Nature-Tech Art Lab

プロシージャルノイズを用いた岩石・地層表現の深掘り：Blender Geometry NodesとSubstance Designerによる自然な侵食と風化の再現

導入：自然の造形を解き放つプロシージャル表現の力

自然界における岩石や地層の造形は、気の遠くなるような時間を経て、侵食、風化、堆積といった複雑な物理プロセスによって形成されてきました。デジタルアートにおいてこれらの複雑な構造を再現することは、アーティストにとって常に挑戦的なテーマです。特に、単一の静的モデルとしてではなく、パラメーターに基づいて無限のバリエーションとリアリズムを生成できるプロシージャルアプローチは、この課題に対する強力な解決策を提供します。

本記事では、BlenderのGeometry NodesとAdobe Substance Designerという二つの強力なプロシージャルツールを組み合わせることで、岩石や地層の複雑な形状と詳細なテクスチャを、自然の物理法則に基づいた侵食と風化のプロセスを模倣しながら生成する高度なテクニックを探求します。経験豊富なデジタルアーティストや、教育現場で自然科学とアートを結びつける教材を模索されている方々に向けて、これらの技術がどのように芸術的表現と結びつき、創造性を刺激するのかを深く掘り下げてまいります。

プロシージャルノイズの基礎と地質表現への応用

プロシージャルノイズは、デジタル生成される自然なランダム性を模倣したパターンであり、岩石や地層の形状、隆起、亀裂、そして表面のテクスチャを生成する上で不可欠な要素です。その多様な特性を理解し、適切に組み合わせることで、現実世界に存在するような複雑な地質構造を表現できます。

主要なノイズタイプとその地質表現への応用は以下の通りです。

• パーリンノイズ（Perlin Noise）: 滑らかな勾配と連続性を持つノイズで、地形の基本的な隆起や緩やかな起伏、地層の積層構造の基盤を生成するのに適しています。異なる周波数のパーリンノイズを組み合わせることで、フラクタルな詳細を加えることが可能です。
• シンプレックスノイズ（Simplex Noise）: パーリンノイズに比べて計算コストが低く、より自然な見た目のパターンを生成します。方向性が少なく、滑らかなノイズが必要な場面で活用されます。
• ウォーリーノイズ（Worley Noise / Cellular Noise）: セル状のパターンを生成し、岩のひび割れ、表面の窪み、あるいは堆積物の粒子感を表現するのに効果的です。特に、F1-F2などのディスタンス関数を応用することで、シャープなエッジを持つ岩の断裂や結晶構造を模倣できます。
• フラクタルノイズ（Fractal Noise / FBM - Fractal Brownian Motion）: 複数の異なる周波数（オクターブ）のノイズを合成することで、自己相似的な複雑さを持つパターンを生成します。これにより、現実の地形や岩石に見られるような、大小さまざまなスケールのディテールを一度に表現することが可能になります。侵食や風化による細かい粒子感、表面の荒れなどを表現する際に特に有効です。

これらのノイズ関数は、それぞれが持つ数学的特性によって異なる視覚効果を生み出します。地質表現においては、これらのノイズを単独で使用するのではなく、レイヤーとして重ね合わせ、適切なブレンドモードや閾値を適用することで、より説得力のある複雑なパターンを構築することが鍵となります。例えば、パーリンノイズで大まかな地形の起伏を作り、その上にウォーリーノイズで亀裂を入れ、さらにフラクタルノイズで表面の微細な風化表現を加えるといったワークフローが考えられます。

[画像1: 異なるプロシージャルノイズ（パーリン、ウォーリー、フラクタル）の視覚化と、それぞれが地形ディスプレイスメントに与える影響の比較図]

Blender Geometry Nodesによる岩石形状の生成と侵食シミュレーション

BlenderのGeometry Nodesは、ノードベースの非破壊ワークフローで複雑なジオメトリを生成・変形するための強力なツールセットです。岩石や地層の形状生成と、時間の経過に伴う侵食プロセスのシミュレーションにおいて、その真価を発揮します。

