LightWaveでメカの多重関節を作る

最終更新:2017/02/10

以前はメカの関節についてはモデラーの中心点移動ツールを使って中心点を関節の駆動部分に指定することで実現していた。今でもこの方法は有効だけど、すべてのパーツを別のレイヤーかオブジェクトとしてあらかじめ分割しておく必要があった。

この方法は、煩雑な設定が不要で簡便なのが長所で、簡単なモデルの場合はいいんだけど、人型ロボットのように見栄えがするようにスタイリングやポージングを懲りたい場合はバランスの調整が難しいという欠点があった。現在はメカにもボーンを組み込んでウェイト・マップを使って関節を動かすのが主流になりつつあるので、単純に今風な方法でないとも言える。

LightWaveでのメカの多関節化についてはノウハウがあまり貯まっていなかったので、人型ロボットのような本格的なメカに取り組む前に数本程度のボーンで構成される簡単な多関節モデルで試してみることにした。

モデラー

今回は、次の画像のようなモデルを用意した。すべての部分が1レイヤー上に配置されている。このうち盾のような部分を三軸で回転させられる可動モデルとしたい。

難しいことはやってないので作り方は省略するけど、5ポイント以上のポリゴンがあるとボーンの旋回に綺麗に追随してくれないことがあり、悪くするとレンダリングした時に無視できないくらいの誤差が生じ、共有しているはずのエッジが分離してしまう不具合を起こすので、極力4ポイント以下のポリゴンに整理しておく。

スケルゴンの構成

モデルには次の画像のような構造の5本のスケルゴンを組み込んである。実際の動作に必要なスケルゴンはCenter、Arm及びShieldのみ。Rootは母機であるパワーユニットを固定するために存在する。Null_BoneはCenterスケルゴンとArmスケルゴンの回転軸のほんのわずかなズレを補うためにあり、動作には直接関係ない。繰り返しになるけど、Rootスケルゴンを最初に作る時だけドラッグで引き切らないと長さがゼロのスケルゴンができてしまうので注意。

モデルの座標情報を参照してスケルゴンの位置を回転の中心軸に可能な限り精密に合わせておく。中心軸になりそうなところにポイントができるように平均統合(Weld Average)ツールなどを利用すると座標を取得しやすい。

Shieldスケルゴンを最終的にはバンク(スケルゴンのヘッドからテイル方向を軸とする回転)で制御したい関係上、他のスケルゴンもすべてバンクで制御することになってしまった。ロボットの腕や脚などを作りたい場合はジンバルロックを避けるためにも極力ピッチで制御するのが常套手段ではある。

画像を示す必要があるかどうかは微妙だけど、スケルゴンツリーは次の画像のとおり。左右の区別の必要があるかもしれないと思って接尾辞に「_L」を付けてあるけど、同じレイヤー上に左右のスケルゴンを置かない場合は必要なかった(上の画像では接尾辞を省略している)。表示上、Null_Boneのウェイト・マップ名も出ているけど、実際のマップは作成していない。

バンクハンドルの設定

これは後でもいいんだけど、レイアウトに移した時にボーンのバンク角に中途半端な値が入ってしまって操作しづらくなることがあるので、スケルゴン回転(Rotate Skelegons)でバンクハンドル(Bank Handle/Pitch Plane)をキリの良い値に設定しておく。3つの値のうち、いずれかひとつを1.000にすればいいんだけど、今回のようにスケルゴンが三次元的に直角に連なっている場合はどっちが前か後ろかはっきりしないので、どこをその値にすればいいのかはスケルゴンにより異なり、これといった決まりがない。レイアウトに移してみないとどうなるかわからないのが実際のところで、こういったところがLightWaveのわかりにくいところ。

スケルゴン編集(Edit Skelegons)でも同様のことはできるけど、数値入力ウィンドウがなく、どうしても誤差が入るので、スケルゴン編集で視覚的に大体整えたらスケルゴン回転で一番大きい値を1.000にするのが一番確実。

ウェイト・マップの作成

各所のウェイト・マップを作成する。ウェイト・マップ名はレイアウトでの作業を簡略化するために、スケルゴンと同じ名前にしておく。メカは基本的に100%か0%かの2値しかないので、MAP値指定(Set Map Value)で割り当てていく。

次の画像は、前後(垂直)方向へ回転させるためのCenterスケルゴンに対応する部分をウェイトシェイドで表示したもの。

同じく、左右(水平)方向へ回転させるためのArmスケルゴンに対応する部分。なお、Centerスケルゴンに対応する部分とはポイントを共有しないように一度分割しておかないと、スケルゴンを回転させた時にねじれてしまう。

