[Blender 2.8] 布の表現 [クロスシミュレーション]

[Blender 2.8] 布の表現が出来る『クロスシミュレーション』の、機能と使い方のご紹介

今回の記事は、Blenderでの『物理シミュレーション』で、布などの柔らかい材質のように変形したり、動作をシミュレーションして簡単にアニメーションを作成するのに便利な、『クロスシミュレーション』についてです。

※2020年8月24日画像の追加挿入を行いました。
※2020年8月27日加筆修正を行いました。
※2020年11月10日加筆修正を行いました。

クロスシミュレーションとは

クロスシミュレーションは、コンピュータグラフィックスの最も難しい側面の1つであり、現実の布から考えると一見単純そうに見えるアイテムですが、実際には非常に複雑な内部および環境の相互作用があります。クロスは通常、2Dメッシュとしてモデル化され、布地、旗、バナーなどの実世界のオブジェクトをシミュレートします。また、3Dオブジェクトのモデリングとして、テディベア、枕、風船、ボールなどにも使用できます。

Blender クロスシミュレーション 3DCG モデリングマネキン衣服スカート — クロスシミュレーションを使用して作成した衣服

Blender クロスシミュレーションパーティクルヘアー 3DCG モデリングテディベア — クロスシミュレーションを使用して作成したテディベア

クロスは、他の移動オブジェクト、風や他の力、および一般的な空気力学力モデルと相互作用して影響を受けます。

Blender クロスシミュレーション風フォースフィールド 3DCG モデリング旗日本国旗 — クロスシミュレーションと[力]のフォースフィールドを使用して作成した旗

ちなみに、[力]のフォースフィールドについて詳しくは、下記記事の[力(Force)]の項をご覧ください。

[Blender 2.8] 『重力』と『フォースフィールド』 [フォース]

クロスモディファイアー

クロスの物理演算がメッシュに追加されると、『クロスモディファイアー』がオブジェクトのモディファイアースタックに追加され、1つのモディファイアーとして扱う事が出来ます。もちろん、その後は、[アーマチュア]や[スムーズ]などの他のモディファイアーと組み合わせて使用することも出来ます。この場合、メッシュの最終的な形状はモディファイアースタックの順序に従って計算されます。例えば、モディファイアーの順序が[クロス]の下に[スムージング]といった並びである場合、クロスの形状を計算した後でスムージングされます。

Blender クロスシミュレーション 3DCG モデリングマネキン衣服モディファイアースムーズ — [クロス]モディファイアーと[スムーズ]モディファイアーの併用

また、簡単に、素早く、メッシュの全体的な変形を行うのにも役立ちます。『クロスモディファイアー』を[適用]すると、その時点のフレームでメッシュの形状を固定し、モディファイアーを削除できます。

メッシュの形状の計算

シミュレーションの結果はキャッシュに保存されるので、メッシュの形状は、一度アニメーションのフレームに対して計算されると、再計算する必要がありません。また、シミュレーションに変更を加えた場合は、キャッシュをクリアしてシミュレーションを再実行することで再計算してくれます。

全てのフレームでのクロスの形状の計算は自動で、バックグラウンドで行われます。したがって、シミュレーションが計算している間に行っている他の作業を阻害されることなく続ける事が出来ます。ただし、PCの能力とシミュレーションの複雑さによっては、非常にCPUに負荷が掛かり、動作を阻害する場合もあります。メッシュの計算に必要なCPUの量が場合によって異なる、という点はご留意ください。

フレームの計算は最初のフレームから順に行ってください。フレームをジャンプして、それ以前のフレームでまだ計算が済んでいない途中のフレームから行うと、シミュレータが正確な計算結果を表示できない場合があります。

『パーティクルシステム』の『キャッシュ』についてですが、共通する内容が多いので、下記記事も参考までに併せてご覧ください。

[Blender 2.8] データのキャッシュの保存やベイキング [パーティクルシステム]

クロスの基本的な使い方

クロスオブジェクトを、通常の開始形状としてモデリングして、用意しておきます。(ここで使用するオブジェクトは、ある程度細分化されたメッシュオブジェクトを使用して下さい。)

[プロパティエディター]>[物理演算プロパティ]で[クロス]をクリックし、オブジェクトにクロスシミュレーションを付与します。

クロスと相互に作用する他のコリジョンオブジェクトをモデリングし、用意しておきます。他のメッシュ変形系のモディファイアーの後に、コリジョンモディファイアーがモディファイアースタックの最後にある事を確認します。

再生([スペースキー])して、シミュレーションを実行します。(普通に布同士で貫通していたりしますが、設定によっては貫通を防ぐことが出来ます。詳しくは[セルフコリジョン]の項をご覧ください)

