LOD（レベル・オブ・ディテール）徹底ガイド：3Dグラフィックスの基礎から実務までのアルゴリズムと最適化テクニック
エバープレイ編集部はじめに：LOD（レベル・オブ・ディテール）とは何か
LOD（Level of Detail、レベル・オブ・ディテール）は、3Dグラフィックスや地理情報システム（GIS）、ゲームエンジン、ストリーミング配信などで広く使われる性能最適化の考え方です。視点から離れたオブジェクトや、画面サイズが小さく詳細が視認できない部分のジオメトリやテクスチャを簡略化し、描画負荷（頂点数、ピクセル数、メモリ、ドローコールなど）を削減することで、フレームレート向上や帯域節約を図ります。
LODの基本的な種類と技術
主に以下のカテゴリに分類されます。実際の現場では複数の手法を組み合わせて使うことが多いです。
- ジオメトリLOD（Discrete LOD／Continuous LOD）
同一メッシュの複数バージョン（高・中・低ポリゴン）を用意し、距離や画面サイズに応じて切り替えるのが離散LOD。ジオモーフ（geomorph）やプログレッシブメッシュ（continuous LOD）は、頂点数を連続的に増減してポップ（見た目の急な差）を抑える手法です。代表的な研究にHoppeの「Progressive Meshes」や地形向けのgeomipmappingがあります。
- テクスチャLOD（Mipmapping・Virtual Texturing）
テクスチャはミップマップ（複数解像度）を用意してサンプリング解像度に応じて切り替える。大規模テクスチャには仮想テクスチャリング（Virtual Texturing / Sparse Virtual Textures）やクリップマップが使われます。
- インポスター／ビルボード
複雑なオブジェクトを遠方では2Dスプライトやレンダリング済み画像（インポスター）に置き換え、ピクセル負荷を大幅に減らす手法。樹木や背景オブジェクトでよく使われます。
- ハイアラーキカルLOD（HLOD）
シーン全体を階層化し、複数オブジェクトをまとめて粗いプロキシジオメトリに置換することでドローコールとジオメトリをまとめて削減します。大規模オープンワールドで有効です。
- GPUテッセレーション／シェーダベースのLOD
ハードウェアテッセレーションを用いて近景で自動的に詳細を増やしたり、距離に応じてシェーダでディスプレースメントやノーマル合成を用いる方法です。GPUに処理を移すことでCPU／GPUの役割分担を調整できます。
選択基準とメトリクス：いつどのLODを選ぶか
LOD選択には「何を削減したいか（頂点数／ピクセル数／メモリ／ドロー数）」と「許容される画質劣化」が重要です。代表的なメトリクスは以下の通りです。
- スクリーン空間サイズ（ピクセル単位） — オブジェクトの占有ピクセル数が閾値以下なら低LODへ切替。
- 距離ベース — カメラからの距離で選択（単純且つ高速だが視界角に依存し誤判定することがある）。
- スクリーン誤差（screen-space error） — ジオメトリの近似誤差をピクセル単位で評価し、品質基準に基づき選択する手法。
- パフォーマンスボトルネック指標 — GPUバウンド（ピクセル・シェーダ負荷）かCPUバウンド（ドローコール／ジオメトリ生成）かで戦略を変更。
代表的アルゴリズムと実装手法（概説）
- プログレッシブメッシュ（Progressive Meshes）
Hoppeらが提案した手法で、メッシュを連続的に簡略化／復元できる。ストリーミングや連続LODに向く。
- Geomipmapping と Chunked LOD（地形向け）
地形をタイル化し、各タイルに対してジオメトリミップマップを用いる。ROAM（Real-time Optimally Adapting Meshes）なども地形LODの代表例だが、ROAMはCPUでの動的トライアングル生成が多く実装と並列化が難しいため、GPUフレンドリーなgeomipmappingやタイル法に置き換えられることが多いです。
- インポスター生成
対象を複数視点から事前レンダリングしてインポスター・アトラスを作る。遠景での品質は高いが、メモリと準備コスト（ライト・アニメーションへの追従）が課題になります。
- ハードウェアテッセレーション
頂点バッファは少なめに保ち、テッセレーションステージで必要な詳細を生成する。LOD選択はパッチ単位やルールベースで行います。
実務でのワークフローとツール
一般的なワークフロー例：
- モデリング段階でデカップリング：ハイポリからベイク（ノーマル／オクルージョン）してミドル／ローポリを生成。