最後に、盾の部分をひねり方向へ回転させるためのShieldスケルゴンに対応する部分。

残りの部分にはウェイト・マップを設定しなくても特に問題ないけど、気になるようならRootスケルゴンに対応するウェイト・マップに設定しておくとよい。

スケルゴン回転でチェック

次に、スケルゴン回転(Rotate Skelegons)でうまくスケルゴンとウェイト・マップが連動しているかをテストする。関節になるはずの部分がつながっていたりするようなモデリングのミスに気付くこともある。ここでは、バンク角のみを使用する。

ちなみに、スケルゴン回転でチェックできるのは、ウェイト・マップによる変形のみで、レイアウトにおけるボーンからの距離のフォールオフによる変形の影響をチェックすることはできない。

次の画像は、Centerスケルゴンを指定しての垂直方向の回転のチェック(入力はバンク)。Centerスケルゴンの子スケルゴン以下のすべてのスケルゴンが旋回に追従しているのがわかる。

一度スケルゴンの回転をリセットしてから、Armスケルゴンの水平方向の回転チェック(同じく入力はバンク)。次の画像のように、水平方向にのみ旋回している。

次の画像は、Shieldスケルゴンのひねり方向の回転チェック。同スケルゴンはアームの蝶つがい部分を中心に引いてあるので盾の部分は180°で裏表が反転するように動く。

レイアウト

モデラーで問題ないようであれば、レイアウトに移る。モデルをアイテムの追加で呼び出し、スケルゴン変換かSkelegon Readerプラグインでボーンを組み込む。スケルゴン・エディタを使わなかった場合は、どちらでもほぼ同じ結果になると思う。Skelegon Readerは、スケルゴン・エディタでのバンクの整列などが反映されるけど、スケルゴン変換は反映されないという違いがある。

そのままの状態で、各所のボーンを旋回させると次の画像のようにモデルが大きく歪む。特に、Centerボーンを旋回させた時の歪み具合がひどいけど、場所によってはボーンからモデルが離れてしまっている。ワイヤーフレームで表示させてみると、細かいところであちこち歪んでいるのが確認できる。

これは、ウェイト・マップ以外にもボーンからの距離のフォールオフで変形してしまっているのが原因。オブジェクトの頂点は、接続している一連のボーンによる変形にも影響を受けるので、更に歪みがひどくなる。ウェイト・マップとフォールオフの併用は、モデラーとレイアウトが独立していて二者間を行ったり来たりしなければならないという難点を克服しようと試みたものであり、生物系モデルのアニメーションの場合などはワークフローを改善する。ウェイトの設定が多少雑でもなんとかなるLightWaveの特徴でもあるんだけど、メカの場合はかえって邪魔になる。

そこで、Root、Center、Arm及びShieldの各ボーンのプロパティを次の画像のように変更する。「ウェイトのみ使用(Use Weight Map Only)」にチェックを入れるとボーンのフォールオフの影響をまったく受けなくなる。ただし、無効にも関わらずフォールオフ種はグレーアウトされないので、非常に紛らわしい。

「ウェイト正規化(Weight Normalization)」はデフォルトでチェックが入っているけど、ひとつの頂点のウェイトの合計値が100%を超えないようにするためのもので、今回は100%と0%以外は使っていないので、チェックを入れても外しても変化はない。「固定長の強さで乗算(Multiply Strength by Rest Length)」のチェックは外しておく。

ちなみに、「高速ボーン(Faster Bones)」は影響を受けるボーンを近いものから4本までに限定するもの。ボーンが多くて変形に時間がかかりすぎる場合に使うもので、ここではあまり関係ない。

Null_Boneについては、次の画像のように「ボーン有効(Bone Active)」のチェックを外してボーンそのものを無効にしておく。有効なままにしておくと、モデラーのスケルゴン回転では想定していなかった変形を生じたり、ウェイト・マップを割り当てていない部分全体が回転してしまったり何かしらの影響を与えてしまうことがある。

ボーンの設定が終わると、初期状態で生じていた歪みは解消され、モデラーのスケルゴン回転でチェックしたとおりの旋回を行えるようになる。旋回角度が大きければ大きいほど歪みがひどくなる傾向にあるので、少し回転させて問題ないようなら、デザイン上の制限はともかく180°くらいまで一気に回転させてテストしてみる。これで歪みが解消されているかどうか最終確認ができる。

なお、Shieldボーンが二重になっているように見えるのは、盾を内側と外側に分割して個別に動くように後で改善したため。

完成

以上の方法で多重関節化したモデルが次の画像。大きく前に旋回させても歪みは生じていない。これでLightWaveでも1レイヤー上にデザインした多関節メカのモデルをボーンとウェイト・マップで動かすことができるようになった。

参考記事


LightWaveで二次元キャラ系人物モデリング奮闘記 ―手指FK編―

最終更新:2016/12/05

手の指にはIK(インバース・キネマティクス)を設定しないで、FK(フォワード・キネマティクス)のままにしてある。手の指はFKにすることが多いというので盲目的にそれに倣っていたわけだけど、なぜ手の指だけはFKのほうがいいのかという理由まではよくわかっていなかった。

