GPUとは?3D制作でGPU パワーを活用する方法と使用例5選

GPUとは?3D制作でGPU パワーを活用する方法と使用例5選

GPUの能力を説明する前に、まずはGPUが何であるかを説明しないと始まりません。 全く知らない方はアルファベットの頭文字というだけで何か難しいもののような気がするかもしれません。 GPU は、Graphics Processing Unit の略で、それとは対照的にCPU はCentral Processing Unit (詳細は後述) を表します。 グラフィックスカード(グラフィックボード)というと、PC ゲーマーの方ならすぐにわかるかもしれません。技術的に言えば、グラフィックス カードは GPU ではなく、 1 つまたは複数のGPUがグラフィックカードに含まれています。グラフィックカードはGPUを外付けするために、GPUに基盤やファンなどを2つや3つ搭載したものになります。

AMD Radeon VII
AMD Radeon VII の合成画像 “Engineered for Enthusiasts”
(source: AMD)

CPU(Central Processing Unit)は「中央演算装置」と呼ばれ、パソコンやゲーム コンソールの頭脳的存在で、多種多様なタスクを非常に高速に実行します。GPU のシングル コアは、 CPU よりも遅いですが、グラフィック部門に特化しており、膨大な量のGPU コアとそれらによる並列処理能力があります。 たとえば、最高の 18 コア Intel i9-7980XE CPU は、少なくとも 1,785 ポンド ($1,843) も費用がかかりますが、「究極のゲーミング GPU」と自称している4352 コアの Nvidia GeForce RTX 2080 Ti の価格は 1,099 ポンド($1,199)で、コアが 241を超えると 1/3 安くなります。個々のコアの改善の技術的限界を考慮すると、このように定量的なアプローチは良いと言えるでしょう。

1. シミュレーション

Simulation of two spiraling black holes
融合しようとしている 2 つのらせん状の超大質量ブラック ホールのシミュレーション。 (NASA Goddard), 2018)

シミュレーションという言葉を聞くと、映画マトリックスのように、私たちはシミュレーションの中で生きているという考えが出てくるかもしれません。今回はそういった仮想現実の話ではなく、比較的単純なものから気が遠くなるほど複雑なものまで、様々で膨大な数学的プロセスを背後にもつ視覚化のシュミレーションについて話していきます。 最も有名な視覚的シミュレーションといえば、星、銀河、ブラック ホールなどの天体の相互作用の再現です。 スーパーコンピューターを介して宇宙の一部がかつてどのように、そして将来どうなるかを視覚化し、宇宙の巨大なタイムスケールを短縮して見ることが可能です。もちろん、ほとんどの 3D ソフトウェアの機能により独自のシミュレーションを実行できるので、ビジュアルでの再現にはスーパーコンピューターは必要ありません。

Avatars of four elements
Let the Avatar: The Last Airbender binge-watch begin!

浮遊する球体やドットのプロパティとその相互作用を変更することで、典型的な4つの要素をシュミレーションすることができます。 可能な限り高品質のシミュレーションを作成したい場合は、強力で優れたソフトウェアが必要になります。 ここでは、Maya および 3ds Max 用の Phoenix FD (月額 40 ポンド) や After Effects 用の Trapcode Form (199 ドル) などのプラグインを紹介します。

Phoenix FD 3.0 quick presets
さまざまなプリセット - Phoenix FD 3.0 for Maya (Chaos Group, 2017)

シミュレーションのビジュアルを高品質にするだけでなく、できるだけ高速にレンダリングしたい場合は、GPU パワーが必要になります。 NASA エイムズ研究センター、NIO、および USRA のメンバーによる 2017 年の論文では、「GPU ベースの実装は、純粋な CPU ベースの実装よりもはるかに優れた利点と拡張性を提供します。 サンプル数が少ない場合は、CPU のみの実装が推奨されますが、サンプル数が多い場合、GPUは桁違いの改善を提供します。」と述べています。 GPU は熟練した剣士の軍隊と考えてください。一方、CPU は、さまざまな武器を使って敵を 1 人ずつ倒すことができる、訓練された暗殺者と言えます。

Chart with GPU Prognostics
出典: GPU Accelerated Prognostics, pg. 5 (colorized)

2. プリビジュアライゼーションのためのリアルタイムレンダリング

Pixar’s Monsters animation pipeline
Pixar の Monsters, Inc. (2001) (出典: YouTube) Animatic Storyboard > Previz > Animation > Render

レンダリングは通常パワーを消費するものであり、リアルタイム レンダリングには限度があるものと思うかもしれません。 しかし実際には、 リアルタイムレンダリングは今日のビデオゲーム業界の中心であり、GPU パワーに大きく依存しており、現代のゲームの高品質なビジュアルに必要とされています。 絶えず変化するキャラクターの立ち位置から、ライティング、テクスチャ、および火や重力などのさまざまなシミュレーションまで、すべてを一瞬のうちに何度も何度も同時に再レンダリングする必要があります。 驚くことに、リアルタイムプリビジュアライゼーションは、2006 年に ILM によって最初に開発されました。

War for the Planet of the Apes bts footage
モーションキャプチャとリアルタイムプリビジュアライゼーションを組み合わせると、驚くべき表現が可能です。 (War for the Planet of the Apes (2017) bts footage. Source: YouTube)

