【CEDEC2017】『MONSTER HUNTER WORLD』のレンダリング技術とGPU最適化の紹介(前半)

『MONSTER HUNTER: WORLD』 のレンダリング技術とGPU最適化の紹介(前半) 株式会社カプコン 岩崎 秀介 ヴォンクサイ キティ

はじめに • MONSTER HUNTER: WORLD – 全世界向けに開発中のハンティングアクション – PS4, XboxOne, PC • 主に描画に 焦点を当てる 2

前半・アジェンダ • 描画システムの設計 • MH: World のための描画機能 • アルファディザ • HDR ディスプレイ対応 • 4K 対応 • 高速化 3

MH: Worldの描画システムの設計 • 物理ベースレンダリング (PBR) • Direct3D 11 • Deferred Rendering • 多くの専用描画機能 4

MH: Worldのための描画機能

MH: Worldの描画 • 自然界を美しく表現 – 草木、空、星、水、海 • キャラクターを可愛く表現 – フェイシャル、ファー • 密度感（情報量の多さ）や透明感を重視 ※紹介する内容・画像はすべて開発中のものです。 6

草木 7

草木 • ミドルウェア SpeedTree を導入 • すべての草木が常に風を受ける – 速度・強さを種類毎に指定 – 揺れ方は3タイプ • 大域的な風揺れ（SpeedTree を利用） • 押し当たり • 局所的な風揺れ 8

草木の押し当たり • キャラクターの草の掻き分けを表現 – 大きさを持つ球形状で当たり配置 – 4つまで反応 • ComputeShader で草木の近くのものをピックアップ 9

草木の押し当たり（動画） • キャラクターの草の掻き分けを表現 10

草木の押し当たり（動画） • デバッグ表示 11

草木の局所的な風揺れ • 武器やモンスターの攻撃などを表現 – 押し当たりと同様に、球形状で4つまで反応 – 時間変化で球の大きさ・強さを変え、風圧を表現 12

草木の局所的な風揺れ（動画） • 武器やモンスターの攻撃などを表現 13

空 14

空 • 全てアーティストのハンドメイド • 星、大気、雲、太陽で構成 • 雲は4層で構成 – 上下 x2、側面 x2 – 天球メッシュのUVでスクロール方向・速度を指定 15

空（大気＋太陽のみ） 16

空（1枚） 17

空（2枚） 18

空（3枚） 19

空（4枚） 20

空（タイムラプス） 21

星 22

星 • 事前生成 – 数と位置・大きさ・等級・色温度をセットで保持 • 乱数で決定、必要に応じて書き換えも可能 23

星 • レンダリング – 四角形を生成、円形にくり抜き加算合成 • 乱数で時間に応じた煌めきをつける 24

水 25

水 • アーティストのハンドメイド • 近似的な屈折表現 – 直前の描画結果を一時退避、UVをずらして参照 26

水のインタラクション • すべての水面がキャラクターの動きに反応 – アルゴリズム • エフェクトが高さマップを加算合成で描画 • 法線に変換し、マテリアルの法線と合成 高さマップ 合成 27

海 28

海 • 頂点が動く – Gerstner波 (Large + Small) – ノイズ https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems/gpugems_ch01.html • 処理負荷に応じた 2 つのモード – メッシュ – クアッドテセレーション 29

• https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems/gpugems_ch01.html

海のレンダリング • ライティング（反射） – 反射マップ、太陽 or 静的環境マップ • 太陽はBrunetonのBRDFモデル [BNH10] を実装 • 屈折 – Schlick近似式に従う • 演出用として、偽のフレネル係数や 屈折率を設定可能 空気 水 30

海のレンダリング (cont’d) • 消失（光の透過率） – Lambert-Beer の法則に従う • どの距離でどの色がどの程度消失するかを指定 [Bur15] • 散乱（濁り） – 水深に応じて色が変化 水 • コースティクス（集光模様） – 単純な加算合成 地面 31

