Zバッファ

ZバッファとZバッファ法：奥行きのある3Dグラフィックスを実現する技術

3次元[[コンピュータグラフィックス]]において、奥にあるオブジェクトが手前のオブジェクトに隠れる「隠面消去」は、リアルな画像表示に欠かせません。Zバッファ法は、この隠面消去を効率的に行うための代表的な手法です。

Zバッファ（Z-buffer、深度バッファとも呼ばれます）は、画面上の各ピクセルの奥行き情報を一時的に記憶する領域です。各ピクセルに対して、視点からの距離（深度）を数値で記録します。通常、視点から最も近いピクセルの深度を0、奥に行くほど値が大きくなるように設定されます。

Zバッファ法では、オブジェクトを描画する際に、そのオブジェクトの深度をZバッファと比較します。既に同じピクセルに描画済みのオブジェクトの深度よりも、描画しようとするオブジェクトの深度が大きければ（つまり、奥にある場合）、描画処理をスキップします。これにより、手前のオブジェクトから順に描画することで、隠面消去を実現し、計算コストを削減できます。

深度テスト：Zバッファと深度値の比較

Zバッファ法の中核となるのが「深度テスト」です。深度テストは、ピクセル単位で実行され、Zバッファに記録されている深度値と、現在描画しようとしているオブジェクトの深度値を比較します。深度値が小さい（手前）方が優先され、描画されます。

深度テストは、グラフィックスパイプライン内の異なる段階で実行される場合があります。「Early Z test」はピクセルシェーダー処理の前に深度テストを行い、処理をスキップできる可能性があります。「Late Z test」はピクセルシェーダー処理の後に行われ、ピクセルシェーダー処理の結果を深度値の上書きによって調整できます。

Early Z testでは、深度テストを効率化できますが、空のZバッファから開始すると、最背面のオブジェクトが誤って描画される可能性があります。この問題を解決するために「depth pre-pass」という手法が用いられます。depth pre-passでは、まず全てのオブジェクトの深度情報を計算してZバッファを完成させ、その後、通常の描画処理を行います。これにより、無駄なピクセルシェーダー処理を削減し、効率的な描画を実現できます。

Zバッファ法の問題点

Zバッファ法は効率的ですが、いくつかの問題点があります。

1. 半透明オブジェクトの処理: 半透明オブジェクトは、奥行き情報だけでなく、透明度も考慮する必要があります。単純な深度比較だけでは正しい描画結果が得られないため、Zソート法やOrder-Independent Transparency (OIT)などの手法が必要となります。

2. Zファイティング: 近接するポリゴンを描画する際に、奥行き情報の精度不足により、ポリゴンが互いにちらつく「Zファイティング」というアーティファクトが発生することがあります。Zバッファの精度向上、深度バイアス、ステンシルバッファの利用などで対処できますが、メモリ消費量の増加やパフォーマンスへの影響が懸念されます。

ゲーム機とZバッファ

初期のゲーム機の中には、Zバッファを搭載していないものもありました。例えば、初代PlayStationやセガサターンはZバッファを搭載しておらず、ポリゴン単位で前後関係を判定するZソート法を用いていました。Zソート法はメモリ消費が少なく済む利点がありますが、ポリゴンの交差処理が複雑で、ソート処理に時間がかかるという欠点がありました。NINTENDO64以降のゲーム機では、Zバッファが標準的に搭載されるようになりました。

まとめ

Zバッファ法は、3Dグラフィックスにおける隠面消去に広く用いられる効率的な手法です。しかし、半透明オブジェクトやZファイティングといった問題点も存在します。これらの問題への対策と、ハードウェア技術の進歩により、Zバッファ法はますます高度化し、よりリアルで美しい3Dグラフィックスを実現しています。

もう一度検索