深度/ステンシルテスト

2025年10月28日

深度/ステンシルテスト

英語表記: Depth/Stencil Test

概要

深度/ステンシルテストは、3Dグラフィックスのレンダリングパイプラインにおいて、ピクセルを描画するかどうかを決定する「固定機能ステージ」の一つです。これは、視点から見て手前にある物体によって隠されてしまう奥の物体（ピクセル）を描画しないようにするための非常に重要なプロセスです。このテストにより、無駄な描画処理を削減し、私たちが普段目にしているような正確な奥行き感を持つ3D画像を効率的に生成することができます。

この処理は、グラフィックスパイプラインの中核に位置し、高性能なGPUが効率的な描画を行うための土台を支えています。

詳細解説

深度/ステンシルテストは、私たちが指定した階層、すなわち「グラフィックスパイプライン」の「固定機能ステージ」において、非常に重要な役割を果たします。具体的には、ラスタライズ処理によって生成された断片（フラグメント）が、最終的な描画結果であるフレームバッファに書き込まれる直前に行われる、可視性の判定処理です。

1. 目的：隠面消去と描画制御

このテストの主な目的は二つあります。一つは「隠面消去（Hidden Surface Removal）」、もう一つは「描画領域のマスク（Stencil Culling）」です。

（1）深度テスト（Depth Test）

深度テストは、ピクセルが持つ奥行き情報（Z値）を利用して、どのピクセルが最終的に見えるべきかを判定します。私たちが普段見ている3Dシーンでは、手前の物体が奥の物体を遮蔽します。もしこの遮蔽処理をしなければ、遠いものも近いものもすべて重ねて描画されてしまい、透けた不自然な画像になってしまいます。

この処理を実現するために「Zバッファ（Depth Buffer）」という特別なメモリ領域が使われます。Zバッファには、すでにそのピクセル位置に描画されている物体の深度情報が格納されています。新しく描画しようとするピクセルのZ値と、Zバッファに記録されているZ値を比較し、新しいピクセルの方が視点に近い（Z値が小さい）場合のみ、描画が許可され、Zバッファの値も更新されます。これにより、常に最も手前にある物体だけが描画されることが保証されます。これは、3Dグラフィックスをリアルに見せるための最も基本的な手法であり、固定機能ステージとして非常に高速に実行されることが求められます。

（2）ステンシルテスト（Stencil Test）

ステンシルテストは、描画領域を限定するためのマスク機能を提供します。「ステンシル（Stencil）」とは、型紙や切り抜きを意味します。ステンシルバッファというメモリ領域に、ピクセルごとにマスク情報（通常は8ビットの整数値）を記録します。

新しいピクセルを描画しようとする際、このステンシルバッファの値と、事前に設定された参照値、そして比較条件を使ってテストを行います。たとえば、「ステンシルバッファの値が5のときだけ描画を許可する」といった複雑な条件設定が可能です。これにより、特定の形状や領域内のみを描画したり、逆に特定の領域だけをくり抜いたり（ミラー効果や影の表現など）といった高度な描画制御が可能になります。シェーダープログラムだけでは実現が難しい、ピクセル単位の柔軟な描画制限を、固定機能ステージの高速性をもって実現できる点が魅力です。

2. グラフィックスパイプラインにおける位置づけ

このテストが「グラフィックスパイプライン」の中の「固定機能ステージ」にあることが重要です。

現代のGPU処理の多くは、頂点シェーダーやフラグメントシェーダーといったプログラマブルシェーダーによって柔軟に制御されます。しかし、深度/ステンシルテストの判定処理は非常に定型化されており、かつパフォーマンスに直結するため、GPU内部の専用回路（固定機能）として実装されています。これにより、シェーダー処理の負荷を軽減しつつ、描画の可視性判定を非常に高速に行うことができるのです。

この固定機能ステージの恩恵により、複雑な3Dゲームでも、毎秒数十フレームという高速な描画速度が維持されているわけですね。もしこの処理がプログラマブルだったら、どれほど処理が重くなるか想像するだけで恐ろしいです。

3. Zファイティング問題

深度テストを行う上で、しばしば問題となるのが「Zファイティング（Z-Fighting）」です。これは、非常に近接した二つのポリゴンが同じ深度を持つと判断され、Zバッファの値が頻繁に入れ替わることで、描画結果がチラチラと乱れてしまう現象です。この問題は、深度バッファの精度（ビット数）や、視錐台の近接面・遠方面の設定によって影響を受けます。この現象を防ぐためには、ポリゴンのオフセットを調整したり、深度バッファの精度を高めたりといった対策が必要になります。

