Volumes

ボリュームレンダリングは、あらゆるHoudiniパイプラインの重要な部分であり、RenderManは機能と改良を加え続けています。 PxrVolumeマテリアルは、シングルまたはマルチスキャッタエフェクトを使用して、素早く正確な結果を生成するように設計されています。

Houdiniでチューニングする場合は、単純にVDBファイルを参照するか、変換がレンダリング内で実行されるようにすることができます。(RenderManに取り込むためにはOpenVDB形式である必要があります)

Open

PxrVolumeは、以下のような複雑なボリューメトリックエフェクトのレンダリングに使用できるマテリアルです。

• 霧（単一の散乱を持つ一様なボリューム）

• 煙（単一の散乱で十分な不均一なボリューム）

• 火（放射性の特性を持つ不均一なボリューム）

• 雲（通常、多重散乱を必要とする不均一なボリューム)

PxrVolumeは、基本的なマテリアルとして、少量のボリュームプロパティを入力として受け取る目的としています。複雑なボリュームプロパティのモデリングは、上流のノードで処理するか、シミュレーションツールでOpenVDBなどのボリュームファイル形式に焼き付ける必要があります。

PxrVolumeのユーザーは、一様ボリュームと不均一ボリュームの違いに注意する必要があります。一様ボリュームは密度と色が一定であるのに対し、不均一ボリュームは密度や色が変化します。不均一ボリュームは、一様ボリュームに比べて、一般的にレンダリングに時間がかかります（ノイズも多くなります）。

Basic Workflows

Constant fog

Open

一様なフォグ効果（同質のボリュームを含む）は、入力接続なしでPxrVolumeパラメータだけで簡単にモデリングできます。これにより、最も効率的なレンダリングが可能になります。

カメラを囲んだり、光源を包んだりするフォグエフェクトの場合は、PxrVolumeをRiVolumeオブジェクトにアタッチする必要があります。それ以外の場合は、PxrVolumeを任意の閉じたジオメトリにアタッチして、形作られた領域などのシンプルなエフェクトを作成できます。

深さの減衰だけが必要な場合は、Diffuse Colorを黒に設定します。光はボリュームによって散乱されず、吸収されるだけなので、重要なパラメータは密度だけです。それ以外の場合は、Diffuse Colorにフォグの色を設定する必要があります。

Smoke

煙のような不均一な媒質の場合、一般的なアプローチは、煙のプロパティをOpenVDBファイルのようなファイルに焼き付けることです。OpenVDBファイルには、密度、速度（モーションブラーを使用する場合）、アルベドなどの少量のプロパティが含まれています。OpenVDBはRiVolumeにアタッチして、impl_openvdbプラグインを使って読み込みます。OpenVDBファイルの密度プロパティの名前は、PxrVolume Density Float PrimVarパラメータで直接使用されます。

煙は非常に低いアルベドを持つ傾向があるため、Diffuse Colorパラメータには暗い色が使用されます。(カラーがOpenVDBファイルに焼き付けられている場合は、PxrPrimVarノードを使用してカラープロパティを抽出することができます)。この低アルベドのため、ボリューム内で複数回散乱した光の量は通常非常に少ないので、Multiple Scatteringはオフのままにしておき、Samplesを1より大きくしてレンダリングを高速化することができます。

煙は一般的に等方性媒質であるため、Anisotropyの設定はデフォルトのままで構いません。Equiangular Weightは、ボリュームの近くや内側に光源があると予想される場合はそのままに設定し、ボリュームの近くに光源がないと予想される場合は0.0に設定します。

Clouds

雲は、水滴の集合体の挙動や光との相互作用が複雑な現象であるため、レンダリングが非常に難しいボリュームです。煙とは異なり、雲から目に届く光は、通常、雲の内部で何十、何百回も跳ね返っています。その上、散乱挙動（雲の内部で光が跳ね返る様子）は、前方散乱と後方散乱の両方を含み、それぞれに複数のピークがあるため、非常に複雑です。

