3Dコンピュータグラフィックスにおいて、グローバルイルミネーション（GI）ほどシーンをリアルに表現する技術はありません。GIは、キャラクタの顔に柔らかな光が反射する様子や、森の中で霧の中に太陽光が差し込む様子など、実際の生活で光がどのように跳ね返ったり広がったりするかをシミュレートします。この記事では、GIがどのように機能するのか、さまざまなグラフィックスシステムでどのように使用されるのか、そしてプリレンダリングされたシーンとゲームのようなリアルタイムグラフィックスの両方において、リアルな画像を作成するためになぜGIが重要なのかを説明します。
グローバルイルミネーション（GI）とは、ランプや太陽のような光源からまっすぐ届く光ではなく、壁や床、物体に反射する間接光をシーン内でシミュレートすることです。直接照明には、光源から一直線に進む光だけが含まれますが、GIは、光がさまざまな表面でどのように反射するかを計算することで、リアリズムを加えます。これには、ソフトな光の跳ね返り、光沢のあるハイライト、1つのオブジェクトからの色が近くの表面にどのように影響するか（色のにじみ）などが含まれます。
パストレーシングは、カメラから3Dシーンに光線を送り出すことで、リアルなライティングを作り出す手法です。これらの光線はさまざまな表面で跳ね返り、コンピュータはその都度、光がどのように広がり散乱するかを計算します。これにより、非常にリアルな結果が得られるため、映画や高品質の視覚効果でよく使われていますが、かなりの計算を必要とするため、ビデオゲームのようなリアルタイムの用途には適していません。
ライトマッピングは、間接照明を前もって計算し、開発中にテクスチャに保存する方法です。ライトマップと呼ばれるこれらのテクスチャは、ゲームやアプリケーションで使用され、ゲームプレイ中に重い計算をすることなく、リアルなライティングを表示します。このため、パフォーマンスが重要なビデオゲームのようなリアルタイム用途に最適で、ソフトシャドウやバウンス光を非常に効率的にキャプチャできるため、シーンの動かない部分に最適です。
グローバルイルミネーション（GI）をリアルタイムで動作させるために、UnityのHigh Definition Render Pipeline（HDRP）のようなエンジンは、プローブベースのライティングと呼ばれるシステムを使用します。この方法では、ライトプローブと呼ばれる小さな点をシーン全体に配置します。これらのプローブは、光が環境内でどのようにバウンドするかを記録し、シーンが複雑な場合でも、レイトレーシングのような低速で高価な技術を使用することなく、シーンをリアルに照らします。
レイトレーシングは、光がシーン内をどのように進み、反射し、屈折するかを正確にシミュレーションすることで、デジタル空間におけるライティング表現を大きく進化させました。中でも特に重要なのが「マルチバウンスライティング」です。これは、光が複数の面で反射しながら最終的に視点に届く過程を再現する技術で、色同士の微妙な影響や、間接光のやわらかい影を生み出し、リアリズムを大幅に高めます。オフラインレンダリングでもリアルタイムレンダリングでも、このマルチバウンスGI（グローバルイルミネーション）により、自然な光の移り変わりやリアルな質感が表現可能になります。最新のサンプリング技術やノイズ除去処理と組み合わせることで、レイトレーシングは見た目のリアルさだけでなく、光の「感じ方」までもリアルに再現できる、かつてない表現力を実現しています。
GIシステムでは、光源の違いによって発光が異なります：
これらのすべてが霧、煙、透明な物体などと干渉すると、ボリューメトリックライトの照射、ビーム光線、ゴッドレイを再現できます。
イメージベースライティング（IBL）は、明るさの幅が広いHDR画像を使って、周囲の光をリアルに再現する方法です。HDR画像は360度の環境を写したもので、それをシーン全体に投影します。これにより、背景画像に合わせてオブジェクトに間接光や反射が自然に当たるようになり、映像全体の一体感が高まります。
オフラインレンダリングやベイク型のライティングでは、IBL（イメージベースライティング）をライトマップと組み合わせて使うことができます。この方法を使うことで、静的なシーンでは処理がとても軽くなり、パフォーマンスが大幅に向上します。そのため、ビデオゲームではよく使われています。
グローバルイルミネーション（GI）は、デジタルのシーンにリアルさを与えるうえで欠かせない技術です。レンダリング技術が進化するにつれて、光が物体の表面とどのように影響し合うかを、より細かく、自然に、そしてアーティストにとって扱いやすい形で再現できるようになっています。見た目のクオリティを高めたいときも、パフォーマンスを改善したいときも、GIの基本を理解して使いこなすことが、リアルで魅力的な世界づくりのカギになります。これからの映像表現は、まさに「グローバルに照らされた」明るい未来です。
