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3DCG レイトレーシング方式におけるライティング アプローチ

ライティング・レンダリング関連

スキャンライン・レイトレーシング方式の場合

レイトレーシング方式では、カメラ > 光源 までの軌跡を辿ることでサーフェイス(面)や表面の光沢などを算出します。つまり、レイトレーシング方式ではレイ(光の軌跡)は視点(カメラ)から出発しトレースするため、レンダリングパスは少なくて済みます。

スキャンライン方式と異なり、反射、屈折、影を計算で求める事が可能になりますが、コースティクスなどの効果は表現する事が出来ません。

レイとは光の軌跡のことであり、トレーシングはトレースの進行形、つまり、レイトレーシングは 『光の軌跡をトレースする』 という意味があります。

レイトレーシング方式での "環境光" の模倣

古今東西、3DCG ソフトウェアでは環境光を表現するため様々なアイデアが試され実用化されてきました。前ページで説明したアンビエント色背景フォグ、スポットライトへの投影マッピングなどは古典的なアプローチで現在も絵作りを行う上で重要なポイントになります。

ライト(光源)で環境光を模倣する

IBL イメージ ベースド ライティングにより計算されたイメージ

レイトレーシングでは視点から光源までパスを計算するため、周囲に溢れる光を表現するために光源を増やす必要が出てきます。(実例は右メニュー参照) 

光源(ライト)を増やすほどレンダリングパスが増えるため計算時間が増加しますが、それでも後述するラジオシティよりも短い時間で済みます。

闇雲に光源を配置すれば良いという訳ではありません。求めるイメージを得るために何処にどのような光源種を配置するか、常に論理的に考える必要があります。

このライティングアプローチは、まるで絵画の絵の具と筆を扱う感覚と同じです。光源を配置して確認作業(計算を繰り返す)となります。現実世界の環境光をライト(光源)により表現することになるため、アナログ的というか絵画的なアプローチと言えます。

絵筆のようにライトを使うため、制作者の絵心、観察力が顕著に表れます。

FPrime サンプル動画

FPrimeLightWave 3D用の高速拡張レンダラですが、上記解説と同じ動画サンプルがあります。膨大なライトをリアルタイムにプレビューしています。キーライトにエリアライトを使用するデモですがアプローチは全く同じです。

http://www.worley.com/Media/animations/fprime/FP3_Massive.mov

スキャンライン方式では

スキャンライン方式のサーフェイス算出方法はレイトレーシングと異なりますが、環境光を模倣するという点において光源(ライト)の扱い、考え方は共通します。ガラスなどの屈折や反射、影を計算で求められないデメリットがあります。

スキャンライン方式は一般的にレイトレーシング方式よりも速度が速いと言われていますが、ジオメトリ数の多い複雑なシーンでは逆転します。

スキャンライン方式をベースに屈折や反射が必要なオブジェクトに対してのみレイトレーシング方式を適用出来るレンダラやマッピングという手法により影を擬似的に表現可能なレンダラも存在します。

適用範囲を限定するという考え方

特にスキャンライン、レイトレーシングにおいて言えることですが、光源(ライト)は必ずしもシーン全体に適用される必要はありません。

例えば、多くの3DCGソフトウェアは、特定のオブジェクトに対してのみを照らす、または、照らさないといった例外設定を設ける事が出来ます。(昔はこれが出来ないソフトが多かった) ライト(光源)を絵筆と同じように扱うのと非常に似ています。このような考え方はレンダリング コストを抑えるという意味でも重要な役割を果たします。

まとめ

ここで説明したレイトレーシング方式は、CPU 性能向上に伴う浮動小数点演算能力の飛躍的な向上により現在最も広く普及しているレンダリング方式です。

絵画的でアナログ的な発想、アプローチはまさに絵を描くための道具と考える事が出来ます。次のページで説明するラジオシティとは全く正反対の性格で、こちらはコンピューターが自動で描くデジタル的な印象を受けます。

使う人の力量が現れ易い、裏を返せば自分の意図を反映させ易いという事でもあり、面白い所でもあります。道具として使いこなすにはレイトレーシングの特性を理解した上で現実の世界に置き換えて考える力が必要です。この点を念頭に置きつつ、次のページで ラジオシティの場合を考えてみます。

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