XR最適化バイブル

XRプロジェクトにおけるテクスチャとメッシュの最適化：描画負荷とメモリ使用量を削減する実践的アプローチ

XR（eXtended Reality）プロジェクトにおいて、パフォーマンスの最適化はユーザー体験を左右する重要な要素です。特に、テクスチャとメッシュといった主要なアセットは、描画負荷やメモリ使用量に大きな影響を与え、プロジェクトのボトルネックとなりやすい傾向があります。

本記事では、なぜテクスチャとメッシュの最適化が重要なのかという背景を解説し、具体的な最適化手法、そして問題の原因を特定するためのツール活用方法まで、実践的なアプローチをご紹介します。これらの知識と技術を習得することで、プロジェクトのパフォーマンスを向上させ、より快適なXR体験を提供できるようになるでしょう。

なぜテクスチャとメッシュの最適化が重要なのか

XRアプリケーションは、高フレームレートでの安定した動作が求められます。特にVRでは、低いフレームレートはユーザーに不快感やVR酔いを引き起こす原因となるため、60fpsや90fpsといった高い目標フレームレートを維持することが必須です。

テクスチャは、モデルの見た目を決定する画像データであり、その解像度やフォーマットはVRAM（ビデオメモリ）使用量に直結します。VRAMが不足すると、GPUはメインメモリからデータを読み込む必要が生じ、これがパフォーマンス低下の一因となります。また、テクスチャのサイズが大きいほど、ストレージ容量も消費し、ビルドサイズが増加します。

メッシュは、3Dモデルの形状を定義する頂点とポリゴンの集合体です。ポリゴン数が多いメッシュは、GPUがレンダリングする頂点データが増えるため、描画負荷が高まります。特に画面上に多数のメッシュが表示されるシーンでは、この負荷は顕著になります。

これらのアセットが適切に最適化されていない場合、以下のような問題が発生します。

• フレームレートの低下: GPUの処理能力を超過し、アプリケーションがカクつく。
• VRAM不足によるスタッター: GPUがVRAMからメインメモリへのスワップを頻繁に行うことで、一時的に処理が停止する。
• ビルドサイズの増大: アプリケーションのダウンロードサイズやインストールサイズが増え、ユーザー体験に悪影響を与える。
• ロード時間の長期化: アセットの読み込みに時間がかかり、シーン遷移などが遅くなる。

これらの問題を解決するためには、テクスチャとメッシュの最適化が不可欠です。

テクスチャ最適化の基本と実践

テクスチャの最適化は、主に「解像度」「圧縮形式」「アトラス化」「ストリーミング」の観点から行われます。

1. 解像度の適正化

テクスチャの解像度は、見た目の品質とVRAM使用量のバランスを決定する最も重要な要素です。必要以上に高解像度のテクスチャは、無駄なリソース消費に繋がります。

• 必要十分な解像度を見極める:
  • 画面上で大きく表示されるオブジェクトや、近距離で詳細が必要なオブジェクトには高解像度（例: 2048x2048、4096x4096）を適用します。
  • 遠距離に配置されるオブジェクトや、目立たない部分には低解像度（例: 512x512、256x256）で十分です。
  • Unity/Unreal Engineでの設定: 各テクスチャインポート設定の「Max Size」や「Resolution」で最大解像度を指定できます。これらは多くの場合、2のN乗（256, 512, 1024, 2048など）に設定します。
• ミップマップの活用:
  • ミップマップとは、元のテクスチャを段階的に縮小した複数のバージョンを事前に生成しておく機能です。
  • オブジェクトが遠くに表示される際には、GPUが自動的に小さいミップマップを使用するため、VRAM帯域幅の消費を抑え、エイリアシング（ギザギザした見た目）を軽減する効果があります。
  • ほとんどのテクスチャでミップマップを有効にすることが推奨されます。ただし、UI要素やピクセル単位で正確な表示が求められるテクスチャでは、無効にする場合があります。

2. 圧縮形式の選択

テクスチャの圧縮は、ファイルサイズとVRAM使用量を削減する効果があります。適切な圧縮形式の選択は、品質とパフォーマンスのトレードオフを理解することから始まります。