具体例・活用シーン

深度/ステンシルテストは、私たちが普段利用するすべての3Dアプリケーション、特にゲームにおいて、不可欠な要素として機能しています。

建物やキャラクターの描画（深度テスト）:
- 私たちがゲーム内でキャラクターを操作するとき、キャラクターが壁の裏側に回れば見えなくなります。これは深度テストが正確に機能している証拠です。もし深度テストがなければ、キャラクターは壁にめり込み、壁のテクスチャの上にキャラクターが透けて表示されてしまうでしょう。これは最も基本的で重要な活用シーンです。
ポータルや鏡の表現（ステンシルテスト）:
- ゲーム内で鏡やワープゾーン（ポータル）を描画する際、ステンシルテストが活躍します。例えば、鏡の枠を描画した後、ステンシルバッファを使って鏡面部分だけを特定の値（例：1）でマーキングします。その後、鏡の「反射した世界」を描画する際には、「ステンシル値が1のピクセルにのみ描画する」という条件を適用します。これにより、鏡の枠の外側には反射世界が描画されず、非常にリアルな鏡面効果が実現します。これはステンシルテストの高度な描画マスク機能の典型例です。
比喩による解説：建設現場の監視カメラ
- 深度テストを、建設現場に設置された監視カメラに例えてみましょう。カメラ（視点）が新しい建材（新しいピクセル）を描画しようとするとき、まず現場の「記録簿」（Zバッファ）を確認します。記録簿には、すでにその場所に設置されている建材の「奥行きの距離」が記録されています。
- 新しく持ってきた建材が記録簿の距離よりも「近い」場合（手前にある場合）、「よし、これは見えるべきだ」と判断され、設置（描画）が許可されます。同時に、記録簿も新しい建材の距離に更新されます。
- もし持ってきた建材が記録簿の距離よりも「遠い」場合、「すでに手前に何かあるから、これは見えないはずだ」と判断され、設置はキャンセル（破棄）されます。
- このように、記録簿（Zバッファ）を参照して、手前のものだけを残すという役割が、深度テストの核心です。
カスタムシャドウ（ステンシルテスト）:
- ゲームの影（シャドウ）処理の一部として、ステンシルバッファを使用して影を描画する領域を正確に定義することがあります。特にボリュームシャドウ（影のボリュームを計算する手法）では、ステンシルバッファに値を書き込み、その値が変化した領域だけを影として処理することで、描画負荷を抑えつつ正確な影を実現します。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者の試験において、「深度/ステンシルテスト」そのものが直接問われることは稀ですが、3DグラフィックスやGPUの基本原理を問う文脈で、関連キーワードが出題される可能性があります。

「Zバッファ」と「隠面消去」の関連性
- 最重要キーワードです。「隠面消去」を実現するために「Zバッファ（デプスバッファ）」が利用されるという知識は必須です。これは、3Dグラフィックス処理の効率化とリアリティ確保に貢献する技術として、機能と目的を説明できるようにしておきましょう。
- 問われるパターン：「3Dグラフィックスにおいて、奥にある物体が手前の物体に遮られて見えなくなる現象を効率的に処理するために利用されるバッファは何か？」→ Zバッファ。
グラフィックスパイプライン内の位置づけ
- 深度テストやステンシルテストは、ラスタライズされた後のピクセル（フラグメント）がフレームバッファに書き込まれる直前の、最終的な「可視性判定」の段階で行われることを理解しておきましょう。これは、シェーダー処理（特にフラグメントシェーダー）の後に実行される「固定機能」として認識することがポイントです。
ステンシルテストの役割
- ステンシルテストは、単なる奥行き判定ではなく、「描画領域のマスク」や「特定の条件に基づく描画制御」を目的としている点を覚えておきましょう。特に応用情報技術者試験レベルでは、高度なグラフィックス効果（鏡、ポータルなど）を実現するための技術として問われる可能性があります。
GPUの役割の理解
- この処理がCPUではなくGPU内の「固定機能ステージ」で高速に行われることが、現代の3Dグラフィックスの高速化に貢献している、という構造的な理解が大切です。