最近ようやくその理由がわかった。まったく合理的なもので、FKなら「5本の指をひとつのコントローラで一度に操作できる」から。具体的には、5本指の全関節のボーン旋回をまとめて、ひとつのコントローラ・オブジェクトの回転に追従させるようにする。こういった設定を3DCG分野では一般にコンストレイン(Constrain = 拘束)と言う。

手は狭い範囲に関節が集中するところなのでIKを使いたくなるんだけど、IKの場合それぞれの指先にひとつずつゴールオブジェクトが必要になる。指の折り曲げ方の加減を個別に決められる反面、手を握ったり開いたりするような単純な動作をさせる場合でも単純に5本分の手間がかかる。また、IKを設定した関節の角度はゴールオブジェクトの位置から逆算的に求められるので、ある関節だけ曲げ、ある関節だけ伸ばすといった制御が難しくなる。

コンストレインをうまく利用すると、手のおおまかな握り方はコントローラで決定し、それぞれの指の調整が必要な場合は直接指定といったことができるようになる。ただ、それを実現するためには熟慮した設定が必要になるため、IKよりも手間がかかる。リグというのは本当に奥が深くて、直感的な操作を可能にしようとすればするほど設定は複雑になっていく傾向にある。

本記事ではLightWave 2015のGENOMA2を利用しているけど、標準機能のスケルゴンやボーンを利用しても設定可能。LightWaveでいつからコンストレインができるようになったかは定かではないけど、少なくともLW 9.6の頃には既に使えていた。

ボーンの二重化

単純に5本指を握ったり開いたりするだけで良ければ、既存のボーンの「回転アイテム」にコントローラ・オブジェクトを指定すれば全部の指を同時に操作できるようになる。ただ、そうした場合は文字通り回転アイテムに完全に拘束されてしまうので、個別にヘディングやピッチを直接入力してもその値は無効となり、コントローラ以外の方法で指を操作できなくなる。

そこで、コンストレイン用のボーンを作成し、ボーンを二重化する。次の画像は初期状態。

HandFK000

いずれかのボーンを選択し、Ctrl+Cでコピーし、Ctrl+Vで同じ場所にペーストする。次の画像は中指の根元のボーンを選択した状態。

HandFK001

選択を解除しないで拡大縮小ツール(Shift+H)で適度な大きさまで縮小する。アクションの中心は「選択範囲モード」を使用する。

HandFK002

どのボーンがコンストレイン用なのか判別できればいいので、大きさは任意。あまり目立たないようにと思い、だいぶ小さくしてしまって後で選択しにくくなってしまったので、50%前後がちょうどいいかもしれない。

HandFK003

コンストレイン用のボーンを選択し、スナップドラッグ(Snap)ツール(Shift+G)の数値入力ウィンドウで「全ポイント」を指定する。

HandFK004

本来のボーンの根元にスナップさせる。スナップドラッグではポイントの結合はしないので、浮動スケルゴンになっているけど、理論上はこのままでもコンストレイン用のボーンとして機能する。もののついでなので、指の関節の長さを調節した。指の第3関節の長さを100%とした時、第2関節はその75%、第1関節は更にその75%(つまり、第3関節の56.25%)にすると美しく見えるそうだ。

HandFK005

同様にして、5本指のすべてのボーンに対してコンストレイン用のボーンを作成する。手間のかかる作業だけど、リギング作業というのは究極的にはこういう地味な作業の繰り返しなので、目的に対して作業のコストがかかりすぎると思う場合は省略してもいい。そういった割り切りもリギングのうちとも言える。

コンストレイン用のボーンを作成し終わったら、次の画像のように判別しやすいようなスケッチ色をつけておく。また、余裕があったらGENOMAプロパティの「アイテム」タブでアイテム色を「レッド」に設定しておくとレイアウトでも赤いボーンとして表示されるので視覚的に識別しやすくなる。

HandFK006

GENOMA2を使っている場合は、コンストレイン用のボーンに一括でコントローラを指定できる。上の画像で赤色のボーンを選択し、「GENOMA編集」のセットのドロップダウンメニューから「コントローラ」を選択する。

HandFK007

次の画像は5本指のもっとも手のひらに近いボーンのコントローラ設定。握ったり開いたりする他に、指を揃えたりジャンケンのパーのように開いた状態を実現するためにピッチもコンストレインしている。

HandFK008

次の画像はその他の指の関節に相当するボーンのコントローラ設定。指の途中からピッチ方向に旋回してしまうと骨折したようになってしまうので、ヘディング方向だけコンストレインしている。