• 主要な圧縮形式:
  • BC1 (DXT1): RGBのみ。アルファチャンネルがないテクスチャに最適。高い圧縮率。
  • BC3 (DXT5): RGBとアルファチャンネル（8bit）を持つテクスチャに最適。BC1よりファイルサイズは大きくなるが、アルファ品質が良い。
  • ASTC (Adaptive Scalable Texture Compression): モバイル向けに広く使われる最新の圧縮形式。高い圧縮率と優れた品質のバランスが特徴で、ブロックサイズ（例: 4x4, 6x6, 8x8）によって圧縮率を調整できます。RGBとアルファチャンネルをサポート。
  • ETC2: Android向け。ASTCが登場する前によく使われました。
  • PVRTC: iOS向け。
• 選択のポイント:
  • ターゲットプラットフォーム: PC/Mac、モバイル（Android/iOS）、VRデバイスなどによってサポートされる形式が異なります。
  • テクスチャの種類: RGBのみか、アルファチャンネルが必要か。Normal Map（法線マップ）の場合は、特別な圧縮設定（例: UnityのNormal Map設定）を使用すると良いでしょう。
  • 品質要件: 圧縮率を上げすぎると、テクスチャにブロックノイズや色にじみが発生する可能性があります。

3. テクスチャアトラスの活用

テクスチャアトラスは、複数の小さなテクスチャを一枚の大きなテクスチャにまとめる手法です。これにより、レンダリング時にGPUが処理するテクスチャの切り替え回数（ドローコール）を削減し、パフォーマンスを向上させます。

• メリット: ドローコールの削減、バッチング効率の向上。
• デメリット: UV座標の調整が必要、特定のテクスチャだけを更新することが難しい。
• UI要素や多数の小道具、キャラクターのパーツなどに効果的です。

4. ストリーミングテクスチャ

非常に大規模なテクスチャや、大量のテクスチャを使用するオープンワールドのような環境では、全てのミップマップレベルをVRAMに常駐させるのは非現実的です。ストリーミングテクスチャは、カメラからの距離や視錐台（Frustum）内にあるかどうかに応じて、必要なミップマップレベルのみをVRAMにロードする技術です。

• Unity: Streaming Mipmaps (Unity 2018.1以降)。
• Unreal Engine: Virtual Textures（仮想テクスチャ）。
• VRAM使用量を大幅に削減できますが、適切な設定を行わないと、テクスチャの解像度が一時的に低下して表示される「ポップイン」現象が発生する可能性があります。

メッシュ最適化の基本と実践

メッシュの最適化は、主に「ポリゴン数」「LOD（Level of Detail）」「圧縮」「バッチング」の観点から行われます。

1. ポリゴン数削減とLODの活用

ポリゴン数（頂点数）が多いほど、GPUの描画負荷は高まります。見た目の品質を維持しつつ、不必要なポリゴンを削減することが重要です。

• 不要なポリゴンの削除: 目に見えない部分（壁の裏側、地面の下など）のポリゴンは削除します。
• LOD (Level of Detail) の設定:
  • カメラからの距離に応じて、ポリゴン数が異なる複数のメッシュ（LOD0: 最高品質、LOD1: 中品質、LOD2: 低品質など）を切り替えて表示する機能です。
  • 遠くにあるオブジェクトには低ポリゴンモデルを使用することで、全体の描画負荷を大幅に軽減できます。
  • Unity/Unreal Engineでの設定: 両エンジンともLODグループをオブジェクトに割り当て、各LODレベルの切り替え距離やモデルを指定できます。
  • メッシュ削減ツールの活用: Maya, BlenderなどのDCCツールや、UnityのProBuilder、Unreal EngineのMesh Simplificationツール、あるいはPolygon Cruncherのような外部ツールを使用して、手動または自動でポリゴン数を削減します。

2. メッシュ圧縮

メッシュデータもテクスチャと同様に圧縮することで、ファイルサイズとメモリ使用量を削減できます。

• UnityのMesh Compression:
  • モデルのインポート設定で「Mesh Compression」をNone, Low, Medium, Highから選択できます。
  • 頂点、法線、UVなどのデータを量子化して圧縮し、メモリ使用量を削減します。
  • Highにすると最も圧縮されますが、品質劣化のリスクがあります。見た目に問題がない範囲で高い圧縮率を選ぶのが良いでしょう。
• Unreal Engine:
  • Static Mesh Editorで「Build Settings」内の「Min Lightmap Resolution」「Max Lightmap Resolution」や、「LOD Settings」内の「Num LODs」など、様々な設定が可能です。
  • 頂点カラーや法線の精度を調整することで、サイズを削減できます。

