読者の方から、
「プログラム知らないけど興味があるので仕組みを知りたい」
というメールが来たので、ちょっと説明してみる。
影を表示する２つの意味
そもそもなぜ影を表示する必要があるのか。
ひとつめの理由は単純で、日常生活ではあって当たり前の影を
現実を模したゲームで表示しなければ、不自然さが際立ってしまう。
もうひとつの理由としては
キャラクタをきちんと表示していても
画面そのものは平面という２次元のため
遠近感が非常にわかりにくい。
これが、
影を表示するだけで、急に距離感がハッキリする。
（キャラクタ本体の高さは２人とも同じであることに注目）
つまり、離れた足場にジャンプで飛び移るようなゲームや、
２Ｄでも前後の奥行きが重要なゲーム、
たとえば「ファイナルファイト」などは影が必須と言える。
黒い丸で表現する「丸影」
もっとも簡単に用意できるのが
こういう影。いわゆる「丸影」だ。
２Ｄのゲームでも楕円を描くだけでそれっぽく見える。
３Ｄの場合でも黒い円を描いた１枚のポリゴンでＯＫ。
ただし、
●キャラクタの形と無関係なので、リアリティが薄い
●途中で折り曲げることができないので
凹凸のある地面には使えない
という問題が起こる。
3Dモデルを上下方向に潰した「影モデル」
この次の段階として、３Ｄのモデルを
縦方向につぶし、
厚さをゼロにする。
それを黒い色で表示すれば
ほら、影っぽい。
本体と一緒に表示してみると、
いい感じ。
これだとキャラクタの形がそのまま反映されるので
ぐっとリアルに感じる。
２Ｄでも同じようなことができるので
これを使っているゲームも非常に多い。
ただし、
●キャラクタのポーズや角度が変わるたびに影の形が変わるので
影モデルをリアルタイムに作り続ける必要がある
●影そのものは一枚の板なので
やはり凹凸のある地面には使えない
●厚さがゼロになっただけなので、
本体と同じだけのポリゴン数を使うことになり、
処理の負担は大きい
という問題が起こる。
3Dモデルはポリゴンでできている
そもそも３Ｄのモデルというのは
「ポリゴン」と呼ばれる、
三角形が集まったもの。紙を切り貼りして
立体物を作るペーパークラフトと同じ仕組み。
ポリゴンの頂点の位置が定まれば
どういう三角形か特定できるのでポリゴンが描ける。
ちなみに四角形が必要な場合は
三角形を２枚組み合わせて使う。
つまり、
単純な球に見える３Ｄモデルでも
大量のポリゴンを使って作られている。
ポリゴン数が多ければ多いほど処理は重くなる。
ここまでが３Ｄの基本。
3Dモデルの境界部分から作る「シャドウボリューム」
さて、３Ｄモデルを表示したとき
光が当たるポリゴンと当たらないポリゴンの境目、
この直線と、影方向の適当な一点でできる三角形に
新たなポリゴンを作る。
これを繰り返して
すべての輪郭部分にポリゴンを貼り付けていくと
こんな感じになる。
この「輪郭部分がどこなのかをチェックする処理」が
非常に負担が大きく、
当然、本体のポリゴンが多いほど時間もかかる。
この赤く見える部分を「シャドウボリューム」という。
輪郭部分をそのまま平行に押し出した、
こういう形の方が理想だが、
シャドウボリュームを作るのに必要なポリゴンが
膨大に増えてしまうため、普通はさっき説明したような
影方向に決めた一点とを結んだピラミッドのような形にする。
この影方向にある一点、というのを、ものすごく遠くにすれば
平行に押し出した場合と大きな違いはなくなるのだ。
これは言い換えると、
３Ｄモデル本体によって光を遮ることになる空間、
ということになる。
これが背景や他の３Ｄモデルに
突き刺さるわけだ。
その際、シャドウボリューム内に
めり込んでいる部分というのは
こんな感じになる。
ここは３Ｄモデルが光を遮っているエリアだから
光が当たらない、つまり影ができるはずである。
画面内でそういう部分だけを抜き出し、
これを薄い半透明の黒として画面に重ねると
ほら、影っぽい。
もちろんシャドウボリューム自体は表示しない。
今まで問題だった凹凸の面に対する場合でも
正しく影が表示されるわけだ。
ただし、シャドウボリュームの中に入った部分を
すべて影ができるものとして考えるため
もともと光が届かないはずの裏側（この画像の青い部分）まで
影として黒く塗ってしまう。
さらにはシャドウボリュームを作るときの処理が多く、
常に形の変化する３Ｄモデルが大量に出てきて
しかも光が揺れてたり（懐中電灯とか）すると
もう、めっちゃくちゃ大変。
だから「サイレントヒル」とかはスゴイ。
最初にプレイしたとき衝撃を受けた。
もちろん、処理を少しでも軽くするための
さまざまな工夫（でも相当に難しい）や、
シャドウボリューム以外の方法もあるが
とにかく影の処理というのは奥が深すぎるぐらい深いのだ。
各手法を直感的に理解できる解説動画
※２０１７年２月 このあたりの内容を説明する動画を作りました