HandFK009

GENOMA2を利用している場合は、モデラーでボーンの親子関係を変更しておく。これまで使っていたボーンをコンストレイン用のボーンの子になるように設定し、コンストレイン用のボーンをその前の節のボーンの子になるようにする。GENOMAは親子関係を特に指定してある場合はスケルゴンツリーを無視するので、従来のスケルゴンの接続を切り離す必要はない。

途中で頭が混乱してくるかもしれないけど、最悪レイアウトでGENOMAリグを組ませてみて確認してもいいので、地道に作業する。この親子関係を言葉で説明するとわかりにくいので、次のスケマティックビューを見てもらったほうが理解しやすいだろう。

HandFK027

右手への複製

右手は基本的に鏡面X(Mirror X)で左手を複製するんだけど、GENOMAスケルゴンの場合は内部的に様々な設定が入っているので、ただ複製してリネームしただけだと何かの設定が競合又は衝突するようで、レイアウトでGENOMAリグを編成する際にLightWaveがクラッシュする。

そこで、次の画像のようにいったんGENOMAのタグを消去して通常のスケルゴンに戻した。まさかクラッシュするとまでは思っていなかったので右手のボーンを全部削除してしまったんだけど、よくよく考えてみたらボーン・ウェイトの設定も消してしまったことになるので、従来のボーンは活かしておいて、コンストレイン用のボーンだけ鏡面複製するほうが賢明。もし、原因不明のクラッシュが頻発する場合はGENOMAタグの消去を試してみると改善するかもしれない。

HandFK010

右手のセットアップをほとんどやり直す羽目になったけど、右手も左手と同様に設定した状態が次の画像。

HandFK011

コンストレイン用のボーンにはボーン・ウェイトを設定してなくても大丈夫だとは思うんだけど、左手と重複するウェイトが設定してあるのはさすがに問題なので、スケルゴンツリーで確認しておく。

左手を右手に複製した時にポイントを共有するボーンがすべて結合されてしまったので、ツリーとしてはかなり不可解な状態になっている。GENOMA2を使わない場合は、このままレイアウトにもっていって、親子関係をSceneEditorなどで修正することになる。

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スケルゴンツリーの「ウェイトマップ」欄をダブルクリックするとボーン・ウェイトの設定を変更できるので、左手のウェイトが割り当たっている場合は右手のものに変更する。

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コンストレインの設定

手を握ったり開いたりする動作は人差し指から小指まで同じヘディングで制御するので設定は同様でいいんだけど、指を水平に開いたり閉じたりする動作はピッチ制御で行うので、中指を基準(0倍)にして外側に行くほど大きくなるように倍率を変えて設定する。次に例示する各設定はGENOMA2を利用した場合のもの。

中指

自分の手を動かしてみればわかると思うけど、指を水平方向に開いたり閉じたりしても中指はほとんど動かない。これを利用してピッチの基準にする。コントローラ・オブジェクトのピッチに影響を受けないように、「x / +」の「x」側を「0.0」にする。

なお、GENOMA2で「回転アイテム」を指定しておくこともできるけど、モデラー上に存在しないアイテム名を指定するとレイアウトでGENOMAリグの作成に失敗する。今回はレイアウトで後付けでコントローラを追加するので「NONE」のままにしている。

HandFK014

GENOMA2を使わない場合は、レイアウトで次の画像のように設定する。「回転アイテム」に指の制御用のNullオブジェクトを指定してある。他の設定は同様なので、中指だけ例示しておく。

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薬指

薬指はコントローラのピッチの影響を通常通り受けるので、「x / +」の「x」側を「1.0」のままにしておく。水平方向に開く方をピッチのプラスにしているけど、マイナス方向にしたい場合は「-1.0」にすればいい。

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小指

小指は薬指よりも更に外側に開くので、「x / +」の「x」側を「2.0」にし、コントローラのピッチの影響を2倍にする。

HandFK016

人差し指

人差し指は薬指とは反対方向に開くので、正負を反転させる。「x / +」の「x」側を「-1.0」にし、コントローラのピッチの影響を逆にする。

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親指

親指が結構難問で、次の画像の設定でもうまくいっているかどうかは今のところなんとも言えない。親指は他の指とは異なり、握り方向がピッチに寄っているので、少なくとも追跡するコントローラの成分を入れ換える必要がある。ヘディングはコントローラのピッチを、ピッチはコントローラのヘディングを追跡するようになっている。右手の場合は更に正負を逆転させる必要が出てくることもあるので、予想しきれなくなったらレイアウトでテストしてみて影響量を判断する。

HandFK018

リグのテスト

レイアウトでGENOMAリグを作成した後、コントローラ用のNullオブジェクトを作成し、コンストレイン用のボーンに参照させる。コントローラの指定はSceneEditorで複数のボーンを一度に選択して右クリック、「操作」-「モーションオプション」でまとめて設定できるので、GENOMAの使用に関わらず片手ごとに1回で済むはず。