海 なし 32

海 深度 33

海 消失＋散乱 34

海 ライティング 35

海 屈折 36

海 コースティクスマップ 37

海 合成 38

フェイシャル • 法線再計算 – スキニング後のワールド空間座標から法線を再生成 • 3x3行列を頂点法線に掛ける方法では、ジョイントの移動・ スケール成分を正確に反映できない – 頂点カラーでブレンド率指定 • パーツの境目の法線を滑らかに繋ぐ 39

フェイシャル • えくぼ・唇の陰影が強調される OFF ON 40

毛（ファー） • モーションブラーをそのまま利用 – 非常に細かい大量の毛を表現 OFF ON 41

毛マテリアル • 専用のマップを用意 – RG: 横・下向きに生やす量、B: 毛の長さ 土台 ファー ベロシティ 結果 42

アルファディザ

アルファディザ（パンチ抜き） • 半透明を不透明で疑似的に表現する手法 – アルファ値に応じて「描く」「描かない」を判定 α=1.0 α=0.0 44

アルファディザの利点 • 半透明に比べ、 • ☺ ポリゴンが被ったり突き刺さっても不自然に ならない • ☺ 厳密なZソートが不要 • ☺ 影を落とすのが容易 45

アルファディザの活用 • カメラの視認性を向上 – 多くのオブジェクトにディザがかかるよう設定 • 木や岩は、全体に適用 • 地形は、適用するパーツと適用しないパーツに分離 – アルファ値は距離のみで判定（一部除く） 46

アルファディザの活用（草木） 47

アルファディザの活用（地形） 48

アルファディザの欠点 •  GPU負荷が高い – GPUの高速化機能（階層Zカリング）や、ライトカリ ングの効率が落ちる •  縮小解像度で行う画面効果にアーティファク トが出る – 一度フル解像度で描き、縮小することで対処 49

HDRディスプレイ対応

MH: WorldのHDRディスプレイ対応 • PS4 / XboxOneのHDR10出力に対応 • 単に対応しただけでは品質が悪い – レンダリングパイプラインを見直し、一部リソース も再調整 – SDRの方が魅力的とは言わせない! ～最新タイトルの HDR対応～ 17:50 – 18:15 (3F 303) で紹介させて頂きます。 51

結果的には？ • ハイエンドHDRディスプレイでは本当に美しい – 階調が多いので、暗部がはっきりする • オプションとして彩度調整を導入 52

HDR対応で発生した問題 • ネガポジ反転演出でHDR感がない – フィルタで saturate(1.0 - SceneColor) • 1.0以上の輝度が出ない • カラーグレーディングに処理を移した – ネガポジ専用の3D LUT (HDR)を用意 53

4K対応

4K対応 • 現行機上位版の登場をきっかけに対応 • MH: Worldのグラフィックスでは、上位版でも ネイティブ4K解像度では30fpsを下回る • チェッカーボードレンダリング[Man16]を採用 55

チェッカーボードレンダリング(CBR) 現在のフレーム の色 前のフレーム の色 ● ● ● ●● ●● 合成 (リゾルブ) ● 56

チェッカーボードレンダリング(CBR) 現在のフレーム 合成 (リゾルブ) 前のフレーム 57

チェッカーボードレンダリング(CBR) • EQAA (Enhanced Quality Anti-Alias) を利用 [Wih17] – SubPixelの位置をパターンに合わせる – リゾルブの補助情報としてIDを生成 (ID Buffer) ● ● Pixel ● Sub Pixel ID ● 58

チェッカーボードレンダリング(CBR) Color ID Buffer Result Velocity Prev Color 59

CBRレンダリングパイプライン変更点 • Z-Prepassのモデル描画順序を変更 – 不透明 → ディザ → アルファ抜き（アルファテスト） • テクスチャ読み込みが必要なアルファ抜きを最小限に抑える • 僅かな変更のみ – 絵を出すだけなら想定より早く対応できた ☺ – 調整は一筋縄ではいかない… 60

アルファディザとCBR • CBRとディザは”極めて”相性が悪い •  ディザパターンが斜めになる – Pixelが横方向2倍になっているため – 静止物体の場合、斜めパターンが画面に残り続ける ● Pixel ● Sub Pixel 61