1. 基本的な地形生成

まず、シンプルなグリッドメッシュから出発し、プロシージャルノイズを用いて基本的な地形の隆起を生成します。

Geometry Nodesの基本的なフロー:
1.  Gridノードでベースメッシュを作成します。
2.  Set Positionノードを接続し、頂点のZ軸位置を操作します。
3.  Noise Textureノードを複数組み合わせて、Vector Mathノードで合成し、Z軸に接続します。
    *   例えば、複数のNoise TextureノードのScaleやDetail、Roughnessの値を調整し、MultiplyやAddでブレンドすることで、より複雑な地形パターンを作成します。
4.  Map Rangeノードを使用してノイズの値を地形の高さにマッピングし、Min/Max値を調整して地形の起伏を制御します。

このプロセスにより、標高差のある大まかな地形を迅速に生成できます。さらに、Subdivision Surfaceモディファイアを適用することで、生成された形状を滑らかにし、より多くの頂点情報を提供し、ディテールを加える準備が整います。

2. 侵食プロセスの模倣

Geometry Nodesでは、直接的な物理シミュレーションを行うことは難しいものの、侵食に似た効果をプロシージャルに模倣することが可能です。ここでは、水の流れや風化による削り取りを概念的に表現するアプローチをいくつか紹介します。

• 属性に基づく侵食:

  • 地形の傾斜（NormalベクトルのZ成分）や、特定の高さ範囲といったジオメトリの属性を利用して侵食が起こりやすい領域を特定します。
  • Attribute Statisticノードで属性の最大値や最小値を取得し、Field at Indexノードと組み合わせることで、特定の条件を満たす頂点グループを抽出できます。
  • この領域に対して、SmoothノードやDisplaceノードを適用し、Z軸方向に頂点を移動させることで、削り取られるような効果を表現します。

• ボクセル化と再メッシュ化による形状変化:

  • Mesh to Volumeノードでメッシュをボクセルデータに変換し、Volume to Meshノードで再度メッシュに戻すことで、形状を滑らかにし、エッジを丸める効果が得られます。これは、時間の経過と共に角が取れていく風化のプロセスを模倣するのに役立ちます。
  • 特に、Volume to MeshノードのVoxel Sizeを小さく設定し、Remeshモディファイアと組み合わせることで、侵食による細部の喪失や再構成を表現できます。

• カーブを利用した水流の痕跡:

  • 手動で描いたカーブや、地形に沿って生成されたプロシージャルカーブ（例えば、地形の特定の傾斜に沿うパスを生成する）を利用し、そのカーブに沿ってジオメトリを「削る」効果を適用します。
  • Curve to MeshノードやGeometry Proximityノードを用いて、カーブの近くの頂点をZ軸方向に押し下げる、あるいは異なるノイズパターンを適用することで、水流による侵食溝を表現します。

[画像2: Blender Geometry Nodesでの地形生成と侵食表現のノードグラフの例。特にSet Position、Noise Texture、Mathノードの組み合わせと、Attribute Transferを用いた侵食領域の特定部分] [画像3: Geometry Nodesで生成された、基本的な侵食効果が適用された岩石地形のレンダリング例]

これらの手法を組み合わせることで、単なるランダムなノイズディスプレイスメントに留まらない、より物理的なプロセスを想起させる岩石形状を生成することが可能になります。特に、Geometry Nodesの非破壊性は、パラメーターを調整しながらリアルタイムで侵食の度合いや形状の変化を確認できるという大きな利点を提供します。

Substance Designerでの詳細な風化テクスチャリング

Substance Designerは、プロシージャルなPBRテクスチャ生成に特化したノードベースのツールです。Blenderで生成した基本的な岩石形状に対し、Substance Designerで詳細な風化、苔、堆積物、色の変化といった要素をレイヤーとして加え、リアリティを格段に向上させます。

