バイオリンの RBD 破砕 (VIOLIN RBD SHATTER)

このプロジェクトは、タイムスケールとコントロールに重点を置いた、ゴルフボールがバイオリンを突き破る RBD シミュレーションです。以下のチュートリアルで、スローモーションの破壊をコントロールしながら、RBD シミュレーションで使用する小さめのユニークオブジェクトの準備とセットアップについて解説していきます。HIP ファイルを見ながら学習すると、より理解が深まるでしょう。

ステップ１ - アセットの準備

どの RBD シミュレーションも、最初に破壊のためにモデルの下準備をする必要があります。つまり、穴があればふさぎ、破砕で問題を起こしそうなジオメトリがあれば修正します。今回の場合は、使用モデルの大部分が 3D ピースのため「分離」するパーツができてしまわないよう、ジオメトリが欠けているネックの裏側部分を作り直していきます。

このモデルには修正が必要な問題が幾つか含まれています。まず隙間をクリーンアップします。ネック下側のケースとの接合部の隙間を埋めて穴をなくします。側面パネルが 2D なので厚みをつけるほか、円柱状オブジェクトの穴をふさぐ、内部の浮いているピースを削除するなど、細かい修正もいくつか加えていきます。

次に、破砕とレンダリングの際に、選択と命名をしやすくするため、一部のパーツをグループ化し、その後「pname」という一時的な name アトリビュートをひとつ作成します。ここにピースの元の名前を格納しておくと、後ほど Solaris で名称設定する際に役立ちます。他にも後から修正を加えましたが、いずれも、グループ分けやジオメトリに加える一部の編集に伴って後から必要になる小さな修正です。その他のアセットとして、台として使用するベベル付ボックス、背景用の簡単な曲面、ゴルフボールを作れば準備は完了です。モデリングを終え、台の上に配置したら、ジオメトリの破砕に進みましょう。

ステップ２ - バイオリンの破砕

モデルのクリーンアップができたら、バイオリンを破砕して RBD シミュレーションの準備をしていきます。破砕や拘束は、静止状態にしたオブジェクトで設定し、後から変形やアニメーションをコピーして戻すのが良いでしょう。今回の比較的シンプルなシーンであっても、バイオリンを静止状態に戻してから破砕に着手するのが良いでしょう。

たとえば岩などに比べ、バイオリンのようなオブジェクトは木製品のため、木目を考慮する必要があり、破砕がやや複雑になります。今回の場合は、リファレンスをもう一度見て、これから作るケースの全体的な形を確認しましょう。先ほどのグループと名前を使って、RBD シミュレーションで必要となるメインのバイオリンケースを破砕し、さらに、壊れないピース（ネック、テール、細かい下部パーツ）も RBD Sim 用に適切に準備していきます。

RBD Material Fracture の適用（ジオメトリ修正前と修正後）

まず RBD Material Fracture でバイオリンの木製ケースを破砕しますが、たとえ途中で何度かクリーンアップしても、問題は起こります。この例の場合、RBD Material Fracture ノードで破砕ジオメトリを作る過程で問題が生じるかもしれません。通常、その原因となるのは密閉できていないジオメトリです。修正するには、ピースを一度 VDB に変換してから再びポリゴンに戻します。その際、バイオリンに引き続き元のテクスチャを使いたいので、アトリビュート、特に UV を戻すことを忘れないでください。これにより、穴が消えて密閉され、見た目の良い破砕を簡単に作れるようになります。破砕は大きめに保ちます。その方がシミュレーションをコントロールしやすく、なおかつ木片や切れ端をセカンダリに回すことができます。特に小さいブリッジや魂柱は問題を起こしやすいので、一度拡大してから破砕し、再び縮小するとよいでしょう。

UV の破綻と修正後の UV (上端)

