Blenderシェーダーノード辞典／フレネル（Fresnel）

灰ならし

2022年12月2日 15:10

※記事製作時のバージョン：Blender 3.3
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概要

フレネルは、リアルな反射や光沢を表現するためのノードです。
現実の物質と同じ反射や光沢を簡単に作ることができます。

フレネルの働きを簡単に表現すると、「地の質感と反射光のミックス度合い（係数）の操作」となります。
使い方は、下図のようなノードツリーを用意し・・・

シェーダーミックスの係数にフレネルを接続すれば完了！
これで、現実の物質と同じ反射や光沢を再現できます。

フレネルは、フレネル反射と呼ばれる物理現象を元に、最適な反射率を計算してくれるノードです。
フレネル反射はすべての反射・光沢に共通する現象なので、現在のCGではリアルな質感表現に不可欠の基礎概念となっています。
知らなくても問題はありませんが、知っておくと世界の解像度が上がるので、ちょっと詳しく説明しておこうと思います。

フレネル反射の基礎知識

※ここではイメージをつかみやすいように、かみ砕いた表現で説明します。物理学的な正しい定義についてはWikipediaなどを参照してください。

フレネル反射とは、元々は物理学の用語で、光を透過する物質の表面に生じる反射のことを指します。
窓ガラスに景色が映り込んだり、海やプールの水面で太陽がきらめいたりするのがフレネル反射です。
※「フレネル」は、この現象を説明する数式を作った物理学者の名前です。

このような反射の場合、例えば、水面を真上から見ると水中まで見通せますが、斜め～水平方向から見ると周囲が映り込み、水中は見えなくなります。
このようにフレネル反射には、

面を正面から見ると、反射は弱くなる
面を見る角度が斜め～水平方向になるほど、反射が強くなる

という性質があります。

実はこの性質、水やガラスに限らず、すべての物質の反射（鏡面反射）に共通しています。
立体的な形をした物体の反射や光沢を観察すると、見る場所によって下の画像のように反射の強さが変化しますが、これはフレネル反射と同様な現象によるものです。

というわけで、CGにおいてフレネル反射を表す数式は、リアルな反射・光沢を表現する上で欠かせないものとなっています。

フレネルノードの仕組み

下の画像のように、フレネルは黒～白の明度情報を出力します。
これはカメラから見た面の向きを元に計算された、反射率のデータです。

反射率とは、その面に当たる光の強さに対する、反射光の強さの割合です。
例えば［100］の強さの光が当たって［40］の強さで反射したとき、反射率は［40%］になります。

反射率［40%］をノードで作るには、シェーダーミックスを次のように設定します。

第1シェーダー：地の質感を設定するシェーダー（ディフューズ、屈折、SSSなど）
第2シェーダー：光沢シェーダー
係数：0.4

シェーダーミックスの係数は「第2シェーダーの割合」を示すので、このように設定すると係数＝反射率にすることができます。
上の場合は係数が［0.4］なので、光沢シェーダーの割合が［40%］、つまり反射率［40%］となります。

上の例では係数を単一の値で設定しているので、すべての面の反射率が［40%］になっています。
この係数にフレネルを接続すると、面を見る角度によって変化する自然な反射率が設定できます。

フレネルの出力は、面の反射率［0～100%］を［0～1］の値に変換したデータです。
白い部分ほど反射率が高く、黒い部分ほど反射率が低くなります。
これをシェーダーミックスの係数に入力することで、連続的に変化する屈折率が設定されます。

フレネルの設定方法

IOR（屈折率）について

フレネル反射では、面を見る角度だけでなく、その物質の屈折率も反射の強さ（反射率）に影響します。
屈折率が高いほど全体的な反射率も高くなります。
フレネルのIORは、この屈折率を設定するパラメーターです。
※「IOR」は「Index of Refraction（屈折率）」の頭文字です。

IORの設定方法

IORに実際の物質の屈折率を設定すると、その物質の質感（反射率）を再現することができます。
屈折率を調べる場合は、下記のサイトが参考になります。
材料の屈折率一覧表 | Material IOR List - 札幌デザイン制作会社 A4JP
屈折率一覧表 – 薄膜測定のための屈折率値一覧表

質感にそこまでこだわらない場合、画面上の見た目を元に好みでIORを設定してもOKです。
IORを感覚的に設定する場合のおおまかな目安は、以下のようになります。

水やガラスなど、光を透過する材質のIOR
水：1.33
ガラス：1.45
宝石：1.54～2.41
光沢のある金属のIOR
鉄：1.51
ステンレス：2.76
その他：1.45～2.7
その他一般的な材質（プラスチック、石、木材、etc…）のIOR
プラスチック：1.45
コンクリート：1.5
その他：1.45～1.65

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【灰ならし裏ばなし】
「プラスチックや石、金属など、不透明な材質の屈折率はどうやって測定しているんだろう？」
と前々から疑問だったのですが、理工系の相方が教えてくれました。
反射率を測定して、フレネルの式に当てはめて逆算しているんだそうです。
・・・なんだか誤魔化されている気がしなくもありません。
それ本当に「屈折率」と呼んでいいのかなぁ・・・？―――――――――――――――

ノーマルを使った設定について

フレネルは、バンプマッピングやノーマルマッピングに対応しています。

シェーダーにバンプマッピングやノーマルマッピングを設定する場合は、フレネルにも設定すると、擬似的な凹凸に合わせたリアルな屈折率の変化が表現できます。

フレネルの使い処

プリンシプルBSDFには、フレネル反射の仕組みが組み込まれています。
フレネル単体で設定するよりも高度な仕組みで、［粗さ］の値に応じて、最適なフレネル反射になるよう自動で調整されます。
そのため、プリンシプルBSDFで基本の質感を作る場合は、フレネルノードを使う必要はありません。

フレネルは、プリンシプルBSDFでは表現できない特殊な反射・光沢を作る場合に使います。

使用例：特殊なコーティング

特殊な塗料やフィルムでコーティングされた材質は、光沢が特定の色を帯びることがあります。
プリンシプルBSDFでは光沢に特定の色をつけることはできないので、そのような場合は光沢シェーダーで設定します。
フレネルは、その際に使用します。
※表現したい光沢によっては、フレネルではなくレイヤーウェイトを使った方がいいこともあります。