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トポロジーを理解しておくことは、効率的で多様性があり、見た目にも美しい3Dモデルを作る際に重要です。トポロジーとは、3Dモデルの幾何学的な表面特性のことで、ポリゴンがどのように配置され、結合されているかを意味します。キャラクターデザイン、建築のビジュアル化、ゲームアセットの作成など、優れたトポロジーはモデルの見栄えと機能を向上させ、アニメーションを容易にします。この記事では、3Dモデリングが初めての方に、優れたトポロジーを作成するための基本原則を紹介します。
3Dモデリングにおけるトポロジーとは、頂点、エッジ、面を使ってサーフェスを計算し、応用することです。モデルの構造を定義し、不要な歪みなく操作できるようにします。よく設計されたトポロジーは、均等に配置されたポリゴン、スムーズなサーフェスの変化、モデルの形状や意図された動きにマッチしたエッジの流れを持っています。
ポリゴンメッシュは、3Dオブジェクトを形作る頂点、辺、面で構成されています。各頂点は空間内の点を示し、辺はこれらの点を結び、面（通常は多角形）は辺と辺の間の空間を埋めます。3Dモデリングで最も一般的なポリゴンのタイプは4角形（4辺ポリゴン）ですが、三角形（3辺ポリゴン）も、特にビデオゲームのようなリアルタイムレンダリング環境ではよく使われます。
ポリゴンは3Dモデルの基本単位です。ポリゴンは、エッジで縁取られた平らなサーフェスであり、このポリゴンをどのように配置し、いくつ配置するかによって、モデルのディテールレベルが決まります。ポリゴンの数が多いモデルほど、細かいディテールを表現できますが、レンダリングや作業に必要な計算量が多くなります。
効率的なトポロジーは、モデルの形状と目的に合わせて要素を配置します。例えば、オブジェクトが細分化される場合、トポロジーはオブジェクトの形状を維持し、必要に応じてより滑らかなサーフェスを作成するトポロジーが必要になります。
ほとんどのモデリング作業では、予測しやすいサブディビジョン動作と変形のしやすさから四角形が好まれますが、特にゲームエンジンではモデルが三角形メッシュに変換されることが多いため、三角形も非常に重要です。三角形をいつ、どのように使うかを知っておくことは、さまざまなプラットフォームで形状や機能を維持したまま、最適なモデルを作成するために不可欠です。
テクスチャマッピングは、3Dモデルに2D画像（テクスチャ）を適用して、色、ディテール、リアリズムを追加します。優れたトポロジーは、UVアンラッピング（3Dモデルの表面をテクスチャを追加するための2D平面に平らにすること）に役立ちます。適切なUVレイアウトは、伸縮や歪みを減らし、テクスチャがモデル上で明確かつ正確に見えるようにします。
スケルタルアニメーションは優れたトポロジーに左右されます。キャラクタモデルのトポロジーは、アニメーション時に自然な動きを可能にするものでなければなりません。つまり、エッジループが筋肉や関節の形状に沿うようにすることで、メッシュがリアルに曲げ伸ばしできるようにします。トポロジーが悪いと、見苦しい変形を引き起こし、リギングやスキニングが難しくなります。
変形とは、キャラクターの腕が曲がったり、車のサスペンションが圧縮されたりするなど、加えられた力に応じてモデルが形状を変化させることを指します。オブジェクトの形状の自然な流れに沿ったトポロジーは、より予測しやすくリアルに変形します。主なテクニックには、ポリゴンの分布を均等に保つことや、エッジループを使用して曲げたりたわませたりする必要のある領域を定義することなどがあります。
Blenderは強力なオープンソースツールで、その強力なモデリング機能から多くの3Dアーティストに愛用されています。ナイフツール、エッジループ選択、様々なモディファイア（サブディビジョンやミラーなど）のようなBlenderのトポロジーツールは、メッシュ構造を正確に管理します。さらに、Blenderのスカルプトツールによって、有機的なモデルのトポロジーを簡単に洗練させることができます。これまで紹介した作例はすべてこのソフトウェアを使っています。
その他の一般的な3Dモデリングソフトウェアには、Autodesk Maya、3ds Max、Cinema 4Dがあり、それぞれトポロジーを管理するためのユニークな機能を備えています。メッシュのフローと構造を改善するためにメッシュを再構築するリトポロジーのようなテクニックは、クリーンで効率的なモデルを作成するために不可欠です。ZBrushのZRemesherやTopoGunのようなツールは、これらのタスクに特化しており、複雑なトポロジーの課題に対する自動化されたソリューションを提供します。
長編映画のキャラクターモデルの制作について考えてみましょう。モデルはあらゆる角度から見ても美しく、複雑な表情や体の動きを再現できなければなりません。目、口、関節周りの適切なエッジフローに集中すれば、よりリアルで表現力豊かなアニメーションを実現できます。実際の例としては、「ラタトゥイユ」のような映画のキャラクターで行われた詳細なトポロジー作業です。すべての頂点が慎重に配置され、幅広い動きに対応しているので、キャラクターの魅力を高めています。
パフォーマンスが重要なゲームでは、視覚的な魅力を維持しながらポリゴンメッシュを最適化することが重要です。ノーマルマッピングのようなテクニックは、ローポリモデルに詳細なテクスチャを適用することで、コンピューティングパワーを使いすぎることなく、複雑さを感じさせることができます。例えば、AAAゲームでは、キャラクターモデルはディテールとパフォーマンスのバランスを取るように設計され、スムーズなゲームプレイと豊かなビジュアルを実現しています。
3Dモデリングにおけるトポロジーの未来は明るく、AIと機械学習によるプロセスの自動化と改善が進んでいます。モデルの目的に基づいて最適なトポロジーを予測・生成できるツールが登場しており、アーティストが3Dモデリングに取り組む方法を変える可能性があります。さらに、リアルタイムレンダリング技術がますます統合され、モデルのディテールとパフォーマンスの限界をさらに押し上げていくでしょう。
一流の効果的なモデルを作ろうとする3Dアーティストにとって、トポロジーを理解することは非常に重要です。ポリゴンメッシュや頂点配置の習得から、スケルタルアニメーションやテクスチャマッピングのような高度なスキルまで、トポロジーをしっかりと実践することで、美しく多機能なモデルが実現します。Blenderのようなツールを活用し、新しい発展に対応し続けることで、アーティストは3Dモデリングとアニメーションの分野で常に可能性を広げていくことができます。
