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レイトレーシングにおける負荷の高い計算と対策

ライティング・レンダリング関連

はじめに

ここではレイトレーシング・レンダリングにおいて、一般的に負荷の高い処理とその対策について説明します。3DCG ソフトウェアが提供するレンダラによっては、同じレイトレーシング方式でも計算の得意、不得意があり一概に言える事ではありませんので参考まで。

一般的にレンダリング負荷の高い処理と対策

レイトレーシング レンダリングにおいて一般的にレンダリング・コストの高い処理とその対策についてまとめて見ました。

ライト関連

レイトレース・シャドー

計算により影を求めます。レイトレースの場合、影のエッジは常にシャープです。中には柔らかいエッジを表現可能なレンダラもありますが更に負荷が高くなります。

対策
シャドーマップで代用できないか検討します。

ボリューム系効果

闇夜に照らされるサーチライトなどの効果で、大気中のチリに光が干渉して起きる現象です。環境フォグ側でこのような効果を得ることが出来るレンダラも存在しますが、通常、ライト側で部分的にチリやフォグを発生させて表現します。

大気中のチリに干渉させるボリューム系のライトはレンダリングコストは極めて高くなります。また、このライトがカメラ(視点)方向に向くとレンダリングコストが跳ね上がります。

対策
ボリューム効果自体に影を落とす処理を無効に出来ないか検討します。また、計算を必要としない擬似的な設定を使えないか検討します。また、カメラ(視点)方向へライトが向かないように配慮します。静止画であれば Photoshop、映像であれば AfterEffects などのソフトで表現(後付け)できないか検討します。

線光源・面光源

これは一点から照射されるポイントライトスポットライトと異なり、特定のエリア内から光を照射する光源モデルの一つです。レイトレーシングにおいて柔らかい影の表現が可能ですが、計算負荷が高い難点があります。

対策
線光源・面光源の多用は避けます。スポットライトによるシャドーマップで代用できないか検討します。フォトンやラジオシティでライト効果のみ計算しベイク出来ないか検討します。

環境効果

ボリューム系のフォグの中には、大気中のチリをシミュレートするため、影を落とす、通常ライトに干渉するといった表現が可能なものがあります。

ボリューム系 効果

霧や煙など部分的に適用可能なボリューム系処理はレンダリングコストが高いです。上記ボリュームライトは、ライト側で部分的な霧の発生を行いますが、こちらは独立した機能になります。

対策
霧や煙が落とす影を無効に出来ないか検討します。3Dシーン上で計算する場合は干渉するライトを絞り込みます。ボリューム効果とシーンを分けてレンダリングし、後に合成する方法を検討します。After Effects や Photoshop など別のソフトウェアで作成、合成する事も検討します。

まとめ

レイトレーシング・レンダリングにおいて、一般的にライトと関連の深いレンダリング・コストを引き上げる要因はこんなところでしょうか。特に複雑なシーンにおいて環境光模倣のため光源を増やす場合、ライトの影響を受けるオブジェクト、受けないオブジェクトを細かに指定する必要も出てきます。

ここではライティングとレンダリングに焦点を当てていますが、ジオメトリ側の問題も検証する必要があります。(ポリゴン数やマテリアル) ポリゴン数の削減や反射、屈折など計算負荷の高い処理は環境マップで代用するなど。

特にはじめて 3DCG に取り組まれる方は重要ではない所にレンダリング・コストを費やしてしまうケースも多く、学生が作成したシーンを見直したら 1/10にまで計算時間が減ったという極端なケースもありました。

3DCGソフトウェアが内包しているレンダラによっても、得意、不得意とするケースもありますので、ここで説明した内容が全て当てはまるという訳ではありません。(後述)

FPrime (for Lightwave 3D)

FPrime (エフプライム)は、レンダリングコストの高い処理をリアルタイムに計算する事で生産性を飛躍的に高める LightWave 3D 用の拡張レンダラです。標準のレンダラとは、比較にならないレンダリングスピードを実現しています。

同じように他の統合型 3DCG ソフトでも、生産性、品質向上のためのサードパーティ製のレンダラも販売されています。ここでは、主に標準で搭載されるレンダラに焦点を当てています。

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