modoのキャラクターアニメーションのパフォーマンスについて書いてみます。

はじめに

modoはキャラクターアニメーションのパフォーマンスが遅いという問題があります。この問題を改善するためmodoは段階的にパフォーマンス改善しています。

modo 15.1になってMaya、3dsMax、LightWaveなど、他の3Dソフトで見かけるアニメーションパフォーマンスを改善する機能が一通り搭載されたように思います。

ハイポリのサブディビジョンメッシュを滑らかにアニメーションできるような改善には至っていませんが、現時点でアニメーションを作成する場合に、どのような所に注意した方がよいのかまとめてみたいと思います。

アニメーション再生が遅い原因は？

modoのアニメーション再生が遅い原因でよく言われるのが「デフォーマの計算が遅い」です。
リグ単体では早いのに、スケルトンにバインドした場合や、デフォーマを追加した場合にパフォーマンスが遅くなるので「デフォーマの計算が遅い」と言われていました。

しかし、開発者の方の発言によるとmodoのデフォーマはマルチスレッドで計算しており、実際の原因はグラフィックボードに送信するためのデータ生成(メッシュの細分割、三角形のインデックスの生成、法線計算、位置の計算)がボトルネックになってるとのことです。
この計算はデフォーマを使用していると毎フレーム発生するので、デフォーマ計算が遅いと思われていました。

modo 13.1ではボトルネックを解消するためサーフェス計算が新しく書き直されましたが、サブディビジョンサーフェースやカーブなど、一部のポリゴンタイプはまだ作業中です。(この書き換えによってデフォーマキャッシュが使用できなくなったのが残念です)

GPUを強化すれば早くなる？

グラフィックボードに送信するためのデータ生成がボトルネックということは、強力なグラフィックボード(GPU)にすればアニメーションのパフォーマンスがよくなるのでしょうか？

残念ながら劇的に速くなくことはありません。昔からmodoのビューポートパフォーマンスは、GPUよりCPUの速度の方が重要だと言われています。Windows10のタスクマネージャーを使用するとGPUの使用率を見ることができますが、modoはGPU使用率が低いことがわかります。

もちろんGPUレンダラーのmPathや、NVIDIA OptiXデノイザなどGPUを使用する機能を使う場合はGPUの性能が重要になりますが、modoのアニメーション再生やビューポートパフォーマンスには大きな影響はありません。

ゲームエンジン的なアプローチのアドバンストビューポートを使用するとGPU使用率が上がりますが、デフォルト表示に比べてアドバンストは描画速度が遅いのでアニメーション作成に使用するのはお勧めしません。

恐らくボトルネックになるサーフェス計算がCPUでおこなわれているため、modoではGPUよりもCPUのクロック数が高い方がパフォーマンスへの影響が大きいのかなと思います。以上のことから、modoでアニメーションを速くするには以下の2つが重要になります。

クロック数の高いCPUを使用する。またはCPU使用率(計算量)を下げる
GPUに転送するデータ生成量を減らす

modoに限らず3DCG全般で同じ事が言えますね。

キャラクターアニメーションのパフォーマンスをよくする方法

前置きが長くなりましたが、modoでキャラクターアニメーションの再生パフォーマンスを速くした場合は以下の点に注意するといいです。

サブディビジョンはOFFの状態でアニメーションを作成すると軽い
サブディビジョンを使用する場合はSub-D、またはOpenSubdivを使用する
速いリグを使用する
複数のキャラクターが登場するシーンは、シーンを分けて作る
メッシュに依存したリグは避ける
「メッシュスムージング」「シェーダーツリーを使用」をOFFにする
ディスプレースメントやバンプを使用する場合は、レイヤーの「GL 表示」をOFFにする
プロキシメッシュや代理メッシュを使用する

以降ではキャラクターアニメーションのパフォーマンステストについて書いてみます。

アニメーションのパフォーマンステスト

キャラクターアニメーションを速くする方法をまとめるにあたり、「ポリゴン数」「リグの速度」「ビューポートの表示」の設定を切り替えて、アニメーション再生のパフォーマンスをテストしました。