3. バッチングとインスタンシング

描画負荷を軽減する上で、ドローコール数の削減は非常に重要です。バッチングやインスタンシングは、複数のオブジェクトを一度の描画コマンドでまとめて描画する技術です。

• スタティックバッチング:
  • Unityでは、静的な（動かない）オブジェクトで同じマテリアルを使用しているものを、ビルド時に結合して一つの大きなメッシュとして扱うことで、ドローコールを削減します。
  • オブジェクトの変換をバッチングすることはできませんが、大幅なドローコール削減効果が見込めます。
• ダイナミックバッチング:
  • Unityでは、一定の条件（頂点数、マテリアル、サイズなど）を満たす小さな動的なオブジェクトを、ランタイム時に自動でバッチングします。
  • CPU負荷が発生するため、過度に依存しないよう注意が必要です。
• GPUインスタンシング:
  • Unreal EngineやUnityのHDRP/URPで、同じメッシュとマテリアルを持つ多数のオブジェクトを、GPU側で効率的に描画する手法です。
  • 特に草木や群衆など、同じモデルが大量に配置されるシーンで強力な効果を発揮します。

4. スケルタルメッシュの最適化

キャラクターなどのアニメーションするメッシュ（スケルタルメッシュ）は、ボーンの数やウェイトの複雑さがCPU・GPU双方に影響します。

• ボーン数の削減: 不要なボーンは削除し、必要なボーンのみに限定します。
• ウェイトの複雑さの軽減: 各頂点に影響を与えるボーンの数を最小限に抑えます。通常は4つ以下が推奨されます。
• リターゲットとLOD: 遠距離のキャラクターには、より少ないボーン数で構成されたLODモデルを使用することも検討します。

パフォーマンスボトルネックの特定とツールの活用

闇雲に最適化を行うのではなく、どこにボトルネックがあるのかを正確に特定することが重要です。UnityとUnreal Engineには、強力なプロファイリングツールが備わっています。

Unityでのツール活用

• Profiler: CPU、GPU、メモリ、レンダリングなど、多岐にわたるパフォーマンス情報をリアルタイムで監視できます。
  • Memory Module: どのテクスチャやメッシュがどのくらいのメモリを消費しているかを確認できます。VRAM使用量の内訳も確認可能です。
  • Rendering Module: ドローコール数、バッチ数、三角ポリゴン数などを確認し、描画負荷が高い原因を特定します。
• Frame Debugger: 一フレームの描画パスをステップバイステップで確認できます。どのオブジェクトがどの順番で、どのマテリアルやテクスチャを使って描画されているかを詳細に分析し、ドローコールやオーバードローの原因を特定するのに役立ちます。

Unreal Engineでのツール活用

• Stat Commands: エディタ内でコンソールコマンド（例: stat unit, stat rhi, stat gpu, stat memory, stat streaming）を使用することで、リアルタイムで様々な統計情報を表示できます。
  • stat gpu: GPUの各処理（Base Pass, Shadow Depths, Post Processなど）にどれくらいの時間がかかっているかを表示します。
  • stat rhi: ドローコール数、プリミティブ数、頂点数などのレンダリング統計を表示します。
  • stat memory: メモリ使用量の内訳を確認できます。
• GPU Visualizer (Ctrl+Shift+,): 特定のフレームにおけるGPUの各タスクの処理時間を視覚的に表示します。これにより、どの描画パスやオブジェクトがGPUのボトルネックになっているかを詳細に分析できます。
• Unreal Insights: より高度なプロファイリングツールで、CPU、GPU、メモリ、ネットワークなどの詳細な情報を時系列で記録・分析できます。大規模なプロジェクトや複雑なボトルネックの特定に非常に強力です。

これらのツールを活用し、「VRAM使用量が予想以上に高い」「特定のオブジェクトが描画負荷を異常に高めている」「ドローコール数が多すぎる」といった具体的な問題点を見つけ出し、優先順位をつけて最適化に取り組んでください。

結論と次のステップ

テクスチャとメッシュの最適化は、XRプロジェクトのパフォーマンスを最大化するために不可欠なプロセスです。適切な解像度の選択、効率的な圧縮形式の適用、LODやバッチングの積極的な活用、そしてプロファイリングツールによるボトルネックの特定と改善を継続的に行うことで、より滑らかで没入感のあるXR体験を提供できます。

プロジェクト開発の初期段階からこれらの最適化の考え方を取り入れることで、後からの大規模な手戻りを防ぎ、効率的な開発を進めることができます。

本記事で解説した内容を参考に、ご自身のプロジェクトで実践してみてください。そして、今回学んだ知識を土台として、今後はマテリアル、ライティング、物理演算、オーディオなど、他のアセットやシステムの最適化にも目を向け、XR最適化のスキルをさらに深めていくことをお勧めいたします。