1. プロシージャルノイズとマスクを用いた風化表現

Substance Designerの核となるのは、膨大な種類のノイズジェネレーターと、それらを組み合わせるためのブレンド、マスク、フィルターノードです。

• 基本テクスチャの生成: まず、Perlin Noise、Grungemap、Rockノイズなどを用いて、岩石の基本的なノーマルマップ、ハイトマップ、ディフューズマップの基盤を生成します。これらは、岩石の種類（花崗岩、砂岩など）に応じて調整します。
• 侵食痕の強調: Blenderで生成したメッシュからベイクしたCurvatureマップ（曲率マップ）やAmbient Occlusionマップは、Substance Designerで風化のマスクとして非常に強力です。
  • Curvatureマップはエッジの鋭さや窪みを表現するため、侵食によって露出した新しい表面や、粒子が蓄積しやすい窪みに異なるテクスチャや色を適用するマスクとして使用できます。例えば、凸部には風化によって白っぽくなった部分を、凹部には影や汚れがたまりやすい部分を表現します。
  • Ambient Occlusionマップは、光が届きにくい隙間や奥まった部分に汚れや湿気が溜まる様子を表現するマスクとして活用します。
• レイヤーとブレンド: これらのマスクを用いて、異なるマテリアル（例えば、基本の岩石、風化が進んだ表面、苔や藻類、堆積した土砂）をレイヤーとしてブレンドします。
  • Height BlendノードやBlendノード、Directional Warpノードなどを駆使し、自然な遷移と混じり合いを表現します。
  • 特に、Directional Warpノードは、水の流れや風によって素材が削られたり、筋が入ったりする効果をプロシージャルに再現するのに優れています。

[画像4: Substance Designerでの風化テクスチャリングのグラフ例。特にCurvatureマップやAOマップを用いたブレンドと、複数のノイズジェネレーターの組み合わせ部分]

2. 苔や鉱物脈、水分の表現

• 苔の表現: ウォーリーノイズやPerlin Noise Fractal Sumなどをマスクとして利用し、緑色のRoughnessとBase Colorを組み合わせることで、岩の表面にランダムに生えた苔を表現します。Substance DesignerのFX-Mapノードを使って、より複雑な植物のパターンを生成することも可能です。
• 鉱物脈の表現: WarpノードやDirectional Warpノードを組み合わせて、細い筋状のパターンを作成し、異なる色や輝度を持たせることで、岩石中の鉱物脈を表現します。
• 湿潤な表面: Roughnessマップを部分的に低く設定し、Base Colorをわずかに暗くすることで、岩の表面が湿っている状態を表現できます。これは、雨上がりの岩や、水辺の岩石に見られる効果です。

[画像5: Substance Designerで生成された、詳細な風化と苔、水分の表現を含む岩石のPBRテクスチャセット（Base Color, Normal, Roughness, Heightなど）]

Substance Designerの最大の利点は、すべてのパラメーターが調整可能であるため、岩石の風化度合い、苔の量、色のバリエーションなどを無限に生成できる点です。これにより、複数の異なる環境や時間経過に応じた岩石の表現を、効率的に作り出すことが可能になります。

統合的アプローチ：BlenderとSubstance Designerの強みを活かしたワークフロー

Blender Geometry NodesとSubstance Designerは、それぞれ異なる得意分野を持つツールであり、これらを組み合わせることで、単独では到達し得ない高品質かつ柔軟な自然描写が可能になります。推奨されるワークフローは以下の通りです。

