Godotエンジンの影の設定と品質調整
影の基本概念とGodotでの実装
3Dグラフィックスにおいて、影はシーンのリアリズムと奥行き感を大きく左右する重要な要素です。Godotエンジンは、リアルタイムレンダリングにおける影の生成と管理に優れた機能を提供しています。影は、光源からの光がオブジェクトによって遮られることで生成される暗い領域として表現され、これによりオブジェクトの形状や配置がより明確に認識できるようになります。
Godotでは、主にダイナミックシャドウとカスケードシャドウマップの技術を用いて影を生成します。ダイナミックシャドウは、光源の移動やオブジェクトの動きに合わせてリアルタイムで影が更新されるため、インタラクティブなシーンやアニメーションに適しています。カスケードシャドウマップは、遠景の影の品質を維持しつつ、パフォーマンスを最適化するための手法です。
影の設定項目とその影響
影の品質は、Godotのレンダリング設定や個々の光源ノードの設定によって細かく調整可能です。これらの設定は、描画される影の滑らかさ、解像度、そしてパフォーマンスに直接的な影響を与えます。
光源ノードの設定
Godotでは、DirectionalLight（平行光源）、OmniLight（全方向性光源）、SpotLight（スポットライト）といった光源ノードに影に関する設定が紐づいています。
シャドウ（Shadow）プロパティ
光源ノードのインスペクターパネルには、Shadowというカテゴリがあり、ここで影の生成に関する主要な設定が行われます。
- Enable Shadow: このチェックボックスをオンにすることで、その光源からの影が生成されるようになります。オフにすると、その光源は影を生成しません。
- Shadow Color: 影の色を定義します。通常は黒に近い色ですが、シーンの雰囲気に応じて調整できます。
- Shadow Depth: 影の濃さを調整します。値が高いほど影は濃くなります。
カスケードシャドウマップ（Cascade Shadow Maps – CSM）
特にDirectionalLightにおいて、カスケードシャドウマップは影の品質を向上させるための重要な技術です。CSMは、カメラから遠いほど影の解像度を低く、近いほど高くすることで、全体的なシャドウマップのメモリ使用量を抑えつつ、遠景の影のジャギー（ギザギザ）を軽減します。
- Shadow Cascades: シャドウマップを分割するカスケードの数を指定します。カスケードの数が多いほど、遠景の影の品質は向上しますが、GPUへの負荷も増加します。一般的には2〜4が推奨されます。
- Cascade Blend Split: 各カスケードの境界部分のブレンド具合を調整します。これを調整することで、カスケード間の影の境界が自然に見えるようになります。
シャドウバイアス（Shadow Bias）
影のレンダリングにおいて、シャドウアクネ（Shadow Acne）やピッチフォーク（Peter Panning）といったアーティファクトが発生することがあります。これらは、シャドウマップの解像度や浮動小数点演算の精度に起因する問題です。
- Normal Bias: オブジェクトの法線方向に沿って、影のオフセットを調整します。シャドウアクネを軽減するのに役立ちます。
- Bias: カメラからの距離や、より一般的に影のオフセットを調整します。ピッチフォークを軽減するのに役立ちます。
これらのバイアス値を適切に設定することで、不要な影のアーティファクトを抑制し、よりクリーンな影を描画できます。ただし、値を大きくしすぎると、オブジェクトが浮いているように見えるピッチフォーク現象が発生しやすくなるため、注意が必要です。
レンダリング品質の設定
Godotのプロジェクト設定やカメラノードの設定も、影の品質に影響を与えます。
- Project Settings -> Rendering -> Environment: ここでは、グローバルな環境設定が行われます。特に、Default Clear ColorやBackgroundの設定は、影の表示される環境に間接的に影響します。
- Camera -> Environment: カメラノードにアタッチされた
WorldEnvironmentリソースには、より詳細なレンダリング設定があります。
アンチエイリアス（Anti-Aliasing）
影の輪郭を滑らかにするために、アンチエイリアス設定は重要です。Godotは、FXAA（Fast Approximate Anti-Aliasing）やSMAA（Subpixel Morphological Anti-Aliasing）などのアンチエイリアス手法をサポートしており、これらを有効にすることで影のジャギーを軽減できます。
シャドウマップの解像度
光源ノードのプロパティで直接設定できる場合もありますが、プロジェクト全体でシャドウマップの解像度を調整することで、影のディテールレベルとパフォーマンスのバランスを取ることができます。解像度が高いほど影は鮮明になりますが、GPUメモリの使用量と計算コストが増大します。
パフォーマンスと品質のトレードオフ
影の設定は、しばしばパフォーマンスとのトレードオフになります。高品質な影は、GPUに大きな負荷をかけ、フレームレートの低下を引き起こす可能性があります。したがって、ターゲットとするプラットフォームの性能や、ゲームの要求するインタラクティブ性を考慮して、最適な設定を見つけることが重要です。
- カスケード数の調整: CSMのカスケード数を減らすことで、パフォーマンスを向上させることができます。
- シャドウカラーと濃度の調整: 影の色を明るくしたり、
Shadow Depthを低く設定することで、計算負荷を軽減できます。 - 静的なオブジェクトと動的なオブジェクトの区別: シーン内の静的なオブジェクト（変更されないオブジェクト）には、Baked Shadows（ベイクされた影）を利用することも検討できます。これは、事前に影を計算しテクスチャに焼き付けることで、ランタイムの負荷を大幅に軽減する手法です。
- 表示距離の設定: レンダリング設定やカメラ設定で、影が表示される距離を制限することも有効なパフォーマンス改善策です。
まとめ
Godotエンジンにおける影の設定は、光源ノードのプロパティ、カスケードシャドウマップの設定、そしてレンダリング品質設定という複数の要素が絡み合っています。これらの設定を理解し、パフォーマンスと視覚的な品質のバランスを考慮しながら、シーンに最適な影を生成することが、ゲームのリアリズムを高める鍵となります。特に、Shadow Depth、Normal Bias、Biasといったパラメータは、影のアーティファクトを抑制するために慎重な調整が求められます。また、ターゲットデバイスの性能に合わせて、カスケード数やシャドウマップの解像度を調整し、必要に応じてベイクドシャドウなどの高度なテクニックを導入することも、パフォーマンス最適化に繋がります。