アニメーション制作の性質上、プリビジュアライゼーションが最終の本番作品にどれだけ似ているかは、時間の制約、予算、およびチームの規模によって異なります。 映画スタジオは、アクション満載で簡単に説明できるプリビジュアライゼーションを作成する余裕がありますが、フリーランスの 3D アーティストの場合、必ずしも同じことができるとは限りません。

1 つのウィンドウのビューポートで高品質のプリビジュアライゼーションを表示しながら、別のもう 1 つのウィンドウで調整などの作業を続行できるということは、生産性と効率を革新的に向上してくれます。 プリビジュアライゼーションが優れていればいるほど、ビジネスのチャンスが増え、プロジェクトに参加してくれる人達も集まってきてくれるのです。

3.従来のレンダリング

GPU レンダリングの長所は、レンダー ファームの長所と似たところがあります。 何よりもまず、時間を節約できます。複雑なグラフィックス処理ができることがGPUの一番重要なポイントです。 専門家が指摘しているように、GPU は"NVIDIA の IRay、Chaos Group の VRay RT、Otoy の OctaneRender, Maxwell Renderなど、現在市場で入手可能な特定のレンダリング ソフトウェア パッケージでレンダリングするように設計"されており、レンダリングのために新しいグラフィックスカードの購入したい場合はこの情報を覚えておくと便利です。

Burgers game rendering comparison picture
2004 年の DOOM 3 (左)と 2015 年の Battlefield Hardline(右)(sources: 1 2)

あなたがWeb ブラウザーでたくさんのタブを開き過ぎていてもコンピューターが壊れないようにCPU が働いてくれている間も、GPU は気にせずフレームをかなりの速度でレンダリングしています。 ただし、レンダリングを待っている間に動画などを一気に見たい場合は、別のデバイスを使用することをお勧めします。ハイブリッド レンダリングという方法もありますが、これが不可能な場合、またはできるだけ費用対効果の高い方法を探している場合は、レンダー ファームの使用を検討することをお勧めします。これは逆説的に聞こえるかもしれませんが、新しいグラフィックス カードや CPU に投資するよりもはるかに費用対効果の高いソリューションです。

4.重いシーンの操作

パーティクルシミュレーションは重い作業のカテゴリに当てはまりますが、これは内容によって異なります。シンプルにコップ一杯のミルクかもしれませんし、ハリウッドの都市を破壊巨大な津波かもしれません。 3D デザイナーはビューポートの遅延に非常に敏感です。なぜなら、選択したソフトウェアのクラッシュを回避するためにポリゴン数を慎重に監視し、テクスチャマップを介して複雑なジオメトリを可能な限り「偽造」し、コンピューターがオーバーヒートしないように接続を監視して、良い結果がでるように期待しているからです。 Mudbox で素晴らしい作品をスカルプトし、それをそのままレンダリングできることを想像してみてください。GPU の能力を活用すれば、その夢を実現できる可能性があります。

set of memes about Maya's app
何年にもわたって多くのインターネットミームが現れては消えていきましたが、変わっていないものもあります…

5.テクスチャペイント

では、今年初めにアドビに買収された Allegorithmic の Substance Painter を見ていきましょう。 このソフトウェアは、物理ベースのレンダリング (PBR) ワークフローを介して、テクスチャリング、レンダリング、およびエフェクト アプリケーションという大規模な作業を合理化し、SpeedTutor がカバーしてくれます。

Substance Painterは AAAレベルのゲーム開発で非常に重要であり、3D 制作に携わる多くの人もSubstance Painterを重要視しています。 モデルにテクスチャを直接ペイントできることは、UV アンラップのような単調で反復的なプロセスとは違い非常に魅力的です。これにより3Dアートの創造の幅がさらに深まりました。インディー ライセンスだけでも、月額 19.90 ドルまたは年間 239 ドルで 10 万ドル未満の収益をカバーしています。また、教育ライセンスの割引もお忘れなく。 お使いのコンピューターで使用できるかどうかを確認したい場合は、30 日間の無料試用版をダウンロードできます。しかしSubstance PainterがGPU を集中的に使用します。この素晴らしい機能を使えない可能性があるなんて辛すぎますよね。でも心配はいりません。

おまけ: 6. レンダーファームを使用して GPU パワーを活用する

3D 制作でGPUを利用することの利点はこれまでにお伝えしてきました。新しいグラフィックス カードに投資する余裕がない場合や、または少数派の Mac ユーザーで、最盛期を過ぎた GPU (2013 年に廃止された私の NVIDIA GeForce GT 750M など) のように立往生していて、eGPU を購入する余裕もない方などでも、心配する必要はありません。GarageFarm.NET は低価格で強力な代替手段を提供しています。GPU での3D レンダリング、ビッグデータの処理、または 並列処理などすべてのタスクにとても有益です。

そしてGarageFarm.NET は、CPU と GPU の両方のレンダリングに対応しています。自分のセットアップでGPU を活用した場合、または Xesktop のサーバーの 1 つを利用して、強力な GPU ノード (128 GB RAM を搭載した 8 枚の Tesla K80 カード) を搭載した複数のノードで GPU レンダリングを行うことができます。

400 Tesla K80

Credits: By Danny Rollings

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