クロスシミュレーションで重要な4つの「スプリング」について

内部的には、クロスの物理学はメッシュの頂点を接続する「仮想スプリング」でシミュレートされます。

この、クロスの曲がり方を制御するスプリングには4つのタイプがあります。これらの4つのタイプは以下のように定義されます。

引張スプリング(Tension Springs)　…布の硬さを制御します。
圧縮スプリング(Compression Springs)　…布を折りたたむ、または圧縮するのに必要な力の量を制御します。
せん断スプリング(Shear Springs)　…「圧縮スプリング」と似ていますが、角変形を制御します。
角度曲げスプリング(Angular Bending Springs)　…布が折りたたみや皺になりにくいかを制御します。

これらの4つのスプリングタイプは、[物理演算プロパティ]パネルで個別に制御できます。(場合によっては[プロパティの重み]パネルでも制御可能です)これらの設定は、サーフェススプリングを制御しますが、オプションで、内部スプリングを3Dメッシュに使用して、『ソフトボディ』と同様に動作させることが出来ます。

Blender クロスシミュレーション 3DCG テディベア — [内部スプリング]を有効にして『ソフトボディ』のように動作させたテディベアモデル

ちなみに、『ソフトボディ』について、詳しくは下記記事をご覧ください。

[Blender 2.9] 柔らかな物体の表現 [ソフトボディシミュレーション]

[Cloth Presets]

クロスのプリセットのサンプル。

デフォルトで用意されているのは以下の5種類になります。

[Cotton]
[Denim]
[Leather]
[Rubber]
[Silk]

Blender クロスシミュレーション 3DCG — [Cloth Presets]

デフォルトで用意されているプリセットのサンプルの中から選択すると、クロスの設定が選択したサンプルのものに変化します。

既にリストにある物以外にも、[プリセット名(デフォルトでは”New Preset”)]を自分で決めて、[+]ボタンから新しいプリセットを追加できます。逆に既にあるプリセット名の右にある[-]ボタンを押すと、プリセットが削除されてしまうのでご注意さい。

ちなみに、デフォルトで用意されているプリセットサンプルを使用してみると、↓のようなシミュレーションになります。

[品質のステップ数(Quality Steps)]

フレーム毎のシミュレーションステップ数を設定します。値が大きい程品質が良くなりますが、遅くなります。

[速度の乗算(Speed Multiplier)]

クロスシミュレーションの進行速度を調整します。

[物理プロパティ(Physical Properties)]

[頂点の質量(Vertex Mass)]

クロスの材質の各頂点の質量。

[空気の粘性(Air Viscosity)]

空気には通常、落下する物体を遅くする一定の密度があります。

[曲げモデル(Bending Model)]

[角度(Angular)]　…角度曲げばねによるクロスモデル。
[リニア(Linear)]　…リニア曲げばねによるクロスモデル(旧方式)。

[剛性(Stiffness)]

[引張(Tension)]

材質が引っ張られるのにどれくらい抵抗するか。

ちなみに、[曲げモデル]で[リニア]を選択していた場合、この項目が非表示になります。

[圧縮(Compression)]

材質が圧縮されるのにどれくらい抵抗するか。

[せん断(Shear)]

せん断されるのにどれくらい抵抗するか。

[曲げ(Bending)]

材質が曲がるのにどれくらい抵抗するか。

[減衰(Damping)]

[引張(Tension)]

引っ張られる時の減衰量。

ちなみに、[曲げモデル]で[リニア]を選択していた場合、この項目が非表示になります。

↓の例では、前提として両方[剛性]>[引張]の値を”0.0″に設定しています。

[圧縮(Compression)]

圧縮時の減衰量。

↓の例では、前提として両方[剛性]>[圧縮]の値を”0.0″に設定しています。

[せん断(Shear)]

せん断時の減衰量。

↓の例では、前提として両方[剛性]>[せん断]の値を”0.0″に設定しています。

[曲げ(Bending)]

曲げ挙動時の減衰量。

↓の例では、前提として両方[剛性]>[曲げ]の値を”0.0″に設定しています。

[内部スプリング(Internal Springs)]

内部に体積のある構造を、メッシュの反対側とつながるスプリングを生成してシミュレートします。

クロスシミュレーションは、メッシュの表面上の頂点を接続する「スプリング」を通じてシミュレーションされます。ただし、通常、「スプリング」はサーフェス上でのみ相互作用し、2Dサーフェスにのみ適用されます。

そこで、この項目のチェックボックスにチェックを入れて、有効化することによって、「内部スプリング」を使用し、メッシュを『ソフトボディ』と同様に動作させることができます。

