HairMakerで遊ぼう

「遊ぼう」つっても、TANEが自分で作ったプログラムなので、「プログラムを作る以外の目的で遊べるのか？」という疑問はありますが、生温かい目で見てあげてください。

ある日、TANEがWings3Dを使用してポリゴンねーちゃんを作った時、髪の毛の表現に色々と苦労をしました。 Wings3Dはポリゴンベースモデラではあるのですが、ポリゴンの一枚板を編集し、うまくレンダリングできるような形で出力する事ができない為、一般的な手法として使われている、リボン状のポリゴンを髪の毛の束に見たてて、そのポリゴンにテクスチャマップを施すという方法がうまく適用できませんでした。
更にある日、OpenGLというグラフィック描画ライブラリを使用して、少し3DCGのイロハを勉強してみることにしました。この過程でWings3D で作成した3Dデータを表示させては嬉しがってみました。
とあるCG雑誌を眺めていると、どうやら世の中は髪の毛の流れを指示する専用のツールを使って髪の毛を編集するのが一般的になっているらしく、高価な3DCGツールにはそういったツールがプラグインで提供されていたり標準添付されていて使えたりするものらしいというのを知りました。そうは言っても高価なソフトウェアですから、とても手が出る代物ではありません。
そして、OpenGLを使用して、どうにか高級ソフトウェアのような髪の毛を編集するツールを作れないかと考えてみました。それがこの HairMakerという訳です。
つまり「毛の生成プログラム」です(＜説明これだけでいいじゃん)。

[2013/08/24追記]:D言語を使ってリライトしたバージョンはこちら。

HairMakerのビルド方法

Mingw版を作成してみました。実行バイナリとソースの両方が含まれています。実行バイナリを含んでいますので、ビルドは特に必要ありません。

hairmaker-win-005.tar.gz(05/01/18)

Cygwin依存のGLUT版はソースしかありませんので、以下の手順でビルドする必要があります。

Cygwinをインストールする。 DLLだけとかケチ臭いインストールでは多分うまくいきません(^^; この時できればg++パッケージもインストールする。
lib3dsをコンパイルしインストールする。本ライブラリは「3d studio max」形式のファイルを読み込むのに使用しています。configure/makeを実行するとexampleのビルドには失敗するようですが、ライブラリのインストールができれば取りあえず OKです。
HairMakerのソース hairmaker-003.tar.gz(04/02/22) をダウンロードし適当なディレクトリに展開する。展開したソースディレクトリに移動しmakeを実行する。うまくいけば実行ファイル hairmaker.exe が生成されます。

<注意点>: コンパイルにはCygwinのライブラリパッケージw32apiのインストールが必要ですが、バージョン2.5-1ではGL/glu.h内のdefineが足りない為、コンパイルに失敗します。一つ前のバージョン2.4-1では大丈夫です。

HairMakerの起動方法

Mingw版は実行バイナリをエクスプローラーなどからダブルクリックして起動します。
以降の作業フローや操作方法などは、ファイル指定をコマンドラインからではなくメニューから行なうという点を除けば、GLUT+Cygwin版と「ほぼ」同じだと思います(^^;

GLUT+Cygwin版はコマンドshell上から起動します。

./hairmaker -i foo.hair -o foo.hair -p foo.inc &

入力ファイル、出力ファイルなどは予めコマンドラインで指定しておく方式です。これは単にGLUTを使用したのでは、ファイル指定ウインドなどを開く事が難しいので、妥協策としてこうしました。
./hairmaker -h で簡単なヘルプが出ます。

作業フロー

HairMakerを使用するにあたって、まず毛を生やしたい3Dオブジェクトが必要です。次のようにデータを渡り歩く感じになります。

Wings3Dを使用してオブジェクトを作成し、Exportプラグインの3DS形式出力を使用して3DSファイルを生成します。これをfoo.3dsとします。
HairMakerにfoo.3ds形式を読み込ませます。以下のようなオプション指定で 3DSファイルを入力とします。
```
    ./hairmaker -3 foo.3ds -o foo.hair -p foo.inc
    
```
編集を行なった後、'o'キーを押す事で-oオプションで指定したファイル名で HairMaker独自形式ファイル(前述の例ではfoo.hair)に出力します。 'p'キーを押す事で-pオプションで指定したファイル名でPOV形式(例ではfoo.inc)に出力します(ただし単体では文法的にレンダリングできません)。
出力されたPOV形式のファイルはWings3Dで出力したPOVファイルに #include文を追加することで結合します。例としてWings3Dでの出力ファイルを foo.povとした時、foo.povの最後に「#include "foo.inc"」を追加します (エディタを使用して追加するか、Cygwinコマンドラインから
```
    echo '#include "foo.inc"' >> foo.pov
    
```
などとすれば良いでしょう)。
一度終了した後は、以下の様にfoo.hairを入力として起動します。
```
    ./hairmaker -i foo.hair -o foo.hair -p foo.inc
    
```
例ではセーブはfoo.hairに上書きとなります。上書きだと心配な場合は -oでのファイル名を適当に変えてください。