1. Blender Geometry Nodesでの基本形状と粗い侵食の生成:
   • Geometry Nodesを用いて、岩石や地層の大まかな形状、および大きなスケールでの侵食や堆積の構造を生成します。ここでの焦点は、特徴的なシルエットとボリューム感の創出です。
   • 必要に応じて、RemeshモディファイアやSculpting機能を用いて、手作業での微調整やディテールアップを行います。
2. メッシュデータのエクスポートとベイク:
   • 完成したジオメトリをFBXやOBJ形式でエクスポートします。
   • Substance Designerにインポートし、メッシュデータからNormalマップ、Curvatureマップ、Ambient Occlusionマップ、Heightマップなどの補助マップをベイクします。これらのマップは、Substance Designerでのテクスチャリングの基礎となります。
3. Substance Designerでの詳細な風化テクスチャリング:
   • ベイクしたマップをベースに、プロシージャルノイズとマスク、レイヤーブレンドを駆使して、岩石の質感、風化の痕跡、苔、汚れ、鉱物脈といった微細なディテールをPBRテクスチャとして生成します。
   • この段階で、マテリアル自体のパラメーターを豊富に用意することで、後工程での調整の幅を広げます。
4. Blenderへのテクスチャインポートとレンダリング:
   • Substance Designerで生成されたPBRテクスチャセット（Base Color, Metallic, Roughness, Normal, Heightなど）をBlenderにインポートします。
   • BlenderのCyclesまたはEeveeレンダーエンジンで、これらのテクスチャをPrincipled BSDFシェーダーに接続し、適切なライティング環境下でレンダリングします。必要に応じて、HeightマップをDisplacementモディファイアに適用し、より微細なジオメトリディテールを追加することも可能です。

このワークフローは、各ツールの最も強力な側面を活用し、形状生成からテクスチャリングまでを一貫してプロシージャルに、かつ非破壊的に進めることを可能にします。

芸術的表現への昇華と教育的視点

プロシージャル技術は、単にリアルな自然描写を可能にするだけでなく、アーティストの創造性を刺激し、新たな表現の可能性を開拓します。

• 創造性の自由と実験: パラメーターを調整するだけで、無限のバリエーションを持つ岩石や地層を生成できるため、アーティストは異なる環境や気候条件下での地質を自由に探索し、実験できます。これは、特定の地形学的な制約に縛られず、純粋な造形美を追求する上で大きな利点となります。
• リアリズムと様式化のバランス: プロシージャル技術は高度なリアリズムを追求する一方で、パラメーターの調整によって様式化された、あるいは非現実的な造形を生み出すことも可能です。これにより、アーティストは自身の作品のスタイルに合わせて、リアリズムと抽象化のバランスを自由に制御できます。
• 自然科学との対話: 岩石や地層の侵食・風化プロセスをデジタルで模倣することは、地質学や地形学といった自然科学の原理を深く理解する機会を提供します。この理解は、作品に説得力と深みを与え、観る者に自然の偉大さを伝える力となります。

教育現場においては、Geometry NodesとSubstance Designerを用いたプロシージャル生成は、地形形成、地質学的プロセス、風化のメカニズムといった概念を視覚的に、かつインタラクティブに学習するための優れた教材となり得ます。学生はパラメーターを変更しながら、地形がどのように変化するかをリアルタイムで観察でき、抽象的な科学的概念を具体的な形で体験することが可能になります。これは、理科教育と美術教育を融合させた、革新的な学習アプローチを提供します。

まとめ：自然の複雑性をデジタルで探求する

本記事では、Blender Geometry NodesとSubstance Designerを組み合わせたプロシージャルアプローチが、岩石や地層の自然な侵食と風化をデジタルアートで再現するための非常に効果的な手法であることを解説いたしました。プロシージャルノイズの多様な特性を理解し、Geometry Nodesで形状と大まかな侵食を生成し、Substance Designerで詳細なPBRテクスチャを付与するという統合的なワークフローは、高度なリアリズムと無限のバリエーションを両立させます。

この技術は、単なるデジタル表現の効率化に留まらず、自然の複雑なプロセスを深く理解し、それを芸術的創造へと昇華させるための強力な触媒となります。経験豊富なデジタルアーティストの皆様や、次世代のクリエイターを育成される教育者の皆様にとって、本記事が自然をテーマにしたデジタルアートの新たな地平を切り開く一助となれば幸いです。今後も、Nature-Tech Art Labでは、先進技術と自然描写の融合に関する深い探求を続けてまいります。