テクスチャマッピング

テクスチャマッピング：3Dモデルにリアルな質感を付与する技術

3Dコンピュータグラフィックスにおいて、物体の表面に質感を与えるための不可欠な技術として、テクスチャマッピングがあります。これは、3Dモデルの表面に画像（テクスチャ）を貼り付けることで、現実世界のような細かな凹凸や模様を表現する手法です。例えば、岩肌のテクスチャを適用することで、ポリゴン数を大幅に削減しつつも、リアルな岩山を表現できます。

テクスチャマッピングの歴史と概要

テクスチャマッピングは1974年、エドウィン・キャットマルらによって開発されました。当初は産業用シミュレーションCGに使用され、その後、ゲームや映画などの様々な分野で広く活用されるようになりました。

テクスチャマッピングの大きな利点は、ポリゴン数の削減によるパフォーマンス向上と、現実感の向上です。複雑な形状を表現するために膨大なポリゴン数を必要とする代わりに、テクスチャを用いることで、少ないポリゴン数で精細な表現が可能となります。

しかし、テクスチャマッピングには欠点もあります。レンダリング時の詳細度はテクスチャの解像度に依存するため、解像度が低いと、視点に近い部分でピクセルが粗く見えてしまうことがあります。この問題を解決するためには、高解像度のテクスチャを使用する必要がありますが、それはメモリ容量の増加を招きます。

テクスチャ座標とマッピングの種類

テクスチャを3Dモデルに適用するためには、モデル上の各点がテクスチャ上のどの位置に対応するのかを指定する必要があります。これがテクスチャ座標です。通常、U, V, Wという3つの成分を持つベクトルで表現されます。

テクスチャ座標の生成方法はいくつかあり、代表的な方法として以下のものがあります。

平面投影: テクスチャを平面に貼り付け、それを3Dモデルに投影します。平面とモデルの角度によっては、歪みが発生することがあります。
円筒マッピング: テクスチャを円筒に貼り付け、それを3Dモデルに投影します。円柱状のオブジェクトに適しています。
球体マッピング: テクスチャを球体に貼り付け、それを3Dモデルに投影します。球状のオブジェクトに適しています。

近年では、より高解像度のテクスチャに対応するために、UDIMという技術が開発されました。これは、複数の小さなテクスチャ（タイル）を繋ぎ合わせることで、大きな高解像度テクスチャを表現する手法です。必要に応じてタイルを追加・削除できるため、柔軟性の高いテクスチャ作成が可能です。

3次元テクスチャとしては、キューブマップとボリュームテクスチャがあります。キューブマップは、6枚の2次元テクスチャを立方体の面として使用し、環境マッピングなどに利用されます。ボリュームテクスチャは、2次元テクスチャを奥行き方向に積み重ねたもので、煙や霧などのエフェクトに利用されます。

様々なマッピング手法

テクスチャマッピングは、単に色情報を付与するだけでなく、様々な情報を付与することができます。

グロスマッピング: 表面の光沢度をピクセル単位で制御します。
バンプマッピング: 表面に凹凸を擬似的に表現します。
環境マッピング: 物体表面への周囲環境の反射を表現します。
透過マッピング: 物体の透明度をピクセル単位で制御します。
法線マッピング: 表面の法線ベクトル情報を用いて、細かな凹凸を表現します。
シャドウマッピング: 光源からの影を表現します。
ディスプレイスメントマッピング: ジオメトリ自体を変化させることで、よりリアルな凹凸を表現します。

これらの高度なマッピング手法は、プログラマブルシェーダーを用いて実装されることが多く、リアルな描写に大きく貢献しています。

まとめ

テクスチャマッピングは、3Dモデルに現実感を与えるための重要な技術であり、様々な種類と高度な手法が存在します。今後も、よりリアルで効率的な表現方法が開発されていくことが期待されます。 これらの技術の理解は、3DCG制作において不可欠な要素となります。

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