Godotのレンダリングパイプラインを理解する
レンダリングパイプラインの概要
Godot Engineは、ゲームの視覚的な要素を画面に描画するためのレンダリングパイプラインと呼ばれる一連の処理を持っています。このパイプラインは、3Dモデル、テクスチャ、ライティング、エフェクトなど、ゲーム内のあらゆるビジュアル情報を画面上のピクセルに変換する役割を担います。Godotのレンダリングパイプラインは、高度にモジュール化されており、開発者は様々な設定やオプションを調整することで、パフォーマンスとビジュアル品質のバランスを最適化できます。
レンダリングパイプラインは、一般的に以下の段階を経て処理されます。
1. シーンツリーのトラバース
まず、Godotのシーンツリーがトラバースされます。シーンツリーは、ゲーム内の全てのノード（オブジェクト、カメラ、ライトなど）を階層的に管理する構造です。レンダリング対象となるノードが特定され、そのプロパティ（位置、回転、スケール、マテリアルなど）が抽出されます。
2. ジオメトリの準備
次に、レンダリング対象となるジオメトリ（3Dモデルの頂点データやインデックスデータ）が準備されます。これには、モデルのトランスフォーメーション（ワールド座標への変換）やカリング（カメラに映らないオブジェクトを除外する処理）などが含まれます。
3. シェーダーの実行
各オブジェクトにはマテリアルが割り当てられており、マテリアルはシェーダーを介してレンダリング方法を定義します。シェーダーは、GPU上で実行される小さなプログラムであり、頂点シェーダー（頂点位置の計算）やフラグメントシェーダー（ピクセルごとの色計算）などが含まれます。Godotは、GLSL（OpenGL Shading Language）やHLSL（High-Level Shading Language）に似た独自のシェーダー言語（Godot Shader Language）をサポートしています。
4. ライティングの計算
シーン内のライト（点光源、指向性光源、スポットライトなど）に基づいて、オブジェクトのライティングが計算されます。これには、直接光（ライトから直接当たる光）と間接光（オブジェクトに反射した光）の計算が含まれます。Godotは、フォワードレンダリングとディファードレンダリングの両方をサポートしており、それぞれ異なるライティング計算の方式を採用しています。
5. 深度テストとブレンド
描画されるピクセルが既存のピクセルよりも手前にあるか（深度テスト）を判定し、透明なオブジェクトのブレンド処理が行われます。これにより、オブジェクトが正しい順序で描画され、透明度が正しく表現されます。
6. ポストプロセッシング
最終的な画面イメージに対して、ポストプロセッシングエフェクトが適用されます。これには、ブルーム（明るい部分の光のにじみ）、被写界深度（フォーカス外のぼかし）、色補正、アンチエイリアシングなどが含まれます。これらのエフェクトは、ゲームのビジュアルスタイルを向上させるために重要です。
Godotのレンダリングバックエンド
Godotは、様々なグラフィックスAPIをバックエンドとしてサポートしています。これにより、多様なプラットフォームで動作することが可能になっています。
Vulkan
Vulkanは、現代的で高パフォーマンスなグラフィックスAPIです。GodotはVulkanをレンダリングバックエンドとしてサポートしており、最新のGPUハードウェアの能力を最大限に引き出すことができます。Vulkanは、CPUオーバーヘッドが少なく、より低レベルな制御を可能にするため、パフォーマンスが重要なプロジェクトに適しています。
OpenGL ES 3.0 / OpenGL 3.3
OpenGL ES 3.0（モバイルデバイス向け）およびOpenGL 3.3（デスクトップ向け）もGodotでサポートされています。これらのAPIは、Vulkanよりも広く普及しており、多くのプラットフォームで安定した動作が期待できます。既存のプロジェクトや、Vulkanのサポートが限定的な環境での開発に適しています。
Direct3D 11
Windowsプラットフォームでは、Direct3D 11もレンダリングバックエンドとして利用可能です。MicrosoftのAPIであり、Windows環境でのパフォーマンスと互換性に優れています。
レンダリングモードとパフォーマンス最適化
Godotは、開発者がレンダリングモードを選択し、パフォーマンスを最適化するための様々な機能を提供しています。
フォワードレンダリング vs ディファードレンダリング
フォワードレンダリングは、比較的シンプルなパイプラインで、オブジェクトごとにシェーダーとライティングの計算を行います。実装が容易で、透明オブジェクトの扱いに優れています。一方、ディファードレンダリングは、まずジオメトリ情報をG-Buffer（画像バッファ）に書き込み、その後ライティング計算を行う方式です。多数のライトがあるシーンでパフォーマンスが向上する傾向がありますが、透明オブジェクトの扱いに制約があります。
レンダリング品質設定
Godotエディタでは、レンダリング品質を調整するための設定が豊富に用意されています。これには、テクスチャのフィルタリングモード、シャドウの解像度、アンチエイリアシングの種類などが含まれます。これらの設定を調整することで、ビジュアル品質とフレームレートのトレードオフを管理できます。
カスタムシェーダー
Godot Shader Languageを使用することで、開発者は独自のカスタムシェーダーを作成し、オブジェクトの見た目を細かく制御できます。これにより、ユニークなエフェクトや高度なレンダリング技術を実装することが可能です。
バッチングとインスタンシング
パフォーマンス向上のため、Godotはバッチング（複数の描画コールをまとめる）やインスタンシング（同じメッシュを複数回描画する際に効率化する）といった技術を内部的に利用しています。これらを意識することで、描画負荷を軽減できます。
まとめ
Godotのレンダリングパイプラインは、その柔軟性と拡張性において大きな強みを持っています。Vulkan、OpenGL、Direct3Dといった複数のバックエンドをサポートすることで、幅広いプラットフォームに対応できるだけでなく、フォワードレンダリングとディファードレンダリングの選択、豊富なレンダリング品質設定、そしてカスタムシェーダーによる高度なカスタマイズが可能です。これらの機能を理解し、適切に活用することで、開発者はプロジェクトの要件に合わせた最適なビジュアル表現とパフォーマンスを実現することができます。牛肉、豚肉、鶏肉、ジビエといった多様な素材が料理の幅を広げるように、Godotのレンダリングパイプラインもまた、開発者に多彩な表現の可能性を提供していると言えるでしょう。