雲の密度を OpenVDB ファイルのようなファイルにベイクし、OpenVDB ファイルの密度プロパティの名前を PxrVolume Density Float PrimVar パラメータで直接使用するのが、雲自体をモデリングする一般的な方法です。雲は通常すべての光を反射するので、単純に Diffuse Color を (1, 1, 1) にしておけば十分です。雲自体の複雑な光の振る舞いを表現するためには、PrimaryおよびSecondary Anisotropyの設定に加えて、Multiple Scatteringが必要です。以下の異方性の設定は、実際の雲の複雑な散乱挙動に対する物理学的な近似値を反映しています。多重散乱が使用されるため、samplesパラメータは使用されず、1に設定することができます。最後に、雲自体に光源がない場合、等角サンプリングでは何のメリットもないため、Equiangular weightは0.0に設定できます。(一方で、嵐のような天候の場合、稲妻の閃光をシミュレートするために雲の中にライトが設置されている可能性があるため、等角サンプリングは有益であると考えられます)。

Advanced Workflows

Crepuscular Beams

クレパスキュラー・ビーム（「God Ray」と呼ばれることもある）は、単にボリューム内での光の散乱の結果である。光が光線に分離されると（例えば、森の樹冠から抜け出るわずかな太陽光）、光を散乱させるボリュームの部分と他のボリュームの部分とのコントラストが印象的な効果をもたらします。

クレパスキュラー・ビームを効率的に表現するためには、直接照明の効果を最大限に発揮させること、つまり、光源までの経路を直接たどることができるボリュームを最大限に増やすことが重要です。ボリュームが他の表面や素材を経由して間接的に光源までの経路を辿らなければならない場合、ビームの収束が非常に遅くなり、許容できないほどのノイズが発生する可能性があります。上の画像では、右側のステンドグラスの窓が「薄いガラス」としてモデル化されています。ボリュームから光源に向かって伸びる影の光線は、二次的な（屈折しない）材料の跳ね返りに頼るのではなく、ステンドグラスの材料の影の色合いの動作にのみ頼っています。PxrSurfaceの "thin "パラメータ（glassパラメータの下にある）を使用すると、まさにこの最適化を実現することができます。

Performance Suggestions

Densityは、ボリュームを表す最も重要な特性です。ボリュームでの光の吸収量と散乱量の両方を表すものです。ボリュームの統合では、1回のレンダリングで何十億回もの密度評価が必要になることがありますので、レンダラーができるだけ早くdensity(密度)を評価できるようにすることが重要です。そこで、複雑な信号をOpenVDBなどのボリュームファイル形式に変換しておくと、レンダラーがデータから値を探すだけで済むので便利です。最高のパフォーマンスを得るためには、入力接続を使用するのではなく、可能な限りPrimVar densityパラメータを使用することを強くお勧めします（入力接続が1つのPxrPrimVarノードであっても同様です）。

PxrVolume は、RiVolume プリミティブを使用した不均一ボリュームの場合、レンダリング開始時にボリューム内のあらゆる場所の密度を自動的に計算し、この情報をレンダリング中に使用して密度サンプリングを大幅に高速化します。

この計算の精度（および変形モーションブラーの精度）は、diceアトリビュートである micropolygonlength によって制御されます。

マイクロポリゴンの長さを小さく設定すると、非常に正確な密度推定が可能になりますが、最初の計算に時間がかかり（最初のレンダリングの繰り返しが遅くなります）、レンダラーが多くのメモリを使用することになります。この値を高く設定しすぎると、密度の推定精度が低くなり、ボリューム内で密度が非常に高い孤立したポケットが見落とされる可能性があります。2Kレンダリングでは、変形モーションブラーで低い設定が必要な場合を除き、5以上の設定を使用することをお勧めします。カメラがボリュームの中や近くを通過する場合は、dicing projectionを平面からワールドまたは球体に変更することをお勧めします。カメラの近くではディテールが失われるかもしれませんが、レンズの近くでは大量のデータを作らずに済むかもしれません。

Emissive Volumeは収束に非常に時間がかかる場合があり、特にシーン内の唯一の光源である場合は、ノイズのない画像をレンダリングするのに何百、何千ものカメラサンプルが必要になることがあります。ボリュームが直接照明に使用できる完全な光源としてサポートされるまでは、Emissive Volumeの使用は控えめにすることをお勧めします。

Multiple Scattering(多重散乱)は非常にコストのかかる効果です。光がボリューム内でより多くの回数跳ね返ることを意味するだけでなく、PxrVolume自身がより多くのサンプルを取ることができず（Samplesパラメータは無視されます）、Integratorの設定に翻弄されるからです。さらにMultiple Scatteringは、ボリュームの後ろにあるオブジェクトの収束を遅らせる可能性があります。そのため、可能な限りmultiple scatteringを避けることをお勧めします。アルベドが低い媒質の場合、多重散乱は最終的なレンダリングにほとんど影響しません。雲のように、光の輸送が何十、何百回もの光の跳ね返りを伴うような媒質では、残念ながら多重散乱は避けられないかもしれません。

