ライティングは、奥行きやムード、リアリズムの見え方を左右するため、3Dシーンで最も重要な要素の1つです。ゲームエンジンやインタラクティブアプリのようなリアルタイムレンダリングでは、グラフィックのビジュアルのクオリティとパフォーマンスのバランスをとることは難しい部分です。ライトベイクは、ライティング情報を前もって計算し、テクスチャやマップとして保存する方法です。これらはリアルタイム再生時に使用することができ、ビジュアルクオリティを損なうことなくシーンを高速に実行することができます。このガイドでは、Unity、Unreal Engine、Blenderなどの3Dツールにおけるライトベイクの仕組みや効果的な使用方法など、ライトベイクに関する重要なポイントを解説します。
ライトベイクとは、前もって照明効果を計算し、静的データとして保存することです。これには、直接光、間接光、影、グローバルイルミネーションなどが含まれます。これらのライティングの情報は、レンダリング時に3Dモデルに適用される特殊なテクスチャである、ライトマップに保存されます。ライトベイクの主な利点は、リアルタイム・ライティングに必要な重い処理能力を必要とせずに、ソフトシャドウやバウンス光などの複雑なライティングを表示できることです。
リアルタイムレンダリングでは、ライティングは「静的（スタティック）」「動的（ダイナミック）」「混合（ミックス）」の3種類に分類されます。それぞれの違いを理解することで、シーンの内容やパフォーマンスの要件に応じて最適な手法を選ぶことができます。
静的ライティングとは、ライティングが事前に計算されてシーンに保存されているため、常に同じ状態を保つことを意味します。このタイプのライティングは、建物や背景環境など、動いたり変化したりしないシーンに最適です。ライトはセットアップ中に一度だけ計算され、ゲームプレイ中やシーンの実行中に更新されることはありません。
動的ライティングとは、シーンの実行中に計算されるライティングのことです。つまり、ライトが動いたり、オブジェクトがリアルタイムの影を落としたり、時間帯や天候などに基づいて照明が変化したりします。動くキャラクター、乗り物、ダイナミックな環境など、リアルタイムで光に反応する必要があるものがシーンにある場合に重要です。
混合ライティングは、静的ライティングと動的ライティングを組み合わせた手法です。この方法では、環境光や遠くの太陽光などの静的な光はあらかじめベイク（事前計算）され、一方でスポットライトやプレイヤーが操作するライトなどの動的な光はリアルタイムでレンダリングされます。これにより、パフォーマンスと柔軟性の両立が可能になります。
ライトベイクの手順は、使用する3Dソフトウェアやゲームエンジンによって多少異なりますが、主な内容は同じです。以下では、Unity、Unreal Engine、Blenderでのベイクドライティングの基本的な設定手順を説明します。
シーンにライティングをベイクする前に、アセットを正しく準備する必要があります。具体的には、UVが適切にアンラップされていることを確認し、適切なライトマップ解像度を選択し、テクセル密度を一定に保ちます。
UVアンラップとは、モデルの3Dサーフェスをフラットな2Dレイアウトにする作業で、テクスチャやライティングを正しく適用できるようにします。ライトマップでは、UVが重ならず、等間隔に配置されていることが非常に重要です。そうしないと、継ぎ目が見えたり、不均一な影ができるなど、ライティングの問題が発生します。
ライトマップの解像度は、ライトベイクの品質とディテールに直接影響します。解像度が高ければ高いほどライティングの質は良くなりますが、その分メモリも消費します。見た目の良さと動作の良さの適切なバランスを見つける必要があります。一般的なライトマップのサイズは512x512、1024x1024、または2048x2048で、オブジェクトの大きさやカメラの近さによって異なります。
テクセル密度とは、3Dモデルの表面積あたりに割り当てられるテクスチャのピクセル数（テクセル数）を意味します。シーン内のすべてのオブジェクトでテクセル密度を統一することで、テクスチャの品質を均一に保ち、伸びやぼやけといった問題を防ぐことができます。Blenderのツールを使えば、テクセル密度の調整をより効率的かつ自動的に行うことが可能です。
ライトベイクは、ただ直接光を焼き込むだけではありません。リアルに見せるためには、グローバルイルミネーション（GI）や影も一緒にベイクする必要があります。グローバルイルミネーションとは、光が壁や床などの表面に当たって跳ね返り、他のオブジェクトにも影響を与える光の広がり方を再現するものです。GIと影を事前にベイクしておけば、リアルな見た目を保ちながら、リアルタイムで毎回計算する必要がなくなり、パフォーマンスも大きく向上します。
シャドウベイクは、影を事前に計算してライトマップに保存することで、静的なオブジェクトに対してリアルな影を描写しながら、リアルタイムでの影の計算負荷を軽減する手法です。影がシーンに自然に溶け込むようにするためには、シャドウの柔らかさ（ソフトネス）や解像度などの設定にも注意を払うことが重要です。
ライティングがベイクされたら、メモリ使用量を減らし、ロード時間を短縮するためにライトマップを最適化する必要があります。そのために、いくつかのテクニックを使います：
ライトマップは圧縮することで、ビジュアル品質を大幅に損なうことなくサイズを縮小できます。多くの3Dソフトやゲームエンジンはライトマップの圧縮に対応しており、特にモバイルゲームやメモリに制限があるアプリケーションで効果を発揮します。
アトラシングは、複数のライトマップを1枚の大きなテクスチャにまとめて詰め込む技術です。これにより、エンジンが扱うテクスチャの数を減らせるため、メモリの節約になり、大規模なシーンでもパフォーマンスが向上します。
ライトマップのメモリフットプリントを最適化することは、パフォーマンスを維持するうえで非常に重要です。ライトマップの解像度を調整したり、圧縮を使ったり、UVを正しくパックすることで、大規模なシーンでもライトマップが使うメモリを大きく減らすことができます。
ライティングをベイクするとき、よくある問題として継ぎ目、光のにじみ、ムラなどのアーティファクトが発生することがあります。これらは最終的なレンダリングの品質に影響し、照明が不自然またはリアルに見えなくなる原因になります。
継ぎ目は、UVアイランドがずれていたり、テクスチャがスムーズに接続されていない場合に発生します。これを修正するには、UVアンラップが正しく行われていることを確認し、Texel Density Checkerのようなツールを使ってテクスチャの品質を均一に保ちましょう。
ライトブリーディング（光のにじみ）は、光があるべきでない領域に広がるときに発生します。通常、継ぎ目がうまく塞がれていないか、ライトマップの解像度が低すぎることが原因です。ライトブリーディングを止めるには、ライトマップの解像度を上げ、UVアイランド間に十分なスペース（パディング）を確保してください。
ムラは、ベイク処理でライトデータがスムーズにブレンドされない場合に発生します。ベイク設定を変更したり、より高いライトマップ解像度を使用したり、ライティング設定を正確にしたりすることで修正できます。
ライトベイクは、リアルタイムレンダリングでビジュアルの質と処理速度のバランスを取るためにとても効果的な方法です。ライトベイの基本を理解し、シーンに合ったライティング方法を選び、アセットを最適化することで、パフォーマンスを落とさずに美しい仕上がりを実現できます。UnityやUnreal Engine、Blenderを使う場合でも、ライトベイクの流れをマスターすれば、3D制作のスキルが向上し、よりリアルで没入感のある環境を作れるようになります。ライトベイクを楽しんでください！