自分のPC環境でファイルをダウンロードして検証できるように、modoで代表的なリグであるCharacterBoxとACSのサンプルシーンを使用しました。

CharacterBoxのサンプル「Human.lxo」
https://www.psoft.co.jp/jp/download/cbox/
ACSフリー版のサンプル「Bolo_Walk.lxo」
https://lukpazera.gumroad.com/l/acsfree

テスト環境

modo 15.1v1

フレームレート

アニメーション再生のパフォーマンスはGLメーターで表示されるフレームレートを参考にします。

リアルタイムで再生 OFF

「リアルタイムで再生」はOFFにします。

「リアルタイムで再生」はシーンのフレームレートを維持するように再生するオプションで、ONの場合はアニメーションの再生速度が低下した場合にフレームをスキップすることで、シーンのフレームレートを維持しようとします。

OFFにするとシーンのフレームレートに関係なく、再生可能な最高のパフォーマンスでアニメーション再生します。アニメーションの再生速度が低下した場合でも毎フレーム描画するので、パフォーマンスを調べる場合は「リアルタイムで再生」をOFFにする必要があります。

一口にキャラクターアニメーションと言っても「ポリゴン数」「リグの速度」「ビューポートの表示」など様々な要素で構成されています。
個々の要素ごとに分解して何がどのくらいアニメーションに影響を与えているかテストしたので、キャラクターアニメーションの参考にしてください。

デフォルト状態のパフォーマンス

まずはmodoデフォルト状態のパフォーマンスです。

モデルのポリゴン数を近くするため「Human.lxo」はサブディビジョンレベルを3から2に変更、「Bolo_Walk.lxo」は1から2に変更しました。
ポリゴン数は「Human.lxo」が59,296トライアングル、「Bolo_Walk.lxo」が33,600トラインアングルです。

画面キャプチャーしてるので、少しフレームレートが遅くなってます。また、記載してるフレームレートはおよその値です。

85FPS。

34FPS。

ポリゴン数

ポリゴン数の違いによるパフォーマンスをテストしました。

ポリゴン数が多ければ当然遅くなるのは予想できますが、サブディビジョンサーフェースを使用した場合と使用しない場合、サブディビジョンの種類でどのような変化があるかテストしました。

アニメーション用途ではSub-D、OpenSubdivが適していそうです。

Sub-D、PSub、OpenSubdiv

ゲームのようなリアルタイム向けモデル以外は、サブディビジョンサーフェースを使用する場合が多いのではないでしょうか。
modoには3種類のサブディビジョンが搭載されていますが、各サブディビジョンでのアニメーション速度をテストしました。

Sub-D : modoオリジナルのサブディビジョン Tab
Catmull-Clark(通称PSub) :ピクサーからライセンスしているサブディビジョン Sift + Tab
OpenSubdiv : Catmull-Clarkのオープンソース版。GPU計算に対応ししている

サブディビジョンサーフェースはポリゴンを細分割して、曲線的なモデルを作成する機能です。Sub-DとCatmull-Clarkでは分割アルゴリズムが異なるので、サブディビジョンレベルによってポリゴンの増加量が違います。

Sub-D

サブディビジョンレベル 0 (ケージ ON)

79FPS。レベル 0よりレベル1の方がフレームレート出るので、レベル 0は最適化されていない等の問題がありそうです。

33FPS。レベル 0からレベル5までフレームレートに大きく変化がないので、このような単純なモデルの場合サブディビジョンよりACSのリグ計算がフレームレートのボトルネックになっていると思われます。

サブディビジョンレベル 1

98FPS。

33FPS。

サブディビジョンレベル 2

88FPS。

32FPS。

サブディビジョンレベル 3

74FPS。

31FPS。

サブディビジョンレベル 4

59FPS。

29FPS。

サブディビジョンレベル 5

49FPS。

28FPS。

Catmull-Clark