Single Scattering(単一散乱)を使用する場合、カメラのサンプル数を増やすよりも、収束性を向上させるためにボリューム内のサンプル数を増やす方がはるかにコスト効率が良いことが多いです。

Equiangular sampling(等角サンプリング)は、ボリュームの内部または近くにあるライトで照らされたボリュームの収束性を向上させますが、ライトが遠くにある場合はボリュームの収束性が低下します。等角サンプリングのデフォルト値（0.5）は、ほとんどのシーンで許容範囲内で動作する妥協点です。ボリュームの近くに光源がないことがわかっている場合は、レンダリングを高速化するために等角度を0.0に設定する必要があります。バージョン21.5以降では、multiple scatteringのvolumeに対してEquiangular samplingが無効になっています。

Anisotropic(非等方性)ボリュームは、サンプリングの性質上、等方性ボリュームよりも収束が遅くなる傾向があります。

Parameters

Diffuse Color

ボリュームの色です。

デフォルトは白(1,1,1)です。このパラメータで接続を行うと、不均一なボリュームが作成されます。

散乱係数、吸収係数、消衰係数に詳しい方は、ここでの拡散色は、散乱係数を消衰係数で割った散乱アルベドであることに注意してください。

Emit Color

ボリュームの発光色です。これは、燐光性のフォグや火のような効果をモデリングするのに便利です。デフォルトは黒（0,0,0）で、ボリュームは光を発しません。次の画像は、発光色を（1, 1, 1）と（5, 2.5, 2.5）に設定し、シーン内に他の光源がない状態を示しています。

Multiple Scattering

このパラメータは、ボリューム内の間接照明を計算すべきかどうかのヒントとして使用されます（光がボリューム内で複数回散乱するため、多重散乱とも呼ばれます）。多重散乱パラメータが0に設定され、インテグレータがこのヒントを尊重する場合、PxrVolumeは単一散乱のみを実行します：ボリューム内の点は光源によってのみ直接照明されます。1に設定すると、ボリューム内の点は間接照明でも照明されます。下の最初の画像は、多重散乱が0に設定されており、単一散乱ボリュームです。真ん中の画像は、多重散乱がオンになっており、光が2回跳ね返っています。右の画像は、多重散乱をオンにして、光を4回跳ね返しています。

異方性の高い非常に高密度なボリュームでは、光が目に届くまでにボリューム内で何度も散乱することがよくあり、正しい外観を得るには多重散乱が唯一の方法です。また、ボリュームコースティクスのような特定の効果を正しく表現する唯一の方法でもあります。一方で、多重散乱は非常にコストがかかるため、このパラメータのデフォルトは0（オフ）です。さらに、一様なボリュームをレンダリングする場合、多重散乱をオフにすると、ボリュームの背後にある直接照明されたサーフェスのノイズが少なくなることがあります。

なお、一部のインテグレーター（特にPxrVCMなどの双方向パストレーサー）では、アルゴリズムの性質上、ボリュームの多重散乱を実装せざるを得ないため、このヒントを無視します。

Velocity and Motion Blur

RenderManの他のジオメトリタイプとは異なり、変形モーションブラー付きボリュームは、主にBxdfコントロールを使って有効にします。PxrVolumeで変形モーションブラーを有効にするのは簡単で、velocityパラメータにベクトル値を指定します。PxrVolumeで変形モーションブラーを有効にするのは簡単です(この前処理はレンダリングの最初に行われるため、最初のピクセルまでの時間が長くなりますが、ぼやけたボリュームのレンダリング効率を大幅に向上させるためには必要な処理です) 。

データによっては、ボリュームコンテナのdisplacement boundアトリビュートを拡張して、ボリュームの任意の部分の最大ベロシティを包含することが必要な場合もあります。

速度ベクトルの値は、フレーム全体に対する相対値であることが期待されます。1秒単位で計測された速度データを扱う場合、正しい画像を得るためには、1秒あたりのフレーム数（例：1/24.0）でデータをスケーリングする必要があるかもしれません。

前述のように、PxrVolumeの他のパラメータとは異なり、変形モーションブラーの精度は、diceアトリビュートのmicropolygonlengthに直接関係し、制御されます。モーションブラーをかけたボリュームの細かいディテールが失われている場合、ディテールを取り戻すためにこのアトリビュートを減らす必要がある場合があります。これは、レンダリング時間とメモリに直接影響します。

