性をもっています。 表面が滑らかなほどディフューズは低く、ハイライトは表面の色を帯びて光ります。 つまり、黄金のハイライトは黄色なわけです（正確には光の入射角によって変化しますが）。
　これらの特性を意識して各反射率をセットすれば、現実感も増すでしょう。

法線ベクトルのちょっとした使い方
　ハイライトは、物体表面と光線の入射角だけでなく、物体表面と視線の入射角によっても変化します。 これは、プラスティックの物体を眼の位置を変えながら眺めると、光沢も変化するこからも分かります。 このことはさらに、まっ平な鉄板の表面を同じ場所から見つめても、鉄板の位置によって光り方が異なるという事実も意味しています。
　しかし、リアルタイムにシェーディングを行う場合には、高速化のため視線は固定して計算することが多くなります（OpenGLでは、GL_LIGHT_MODEL_LOCAL_VIEWERの設定）。 頂点単位にベクトルを再計算する手間が省けますからね。
　でも、でも、これだとどうしても平らなポリゴンの質感が悪くなっちゃいます。困ったもんだ。
そこで、こうゆうのはどうでしょうか？
つまり発想を転換し、逆に平らなポリゴンの向き（法線ベクトル）を頂点単位で意図的にずらすのです。 平らなポリゴンの各頂点の法線ベクトルを少しずつ外向きにずらしてやると . . . 。
ただし、スムーズシェーディングする必要があります。
　glclockでは、時計の文字盤や表面のガラスにこの方法を使ってます。もちろん、厳密には明らかに間違った指定をしている訳ですが、見た目は悪くないでしょう . . . (^^;;

スムーズシェーディングの使いどころ
　スムーズシェーディング（ここではグーローシェーディングを指すことにします）は、 ポリゴンの境界を自然に目立たなくできます。うまく使えば実際のポリゴン形状よりもはるかに滑らかな（に見せかける）表現ができるでしょう。
　しかし！大きな声で言いたい！！
何でもかんでもスムーズシェーディングするのはやめよう！！！
　スムーズシェーディングはあくまで見せかけの技術ですから、調子にのって使いすぎると逆に不自然さを目立たせる結果になります。特に表面に鋭いハイライトがあると、不自然さが顕著に現れてきます。
glclock -q 1 -u 1 -v 1
で実行すると、そのことがなんとなく理解できると思います（マウスなどで回転させたりすると分かりやすい）。
　あっいや、ちょっと違いますね...スムーズシェーディングするのは別にいいんです。 ただ、滑らかに繋ぐ必要のないポリゴン同士の共有頂点に、同じ法線ベクトルを使うなってことです。
　立方体なんかが良い例でしょう。スムーズシェーディングの効果を図示するために、フラットとスムーズにシェーディングした立方体を並べた例をよく見かけます。 当然スムーズにした方は、頂点同士の色が補間されて見るカゲもないのに（ハイライト付きだとさらにひどい）、 「スムーズシェーディングの方がよりリアルに見える」などと恥ずかしげもなく書いてあったりします。 本気でそう思っているのか....もう、笑っちまいます。
　立方体の頂点を補間するってことは、立方体を球体にでも見せかけたいのでしょうか？ まあ、スムーズシェーデイングがどれだけ強引な処理かを理解するには良いかもしれませんが...。

　目的を勘違いしてはいけません。本来滑らかな部分が、 ポリゴン数の限界でどうしても作れないため、それを何とか疑似的に滑らかに見せかける技術がスムーズシェーディングなんです。 ですから、もともと滑らかでない物に使う意味なんて皆無です。逆にリアリティを損なうだけです。 glclockだって、何も考えずに頂点の法線に共有ポリゴンの法線の平均を使ったりしたら、明らさまに質感を損ねます。
　生物なんかはそうとも言い切れませんが、実際の物質には必ず滑らかにするべき部分とそうでない部分があるはずです。それを見極め、適所で使うべきでしょう。

テクスチャマッピングうんぬん
　物体の素材を表現するためのもう一つの効果的な処理、テクスチャマッピングについてです。これも使い方しだいで、大したことのない表現にも、素晴らしい表現にもなるでしょう。
　OpenGLのテクスチャマッピングで本物っぽい表現を行うには . . . 。

テクスチャのシェーディングはリアル？
　本物っぽい表現を行うため、テクスチャマッピングにシェーディングを施したい時があります。 単純な方法では、シェーディングの結果でテクスチャマップの色を変調するでしょう。
　しかし、これだけではあまり本物っぽい表現はできません。まあ、見た目には綺麗だし、金属表現はそこそこできますが、プラスティックなどのハイライトの表現がいまいちになります。何かいかにもCGっぽくて、現実味がないでしょう。
　これは、ハイライトまでがテクスチャの色に変調されてしまっているためです。 上でも書いたように、プラスティックなどのハイライトは光源の色になります。 ところがこの方法では、テクスチャの色になってしまうんですね（つまりは金属っぽいハイライトになるってこと）。

テクスチャとシェーディングの共存
※ここで述べるテクニックは、OpenGL-1.1までの仕様の場合です。 OpenGL-1.2では、テクスチャをディフューズでシェーディングした後に スペキュラー要素によるハイライトを重ねて描くモードがあるため、 こんな方法を取らなくても綺麗なハイライトを描画できるようです。
　また、これはDirect3Dでも同様です。

