Vertex Animation Textures / VAT

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ひとことで

メッシュの頂点の動きをあらかじめ全フレームぶん計算し、画像（テクスチャ）の画素として焼き込んでおき、描画するときに頂点シェーダーがその画像から自分の位置を読み出して再生する方法です。骨の計算（スキニング）も物理計算も実行時にはいらないので、何千体ものキャラクターや、複雑な破壊・流体の動きを、とても軽く再生できます。

ゲームでの使いどころ

• 群衆：スタジアムの観客、戦場の兵士、街の人々。GPU インスタンシングと組み合わせ、1 回の描画命令で数千体を動かします。
• 魚群・鳥の群れ・虫：単純な泳ぎや羽ばたきを大量に。
• 事前計算した物理：建物が崩れる、旗がはためく、水がはねるといった、リアルタイムでは重いシミュレーションを Houdini などで計算して焼き込み、ゲームでは再生だけする。
• 遠景のキャラクター：近くはスキニング、遠くは VAT、という LOD の使い分け。

しくみ

1. 焼き込み（オフライン）：アニメーションの各フレームで、メッシュの全頂点の位置（と法線）を計算し、画像の 1 行に並べます。

   • 横方向：頂点の番号（頂点が 1344 個なら幅 1344）
   • 縦方向：フレームの番号（24 フレームなら高さ 24）
   • 画素の色：頂点の位置 $(x, y, z)$ を RGB に入れる（浮動小数点テクスチャ、または範囲を決めて 16 ビットに量子化）

2. 頂点に番号を持たせる：各頂点に「自分の番号」を属性（または UV の空きチャンネル）として持たせます。

3. 再生（実行時）：頂点シェーダーで、今のフレーム番号と自分の頂点番号から画像の座標を計算し、位置を読み出して頂点を動かします。前後 2 フレームを読んで線形補間すると、少ないフレーム数でもなめらかです。

4. ばらけさせる：インスタンスごとに再生の開始位置（オフセット）や速さを変えると、全員が同じタイミングで動く不自然さがなくなります。

法線も同じように焼き込むか、変形の少ない動きなら元の法線を使います。

実装のポイント

• テクスチャの形式：精度が必要なら RGBA の 16 ビット浮動小数点（half float）を使います。8 ビットに量子化する場合は、位置の範囲（バウンディングボックス）を別に保存して戻します。
• 頂点数とテクスチャサイズ：テクスチャの幅には上限（多くの環境で 4096〜16384）があります。頂点が多い場合は複数の行に折り返して格納します。
• フィルタは最近傍：隣の頂点の値が混ざらないよう、テクスチャのフィルタは NEAREST にし、補間はシェーダーで行います。
• 複数のアニメーション：歩き・走り・待機など複数の動きを、1 枚のテクスチャに縦に並べ、開始行と長さで切り替えます。
• 骨を焼き込む方式：頂点ではなく骨の行列を焼き込み、シェーダーでスキニングする方式（ボーンアニメーションテクスチャ）もあります。こちらは頂点数によらずテクスチャが小さく済みます。

つまずきやすい点

• メモリが大きい：頂点数 × フレーム数 × 画素のサイズになるので、長いアニメーションや高密度のメッシュではすぐに数十 MB になります。フレーム数を減らして補間する、遠景用に頂点を減らしたメッシュで焼く、などで抑えます。
• 動きの切り替えが苦手：焼き込んだ動き以外はできず、ブレンドや IK も基本的にできません。主役には使わず、背景や群衆に使います。
• 影と当たり判定：影を描くための深度用のシェーダーにも同じ頂点の読み出しを入れないと、影だけ動かなくなります。当たり判定は元の形のままなので、大まかな形状で代用します。

デモで試すこと

1. 800 匹の魚が、すべて 1 回の描画命令で泳いでいます。上に表示している画像が、1 匹分の泳ぎを焼き込んだものです。横が頂点、縦がフレームで、色は頂点の位置です。
2. 「焼き込むフレーム数」を 4 に下げると、泳ぎがぎこちなくなります（フレーム間は補間していますが、動きの形が粗くなる）。画像の縦の長さも短くなります。
3. 「魚の数」を 1500 に上げても、骨の計算をしないので、ほとんど重くなりません。
4. 「泳ぐ速さ」を変えると、画像を読む速さが変わり、尾びれを振る速さが変わります。魚ごとに読み始めの位置をずらしているので、全員が同じ動きでもそろって見えません。