頂点シェーダ

2025年10月28日

頂点シェーダ

英語表記: Vertex Shader

概要

頂点シェーダは、現代の グラフィックスパイプライン において、3Dモデルの形状を決定づける処理を担当する、極めて重要な プログラマブルシェーダ の一つです。このシェーダの主な役割は、入力された3Dオブジェクトの各「頂点」（Vertex）の位置、法線、テクスチャ座標などのデータを受け取り、それを画面上の最終的な2D位置へと変換することです。これにより、単なるモデルの表示だけでなく、キャラクターの動きや環境の変形といった、ジオメトリレベルでのダイナミックな視覚効果を実現しています。

詳細解説

頂点シェーダは、グラフィックス（GPU, GPGPU, レイトレーシング） 技術の中核をなす プログラマブルパイプライン の初期段階に配置されています。このプログラマブル化こそが、現代のリアルタイム3Dグラフィックスの表現力を支える最大の要因だと私は考えています。

プログラマブルパイプラインにおける役割

従来のグラフィックス処理（固定機能パイプライン）では、頂点の処理手順があらかじめGPUハードウェアに固定されていました。しかし、プログラマブルパイプライン の時代に入り、頂点シェーダとしてプログラマが自由に処理を記述できるようになりました。これにより、開発者は独自の座標変換ロジックや変形アルゴリズムを導入できるようになり、表現の幅が飛躍的に広がりました。

頂点シェーダは、入力アセンブラから渡されたプリミティブ（通常は三角形）を構成する頂点データ一つひとつに対して、並列に実行されます。この「頂点ごと」の並列処理こそが、GPUの得意とするGPGPU的な高速計算の恩恵を最大限に受ける鍵となります。各頂点シェーダの実行結果は独立しており、他の頂点の結果に影響を与えたり、受け取ったりすることは原則としてありません。

動作原理と主要な処理

頂点シェーダが実行する処理の中で最も重要となるのは、座標変換です。

モデル変換（ローカル→ワールド）: オブジェクト自身の座標系（ローカル空間）から、シーン全体の座標系（ワールド空間）へ頂点位置を移動させます。
ビュー変換（ワールド→カメラ）: ワールド空間内の頂点を、視点（カメラ）の位置と向きを基準とした座標系（ビュー空間）に変換します。
射影変換（カメラ→クリップ）: 3Dの遠近感を表現するために、頂点をクリップ空間に変換します。この処理によって、遠くのものは小さく、近くのものは大きく見えるようになります。

これらの変換は、主に4×4の行列を用いた乗算によって行われます。頂点シェーダは、最終的にスクリーン上の位置を決定するだけでなく、後続の処理（フラグメントシェーダ）で使用するために、頂点の法線ベクトル（光の当たり方を計算するために重要）や、テクスチャ座標などのデータも変換し、出力します。

つまり、頂点シェーダは、グラフィックスパイプライン の中で、これから描画される「形」と「配置」を物理的に確定させる、非常に責任重大な役割を担っているのです。

具体例・活用シーン

頂点シェーダがなければ、3Dキャラクターは動かず、水面も波打たない、静止した世界になってしまいます。その応用範囲は非常に広く、私たちが目にするほとんどの動的な3D表現の根幹を成しています。

【メタファー：舞台裏のパフォーマー】

3Dグラフィックスを描画する グラフィックスパイプライン 全体を、壮大な舞台公演に例えてみましょう。

この舞台で、頂点シェーダは 「舞台装置を動かす専門のパフォーマー」 のような存在です。

舞台に登場するオブジェクト（モデル）は、最初は静止した状態で待機していますが、頂点シェーダというパフォーマーが一人ひとりの頂点（装置の部品）に指示を与えます。

「キャラクターの動き」: 観客（ユーザー）がキャラクターを動かすと、頂点シェーダは「関節のボーンに合わせてこの頂点をこの位置に曲げなさい」と指示し、硬いメッシュを滑らかに変形させます。
「環境のダイナミズム」: 風が吹くシーンでは、頂点シェーダは「この旗の頂点は時間経過とともに左右に揺れるように」とプログラムに従って指示します。これにより、リアルな布の揺らぎが生まれます。
「視覚的なトリック」: 爆発や特殊なエフェクトが必要な場合、頂点シェーダは、頂点群を本来あるべき位置からランダムに、あるいは特定の法則に従って大きく拡散させます。

このパフォーマーたちが、与えられたプログラムに基づいて、プログラマブルパイプライン の中でリアルタイムにジオメトリを変形させるからこそ、私たちは躍動感あふれる3D空間を体験できるわけです。

活用例の具体例

LOD（Level of Detail）調整: 遠くにあるオブジェクトの頂点数を減らしたり、近くにあるオブジェクトの頂点位置を微調整したりして、GPU負荷を最適化します。
ディスプレイスメントマッピング: 単純なメッシュに対して、テクスチャ情報（ハイトマップ）に基づき、頂点を押し出したり凹ませたりして、非常に細かい凹凸を物理的に生成します。これにより、岩肌や煉瓦の壁などが立体的に表現されます。
パーティクルシステムの制御: 煙や炎のような大量のパーティクル（点）を、頂点シェーダで高速に動きを計算し、配置します。

資格試験向けチェックポイント

頂点シェーダに関する知識は、特に 応用情報技術者試験 や 基本情報技術者試験 の応用分野（マルチメディア技術）で重要になってきます。グラフィックスパイプライン の全体像の中で、その役割を正確に把握しておくことが合格への近道です。

役割の明確化: 頂点シェーダの主たる役割は「位置、形状、座標変換」であると記憶してください。「色や光沢の計算」は後続のフラグメントシェーダの役割であり、この区別が頻繁に問われます。
パイプライン内の位置: プログラマブルパイプライン の中で、ジオメトリ処理の最初期に実行されるステージであるという位置づけを理解しましょう。入力された頂点データが最初にプログラムによって操作される場所です。
並列処理の特性: 頂点シェーダは「頂点ごとに独立して」実行されるため、極めて高い並列性を持ちます。この特性がGPUの性能を支えているという点を押さえておきましょう。
座標変換の理解: モデル座標系、ワールド座標系、ビュー座標系、そして射影変換（プロジェクション）によるクリップ空間への変換という流れを、概念的に把握しておく必要があります。特に射影変換は3Dグラフィックスの基本知識として重要です。
GPGPUとの関連: 頂点シェーダは、GPUの並列計算能力をグラフィックスに応用した典型例です。GPGPU（GPUの汎用利用）の文脈で、シェーダプログラムによる柔軟な計算が可能になった点を強調して覚えておくと、応用的な問題に対応しやすくなります。