日: 2016年7月15日

LightWaveで二次元キャラ系人物モデリング奮闘記 ―肌の質感編―

最終更新：2016/10/01

3DCGにおける肌の質感の設定については本当に色々な方法があって、目的にも大きく影響される。アニメーションやゲームの場合はリアルタイム性が重視されるので、可能な限りレンダリング時間を短縮する目的でテクスチャのカラー・マップを最大限に利用して擬似的に肌の質感を再現する。静止画で写実的表現を重視する場合は拡散レベル（Diffuse）、反射光（Specular）、光沢（Glossiness）などのテクスチャ・マップに加えてSSSを使うこともあるけど、写実的表現を追求すると概してレンダリング時間は長くかかる傾向にある。

テクスチャのカラー・マップによる肌の質感の再現はローポリゴン・モデルなどで一般によく行われているので、ここではSSSについてとりあげる。SSSというのは、サブサーフェース・スキャタリング（Sub-Surface Scattering）の略で、透過性を持つ積層構造と見なせる物体に光が入射した時に反射と散乱を繰り返す現象を模擬する技術のこと。日本語では表面下散乱とも呼ばれる。比較的新しい技術で、2000年くらいまでは肌の質感の再現には大変な苦労があった。

他の哺乳類に比べて無視できるほど体毛が薄い人間の皮膚がそういった現象を起こす最たるもので、最も上にある表皮層（美容分野などでは一般に角質層とも呼ばれる）は実際には乳白色の半透明で表皮そのものが肌色をしているわけではない。光は一度表皮層を透過し、その下の真皮層や血管を通して見える血液の色に反射した後、再度入射した表皮層で散乱することによって肌色に見えている。人物の向こうに強い光源がある、いわゆる逆光の状態にある時、表皮層に浅く入射した光が真皮層に達しないでそのまま通過してしまい、皮膚の外縁部に回折現象を起こすことがある。他にこういった現象を起こす物として大理石や牛乳などがある。

LightWaveでSSSを実現するにはノードを使うしかない。SSSを想定したノードと一口に言っても次のような種類のノードがある。レガシー系のSSSノードは過去の作品で使っていた場合のために残してあると言ってもよく、新しく使う必要性はあまりない。

  • レガシーSSSノード
    • Omega
    • Theta
    • Kappa
    • Kappa2
  • SSSノード
    • Sigma
    • Sigma2
    • SSS
    • SSS2
  • 人間の皮膚に特化したSSSノード
    • Simple Skin
    • Fast Skin

ここでは最も人間の皮膚の再現に適したSimple Skinノードを使うけど、LightWave 11でレンダーの仕様が見直されたため、同じ設定でもLW11の前後でレンダリング出力が異なるようになった。

LightWave 10.x

Simpke Skinの設定は次の画像のとおり。Diffuse Color以外はほとんど初期設定のまま。第一表皮層（Epidermis Distance）と第二表皮層（Subdermis Distance）の深さを100mmと大きく設定してあるのは、影の輪郭が鋭く出ないようにするため。本当の人間の皮膚ならこんな数値はありえないんだけど、あくまでも目指しているのは二次元イラスト風なので、表面が柔らかく見えることを重要視した。

ノードの接続については画像を示さないけど、Simpke SkinノードのMaterial出力をSurfaceのMaterialに入力するだけでいい。

SSS000

サーフェースの基本設定でノードを有効にする。ノードを有効にすると他の設定は無効になるため、この画像のとおりでなくても問題ない。

SSS001

Simple Skinは環境の背景色の影響を強く受ける。LW10では背景色をかなり暗くしておかないと肌の色が白く飛んでしまう。

SSS002

LightWave 10によるレンダリング出力が次の画像。unReal Xtreme2のCelPainterシェーダよりは自然な感じなった。拡大しないとわかりにくいけど、unReal2のサーフェース貫通設定をしてある前髪にノイズが出ている。ノイズは気になるものの、これが基準になる。

SSS003

なお、背景はアルファ・チャネルとして出力したので画像編集ソフトウェアでバージョンの違いがわかりやすいように白に変更してある。

LightWave 2015.x

LightWave 2015ではSimple Skinの設定がLW10とまったく同じではレンダリング出力を近似させられないので、第一表皮層（Epidermis Color）と第二表皮層（Subdermis Color）の色の明度を最大にしてある。

SSS004

具体的には、LightWave 11から新しくなったカラーピッカーでHSVのV値を最大の255にする。また、Diffuse ColorもLW10と同じ設定だとかなり赤っぽく出るので、黄色寄りの乳白色にしている。感覚的にはLightWave 2015のほうがDiffuse Colorの影響を強く受けるように思える。

SSS011

サーフェースの基本設定はLW10と同じ。ノードを有効にすると他の設定は無視される。「Vスタックから除外」のチェックは必ず外しておく。

SSS005

背景色をLW10と同じ設定にしていると次の画像のように肌の色が暗く出る。

SSS010

この問題を回避するため、特殊効果ウィンドウで背景色を白に設定する。

SSS006

次の左の画像がLightWave 2015によるレンダリング出力。右のLW10のレンダリング出力と比較して右足と顔のハイライトの面積が狭くなったけど、スカート下の影などで若干見受けられたシェーディングの不自然さがなくなった。サーフェース貫通設定がしてある前髪のノイズもまったく出ていないわけではないけど大幅に軽減された。SSSに関してだけ言えばレンダーの性能は向上していると言えそう。Simple Skinの設定をバージョンを超えて等価にする方法が今のところ不明のため、LW10とまったく同じ出力を得るのは難しそうだ。

SSS007
LightWave 2015
SSS003
LightWave 10

「Vスタックから除外」について

LW10まではサーフェースの「Vスタックから除外」設定はしてあってもしてなくても結果に違いはなかったので無頓着だったけど、LW2015では厳格化されたようで、「Vスタックから除外」にチェックを入れているとSSSが正常に処理されなくなる。

SSS008

具体的には、レンダリング出力が次の画像のようになる。手や足の露出している部分がDiffuse Colorとは関係ない灰色になり、顔にも顎のあたりに灰色のノイズが出ている。

SSS009

Vスタックというのはヴォリューム・スタッキングのことで、マニュアルを読んだ限りでは片面ポリゴンで囲まれた三次元空間を風船のような何もない空間ではなく固体の塊として扱うものらしい。従来は適切に処理されていなかったSSSや透明サーフェースの屈折レイトレースが最適化されるということらしいけど、Vスタックから除外するほうが良い具体例がないので、ちゃんと理解できてはいない。

途中経過

SSSは通常のレイトレースでは得がたい良好なレンダリング出力を得られるのが長所だけど、unReal2のようにグラディエントでハイライトや影の色を明示的に指定できるわけではないので再現したい肌の色がはっきり決まっている場合にはテスト・レンダリングを繰り返す必要があり、調整に時間がかかるのが短所。

SSS007

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