なお、コントローラ用のNullオブジェクトは手首のIK用のNullオブジェクトの位置にコンストレインしてある。コントローラはできれば手に近い場所にあったほうがいい。

次の画像はGENOMAリグを作成した直後のニュートラルの状態。赤く見えるのがコンストレイン用のボーン。

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次の画像はコントローラのピッチを「10°」に設定した状態。水平方向に指が開いているのがわかる。

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次の画像はコントローラのピッチを「-10°」に設定した状態。水平方向に指が揃えられているのがわかる。

HandFK021

次の画像はコントローラのヘディングを「30°」に設定した状態。5本の指が一斉に握る方向に曲がっているのがわかる。

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次の画像はコントローラのヘディングを「30°」、ピッチを「-10°」に設定した状態。5本の指が揃えられた状態で握る方向に曲がっているのがわかる。これでコンストレインのテストは終了。

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次に、コントローラのヘディングを「80°」、ピッチを「-10°」に設定し、ジャンケンのグーの状態にした上で、コンストレインで拘束されていない青いボーンを選択し、ヘディングを「-80°」にすることで人差し指と親指を伸ばしている。コンストレインで拘束されている赤いボーンは下を向いているけど、強制的に前を向かせているのがわかる。

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GENOMA2での親子関係の設定が正しくできていれば、SceneEditorにおけるボーンの階層構造は次の画像のような形になっている。GENOMAを使わない場合は、このようなツリーになるように親子関係を設定する。親子関係を変更することでオブジェクトの形状が崩れてしまう場合はコンストレイン用のボーンのボーン・ウェイトを削除するか、「中心点回転記録」を有効にすると改善することがある。

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途中経過

レイアウトでの操作を簡単にするためとは言え、リグを結構本気でやろうとすると非常に手間がかかることがよくわかった。CGアニメーションの制作会社にはリグを専門に担当する技術者がいるというのも納得できる。

ただ、手間はかかるものの、このようなリギング作業を済ませておくと、コントローラ・オブジェクトをひとつ回転させるだけで手の握り具合を簡単に制御できるようになり、指の制御を億劫に感じなくなる。一度この感覚を覚えてしまうと、指を1本ずつ操作するのが非常に面倒に思えてくる。

LightWaveの欠点ともされるボーンとモデルの変更がレイアウトに即座に同期しないという特徴も、考えようによってはボーンやNullオブジェクトの設定をまったく変更しないでモデルのレイヤーだけ入れ換えることで別の人物モデルにリグをすべて移行できるということでもあるため、大変な思いをするのは一度だけでいいという長所にもなる。

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指の関節の長さを見直してみたけど、苦労した割にはあまり変わっていない気もする。たぶん、太さや曲がり始める箇所のウェイトの見直しも同時に必要なのだろう。

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参考記事


LightWaveで二次元キャラ系人物モデリング奮闘記 ―まつ毛編―

最終更新:2016/09/06

今回はまつ毛のモデリング。まつ毛の話は最初のほうの顔のモデリングで少ししたけど、最終的にモデリングで作るのか、テクスチャで描くのかを決めずに仮設のまま放置していた。大幅に順序が前後するけど、瞳をすり鉢状にしてディテールを改善したことだし、まつ毛もモデリングで作ることに決め、ここで詰めていくことにする。

ボーン・ウェイトの記事でも少し触れたけど、ここでウェイト・マップを応用したサーフェースのパラメータ調整にも挑戦してみる。

頭の連続したポリゴンだけを取り出すと、現状は次の画像のようになっている。ちなみに、頬の紫色と首の赤色のスケッチ色は「法線の折り目」検出を使わずに顎のラインの境界線をunReal Xtreme2に確実に認識させるためのもの。

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まつ毛のモデリング

まずは仮設のまつ毛の黒いポリゴンをすべて削除し、次の画像のようにまつ毛の裏打ちとして残しておいた眼窩の周囲のポリゴンを選択する。細かい部分なのでサブパッチは一時解除しておいたほうが作業しやすい。対称モード(Shift+Y)にしておくと左目のモデリングと同時に右目のモデリングも同時に進む。後頭部がガタガタなのはこの際気にしないで欲しい。

Cilia001

例によって拡張プラス(Eキー)でポリゴンを追加し、次の画像のように必要な分だけ前に押し出す。具体的には16mmだったけど、顔のスケールが1m以上あるのでほんの1~2%程度の範囲。

