服に特化したシェーダーを作ろう

[mayusaki3]

これは今年前半に考えていたものを明文化したもの。Project Sansa標準にしたいので、追々進めます。

服の表現で、服を貫通することがあるため、シェーダー側で改善したい。
服＋身体メッシュのリストを設定することで、外側から描画させる。
服には、締め付け系→皮膚側が凹む、スカート→皮膚側に押されて膨らむ、表現があり、シェーダーが表現する。
基本的なメッシュ変形は、シェーダーの担当外。
シェーダーでは破綻を防ぐ。
従来、締め付け表現はメッシュ側を変形させるが、着替え前提だとシェーダー側で対応したい。
これらの基盤の上に、リアル表現、アニメ調などを実現したい。
Unity以外にo3deにも対応したいので共通化は進めたい。

[mayusaki3]

ChatGPTの回答

いいですね。要件を満たしつつ Unity と O3DE で共通化できる「軽量・汎用」の基盤案をまとめました。頂点ジオメトリを本格的に作り替えず、シェーダー側で“見た目の破綻防止＋押し出し/凹み表現”を行う設計です。

方針の全体像

1. データ設計（共通化のコア）

ボディ衝突フィールド（SDF 近似）

スケルトンに沿ったカプセル群で身体を近似します（1ボーンに1〜数本）。

各カプセルは (p0, p1, radius)（ボーンローカル）で定義し、毎フレームスキニング後のワールド変換を渡すだけ。

メモリ・速度・移植性のバランスが非常に良く、Unity/O3DE 双方で扱いやすい。

衣服側パラメータ

margin（最小離隔）、stiffness（押し出し剛性）、maxPush（最大押し出し量）、mode（締め付け/スカート系）

Tightness マスク（UV テクスチャ）…締め付けの強さ（0〜1）。

Softness マスク（任意）…布の柔らかさ（押し出しの出方を緩和）。

ペアリングリスト

(BodyRenderer, ClothRenderer, Parameters) のペアを登録。外側→内側の順に描画。

レンダー順制御だけでなく、同じ Body カプセル群を複数衣服で共有可。

2. レンダリング/パイプライン

基本：身体→（任意で身体の深度プリパス）→衣服。

衣服頂点シェーダーで SDF を用いた押し出し（正） or 埋まり解消を行い、見た目上必ず外側に来るように補正。

透過/カットアウト系は小さめの depth offsetや margin を使いZ ファイティング回避。

締め付け（皮膚側の凹み）：

スキン側フラグメントで Tightness を読み、法線/AO/SSSを局所的に調整して“凹んだ見え方”を作る（ジオメトリは変えない）。

動的にやるなら衣服側から**“圧マスク”**を出す方法もあるが、まずは 衣服固有テクスチャ（Tightness） で十分実用。

スカート等の膨らみ：

衣服側頂点を SDF 勾配方向に外へ押し出し。mode=Skirt のとき重力方向や脚カプセルへのバイアスを加えて“押されて膨らむ”印象を出す。

注：ここで言う「メッシュ変形」は描画時の頂点オフセットのみで、リグや基本形状の編集の置き換えはしません（ご要望通り“基本的なメッシュ変形は担当外”）。

具体アルゴリズム（共通 HLSL コア）
カプセル SDF（最短距離）
struct Capsule { float3 a; float3 b; float r; }; // world-space

float sdCapsule(float3 p, Capsule cap)
{
float3 pa = p - cap.a;
float3 ba = cap.b - cap.a;
float h = saturate(dot(pa, ba) / dot(ba, ba));
float3 q = pa - h * ba;
return length(q) - cap.r; // < 0 で内側
}

最小 SDF と勾配（数値近似）
float sdScene(float3 p, StructuredBuffer caps, uint count, out uint idxMin)
{
float dmin = 1e9; idxMin = 0;
[unroll] for(uint i=0;i<count;i++){
float d = sdCapsule(p, caps[i]);
if(d < dmin){ dmin = d; idxMin = i; }
}
return dmin;
}

float3 approxGrad(float3 p, StructuredBuffer caps, uint count)
{
const float e = 0.0025; uint _;
float dx = sdScene(p + float3(e,0,0), caps, count, _) - sdScene(p - float3(e,0,0), caps, count, _);
float dy = sdScene(p + float3(0,e,0), caps, count, _) - sdScene(p - float3(0,e,0), caps, count, _);
float dz = sdScene(p + float3(0,0,e), caps, count, _) - sdScene(p - float3(0,0,e), caps, count, _);
return normalize(float3(dx,dy,dz));
}

衣服：頂点押し出し（埋まり解消＋スカート膨らみ）
struct PushParams {
float margin; // 最小離隔（例: 13mm）
float stiffness;// 0..1（押し出しの強さ）
float maxPush; // 安全上限（例: 210cm）
float skirtBias;// スカート時の外向きバイアス係数（0で無効）
};

float3 solvePushOut(float3 worldPos, float tightness, StructuredBuffer caps, uint capCount, PushParams P)
{
uint idx; float d = sdScene(worldPos, caps, capCount, idx);
if(d >= P.margin) return worldPos; // 余裕あり：補正なし

// 内側 or 近接：勾配方向へ押し出す
float3 n = approxGrad(worldPos, caps, capCount);     // 外向き
float  need = (P.margin - d) * saturate(P.stiffness * (0.5 + 0.5*tightness));
float3 delta = n * saturate(need / max(P.margin, 1e-4));

