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双方向 レイ・トレース レンダリング

前ページで説明したレイトレーシング方式とラジオシティは、レイ(光の軌跡)を光源を出発点にトレースするのか、視点を出発点にトレースするのかという点が違っていました。何れもトレースは一方向であり、それがメリットとデメリットが両極端に分かれる主な理由という話でした。

このページでは、ラジオシティとレイトレーシング方式の双方の特徴を併せ持つ双方向 レイ・トレースという方式を採用しているレンダラ、及びレンダリングに関する代表的な機能について説明します。

フォトン・マッピング.

フォトンマッピングは間接照明を表現するために考えられた方式です。フォトンとは光子のことで、フォトンマッピングではライト(光源)からフォトンを放出し周囲の物体とフォトンが衝突した地点でマッピングデータを生成します。

これが計算上の環境光(拡散光)となり、ここから先は通常のレイトレーシング法(視点からのトレース)で計算されます。このフォトンマッピングによりコースティクスなどの計算が可能になります。

ラジオシティとレイトレースの違いは、光源(ライト)を基点に求める、視点(カメラ)を基点にするか方向に違いがあります。双方向によりサーフェイスを求める事で計算速度、品質向上を狙ったアプローチといえます。

コースティクス.

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

コースティクスとは、厚みのある透明な物質に光が通過する場合や、クロムメッキなど表面輝度の高い物質に光が当り、局部に光が集まる現象の事をいいます。

例えば、底の厚いグラスを置いたテーブルとその設置面は、グラスがレンズ効果で光の斑をテーブルに落とします。

視点からレイ(光の軌跡)を計算するレイトレース方式ではこの現象を再現する事が出来ません。また、ラジオシティで全てを求めるにはレンダリングコストが掛かりすぎるため、フォトン・マッピングという方式でコースティクス現象を再現します。

レンダラを内包する統合型3Dソフトの場合、レンダリングオプションや対象オブジェクトに対してフォトンを有効にする必要があるものや、Lightwave 3D のようにコースティクス専用の設定が設けられている製品など設定も様々です。

一般的に透明度や鏡面反射率、屈折率に大きく反応します。コースティクスのリアルさもレンダラによって大きな差があります。Shade は結構美しいです。(上図はLW)

ファイナルギャザリング

オブジェクトサーフィスそのものが光源となる点はフォトンマッピングと同じですが、光源からのオブジェクトにトレースされた情報を元に光エネルギーを算出するフォトンマップに対し、エネルギー算出に光源を必要としない点が異なります。

つまり、光源がなくてもオブジェクトサーフェイスそのものが光源となり周囲を照らします。影が自然で、実世界を表現できるほど高品質ですがレンダリングコストは高くなります。MAYAでは上記、フォトンマッピング(光源)と組み合わせて使用します。

フォトンライトとファイナルギャザリング
上記は MAYA の例です。フォトンライトを有効にすることで床からの照り返しが球体に反映されている事が分かります。

まとめ

このように、レイトレーシング方式、ラジオシティの間を埋めるための様々なアプローチがあり、使用するレンダラによっても設定方法やサポート、パフォーマンスに大きな違いがあります。

例えば、Lightwave 3D のコースティクスは部分的な適用であるためレンダリング時間は通常のレイトレースレンダリング並に速いですが、グローバルにフォトンを有効にする必要があるレンダラでは、多くの計算時間が必要になります。

いずれにしても視点(カメラ)方向へ向かって求めるラジオシティ系レンダリングはレンダリングコストが高い特性があります。

また、ところてんのように半透明に光を透過する物質や油膜などで発生する光学的な現象など基本的なレンダリング設定では太刀打ちできないケースもあり、シェーダーを活用するケース、物理計算に基づいて計算するソフトなど様々なアプローチを提供しているソフトウェアもあります。

今回はライティングと環境光の関係に焦点を当てていますので、この点は敢えて触れていません。次は比較的新しいライティング手法、IBL (イメージ ベースド ライティング)についてお話します。

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