ちなみに、『ソフトボディ』について、詳しくは下記記事をご覧ください。

[Blender 2.9] 柔らかな物体の表現 [ソフトボディシミュレーション]

[最大生成スプリング長(Max Spring Creation Length)]

生成中の内部スプリングが持つことが出来る最大の長さ。内部ポイントとの間の距離がこれより大きい場合、これらのポイントとの間に内部スプリングは作成されません。

この項目が”0″の場合は、長さ制限無しになります。

今回使った↓のテディベアのモデルの場合は、”0.15″にすると皺が出来たり、少し動きがスプリングの働きが鈍くなってクタッとした印象になりました。ここの数値は使用するモデルの大きさを基に丁度良い値に調整してください。

[最大生成角度(Max Creation Diversion)]

内部スプリング最大角度。頂点の法線から分岐して内部ポイントを繋ぐのに使用可能な最大角度。

円錐オブジェクトを『サブディビジョンサーフェスモディファイアー』でレベル2程度細分化させ、[最大生成スプリング長]を”0.75″に設定したものを使用して比較しました。

Blender クロスシミュレーション 3DCG 円錐 — [最大生成角度]の”0°”と”45°”で比較

[サーフェス法線をチェック(Check Surface Normals)]

内部スプリングと接続するポイントは、法線と反対方向である必要があります。

円錐オブジェクトの右側半分だけ、敢えて法線方向を反転させたものを使用して比較しました。

Blender クロスシミュレーション 3DCG 円錐法線 — [サーフェス法線をチェック]のチェックの有無で比較

[引張(Tension)]

材質が引っ張られるのにどれくらい抵抗するか。

[圧縮(Compression)]

材質が圧縮されるのにどれくらい抵抗するか。

[頂点グループ(Vertex Group)]

内部スプリングの剛性([引張]と[圧縮])を細かく制御するための頂点グループ。

メッシュの部分毎に内部スプリングをどのくらいの強さで割り当てたいのかを指定出来ます。

ちなみに、『頂点グループ』そのものについてや、基本的な扱い方などは、下記記事をご覧ください。

[Blender 2.8] 頂点のグループ分けと”重み”の管理 [頂点グループ]

この[頂点グループ]を設定した場合、[引張]と[圧縮]で設定した値は無視され、[最大引張]と[最大圧縮]で設定した値と頂点グループのウェイト値で、剛性が決定するようです。

ウェイト値”1.0″を割り当てた部分が、[最大引張]と[最大圧縮]で設定した剛性になり、ウェイト値”0.0″を割り当てた部分が、引張も圧縮も”0.0″の剛性になるようです。

今回は、一部分だけウェイト”1.0″を割り当て、他全てに”0.0″を割り当てた頂点グループを使用してみました。

Blender クロスシミュレーション 3DCG テディベア頂点グループ — 一部だけウェイト”1.0″を割り当てたテディベアモデル

この頂点グループを設定してシミュレーションさせてみました。全体的に(特に末端が)詰め物が足りない感じで皺が強く出る仕上がりになりました。

[最大引張(Max Tension)]

引っ張られにくさの最大値。

[頂点グループ]に頂点グループを設定した場合に、使用される値。

[最大圧縮(Max Compression)]

圧縮の剛性の最大値。

[頂点グループ]に頂点グループを設定した場合に、使用される値。

[圧力(Pressure)]

閉じたクロスメッシュ内で圧力をシミュレートします。

このクロスの[圧力]のチェックボックスにチェックを入れて有効化することにより、「ある種の流体」で満たされた風船やボールなどのソフトシェルオブジェクトのシミュレーションが可能になります。この「ある種の流体」は、気体または液体として見る事ができますが、どちらも「流体」として一般化されています。

Blender クロスシミュレーション 3DCG モデリングボール — [圧力]で作成した膨らんでいくボール

Blender クロスシミュレーション 3DCG モデリング風船 — [圧力]と『爆発モディファイアー』で作成した破裂する風船

ちなみに、掲載しましたgifの風船が割れるアニメーション作成時に使用した、『爆発モディファイアー』について、詳しくは下記記事をご覧ください。

[Blender 2.8] 爆発するオブジェクトをお手軽作成 [爆発モディファイアー]

非多様体メッシュは、クロスの圧力で動作しますが、圧力はメッシュの穴から逃げ、ドリフト力または推進力が生じます。これを回避する1つの方法は、頂点グループを使用して、メッシュの非多様体部分を除外することです。

Blender クロスシミュレーション非多様体 3DCG モデリング — 非多様体メッシュで[圧力]を設定した例

非多様体
Non-Manifold（ノンマニホールド）ともいい、点接触や線接触により厚さがゼロになる状態、BREPモデルで厚さがゼロになってしまう部分のことです、数学的にはさらに厳密な定義が存在します。
引用元: CAE用語集 – 非多様体 | MBD・CAEソリューションカンパニー | 株式会社 IDAJ

