Weighted Blended Order-Independent Transparency

This explanation is currently available in Japanese.

ひとことで

半透明の物体は、本来奥から手前へ順番に重ねて描く必要があります。重み付きブレンド OIT（Order-Independent Transparency、McGuire & Bavoil 2013）は、この並べ替えをせずに、描く順序に関係なく色を足し合わせ、深さに応じた重みで平均することで、それらしい半透明の重なりを近似する手法です。交差する半透明物や、大量の粒子を並べ替えなしで描けます。

ゲームでの使いどころ

交差する半透明物：ガラスの板、エネルギーシールド、ホログラムが互いに貫通していても破綻しない。
大量の半透明粒子：煙、雲、魔法のエフェクトを、粒子ごとの並べ替えなしで描く。
半透明の複雑なメッシュ：髪の毛、葉、透けた布のように、1 つのメッシュの中で面の順序が入れ替わるもの。
CAD・可視化：透けて見える内部構造の表示。

しくみ

通常の半透明の問題：アルファ合成 $C = \alpha C_{\text{src}} + (1 - \alpha) C_{\text{dst}}$ は、描く順序によって結果が変わります。ゲームエンジンは物体の中心の距離で並べ替えますが、

交差する物体は、1 枚の中で手前と奥が入れ替わるので正しく並べられない
視点が動くと並び順が入れ替わり、ちらつく（ポッピング）
粒子を毎フレーム並べ替えるのは重い

という問題があります。

重み付きブレンド OIT：次の 2 つのバッファに、描く順序に関係なく書き込みます。

\text{累積：}\; \sum_i C_i\,\alpha_i\,w_i,\;\; \sum_i \alpha_i\,w_i \qquad \text{透過率：}\; \prod_i (1 - \alpha_i)

足し算と掛け算は順序に依存しないので、並べ替えは不要です。最後に合成します。

C = \frac{\sum_i C_i \alpha_i w_i}{\sum_i \alpha_i w_i}\cdot\Big(1 - \prod_i(1 - \alpha_i)\Big) + C_{\text{背景}}\cdot \prod_i (1 - \alpha_i)

重み $w_i$ は、手前（深度が小さい）ほど、不透明度が高いほど大きくします。こうすると、手前の色が優先されて、正しく並べ替えた結果に近くなります。

実装のポイント

浮動小数点のバッファ：累積値は大きくなるので、16 ビット浮動小数点のレンダーターゲットが必要です。
不透明物の深度を使う：半透明物は不透明物の深度バッファで深度テストし（書き込みはしない）、不透明物の後ろの半透明物を隠します。
重みの関数を調整する：シーンの奥行きの範囲に合わせて、重みの関数を調整すると精度が上がります。

つまずきやすい点

近似である：不透明度の高い物が重なると、手前の物が奥を完全に隠すべきところで、奥の色が混ざって見えます。完全に正確にしたい場合は、深度ピーリングやピクセルごとのリンクリスト（A-Buffer）などの正確な方法が必要ですが、重くなります。
似た深さでの色の混ざり：深さがほぼ同じ物同士では、重みの差が小さく、平均された色になります（デモの交差部分）。
加算的な光るエフェクト：炎や光のように加算で描くエフェクトは、もともと順序に依存しないので、OIT を使う必要はありません。

デモで試すこと

「並べ替えなし」では、深度を書き込んだ手前の板が、後から描く奥の板や球を消してしまいます。
「物体単位で並べ替え」では、4 枚の板が中心で交差しているため、どこかで必ず前後関係が間違います。視点が回るにつれて、重なり方がパッと入れ替わるのが分かります。
「重み付き OIT」では、順序を気にせず、交差部分も自然に色が混ざります。視点が回ってもちらつきません。
「不透明度」を上げると、近似の限界（奥の色が少し透けて見える）が分かりやすくなります。

Interactive demo