- 自動デカimation（BlenderのDecimate、Simplygon、InstaLODなど）で複数LODを作成。
- ゲームエンジン側でLODグループを設定（UnityのLODGroup、UnrealのHLOD/LODシステムなど）。
- インポスターやプロキシメッシュ、テクスチャミップマップを組み合わせる。
- プロファイリングを繰り返し、画面サイズや誤差閾値を調整。
代表的ツール：
- Unity（LODGroup, LODUtility）
- Unreal Engine（HLOD, Hierarchical LOD System）
- Simplygon（メッシュ最適化商用ツール、現在はMicrosoftが提供）
- Blender（Decimate modifier, Multires, Bake）
- meshoptimizer（Web向け最適化ライブラリ）
- glTFのLOD拡張（MSFT_lod）などのランタイム配信フォーマット
品質維持とポップ防止のテクニック
- ジオモーフィング（頂点補間）やフェード（アルファブレンド）でLOD切替の突変を目立たなくする。
- 画面誤差を指標にして、人の目で見えにくい差を許容する（通常は1〜2ピクセル程度を目安にするケースが多い）。
- 遠景はインポスターやLOD合成でシャープな見た目を保つ（ノーマルや高さマップを併用）。
- ライトやシャドウ、物理挙動（衝突判定）との整合性を考慮する：近景は高精度、遠景は簡略化した物理表現にする。
注意点と落とし穴
- LODを増やすとメモリ（複数バージョンのメッシュ／テクスチャ）とアセット管理コストが増える。
- 自動デカimationはトポロジ的なアーティファクト（テクスチャの伸び、UV崩れ）を起こすことがある。重要なディテールは手作業で維持する。
- VRやARでは視差・ステレオ表示によりLODの切替やポップがより目立つため、より高頻度でスムーズな遷移が要求される。
- モバイルや統合されたパイプラインではCPUとGPUのどちらがボトルネックかを把握し、それに合わせてLOD戦略を変える必要がある。
モダンな考え方：レンダリングだけでなく配信・ストリーミングにも適用
最近はネットワーク帯域やロード時間を節約するために、LODをストリーミング単位にして段階的に詳細を送る運用が増えています。glTFのLOD拡張（MSFT_lod）やウェブ向けのメッシュ最適化ライブラリ（meshoptimizer）などは、そのような配信最適化をサポートします。
実践的な推奨まとめ（チェックリスト）
- まずはプロファイリング：GPUバウンドかCPUバウンドかを特定する。
- スクリーン空間サイズを基準にした閾値を設定し、画質評価（視覚的テスト）を行う。
- ジオメトリとテクスチャ両方のLODを連携させる（遠景で高解像度テクスチャだけ残ると無駄）。
- 目立ちやすいオブジェクト（プレイヤー周辺、インタラクティブ物）は高品質を維持する。
- 自動化ツールを導入する一方、重要アセットはアーティストの手でチューニングする。
- VRやARでは非常に厳しい品質基準とし、滑らかな遷移を優先する。
まとめ
LODは単なる三角形削減ではなく、画質と性能の「最適なトレードオフ」を管理するための総合的な設計領域です。ジオメトリ、テクスチャ、描画手法、物理挙動、ストリーミング設計を横断して最適化を行うことが重要で、実プロジェクトでは複数手法の組合せと継続的なプロファイリングが成功の鍵になります。
参考文献
- Level of detail — Wikipedia
- Hugues Hoppe, Progressive Meshes (SIGGRAPH)
- Willem H. de Boer, Geometrical Mipmapping (geomipmapping 解説)
- Microsoft glTF extension: MSFT_lod
- Unity Manual: LODGroup
- Unreal Engine Documentation: HLOD
- Simplygon（メッシュ最適化ツール）
- Blender Manual: Decimate Modifier
- meshoptimizer — mesh and vertex optimization library
- Mipmap — Wikipedia（テクスチャLODの基本）
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