Cilia002

まつ毛用のサーフェースは既に作成済みなので、どこからどこまでがまつ毛なのかわかりやすいように仮設のまつ毛に使っていた色を着けておく。

Cilia003

まつ毛を伸ばしたい側面のポリゴンを選択し、拡張プラスと移動ツールで拡張する。この時点でまつ毛の先端は顔から離れることになる。

Cilia004

拡張したポリゴンの上下、前後のポイントを次の画像のように中央の1点に集約させる。スナップドラッグツール(Shift+G)を使ってもいいし、目標のポイントを中心にして拡大縮小ツール(Shift+H)を使って0%まで縮小してもいいし、ポイント情報で座標を直接入力してもいい。ポイントを結合してしまうとまつ毛の先が尖らなくなってしまうので、例によってポイントは結合しない。

ポイントを結合しないと気持ち悪いということであれば、サブパッチの場合はサブパッチ・ウェイト、キャトマルの場合はエッジ・ウェイトを使って尖らせる。ポイントを結合した場合は線ポリゴンが一定数できるので、忘れずに削除しておく。なお、ポイント結合時に限り対称モードを解除しておかないと左右のまつ毛がつながってしまうのでその点だけ注意。髪の毛と異なり、まつ毛の場合は尖らせたい箇所が数えられるほどしかないので、ウェイトを使うのも手ではある。

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まつ毛の目尻側の下端が眼窩の外側のポリゴンのエッジにも接続していると目を綺麗に囲んでくれないことが判明したので、ポイントの結合を解除(Ctrl+U)し、眼窩の内側に接続し直した。その際、まつ毛の裏側にあたる顔側のポリゴンがひとつ不足するため、ポリゴン作成(Pキー)で三角形のポリゴンを追加した。

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対称モードを適切に使用してモデリングしていれば、左目のまつ毛が完成する頃には右目のまつ毛も概ねできあがっているはず。まつ毛の眼窩の内側への接続し直しとポリゴンの追加だけは左右を個別にやらないといけないので若干効率が悪いけど、テクスチャを使わないことに決めたのだから、そのくらいの手間は惜しんではいけないのかもしれない。

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ウェイト・マップを応用した色調調整

これで終わってしまうとただの作業記録になってしまうので(ブログだから別にそれでもいいのかもしれないけど)、ちょっと新しいことをする。

まつ毛の目頭側の下端がくっきりしすぎているので、少しぼかしたい。モデリングで短くすることも考えたんだけど、パッチ単位でしか短くできないので、大幅に短くなってしまう。そこで、ボーン・ウェイトとは無関係のウェイト・マップを活用する。

新規ウェイト(Weight Map)で「Cilia_Weight」という名称のウェイト・マップを追加する。

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目頭側のポイントに外側から順に「100%」、「50%」のウェイト値を設定する。

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モデラーのプレビューではウェイト・マップの効果を確認できないので、レイアウトでサーフェースの詳細を設定する。色のテクスチャ設定でグラディエント・マップを選択し、次の画像のように50%のキーから100%に向かって肌色になるようにグラデーションを設定する。

Cilia010

かなり微妙ではあるけど、目頭側の色調が若干ぼやけた。もう少し研究が必要そうだけど、やろうとしたことはわかるのではないかと思う。

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途中経過

遠景にするとウェイト・マップによる色調調整はほとんどわからなくなってしまうけど、まつ毛が増量されて目力が更に増し、顔の情報量が増えてきた。そうすると、今度は首から下の情報量の少なさが気になってくる。

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LightWaveで二次元キャラ系人物モデリング奮闘記 ―ボーンウェイト編―

最終更新:2016/09/06

ウェイト・マップと一口に言っても用途は多岐にわたるので、ボーンが移動又は旋回することによってモデルが変形する影響範囲を決めるウェイト・マップをボーン・ウェイトと呼ぶことにする。

ウェイトの設定には「マップ」メニューグループにあるVertex Paintを使用する。簡単なウェイト・マップの設定の場合は同じグループのエアブラシツールやMAP値指定などを使用して設定していくこともできるんだけど、それらのツールは結果がプレビューに反映されるまでに時間がかかり、関節が多く多数のボーン・ウェイトを調整しなければならない人物モデルの場合は作業効率が悪く、微調整くらいにしか使えない。

Vertex PaintがあるおかげでLightWaveはなんとか実用的な3DCGソフトウェアとしての地位を保っていられると言っても過言ではない。古いLightWaveではボーンの組み込みはレイアウトで一発勝負だったため、左右の足のボーンの影響範囲がお互いに干渉し合わないように保険をかける意味で大の字型に人物モデルを作らなければならなかったりなど、今では笑ってしまうような苦労が多かった。

もっとも、そのVertex Paintも動作を軽くするためにサブパッチを適用した状態での表示ができず、厳密を期そうとすればするほど熟練を必要とし、最後にはやはり勘に頼らざるを得ないところが欠点と言えば欠点。サブパッチ適用後の状態を想像しつつトライ・アンド・エラーで補うより他にない。それでも、Vertex Paintがなかった頃よりはセットアップは遥かに楽になった。