アルファディザとCBR (cont’d) •  物体・カメラが動くとチラチラする ※録画品質の問題のため、ディザ幅を本来の2倍に広げています。 62

アルファディザとCBR (cont’d) •  物体・カメラが動くとチラチラする – リプロジェクションが正しくできない ●● 前のカラー （抜かれた） ●● ●● ↓ ↓ 今のカラー （抜かれない） 速度バッファ ？ ？ 結果 63

キャラクターのディザの解決法 • 縦のディザを2倍広げる – ☺ ディザパターンは非チェッカーボードと同じ – ☺ ROPの処理単位（2x2pixel）と一致するため、 GPU固定機能ユニットの効率が上がり、高速 –  半透明の代用としては不十分 64

キャラクターのディザの解決法（後） ※録画品質の問題のため、ディザ幅を本来の2倍に広げています。 65

キャラクターのディザの解決法（前） ※録画品質の問題のため、ディザ幅を本来の2倍に広げています。 66

ディザの穴とCBRの問題 • ディザがはっきり残り続ける –  輪郭はIDが異なるため、リゾルブ時にエッジを残 そうとする –  ディザを縦2倍にしたため、横長ディザより目立つ –  木・岩は動かないため、余計に目立つ • アルファ値を距離のみで決めている 67

ディザの穴とCBRの解決法 • G-BufferにAlphaDitherBitを導入 – AlphaDitherBitが立っていたら、ハックを適用 • 近傍のAlphaDitherBitも取得し、ORをとる • 近傍のIDが同じものとみなし、均一の重みでブレンド • リプロジェクションの効果を強くする – ブレンド率を上げ、カラークランプを常に適用 – ☺ ディザ感が減り、半透明っぽくなる –  パラメータ調整が難しい • ジッター、残像、ギザギザ、ボケ –  負荷が増える 68

ディザの穴とCBRの解決法 (結果) 69

ディザの穴とCBRの解決法 (拡大) ディザ 50% Before After 70

ディザの穴とCBRの解決法 (拡大) ディザ 25% Before After 71

ディザの穴とCBRの解決法（MH: World） Before After 72

ディザの穴とCBRの解決法（MH: World） Before After 73

ディザの穴とCBRの解決法（MH: World） Before After 74

高速化

高速化 • GCN世代のRadeonの機能を使った事例 – Screen Rect List で星を高速化 – Quad Swizzle でブルームを高速化 76

Screen Rect List • ポリゴンを四角形で描画する機能 – cf. SCREENRECT Topology (AGS Library) • 矩形をそのまま描画することで、ROP効率を上げる • 星の描画が15～25%高速化 – 微小ポリゴンを大量に描くため、効果が大きい 1 ROP最小単位(2x2) 2 1 4 3 5 Triangle List 6 2 3 ScreenRect List 77

スィズル命令 • シェーダ内でスレッドを跨いで変数を交換 – Cross-Lane Operations (GPUOpen) – ☺ LDS (groupshared) を使わない [San16] • 頂点シェーダ・テセレータを邪魔しない • LDS BankConflict フリー – ☺ ComputeShader 以外でも使用可能 –  groupshared メモリほどの自由度はない – 2 種類の命令 • Quad Swizzle と Lane Swizzle 78

Quad Swizzle • 隣接する 4 スレッド間の任意の変数交換 – 例：9-tap ガウシアンフィルタ • PixelShader でのテクスチャサンプル回数を削減 – 注意：Screen Rect Topology が必要 • ☺ カラー圧縮(Delta Color Compression)と併用可 – ComputeShaderではDCC圧縮書込が不可 (GPUOpen) • 5～10%高速化 [Bre16] tap1 – 応用範囲は広い tap2 quadSwizzle(a, 1, 0, 3, 2) 79

前半・まとめ • MH: Worldのレンダリング技術と 高速化について紹介 • キティの講演に続きます – 物理ベースボリュームフォグ – 最適化 80