木製ピースの破砕が完了したら、壊れはせずともシミュレーションの一部として使われる、残りのピースに進みます。これらのピースには、RBD Bullet Solver に適した名前、つまり、それぞれに固有の name アトリビュートを付与する必要があります。その方法はいくつもありますが、今回は RBDMaterialFracture の Cutter をオフにし、Fracture per Piece オプションをオンにするのが良いでしょう。バイオリンを再度組み立てたら、RBD シミュレーションのための拘束セットアップに進みます。

ステップ３ - 拘束による結合

次のステップでは、ピースを結合させるための拘束（コンストレイント) を設定します。SOP レベルのツールを使ってコネクションを設定し、拘束を微調整して、壊す場所やピースをコントロールします。

まず、メインの木製ケースの拘束を設定します。この拘束システムが最も複雑ですが、RBD Constraints from Rules ノードと RBD Constraint Properties ノードを使えば多くの作業をそれらに任せて、パラメータ値の設定に専念できます。前面、側面、後面の３ピースそれぞれに拘束を作成したら、ケースの部品用とメインパーツ３個用に異なる拘束セットを作り、先に作った拘束と統合します。拘束タグは分けたままにして、ピースそれ自体と、それらを繋ぐコネクションとを、より柔軟にコントロールできるようにしましょう。

拘束のタイプは Glue を選び、壊れるまで動かないようピースを結合しておきます。ただし、壊れるピースはいずれも Constraint Switching をオンにして Soft を指定します。こうすると、壊れる必要のあるピースの拘束が、衝撃の直前に Soft に切り替わります。Glue 強度による破壊もソルバに計算させましたが、ボールが突然ズレたり、木の強度に負けて動きが完全に止まるなど、不自然な結果になりました。Soft 拘束を使えば、それを回避して、木の破砕の最終的な雰囲気に専念することができます。

破砕時の拘束セットアップ

 Override Angular Stiffness と Damping Ratio  は、忘れずオンにしてください。これにより衝撃で曲がる木片の強度と振動をコントロールしやすくなります。標準的な Stiffness や Damping Ratio より弱い値にしてください。木材の曲がりやすい性質を再現するためです。

ステップ 4 - 破砕

目指すルックを完成させるには微調整がいくつか必要なため、シミュレーションの最終工程で RBD Configure ノードと RBD Bullet Solver ノードを設定していきます。

始めに RBD Configure で木の密度を設定します。大きめの数字にして重みをつけ、衝撃の直後まで下方のボタンを無効にし、バイオリンが台から飛んでいかないようにします。次に、アセットのトランスフォームを rbdxform ノードにコピーしてバイオリンを位置につけます。最後にゴルフボールを選択し、十分な量の密度とベロシティを設定します。その際、このショットがスローモーションであることと、ティーを離れたボールの速度がごく速いことから、相当な速さが必要になることを忘れないでください。ここではショットの性質と表現したいディテールを踏まえ、バイオリンの密度もボールの密度も、非現実的なほど高く設定しておきます。

最後に、RBD Bullet Solver で、コントロールと欲しいルックを本格的に設定していきます。まずは Time Scale です。このショットはスローモーションなので 0.1 にしてください。具体的な数値なしに判断するのは難しいですが、リファレンスを見たところ、0.1 くらいが適正値でしょう。残りの数値は試行錯誤して決めます。ただし、Bullet World Scale は 1000、Bullet Substeps は 400、Constraint Iterations は 100 の時に、安定した結果が得られることが判明しています。Drag は、衝撃が起こる前の最初の値をゼロにしておきます。ゴルフボールはアクティブオブジェクトのため、衝撃時の値が判断しやすく、値の調整であまり時間がとられません。

Constraints タブでは、先ほどのセットアップの多くを実際に使用していきます。 Soft 拘束の Break Thresholds 設定は、Angle Threshold を 0.45、Distance Threshold を 0.01 にします。これは、ヒンジ状に結合させつつ、距離が広がったら離れるようにするためです。最後に、Impact グループのタブを Switch to Next Constraint に設定し、切替フレームを24にします。これにより、衝撃の直前になると、衝撃箇所の拘束が Glue でなくなり、 Soft 拘束として動作するようになります。