// スカート系：重力方向や脚カプセル方向へ少し膨らませる
if(P.skirtBias > 0){
    float3 up = float3(0,1,0);
    float3 side = normalize(cross(up, n)); // 簡易の外向き拡張
    delta += (n + side*0.3) * P.skirtBias * need;
}

float len = length(delta);
if(len > P.maxPush) delta *= (P.maxPush / len);

return worldPos + delta;

}

皮膚：締め付けの“見た目”表現（法線/AO/SSS 調整）
// fragment stage（Skin）
// tightness: 衣服側テクスチャから UV マッピングで取得（0..1）
void applyTightLook(inout float3 normalWS, inout float ao, inout float sss, float tightness)
{
// 簡易：法線をやや内側へ曲げ、AOを増やし、SSSを少し減らす
float k = tightness;
normalWS = normalize(lerp(normalWS, -normalWS, 0.15k)); // 内向きにわずかに傾ける
ao = saturate(ao + 0.3k);
sss = saturate(sss - 0.25*k);
}

これらは HLSL 共通ヘッダ（例：ClothCollisionCommon.hlsl）として切り出し、Unity（HLSL/ShaderGraph Custom Function）も O3DE（AZSL は HLSL 互換構文）も同一ロジックを流用できます。

Unity 実装メモ（URP/HDRP 共通の考え方）

カプセル定義と更新（C#）

各ボーンにローカル p0,p1,r を持つ ScriptableObject を用意。

毎フレーム、対応ボーンのスキニング後ワールド座標に変換して ComputeBuffer (StructuredBuffer) に書き込み、衣服/皮膚マテリアルに SetBuffer。

衣服シェーダー

頂点ステージで solvePushOut を呼び、Tightness テクスチャも頂点 or ピクセルで参照（頂点カラーで代用可）。

透過/カットアウトは ZTest LEqual のまま、margin と小さな Offset で干渉低減。

皮膚シェーダー

Fragment で applyTightLook。衣服と共通の Tightness を共有するなら、グローバルテクスチャにするか、ボディ側にも同一 UV を持つ想定で個別設定。

描画順

Body（必要なら Depth Prepass） → Opaque Cloth → Transparent Cloth の順。

完全に覆う衣服は Stencil で皮膚をカリングする最適化も可（任意）。

O3DE (Atom) 実装メモ

シェーダー：AZSL は HLSL ベース。SRG に StructuredBuffer を用意。

Pass 設定：衣服用マテリアルに専用シェーダーを割当て、DrawListTag で衣服 → 皮膚の順序や深度設定を制御。

更新：Animation/Transform システムから各フレームカプセル SRGを更新（RPI::ShaderResourceGroup 経由）。

アート/物理パラメータ（最小セット）

margin：1–3mm（視差/解像度で調整）

stiffness：0.3–0.8（衣服の硬さ）

maxPush：2–10cm（安全上限。過剰押し出し防止）

skirtBias：0–0.7（膨らみ演出）

Tightness：0–1（衣服テクスチャ）

Softness（任意）：0–1（押し出しの鋭さを丸める）

破綻対策と注意点

薄い布＆鋭角部：margin を小さくし過ぎるとモアレや Z-fight。Offset と勾配近似の e を適度に。

階段状押し出し：頂点密度が低い場合に段差が出る → 頂点法線スムーズ＋ピクセル側で微小シェーディング補正。

極端なポーズ：maxPush が効いて輪郭が潰れる場合、Capsule 配置（本数/半径）を見直す。

コスト：Capsule 本数×頂点数に比例。LOD で 遠景は無効化、近景のみ適用推奨。

検証手順（再現性/テスト観点）

静止ポーズ3種（直立/屈伸/脚上げ）×（タイト衣服/スカート）で

交差ゼロ（目視/線形深度可視化）

押し出し量が maxPush を超えない

アニメ調/リアル調

アニメ：法線を強めに、陰影コントラスト↑、SSS 低め

リアル：法線控えめ、SSS/微小 AO で自然な凹み

解像度変更（720p↔4K）でモアレ/貫通が出ない

パフォーマンス：衣服頂点 50k、Capsule 48 本で 60fps 維持（目安）

ロードマップ（段階導入）

Phase 1（最小）：Capsule SDF 押し出し（衣服のみ）、Tightness で皮膚の見た目凹み（静的）。

Phase 2（拡張）：スカート専用バイアス、部位別パラメータ、Stencil 最適化。

Phase 3（高品位）：簡易“圧マスク”の動的生成（衣服からスクリーンスペースへ描き出し、皮膚で参照）。

次ステップ（すぐ着手できる作業）

骨ごとの Capsule 配置表 を作る（head/torso/upper-leg/lower-leg/upper-arm/lower-arm 等）。

Unity で ClothCollisionCommon.hlsl を組み込み、衣服頂点押し出しを試験。

皮膚側に Tightness を読み込む簡易ノード（ShaderGraph）/コードを追加。

O3DE へ移植（AZSL 変換・SRG 接続・Pass 設定）。

必要なら、Unity 用の C# CapsuleRigUpdater と O3DE 用の SRG 更新コードの雛形も用意します。
この方向で進めて OK なら、最小実装のコード一式（HLSL/C#/AZSL） をまとめてお渡しします。