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画像を光源(ライト)として活用する ~ 環境ライティング

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このページでは環境ライティングをテーマに、画像(イメージ)を活用したライティング手法について説明します。比較的あたらしい IBL(イメージ・ベースド・ライティング) と古典的なライトマッピング(投影マップ)の二通りのアプローチを紹介しますが、いずれも環境光を再現する事でリアルなイメージを描く上で参考になると思います。

イメージ・ベースド・ライティング (IBL) ~ ラジオシティ.

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

イメージ・ベースド・ライティングとは言葉の通り、画像を光源として利用する比較的新しいライティング手法です。具体的には、球体立方体に環境イメージをマッピングし、マッピングしたイメージそのものを光源として環境光を表現します。

シーン内に光源(ライト)を設置する必要は必ずしもなく、イメージを光源として活用する点が従来のライティングと最も異なる点です。

上記イメージは HDRI をマッピングしたドームのみであり、シーン内に光源(ライト)は全く存在していません。 画像は STRATA CX デモ版で作成

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

ライトの投影テクスチャとして利用するのではない事に注意して下さい。この手法はテクスチャそのものを光源として利用します。

つまり、どのような結果になるかはテクスチャの出来による部分が多く、絵心のない人でもフォトリアルなレンダリング結果を得る事が出来るメリットがあります。

ラジオシティを有効にする必要のあるレンダラが多いため、レンダリングコストは非常に高いのが難点です。IBLにいち早く対応したのは LightWave 3D

イメージ・ベースド・ライティング に必要な画像データ

このライティング方法を利用するには、特殊な画像フォーマットが必要になります。一般的なデジタル画像は、RGB (Red / Green / Blue ) の 3チャンネル 256階調 のグレースケール画像で表現されています。

画像そのものを光源として扱う IBL では、256階調では光源(ライト)に必要な輝度をカバーする事が出来ません。そこで256階調を超えるダイナミックレンジを持つ特殊な画像が必要となります。

高階調(ダイナミック・レンジ)イメージを必要とする理由

IBLを実現するには HDRI (High Dynamic Rengi Image) と呼ばれる特殊なイメージフォーマットの画像が必要になります。通常、コンピューター上のイメージは、RGB (Red / Green / Blue ) の 3チャンネル 256階調 のグレースケール画像で表現されていますが、256階調では光源(ライト)に必要な輝度をカバーする事が出来ません。

http://gl.ict.usc.edu/HDRShop/main-pages/intro.html

上記、リンク先を参照して下さい。左が従来の 8bit 画像、右が グレースケール 256階調を超える HDR イメージです。通常のイメージでは極端にレベル補正すると情報は飛んでしまいしますが、HDRイメージはそうはなりません。

8bit イメージではブラーをかけた状態では完全に暗くなっており、これでは光源の代わりがつとまらない事がよく分かると思います。

この HDRイメージの制作手順に関しては、次のページでまとめました。

スポットライトによる画像の投影.

ここから紹介する内容は、オーソドックスな光源モデルスポットライトに通常の画像、またはテクスチャを適用して像を投影する機能を活用した環境光の演出です。ちょうど、映写機のようにカラーフィルムを透過した光がスクリーンに映し出されるのと同じ事をスポットライトで行います。

昔から存在する古典的な機能ですが、スポットライトに画像を投影できない 3DCGソフトも存在するようです。

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

ここで紹介するテクニックは、誰に教えられた訳でもなく昔から私が好んで使うテクニックです。スキャンラインレイトレーシング方式において少ないレンダリングコストで環境光を演出するのに適しています。

左の画像を見て下さい。この画像はレイトレーシング方式で計算されています。球体は白色ですが、スポットライトに投影された画像により環境光における揺らぎを表現しようという試みです。

イメージの透過

上の図は、今から12年ほど前に授業で説明するために使った画像です。白い壁の色が一様でないのはイメージが透過されたスポットライトによる効果の例です。当時の機械ではレイトレーシングは現実的でなく、上の画像は 200MHz 程度のCPUで4分ほどのレンダリング時間を要したと記憶しています。フル3DCG映像制作の授業であったため 1フレームあたり、5分以上は絶対禁止令を出していたので...

この具体例は、ページ右メニューのレイトレによる環境光の模倣でも説明しています。

まとめ

如何にレンダリングコストを抑えて効果的なイメージを作り出すか、当時はみんな苦労していました。そのハングリー精神は今思えば自分にとって大切な糧となっています。上記イメージは、おそらく現在の機械で計算すると数秒でしょう。

同じソフトを今の機械で使えばという話。レイトレーシングをベースとするレンダラも表現力向上のため様々な拡張が行われ基本的な計算速度は遅くなる一方です。速くなったとしている Lightwaave も例外ではなく、CPU の性能向上がそれらをカバーしています。トホホ ・・・

環境フォグや被写界深度など空気感を演出する機能を組み合せればもっと質の高いイメージをレイトレーシング方式で実現は可能です。

随分前ですが、画像から色彩を割り出しドーム上に配置された無数のスポットライトに自動的に割り当てるプラグイン(何のソフトが忘れたがMAYAだっとと思う)を作っている方がいたように思います。環境光(グローバル・イルミネーション)をライトで考える発想は同じです。

このようにして見ると、昔からある 3DCG ソフトが提供する機能には環境光を演出に結びつく機能が多いという事に気が付くと思います。

次のページでは、冒頭に説明した イメージ・ベースド・ライティングに必要は HDR イメージの作成手順を説明します。

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  2. 計算とライティングの関係
    1. レイトレーシング方式の場合
    2. ラジオシティ計算の場合
    3. 双方向 レイ・トレース
    4. IBL と 環境ライティング
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  3. レイトレによる環境光の模倣
    1. Lightwave 3D の場合
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    3. MAYA-メンタルレイの場合
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