バイオリンの Break Thresholds 設定

ステップ 5 - ディテールの追加と Solaris の準備

これで RBD シミュレーションの完成です。ここからは、シミュレートしない細かなディテールを幾つか追加して、セカンダリに進む前に、衝撃の時の重みや雰囲気をさらに加えていきます。

レンダリングには Karma XPU を使用するため、まずシミュレーションをアンパックして、Solaris 用の名称を設定します。RBD シミュレーションで変更されてしまった命名は、最初に設定した pname アトリビュートを使い、 name アトリビュートをリセットすると手っ取り早いでしょう。その他多くのシミュレーションの場合と同様に、スイッチを使って衝撃の直前に未破砕のオリジナルアセットから切り替えることで、不自然な箇所を目立たなくします。

破壊の内側は新規作成したジオメトリなので、適切な UV の設定も必要です。内側のグループを切り離して名前を付け、Solaris でマテリアルを割り当てやすくします。最後に、タイムシフトさせたジオメトリと、フリーズさせたジオメトリの両方で UVTextures  を設定し、その UV アトリビュートをシミュレート後のジオメトリにコピーしましょう。これで内側のピースの UV は完璧です。テクスチャ用の適切な命名ができるよう、バイオリン内部のフェースも切り離したら、振動とペグのねじりのアニメーションに進む準備は万端です。

Bend ノードの設定

反響の表現には、衝突で飛び散らないピースを全て選択し、 Bend ノードでねじりと曲げをつけましょう。CHOP の波形ノイズを使い 、Bend Angle および Twist を数フレ後にゼロに向かうようアニメートして、振動がすぐに止むようにします。適切な振動がつくよう Deform in Both Directions および Continuous Twist in Both Directions を忘れず有効化してください。最後に、ペグにねじりのアニメーションをつけます。アニメーションが必要なペグの重心を抽出してタイムシフトを適用し、ねじりのアニメーションをつけたら、元のペグの重心にそれをコピーします。

ステップ 7 - 粉塵

これで破砕の大部分が完成したので、セカンダリに進みましょう。ここでは、瓦礫の雲全体を構成する、微細な瓦礫と粉塵、細かい破片を追加していきます。

Pyro 衝突用の VDB

まず、バイオリンのシミュレーションと台を合体させ、ふたつとも VDB キャッシュに変換し、それを Pyro シミュレーションの衝突で使用していきます。VDBFromPolygons ノードでバイオリンのディテールをしっかり保てる程度まで Voxel Size を落としたら、 Distance VDB の名前を collision に変更します。Surface Attribute を  point.v、VDB の名前を collisionvel に変更したら、最後に Vector Type を  Displacement/Velocity/Acceleration にします。これで衝突をキャッシュ化して、Pyro シミュレーションに流し込めるようになります。

ステップ 8 - 破片と小片

コピーするポイントと、さらに細かな破砕ピース

最後に、Copy to Points で Piece Attribute パラメータをオンにして Piece を選び、 Pack and Instance パラメータをオンにします。最後に、Attribute Randomizeを使って、ピースにランダム化させた名前をつけます。小片にマテリアルを割り当てるのにこの名前を使います。

テップ 9 - レンダリング

マテリアルの割り当てが完了したら、ライトを何灯か配置し、さらに  Karma Fog Box  で靄感を出します。バイオリンと粉塵、パーティクル、破片はすべて、ふたつのカメラで分けておけるよう、karmaRenderSettings で、それぞれ別のレンダーパスに設定します。karmaRenderSettings では、レンダラに  Karma XPU エンジンを使用、 Motion Blur をオン、Depth of Field をオフに設定してください。あとは、 Velocity Blur を有効にすれば、ショットの再現に必要な作業は完了です。このチュートリアルが皆さんのお役に立つことを願っています。