オブジェクトの作成にはWings3Dを使用していますが、他のツールを使用する場合でも、3DS形式への変換を行なう事ができる場合は、同じ要領で使用できます。

操作方法

Mingw版はメニューがついていますが、GLUT版は気の利いたメニューが全く無い「漢」のツールとなっています。基本はマウスで対象を編集したり、アングルを変更したりしますが、ファイルセーブなどはキーボードに割り当てられたコマンドを、キーを押す事で実行します。
毛を生やすオブジェクトの頂点を「ヘアルート(毛根の意)」、頂点に生成したガイドを「ヘアガイド」と呼びます。

アングル変更キーバインドの一覧 Altキー + マウス左ドラッグ オブジェクトを回転させます。 Altキー + Cntlキー + マウス左ドラッグ マウスの上下方向移動移動でズームイン/アウトします。 Altキー + Shiftキー + マウス左ドラッグ マウスの上下左右方向移動移動でオブジェクトを上下左右に移動します。
基本的な選択操作の一覧 「Edit HairGuide」モードでCntlキーを押しながらマウス左ドラッグorクリック カーソルがヘアガイドのコントロールポイントと重なる時、ヘアガイドが選択状態となります。 「Edit HairGuide」モードでCntlキーを押しながらマウス右ドラッグorクリック カーソルがヘアガイドのコントロールポイントと重なる時、ヘアガイドが非選択状態となります。 「Select HairRoot」モードでマウス左ドラッグorクリック カーソルがヘアルートと重なる時、ヘアルートが選択状態となります。 「Select HairRoot」モードでマウス右ドラッグorクリック カーソルがヘアルートと重なる時、ヘアルートが非選択状態となります。
コマンド系キーバインドの一覧 'r' 表示アングルや拡大率を立ち上げ時の設定に戻します。変に拡大したり、動かし過ぎて何がどこにあるのか判らなくなったときに使用すれば便利かも。 's' ヘアガイドのコントロールポイントの表示/非表示を行ないます。 'S'(Shift + 's') ヘアガイドの描線の表示/非表示を行ないます。 'h' オブジェクトの表示/非表示を行ないます。 'H'(Shift + 'h') ヘアルートの表示/非表示を行ないます。 スペースキー 編集モードにより選択されているヘアルートもしくはヘアガイドの選択状態を解除します。 'a' 編集モードによりヘアルートもしくはヘアガイドの全てを選択状態にします。 'A'(Shift + 'a') 現在のGroupIDと同じGroupIDのヘアガイドを選択状態にします。 '1','2','3','4' 各数字－１に対応したGroupIDを現在の編集GroupIDにします。 '!','"','#','$'(Shift+ '1','2','3','4') 各数字－１に対応したGroupIDのヘアガイドの表示/非表示を切り替えます。 'm' : 編集モードを切り替えます。「Edit HairGuide」と「Select HairRoot」の二つのモードがトグルで切り替わります。 'n' : ヘアガイドの同期編集モードを切り替えます。「Sync=liner」と「Sync=Normal」の二つのモードがトグルで切り替わります。 DELキー 選択状態となっているヘアガイドを削除します。サーフェスを貼っている場合はそれも消去されます。 'g' 「Select HairRoot」モードで、選択されているヘアルートからヘアガイドを生成します。生成されたヘアガイドは選択状態となっています。 'o' -oオプションで指定されたファイルにHairMaker形式ファイルをセーブします。オプションが省略されている場合はoutput.hairというファイルにセーブされます。 'p' -pオプションで指定されたファイルにPOV-Ray形式ファイルをセーブします。ヘアガイドを元に面補完して、coneプリミティブを使用してベジェ曲線を描きます。オプションが省略されている場合はoutput.incというファイルにセーブされます。ガイドの本数によって、セーブファイルが巨大(数百MB)になったり、セーブに時間がかかる場合があります。 'q' プログラムを終了します。 'c' 選択状態のヘアガイドを現在指定されているGroupIDに変更します。 'y' セレクトしたガイド間に曲面サーフェスを貼ります。 'x' 表示されている全ての曲面サーフェスを削除します。