　OpenGLやDirect3Dなどの最近の3DCGのAPIは、アルファブレンディング（混合処理）をサポートしています。 通常これは、半透明なオブジェクトの描画に使用されています。 しかし、これにはまだまだ面白い使い方があります（考えればすぐに分かることですけどね）。
　先程の話に戻りますが、テクスチャの変調ではハイライトをうまく表現できませんでした。この原因を少し考えてみましょう。
　通常テクスチャマッピング（明確に区別するためピクチャマッピングといった方が良いかな）は、 物体表面の色彩を表現するために利用しますね。 つまり究極的には、ディフューズ反射係数を細かく指定するテーブルとして使いたい訳です。
　これは素材マッピングのようなシェーディングの考え方です。 テクスチャをラスタライズ時の色としてではなく、 各（ディフューズやスペキュラーの）反射係数や、法線情報としてマッピングする訳です（DirectX6では フォンシェーディングが正式にサポートされるのと、 イミディエイトモードでの頂点形式を自由に組合せて使用できるらしいので、 このようなマッピングを行ってリアルな材質感を表現できそうです。でもまあ、最初のうちは実用に耐えないでしょうが...）。 で、あとはそれぞれのシェーディング結果を加算すればOKです。

　ちょっと話が膨れましたが、結局ここで言いたかったのは、 テクスチャマッピング（ディフューズ）と スペキュラーのシェーディングというものは、本来別々に処理を行って加算するものであるということです。
　だったらここでも、ディフューズとスペキュラーを分けてシェーディングすればいいじゃないですかぁ。 つまり . . . 、
　まずテクスチャマッピングの色を、ディフューズだけを考慮したシェーディングで変調して描画します。
　次に、今度はスペキュラーだけを考慮したシェーディングを行い、これを先の描画の上からラップします。 同じ座標のポリゴンをアルファブレンディングで重ねれば、ほうら綺麗なハイライトのでき上がりです。
　-s 2 と -s 3 オプション（ソリッドテクスチャマッピング）の結果を見比べるとこのことが何となく分かるでしょう（単純に綺麗なのは -s 2 、本物っぽいのが -s 3 かな）。

　ラップの処理をする際は、デプス関数をGL_LEQUALにセットし、さらにデプスバッファの書き込みを禁止するのを忘れないように（無駄が増えます）。 描画する座標は一切変化していないため、デプスバッファは先に描いたもの（ディフューズでの描画）をそのまま読み取り専用で利用できるのです。

リアルなハイライトってどんなの？
　ここまでで、割と本物っぽい表現ができるようになりました。 まあ、ちょっとニスがけした木材くらいの表現にはこれで充分と言えるでしょう。
では、もっともっと光沢のある、磁器や大理石、プラスティックなどではどうでしょうか？
　おそらく、何か本物と違う物足りなさを感じると思います。ううん、何故でしょう？

　そもそも、ハイライトって何でしょうか？

　速攻で解答しちゃいますが、一言で言うなら鏡面反射によって物体表面に映り込んだ光源です。 極論ですが、鏡に映った蛍光灯もハイライトです。 これは重要な事実を表しています。つまり、鏡や磁器、テッカテカのプラスティックなどのハイライトは、 はっきり光源の形を映し出しているということです。
　しかし、OpenGLやDirect3Dなどで実装されているスペキュラー要素によるハイライトの計算は、 あくまで大きさや形を持たない光源を前提とする疑似的な方法です。 もっともよく使われているのは、Phongのモデルと呼ばれるものです（同じPhongですが、フォンシェーディングとは別物です）。
　簡単に言えば、光線が物体表面で正反射した向きと視線の向きがどれだけ近いか（近いほど明るくなる）ということ、それにハイライトのぼやけ具合（ざらざらした表面のハイライトはぼやけて広がります）を加味して計算するだけのものです。 つまり、光源の強さ・向き、視線の向きだけが作用し、光源の形などは全く関係ありません。
　つまりこの方法では、テッカテカの表面に、光源の形がまるごと映り込むようなリアルなハイライトの表現は不可能なのです。
　ところが代わりに環境マッピングを利用することで、これらの問題はあっさり解決します。

環境マッピングを利用する
　環境マッピングとは、いわゆる鏡面反射による背景の映り込みを擬似的に再現する、特殊なテクスチャマッピングの方法です。
　これを使うと、金属のような映り込みをかなり自然に表現することができます（そう言えば最近は、レフレクションマッピングとは呼ばないなぁ）。 間違えてはいけないのは、これはあくまで専用に用意したテクスチャ画像をうまく座標計算してマッピングしているだけであり、 他のオブジェクトを表面に映り込ませるような真の意味での映り込みではないということです。
　で、この環境マッピングをハイライトの表現に利用するわけです。 この方法だと、光源が一個だろうが何十個あろうが処理にはまったく関係ありません。 環境マッピング用のテクスチャ画像に光源を描いておくだけで良いのです。 光源の形も色もそのまま映り込ませることができるため（当然ですね）、かなり写実的に表現できます。
　さらには、グーローシェーディングによるハイライトの不具合まで解決できてしまいます。この不具合は、シェーディング後の各頂点の色を補間することに起因しています。 しかし環境マッピングでは、結果的に各頂点に対応するテクスチャ座標を補間することになります。
　つまり、ピクセル単位でのシェーディングのような効果（実際にはただのテクスチャマッピング）を出せてしまうのです。 疑似的なフォンシェーディングみたいなものです。 いや、フォンシェーディングでさえ実現不可能な光源の形状の映り込みを表現できるのですから、 テクスチャの作り方次第ではずっとリアルになります。シェーディングを一切行わなくても、かなりの表現が可能です。

　この辺りの処理を行うオプションが、-r オプションです。 特に -r 2 は . . . 超超超リアルでしょう！！！！v(^^)（スクリーンショット参照）