ポリゴンモデリングとは？
ゲーム、映画、製品レンダリングでこれまでに見たほとんどすべての3Dモデルは、ポリゴンメッシュです。そのメッシュが何で構成されているか、そしてその上で行われるいくつかの操作が実際に何をするのかを理解することは、漠然と点を動かすのと意図的にモデリングするのとの違いです。
簡潔な答え
ポリゴンモデリングは、共有されたエッジと頂点で結合された平面（フェース）から3D形状を構築する手法です。単純な形状から始め、押し出し、インセット、ベベル、ループカット、サブディバイドといった操作を加えて、目的の形状へと成形していきます。これらの面の配置、すなわちトポロジーが、モデルの変形、サブディビジョン、テクスチャリングの品質を左右します。
頂点、エッジ、面
ポリゴンメッシュには3つの要素があり、他のすべてはそれらから構築されます。頂点とは空間上の点です。エッジとは2つの頂点を結ぶ直線です。面とは、閉じたエッジのループで囲まれた平面です—3つのエッジで三角形、4つのエッジで四角面が作られます。
したがって、曲面は常に錯覚です。球体は丸いのではなく、数百の平面が配置されており、レンダラーがそれらの間のシェーディングを滑らかにすることで、目が曲面として認識するのです。面が多いほど滑らかに見え、メッシュは重くなります。これがすべてのモデリング決定におけるトレードオフです。
四角面は初心者が予想する以上に重要です。サブディビジョンアルゴリズム、エッジループ、変形はすべて、4辺の面では予測可能に動作しますが、5辺以上の面—nゴン—では予測不能に動作します。ほとんどのモデラーは作業中にメッシュを四角面に保ち、エクスポート時に三角面化させます。なぜなら、ゲームエンジンはすべてを三角面化するからです。
実際に使用する操作
押し出しは面を外側に引き出し、元の場所と接続する壁を構築する操作です—モデリングで最もよく使われる操作であり、キューブをほとんどあらゆるものに変えることができます。インセットは面の内側に小さなコピーを作成する操作で、パネルやボタンを押し出す前に境界線を作成する際に使用します。
ベベルは、硬いエッジを2つ以上の近いエッジに置き換え、角を柔らかくする操作です。これは装飾ではありません。実際の表面はエッジに沿って光を捉え、完全に鋭い角は物理世界には存在しないため、コンピューター生成されたものとして認識されます。
ループカットはメッシュの周囲にエッジの輪を挿入し、形状を調整する箇所を増やします。重要なのは、サブディビジョンがどのように振る舞うかを制御できる点です。サブディバイドは各面をより小さな面に分割し、結果を滑らかにして、ブロック状のケージを滑らかなサーフェスに変えます。ブーリアンはユニオン、ディファレンス、インターセクションによって2つの形状を結合する操作で、高速ですが、後で整理が必要な乱れたトポロジーを残す傾向があります。
トポロジーが重要な理由
トポロジーとは、面がどのような形状を表現しているかに関わらず、その面の配置を指します。見た目が全く同じモデルでも、トポロジーが完全に異なる場合があります。その違いは、モデルをさらに操作しようとした瞬間に明らかになります。
トポロジーは3つの要素を決定します。まず、モデルの変形方法です。例えば、関節の周りにエッジループが適切に配置されていれば肘はきれいに曲がりますが、そうでないと崩れてしまいます。次に、サブディビジョンです。均等に配置された四角形は予測通りに滑らかになりますが、Nゴンや不要なポールがあると歪みが生じます。そして、テクスチャリングです。整頓されたメッシュではUVアンラップが格段に容易になり、乱れたメッシュでは引き伸ばされたり、使い物にならないマップが生成されます。
レンダリング結果が問題なく見えても、モデラーがクリーンなメッシュにこだわるのはこのためです。レンダリングは一つの工程の終着点に過ぎませんが、モデルは通常、その後の様々な工程の出発点となるからです。
スカルプトやCADとの違い
スカルプトは全く逆のアプローチです。意図的に面を配置するのではなく、非常に密度の高いメッシュを粘土のように操作し、ジオメトリの処理はソフトウェアに任せます。顔、クリーチャー、布のひだといった有機的な形状の作成には非常に優れていますが、精度や軽量なメッシュが求められるものには全く向きません。そのため、スカルプトされたモデルは通常、後でクリーンなポリゴンモデルにリトポロジーされます。
CADはさらに異なります。平面で形状を近似するのではなく、正確な曲線やソリッドとして、数学的に形状を記述します。この精度は機械工学に不可欠であり、ポリゴンメッシュでは得られません。しかし、CADモデルもゲームエンジンやレンダラーで使用するには、ポリゴンに変換する必要があります。
ほとんどの実作業では、これらの手法を組み合わせて使用します。有機的な部分はスカルプトし、ハードサーフェス部分はモデリングし、両者が接する箇所はリトポロジーを行います。そして、最終的に出来上がったポリゴンメッシュをテクスチャリングしてレンダリングします。
よくある質問
ポリゴンモデリングは習得が難しいですか？
操作は少なく、押し出し、インセット、ベベル、ループカット、サブディバイドなど、半日で習得可能です。トポロジーに関する判断ははるかに時間がかかります。なぜなら、それは結果に直面することでしか学べないからです。変形がうまくいかないモデルや、UV展開できないモデルは、どんな説明よりも多くのことを教えてくれます。
四角面と三角面、どちらを使うべきですか？
作業は四角面で、出力は三角面で行います。四角面は予測可能にサブディバイドされ、変形するため、適切な作業形式です。どのゲームエンジンやレンダラーも、読み込み時にメッシュを三角面化するため、最終的な三角面は避けられず、問題ありません。
nゴンとは何ですか？なぜ避けるのですか？
nゴンとは、5つ以上の辺を持つ面のことです。それらが本質的に壊れているわけではありません—曲がったりサブディバイドされたりしない平面上のnゴンは無害です—しかし、予測不能にスムーズされ、ひどく変形するため、メッシュが動いたりサブディバイドされたりする場所では削除する価値があります。
モデルのポリゴン数はどのくらいにすべきですか？
表示されるサイズで形状を説得力を持って表現できる限り少なくします。背景の小道具は数百面で済みますが、視聴者が間近で見るヒーローオブジェクトは数万面になることもあります。普遍的な数値はなく、シルエットテストだけが基準です。アウトラインがまだカクカクしているように見える場所に面を追加します。
ブラウザでポリゴンモデリングができますか？
はい。Mixos Studioは、ブラウザタブ内でハーフエッジメッシュコア上で押し出し、インセット、ベベル、ループカット、サブディバイド、ブリッジ、ブーリアンを実行します。その上に非破壊モディファイアスタックがあり、インストール不要で無料でモデリングできます。
キューブを開いて1つの面を押し出してみてください。ポリゴンモデリングの他のすべては、その操作のバリエーションに過ぎません。