ボーン・ウェイトの自動算出

何はともあれVertex Paintを起動する。表示モードは「Weight Value」にし、「Weight」タブを選択する。透視投影の「Pers」モードよりは平行投影の「Ortho」モードのほうが細部は見やすいかもしれない。モデルにはまだウェイトが設定されていないので全体が灰色で表示される。

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今回扱っているモデルにはIK用のものも含めて68本のボーンが組み込まれていて、ひとつひとつ手作業でウェイトを設定していくのは非常に骨が折れる。そこで、ある程度まではボーンの情報を元にVertex Paintに自動でウェイトを計算してもらう。「Calc」タブでフォールオフを「Distance ^ 32」に設定し、「Calculate Weights」ボタンをクリックするとすべてのボーンのウェイトが計算され、ボーンと同数だけのウェイト・マップが作成される。

Weight001

ウェイトが設定された箇所は赤く染まる。ただし、ウェイトを算出するとすべてのボーンのウェイトが再設定され、手動で設定したウェイトは失われてしまうという点には注意しなければならない。

ボーン・ウェイトの手動修正

まずは小手調べにRootボーンのウェイトを変更する。

Weight002

Rootボーンはモデルの変形には関係がないので、ウェイトを消してしまう(消さなくても特に問題にはならないけれど)。「Paint」タブを選択し、「Operation」を「ERA」にして赤い部分をマウスでなぞってみる。ウェイトは頂点に設定されるものなので、頂点付近をなぞると赤い部分の面積が少なくなっていく。グラデーションはあくまでも目安で結構いい加減なので、面の色よりもどの頂点までウェイトの範囲が及んでいるかに注目してペイントするようにする。

Weight003

ペイント・オペレーションには5種類あり、動作は次のとおり。

  • ADD
    加算オペレーション。元のウェイト値にValueで設定したウェイト値を足す。
  • SUB
    減算オペレーション。元のウェイト値からValueで設定したウェイト値を引く。
  • REP
    置換オペレーション。元のウェイト値に関係なく、Valueで設定したウェイト値で置き換える。100%など一定の値で塗りつぶしたい時に便利。
  • ERA
    消去オペレーション。元のウェイト値に関係なく、Valueで設定したウェイト値で塗りつぶす。普通は「0%」に設定して使う。REPオペレーションで「0%」を指定しても同じ。
  • OVR
    上書きオペレーション。Valueで設定したウェイト値が元のウェイト値を上回っている場合だけValueのウェイト値で上書きする。使いどころがあまりない。

Strengthなどの設定はエアブラシのように少しずつペイントしていくためにあるものだけど、RGBAの4チャネルで設定した色をブレンドしていくカラー頂点マップとは異なり、ボーン・ウェイトではパラメータがひとつなのであまり意味がない。

なお、「Brush Size」の隣りにある「Front」ボタンをトグルしてオンにしておくと表面に見えている側だけペイントされる。オフにしていると直接見えていなくてもブラシの範囲内に入った頂点はすべてペイントされる。

「Object」の隣りにある「Save」ボタンをクリックすると実際にモデルのボーン・ウェイトに反映される。ウェイトを変更している状態でVertex Paintを終了しようとすると次の画像のような確認ダイアログが表示される。ここで「Yes」を押せば同様にボーン・ウェイトに反映されるけど、変更の反映は「Save」ボタンで、変更を破棄したい時はダイアログで、と使い分けるようにしておくとうっかり大事な変更を破棄してしまったり、必要ない変更を反映してしまったりするミスを防げる。

Weight004

Vertex Paintが終了したら、モデラーウィンドウ右下の「W」ボタンを押し、頂点マップ名を選択するとボーンと同名のマップが大量にできているはず。

可動部分のボーン・ウェイトの修正例

ひとまずボーン・ウェイトはできたけれど、あくまでも自動算出なので必ずしも想定どおりのウェイトになっていないことがある。ここでは左肩を例にあげてウェイトを修正する。

左上腕のボーンを選択し、スケルゴン回転(Rotate Skelegon)でヘディングを適当な角度まで回して腕を降ろしてみる。サブパッチ適用状態でマウスのドラッグで回転させようとすると動作が重いので、数値入力ウィンドウ(Nキー)を利用するといい。

Weight005

左腕を降ろしてみたところ、次の画像で赤い矢印で示した部分に不具合があった。まず、髪の毛にも左上腕のボーン・ウェイトが影響してしまっていて、想定外の膨らみができている。次に、肩章にあたる部分が強く引っ張られて伸びきってしまっている。伸縮性の高い素材という設定なのであればこれでも問題ないけど、制服のようにほとんど伸び縮みしない服装の場合は型崩れと捉えられる。更にもっと問題なのは、ジャケットの脇に大きな陥没が生じていてインナーが見えてしまっている。重ね着はこのような問題を生じることがあるため、できる限り避けたほうがいい。場合によってはインナーは襟と裾を残して際どいところは削除してしまったほうがいいかもしれない。