変形モーションブラー付きボリュームは現在、Density Float PrimVar および Density Color PrimVar 入力では動作しません。代わりに、densityFloatまたはdensityColorに接続されたPxrPrimVarノードを使用する必要があります。 一般的に、OpenVDBファイルで変形モーションブラ付きーボリュームを使用する場合は、2つのPxrPrimVarノードを使用する必要があります。

次の画像は、このシェーダーの設定と、速度グリッドを含むOpenVDBファイルを組み合わせてレンダリングしたものです。左側の画像はブラーなしでレンダリングされ、右側の画像はベロシティ接続が適用されています。

Density Parameters

Density Float PrimVar

ボリュームの密度フロートをオーバーライドするジオメトリのプリミティブ変数で、デフォルトでは設定されていません。これを設定するとdensityFloat入力がオーバーライドされ、単にPxrPrimVarパターン接続を使用するよりも効率的です。

OpenVDBファイルなど、ベイクされたボリューム表現を使用するワークフローでは、Density Floatパラメータに接続された入力を使用するのではなく、このパラメータ設定を使用することを強くお勧めします。

Density Float 

ボリュームの密度は、ボリュームによって光がどのように減衰されるかを直接制御します。密度カラーがデフォルト値から変更された場合、密度フロートパラメータは密度カラーによって上書きされます。色付きの影を必要としない限り、密度カラーパラメータよりもこのパラメータを設定した方が、ボリュームのレンダリング効率が向上します。

このパラメータに入力接続を行うと、不均一なボリュームが作成されます。

密度は、消光係数（吸収係数と散乱係数の和）とも呼ばれます。

以下の画像は、左から密度0.1、0.25、2.0の場合の例です。

Density Color PrimVar

ボリュームのdensityColorをオーバーライドするジオメトリのプリミティブ変数で、デフォルトでは設定されていません。これを設定するとdensityColor入力がオーバーライドされ、単にPxrPrimVarパターン接続を使用するよりも効率的です。

ベイクされたボリューム表現（OpenVDBファイルなど）を使用するワークフローでは、「Density Color」パラメータに接続された入力を使用するよりも、このパラメータ設定を使用することを強くお勧めします。

Density Color

ボリュームの密度は、ボリュームによって光がどのように減衰するかを直接制御します。つまり、ボリュームがどのように影を落とすかに直接影響します。密度の色がデフォルト値から変更された場合、密度の色パラメータは密度の浮動小数点数よりも優先されます。

ボリュームからの色付きの影が必要ない場合は、density floatパラメータを設定し、density colorパラメータはそのままにしておくと、ボリュームのレンダリング効率が向上します。

このパラメータに入力接続を行うと、不均一なボリュームが作成されます。

密度は、消光係数（吸収係数と散乱係数の和）とも呼ばれます。

下の図は、左から(1.0, 0.25, 0.25)、(2.0, 0.25, 0.25)、(5.0, 0.25, 0.25)の密度の色を表しています。Rチャンネルの方がボリュームの密度が高いため、より多くの赤色光が散乱され、シアン色の寄与が残っていることに注意してください。

Max Density

Max Densityパラメータは、不均一なボリュームでのみ使用され、ボリュームのサンプリングに使用されるステップサイズを制御します。正しく偏りのないレンダリングを行うためには、最大密度はボリューム内で発生するどの密度よりも高くなければなりません。最大密度の値を大きくすると、ボリュームをサンプリングするために多くのステップが必要になるため、レンダリングが遅くなることがあります。最大密度を小さくしすぎると、レンダリング速度は速くなりますが、ボリューム内の密度の高い部分がアンダーサンプリングされるため、正しくない（偏った）レンダリングになります。

バージョン20.7以降、RiVolumeに限り、PxrVolumeはボリュームのサブセクションの密度境界を自動的に計算し、この情報を使用してレイ上のステップサイズを変化させます。これは、ボリュームの密度の高い部分でのみ、より多くのステップが実行されることを意味します。したがって、非常に不均質なボリュームでは、最大密度に高い値を設定しても、ボリューム全体に悪影響を及ぼすことはありません。実際には、このパラメータを非常に高い値に設定して、それ以上気にしないようにすることも可能です。