[圧力(Pressure)]

メッシュに常に加えられる均一な圧力。この値は負の値になると、内破や、オブジェクトが外向きの内側に押す圧力がある場合をシミュレートします。

[Custom Volume]

[ターゲット体積]をクロスの初期ボリュームとして使用します。これにより、最初にオブジェクトを膨張させるために圧力を使用する必要がなくなります。

[ターゲット体積(Target Volume)]

内外の圧力が同じになるメッシュの体積。”0″に設定すると、体積は全ての圧力に対し影響がなくなります。

↓のgifでは全て[圧力]の値を”0″に設定したもので比較しています。

[係数(Factor)]

空気圧のスケーリング係数。全体的な圧力に対するスカラー制御。

[頂点グループ(Vertex Group)]

頂点グループのウェイト値で、メッシュのどの部分に圧力をかけるかを制御します。ウェイト値が”0″の場合は圧力が無い事を意味し、ウェイト値が”1″の場合は最大圧力をそのまま受けることを意味します。

ウェイト値が”0″の頂点を持つ面は、[ターゲット体積]の計算から除外されます。

ちなみに、『頂点グループ』そのものについてや、基本的な扱い方などは、下記記事をご覧ください。

[Blender 2.8] 頂点のグループ分けと”重み”の管理 [頂点グループ]

例えば、風船の上部に圧力がかかるようにウェイトペイントを施した頂点グループを設定するとします。

Blender 頂点グループ 3DCG モデリング風船ウェイトペイント — ウェイトの値を上部になるほど強く設定した風船の頂点グループ

[頂点グループ]を設定していない方(下記gifの左側)は、圧力が全体にかかるのに対し、[頂点グループ]を設定した方(下記gifの右側)は、圧力が上部に集中してかかっているのが分かるかと思われます。

[キャッシュ(Cache)]

クロスのキャッシュ設定は、他のダイナミック(動的)システムと同じです。詳細については、『パーティクル』のキャッシュを参照してください。

[Blender 2.8] データのキャッシュの保存やベイキング [パーティクルシステム]

既にシミュレーションを実行した後でクロスオブジェクトを移動または編集する場合は、キャッシュをクリアする必要があります。そうでない場合、Blenderは、現在のキャッシュされたメッシュの頂点の位置を使用しようとする時に、キャッシュから読み出されます。

memo:『サブディビジョンサーフェスモディファイアー』を併用する時の注意点

ベイク/キャッシュは、細分化レベル毎に行われる為、『サブディビジョンサーフェスモディファイアー』の[レンダリング]と[プレビュー]には、同じ細分化レベルを指定してご使用ください。

『サブディビジョンサーフェスモディファイアー』について、詳しくは下記記事をご覧ください。

[Blender 2.8] ローポリゴン→ハイポリゴンへ　[サブディビジョンサーフェスモディファイアー]

[シェイプ(Shape)]

[固定グループ(Pin Group)]

ピン留めとして使用する『頂点グループ』。

クロスの[シェイプ]では、クロスを『頂点グループ』で固定することで制御できます。固定される強さは、『頂点グループ』で設定した各頂点の『ウェイト』値で制御します。

『頂点グループ』について、詳しくは下記記事をご覧ください。

[Blender 2.8] 頂点のグループ分けと”重み”の管理 [頂点グループ]

例えば、下の画像のようなマネキン(モドキ)のオブジェクトと、『物理演算』の[クロス]を設定した赤いスカートのオブジェクトを用意します。

かなり余裕を持たせてスカートを履かせているのもあり、『頂点グループ』を設定していない場合、ご覧の通り、スカートがそのまま下まで落ちてしまいます。

Blender 物理演算クロスコリジョン 3DCG モデリングマネキンスカート — [固定グループ]を設定しなかった場合

一部分だけ固定するための『頂点グループ』を新規作成し(名前を[cloth_fixed]に設定)、↓の画像のようにウェイト値を設定しました。

Blender 物理演算クロスウェイトペイント頂点グループ 3DCG モデリングマネキンスカート — [固定グループ]用に頂点グループを作成

作成した『頂点グループ』を[プロパティエディター]>[物理演算]>[クロス]>[シェイプ]>[固定グループ]に入力します。

Blender 物理演算クロス頂点グループ 3DCG モデリングスカート — [固定グループ]に作成した頂点グループを設定

この状態で再生すると、今度は下まで落ちずにマネキンにちゃんと着せられました。

Blender 物理演算クロスコリジョン頂点グループ 3DCG モデリングマネキンスカート — [固定グループ]を設定した場合