USD・MaterialXを使用したインテリアマップシェーダー

INDEX

はじめに

こんにちは。モノリスソフト テクニカルアーティストの廣瀬です。

今回は、USDとMaterialXを使用してインテリアマップシェーダーを作成してみたいと思います。

USD（Universal Scene Description）はオープンソースの共通3Dシーンフォーマットです。
すでに多くのDCCツールやゲームエンジン（Maya・Houdini・Unreal Engineなど）でサポートされています。
USDはFBXやAlembicのようにメッシュデータのやり取りはもちろん、Composition ArcsというPhotoshopのレイヤー合成のようなことを3Dシーンに対して行う強力な機能を有しています。
これにより、3Dシーン同士の合成や必要な値のみの上書き、大量のリファレンス・インスタンス、マテリアルアサイン管理、遅延読み込みなど、効率的に巨大なシーンを構築することが可能となります。

MaterialXはオープンソースの共通シェーダーフォーマットで、各DCCツールやゲームエンジンで共通のシェーダー構築が可能になっています。また、独自のカスタムノードの定義を追加することも可能です。

インテリアマッピングは何もない平らなフェースに疑似的に奥行きのある部屋を描画するためのシェーダーです。シェーダー内で疑似的に部屋の描画を行うことで処理負荷の軽減につながります。
今回インテリアマップシェーダーはUV空間で計算が行われるようにします。

テクスチャは、Cubemapテクスチャの背面を切り落とした形式のものを使用します。

今回作成したサンプルファイル（monolithtech_roommap.zip 47.3 KB）はこちらです。

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USDシーンの構築

今回、USDシーンの構築はHoudiniで行っていきたいと思います。もちろんMayaなどでも行うことができます。

まずは、SOP Create LOPでビルの代わりとなる単純なボックス形状のメッシュを作成します。
SOP Create LOPの中に入り、Boxを作成し、各フェースに対してUV展開を行い、法線と接線を定義します。

続いて、マテリアルのアサイン情報をMaterial Library LOPで設定します。「mtlxsurfacematerial1」はこの後作成するインテリアマップシェーダーの名前です。
Geometry Pathに「*（ワイルドカード）」を指定して現在操作しているステージ（シーン）上のすべてのプリミティブにマテリアルをアサインします。

インテリアマップシェーダーの構築

続いてMaterial Library LOPの中に入りインテリアマップシェーダーを作成します。

青色のノードはそれぞれ、カメラ位置・部屋のサイズ・部屋の位置オフセット・テクスチャ名で、ユーザーが入力する想定のパラメーターです。

カメラのレイの接平面空間への変換

まず、描画ピクセルのオブジェクトのワールドポジションとカメラの位置の差分からカメラのレイの方向を計算します。
カメラの位置は各レンダラーからの入力を受け取ります。
レイのベクトルをメッシュの法線・接線・従接線を用いて、接平面空間に行列変換を行います。現在MatrealXではTransform Matrixという行列変換用のノードが存在していますが、9つのfloatをmatrix33に変換するノードが存在していないようなので、ベクトルの加算と乗算ノードの組み合わせて行列計算を行っています。その後、接平面空間に変換したレイをノルム1のベクトルに正規化します。

レイのヒットした部屋の壁と距離の算出

接平面空間に変換したレイとオブジェクトのUV座標（レイの開始点）を元に、衝突面（Top・Right・Front・Left・Bottom）と距離を計算します。
ノードにすると複雑に見えますが、行っている計算は単純です。

まず、UV座標（レイの開始点）と部屋のサイズ・オフセット量から、部屋の割り当て（index）を計算します。

\(\textbf{room}_\textbf{index} = floor(\frac{\textbf{uv} + \textbf{offset}}{\textbf{size}})\)

続いてレイがヒットした部屋の壁とその距離を求めます。
各壁にヒットするまでのレイの距離は以下のように求めることができます。下図は+Xの壁にヒットするまでの距離です。

レイが負の方向を向いているときは別途考慮を行う必要があります。

そして、各壁にヒットした最短距離をそれぞれ比較し最小値を取ることで、初めにレイがヒットした壁とその距離が求まります。
これらの計算を部屋のサイズを考慮したうえでMaterialXのノードに落とし込んだのが以下となります。

部屋の壁のUV座標の算出

これまで求めたレイの方向・オフセットされたUV座標・レイがヒットした壁と距離を用いて部屋の壁のUV座標を求めることができます。

\(\textbf{room}_\textbf{uv} = \textbf{ray}_\textbf{orig} + \textbf{ray}_\textbf{dir} * ray_{hit}\)

その後、各部屋の壁ごとに任意のCubemapに適合するようにUVの反転とオフセットを行います。

テクスチャサンプリング

最後に、求めたUV情報を元にテスクチャサンプリングを行い終了です。

部屋の壁の法線の算出

これまでに求めた壁の法線方向と接平面空間の転置行列を乗算すれば、ワールド空間での法線を求めることができます。

USDシーンの書き出し

これでUSDの書き出し準備が整いましたので、実際にシーンを書き出していきます。

USD ROP LOPノードを作成し、書き出し先のパスを設定し「Save to Disc」をクリックします。

書き出されたUSDファイルの中身を確認するとメッシュの頂点座標・UV・法線の情報が書き込まれているのが確認できます。

また、MaterialXのシェーディングネットワークも全て書き出されていることが確認できます。

MayaでのUSDシーンの読み込み

先ほど書き出したUSDファイルをMayaで読み込んでみます。
「Create」>「Universal Scene Description (USD)」>「Stage From File...」から先ほど書き出したファイルを読み込みます。

USD専用ノードとしてUSDシーンが読み込まれます。

USDのメッシュ上で右クリックをし「Edit as Maya Data」を選択することで、いつもMayaで操作している状態のメッシュとして読み込むことができます。
そして、編集を行った結果は、「Merge Maya Edits to USD」でUSDへマージすることができます。
このように、編集したい対象だけをMayaのデータとして読み込むことで、シーン全体の状況をビューポートで確認しながら軽い状態で編集を行うことが可能となります。
また、特定のプリミティブだけを編集を行いUSDに結果をマージすることで、複数人での分業も効率的に行うことができます。
編集を行ったUSDは当然Houdiniなど別のアプリケーションで読み込むことができます。

続いて、読み込まれたシェーディングネットワークを確認してみます。
アウトライナの対象マテリアル上（mtlxsurfacematerial1）で右クリックし「Show in LookdevX」をクリックします。

すると、「LookdevX Graph Editor」（最新のハイパーシェードのようなもの）が起動しmtlxsurfacematerial1ノードが表示されます。
ダブルクリックでノードの中に入るとHoudiniで構築したインテリアマップのシェーディングネットワークが構築されているのが確認できます。

Arnoldからのカメラ座標を受け取るために「campos」ノードに「kma_rayimport1」ノードの代わりに「space_transform」ノードをつなぎます。
「space_transform」ノードのFromをcameraに設定します。

ライトを追加しArnoldレンダリングを実行するとインテリアマップが正常に動作していることが確認できます。

まとめ

今回はUSDとMaterialXを使ってメッシュとマテリアルのDCCツール間での読み込みを行ってみました。
近年USDを中心としてこのような共通フォーマットの開発が急速に進んでおり、ひと昔前では大変だったツール間のデータのやり取りが効率的に行えるようになってきています。また、このようなフォーマットを積極的に使用していくことで、ツールに依存しない柔軟なパイプラインの構築を行うことができると思います。

この記事が、これからUSDを触られる方や、パイプラインの開発に携わる方、またパイプラインを使う側の方にも参考になれば幸いです。