Max Densityのデフォルト値は1.0です。

Anisotropy Parameters

Primary Anisotropy

ボリュームが光を散乱させる方向を制御します。Primary Anisptropyパラメータは、-1から1の範囲で設定でき、デフォルトは0です。0の値は、ボリュームが等方的であることを意味します。つまり、光はすべての方向に同じ確率で散乱します。0より大きい正の値は、ボリュームが前方散乱していることを意味します。入射光が同じ方向（入射光から離れる方向）に散乱する確率が高くなります。異方性の値が0より小さい場合は、ボリュームが後方散乱していることを意味します。入射光が逆方向（入射光の方向に向かって戻る）に散乱する確率が高いことを意味します。

多くのボリューム（煙など）は一般的には等方性がありますが、この性質が更に高いものも存在します。例えば、肉や皮膚などの有機物は前方散乱特性が強い傾向にあります。

このような材料は、光が何度も跳ね返った後に等方的な挙動に収束する傾向があるため、多重散乱が発生した場合、異方性の影響はあまり受けなくなることに注意してください。

以下は、単一方向散乱ボリュームに対する-0.8、0.0、0.8の異方性の例です。

ここでは、多重散乱ボリュームの-0.8、0.0、0.8の異方性の例を示します。

Secondary Anisotropy and Lobe Blend Factor

ボリューメトリックマテリアルの中には、単一の異方性ローブでは捉えきれない散乱特性を持つものがあります。例えば、雲は非常に複雑な散乱特性を持っています。ほとんどが高度な前方散乱ですが、かなりの後方散乱成分を持っており、暗い雲に見られる”Silver Lining”の原因となっています。このようなマテリアルをレンダリングするには、ボリュームに2つ目の異方性ローブを有効にして、2つの別々のローブ間のブレンド方法を決定するBkend Factorを設定します。Blend Factorが0（デフォルト）の場合は、プライマリの異方性のみが考慮されます。Blend Factorが1の場合は、Secondary Anisotropy(二次異方性)のみが使用され、Blend Factorが0.5の場合は、各ローブが均等に考慮されることを意味します。

下の画像は左から順に、一次異方性＝0.0，二次異方性＝0.8の単一散乱ボリュームに対して，Lobe Blend Factorを0，0.5，1.0に設定したものです。1枚目と3枚目の画像は、基本的に単一異方性ローブを使用してレンダリングされていることに注意してください。

下の画像は左から順に、一次異方性＝0.0，二次異方性＝0.8の多重散乱ボリュームに対して，Lobe Blend Factorを0，0.5，1.0に設定したものです。1枚目と3枚目の画像は、基本的に単一異方性ローブを使用してレンダリングされていることに注意してください。

Sampling Parameters

Equiangular Weight

密度サンプリングではなく、等角サンプリングを使用する確率を設定します。等角サンプリングは、光源に近いボリュームの収束性を向上させますが、密度サンプリングは、密度が高い、または密度が大きく変化するボリュームを扱う場合に、より優れた手法となります。デフォルト値の0.5は、両方の手法が同等に使用され、多重重点的サンプリングと組み合わされることを意味します。ボリュームの密度が高く、光源から離れている場合は、Equiangular Weightを下げることで収束が良くなることがあります。これは、バージョン21.5以降の多重散乱ボリュームには適用されません。

Samples

この設定は、単一散乱ボリュームのサンプル品質を制御します。ボリュームのサンプル数を多くすると、レンダリング時間を犠牲にして、ボリュームの収束性が向上します。しかし、他のオブジェクトがあるシーンではトレードオフとして、画像内の他の場所でコストを増加させることなく、ボリュームがより多くのサンプルを採取し、結果を改善できる可能性があります。収束率はボリューム内でも異なりますので、少ないボリュームサンプル数でもそれなりに収束する領域もあれば、より多くの助けが必要な領域もあるということです。

Multiscatter Optimization

Multiscatter Optimization 　※パストレーサーで有効です。

Extinction Multiplier

このパラメータは多重散乱ボリュームのレンダリング時に使用されます。値は0.0以上でなければならず、デフォルトは1.0で修正の必要はありません。1.0以下の値は消光係数を減少させ、1.0以上の値は消光係数を増加させます。

Contribution Multiplier

この乗数は多重散乱ボリュームレンダリング時に使用されます。このパラメータは、多重散乱イベントの直接照明の寄与を乗算します。値は0.0以上でなければならず、デフォルトの1.0は修正の必要はありません。1.0以下の値では直接照明の寄与が小さくなり、1.0以上の値では大きくなります（これにより、ボリュームがより柔らかく、より半透明に見えることがあります）。