操作例

操作画面１

Wings3Dで作成した球状のオブジェクトを3DS形式に出力し、それを読み込みました。赤い点はマウスカーソルに追従します。

操作画面２

'M'キーを押して、「SelectHairRoot」モードにします。マウスカーソルを白い点で表示されているオブジェクトの頂点「ヘアルート」に合わせると、赤くハイライティングされます。赤くハイライティングされた状態でマウスの左クリックもしくは左ドラッグで頂点を触る事で、ヘアルートを選択状態にします。図の茶色になっているヘアルートがセレクトされた状態です。

操作画面３

ヘアルートを選択した状態で'g'キーを押すと「ヘアガイド」が生成されます。生成されたヘアガイドは選択された状態で生成されます。生成されるヘアガイドは現在のGroupID(図の場合は0で黄色) で生成されます。

操作画面４

再び'm'キーを押して「EditHairGuide」モードに戻ります。 'スペースキー'を押す事で選択されているヘアガイドを全て非選択状態にします。
個別に編集したいヘアガイドのコントロールポイント(点で表示されている所)にマウスカーソルを合わせて左ドラッグする事でコントロールポイントを移動することができます。コントロールポイントは「通過点(アンカー)」と「制御点(ハンドル)」の２種類があり、制御点は曲線の曲がり具合を調節します。通過点を移動させると、それに関係のある制御点も同時に移動されます。

操作画面５

選択されているヘアガイドは、ある一つのヘアガイドの編集に同期して編集されます。「Sync=Liner」では、一つのヘアガイドの通過点および制御点と同じ'節'となる点を選択されているヘアガイドの同じ'節'を同じ移動方向に同じ移動量だけ動かします。

操作画面６

'n'キーを押す事で同期編集モードを切り替えます。「Sync=Normal」では y軸とヘアルートの法線を元に編集されているヘアガイドと「同じ形状になる様に」選択されたヘアガイドは編集されます。
ヘアルートの法線がy軸に平行な場合は編集対象とならない点に注意して下さい。

操作画面７

「EditHairGuide」モードにおいて、Cntlキーを押しながらヘアガイドの制御点および通過点を左クリックもしくは左ドラッグすると、ヘアガイドを選択状態にできます。この時、内部では選んだヘアガイドの順番を過去32番目まで覚えています。この順番はヘアガイドの間に曲面サーフェスを貼る為の情報となります。スペースキーにより全選択解除を行なうと覚えていた順番はリセットされます。

操作画面８

'y'キーを押す事でヘアガイドの選択順番を元に曲面サーフェスを貼ります。このサーフェスはPOV出力などに出てくるものではありません。見た目では判りにくいヘアガイド間のねじれや重なりの状況を確認するのに役立つと思います。

操作画面９

曲面サーフェスを貼ったまま編集した様子。
'x'キーを押すか、delキーを押す事で、貼られた曲面サーフェスは全て削除されます。

毛の生成について

ポリゴン図１
POV形式に出力する際、編集されたヘアガイドを元にポリゴン面に毛を生成します。毛の生成パターンには以下の組合わせがあります。

ポリゴンABCの各頂点(ヘアルートに対応します)に同一GroupIDのヘアガイドを生成している場合。
ポリゴン面ABCの面積密度に応じた毛をポリゴン面内にランダムに生成します。
「1.」の条件を満たさずに、ポリゴンの辺AB,BC,CAの各頂点で同一GroupIDのヘアガイドを生成している場合。
各辺AB,BC,CDの面積密度の1/2乗に応じた毛を各辺上にランダムに生成します。
「1.」「2.」の条件を満たさずに頂点A,B,Cのいずれかにヘアガイドを生成している場合。
ヘアガイドと同じ形状の毛を生成します。

一つのヘアルートには複数のヘアガイドを生成する事ができます。
例えば「ポリゴン図２」の様に頂点A,B,C,D,E,F,G,Hで形成されるポリゴン面があった時、A,B,G,HをGroupID=0、C,D,E,FをGroupID=3とします。この時、ポリゴンBCGには辺BG、およびポリゴンCFGには辺CFにのみ毛が生成されます。もし、ポリゴンBCG内およびポリゴンCFG内に毛を生成したい場合は、頂点Bと頂点Gに GroupID=3のヘアガイドを追加で生成するか、頂点Cと頂点Fに GroupID=0のヘアガイドを追加で生成するなどして、ポリゴン面を同一GroupIDで囲う事で可能となります。
また、ヘアルートには同一GroupIDのヘアガイドを複数生成する事ができます。しかし、毛の生成時は GroupIDで順に内部データをサーチし、最初に見つかったヘアガイドを毛生成のデータとして使用します。従って、同一ヘアルート上に同一GroupIDのヘアガイドを複数生成する事には意味がありません(これはヘアガイドのグルーピング作業を後で行なう際、一時的に同一GroupIDになる場合でも、チェックではじかない方が作業効率が良いと判断した為です)。