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アンドゥ(Ctrl+Z)でスケルゴン回転を元に戻し、再度Vertex Paintを起動する。スケルゴン回転を元に戻さないとスケルゴンが回転したままのモデルが表示されるので注意。左上腕のボーンを選択し、Shift+Aで当該ボーンを中心にして拡大する。確かにボーン・ウェイトの範囲がかなり広いことがわかる。髪の毛にもうっすらではあるけど赤い範囲がある。

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Ctrlキーを押しながら赤いリングを掴んでボーンを回してみる。LightWaveでは赤リングはヘディング(H)、緑リングはピッチ(P)、青リングはバンク(B)と統一されているので、この際レイアウトに移る前に覚えてしまったほうがいい。

プレビューで確認済みだけど、肩章が肩に食い込むように大きく沈み込んでいるのがわかる。髪の毛の変形やジャケット脇の陥没も見受けられる。この状態でサブパッチがかかった状態を容易に想像できるようになれればいいんだけど、慣れが必要なのでVertex Paintの起動と終了を繰り返すことになるのは最初のうちは仕方がない。

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ひとまず、肩章の端に設定されているウェイトを消去して所定の場所に戻す。ボーン・ウェイトを消去する度に変形が復元されていく様子は少し面白い。

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左上の「Edit」ドロップダウンメニューから「Reset All Bones」を選ぶか、Shift+Rでボーンを最初の位置に戻せる。ジャケット脇を陥没させた原因になっていたウェイトも消去すると同時に、左上腕のボーン・ウェイトの範囲を狭くする。ボーンを回してみて、様子を見ながら袖のポリゴンがジャケットにめり込まない程度にウェイトを少し足しておく。ほんの10%程度なので、スクリーンショットではわかりづらい。

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右側へのボーン・ウェイトの複製

左上腕のボーン・ウェイトが設定できたので、右上腕にウェイトを複製する。「Edit」ドロップダウンメニューから「Copy」を選ぶか、Cキーでボーン・ウェイトをコピーする。

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右上腕のボーンを選択する。ボーンを回すまでもなく、左上腕のボーン・ウェイトと同様の問題が起こっているのがわかる。

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左上腕のボーン・ウェイトを左右反転してペーストする。「Edit」ドロップダウンメニューから「Paste -X」を選ぶか、Shift+VでX軸対称ペーストができる。

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左上腕のボーン・ウェイトが右上腕のボーン・ウェイトにも反映された。ただ、右上腕のボーン・ウェイトはジャケットの襟も巻き込んでいるようなので、ERAオペレーションで消去しておく。

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ボーン・ウェイト修正の確認

「Save」でボーン・ウェイトをモデルに反映し、Vertex Paintを終了する。再度、スケルゴン回転で左腕を降ろしてみる。今度は髪の毛の変形、肩章の異常な伸長、ジャケット脇の陥没は見られなくなった。脇が若干苦しいけど、これ以上はボーン・ウェイトでなんとかするのは難しそうなので、どうにもならなくなった時はジャケットのオブジェクトを再検討して修正したほうが良いような気がする。

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このような作業を繰り返して全身のボーン・ウェイトを設定していくわけだけど、慎重な設定を要求されるのは可動範囲の広い肩関節と股関節くらいで、膝、肘、指など曲げ伸ばしが特定の方向のみに決まっている部分は最初の自動算出の時点で大体できてしまっている。

途中経過

ボーン・ウェイトの設定が終わってしまえばリギングはほとんど終わったようなもの。レイアウトでのIKの設定をしなくても次の画像のような簡単なポーズをとらせることはできる。ひとまず両手を水平に広げて両足を揃えた棒立ちの状態からは卒業できた。

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補足

話が混乱するのでボーン・ウェイトのみに絞って書いたけど、ウェイト・マップの応用範囲は広い。これまでにも軽く触れてきたエッジ・ウェイトやサブパッチ・ウェイトの他にも、軟体シミュレーションであるSoftFXを利用してプルプル震えるゼリーを作ったり、布地シミュレーションであるClothFXを利用して足の動きには影響されるけどボーン・ウェイトだけでは実現が難しいスカートの「裾捌き」の再現などの物理演算の影響範囲をウェイト・マップで文字通り「重み付け」することができる。

また、グラディエント・マップにウェイトを入力してサーフェースの各種パラメータに変化を加えることもできる。例えば、自己発光度にウェイトを入力することで、同一のサーフェースを割り当てられた平面上にありながら自己発光度の輝度が異なる部分を作ることができる。そうすることによって、電球のような発光体を奥に仕込んだり、半透明のポリゴンの屈折率を設定したりといった微細な加工を簡略化できる。大きく拡大して見ることが少ない灯火類や人型ロボットの目などの細かな部分に有効。

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