レイトレーシングにより3D作品がさらにリアルに仕上げる理由

レイトレーシングにより3D作品がさらにリアルに仕上げる理由

本物の光線と同じように光を反応させるレイトレーシングの機能によって、コンソールゲームは将来、さらに素晴らしいものになるでしょう。 レイトレーシングはフォトリアリズムを追求する際に重要であり、さまざまなアプリケーションでの光の再現に影響を与えます。最近までこの技術はビデオゲームでの使用には適しておらず、主に映画製作業界で使用されていました。

フォトリアリスティックなグラフィックスをゲームに追加するためにラスタライズが何十年も使用されてきましたが、特に照明に関しては制限があります。 ゲーム開発者たちは、さまざまな反射や影などあらゆる照明要素を実装するために色んな方法を考案しましたが、3Dレイトレーシングによる効果は実現不可能です。プリレンダリングされた効果は、シーンに固定されているため常に同じであり、ゲームではそれほどダイナミックな表現にできないのです。

3Dレイトレーシングはゲーム開発者たちの制作方法を変え、プレーヤーのシーン内での反応に合わせて照明効果が変化し、照明が自動的に調整されるようになりました。

そして3Dレンダリングは、完璧なデジタル画像を作成するのに必要であり、多くの業界にとって重要な技術です。計算に必要なパワーは少なく高速で仕上がりますが、レイトレーシングのリアリズムには匹敵しません。

レイトレーシングにより3D作品がさらにリアルに仕上げる理由
Recursive ray trace of a sphere by Tim Babb / CC BY-SA

3Dレイトレーシングって何? どんな機能?

好きなSF映画などの魅力的な特殊効果や映像は、レイトレーシングのおかげです。生成された画像がすべての特殊効果をリアルに見せ、実写でキャプチャされたものと見分けがつかないようにします。

ビデオゲームは映画と同じような演出効果を実現できるようになり、ゲーマーはアクションの特殊効果をリアルタイムでレンダリングできます。 映画のシーンでは、使用されるハードウェアは高額で、しかも何百万もの光子ビームを使用してレイトレーシングを計算するので時間がかかります。

現実世界では、オブジェクトの見え方は光がどのように反射、吸収、または屈折されるかによって決まります。 光源から出た光子は目で捉えられ、脳で解釈されます。

レイトレーシングのプロセスはほぼ同じように機能しますが、逆のことをします。この方法は、仮想の目またはカメラからその中のすべてのオブジェクトまでの光の経路を「トレース」することによって画像を生成します。不要な光線を処理することで計算能力が浪費されることなく、さらに光源の光線を画像内のすべてのオブジェクトにトレースするよりも効率的です。

3D レイ トレーシングはどのように機能するの?

3D レイ トレーシングの科学的技術により、開発者は光が実際にどのように機能するかをシミュレートできます。 シーンはよりリアルに照らされ、フレーム内にないオブジェクトでさえ、目に見えるシーンに正確に反映できます。

3Dレイトレーシングは、ソフトウェア内のアルゴリズムにより、カメラレンズから作動します。 レイトレースライトは外側に移動し、パス内のすべてのオブジェクトに跳ね返ります。色や反射特性さえ作ることができ、ソフトウェアはすべての光線に影響する適切な光源を決定します。

レイトレーシングは集中的な計算を必要とするため、最近までビデオゲームのグラフィックスには実用的ではありませんでした。これは、コンピューターが1080pディスプレイの200万を超えるピクセルを決定して、3Dの世界から2D表示のモニターにマッピングする必要があるためです。

1つか複数のカメラからの光線が各ピクセルを介して投影される必要があり、コンピューターは光線が三角形と交差するかを確認する必要があります。ご存じないかもしれませんが、CGはポリゴンと数百万の三角形で構成されています。ソフトウェアのアルゴリズムは、光線が当たる三角形の色などのデータやカメラからの距離を使用して、最終的なピクセルに必要な色を決定します。

またこのソフトウェアは、三角形で跳ね返ったり通過したりする光線も測定します。 ピクセルを通過する単一の光線を追跡してもリアルな画像は生成されず、光線が多いほど画質が高くなります。 そして残念ながら、コストも増加します。

レイトレーシングにより3D作品がさらにリアルに仕上げる理由
Ray trace diagram by Timrb / CC BY-SA

3D レイ トレーシングの主な用途は何?

レイトレーシングは1982年にコンピュータグラフィックスに初めて実装され、1985年の科学万博つくばの富士通パビリオンで最初の画像が公開されました。これは、1982年に大阪大学が構築したコンピュータグラフィックスシステム LINKS-1 で作成されたビデオです。 それ以来、レイトレーシングのリアルタイム速度は向上し、現在ではインタラクティブな3Dグラフィックスのアプリケーションに実装されています。これはデモ映像、コンピューターゲーム、ビデオゲーム、画像レンダリングなどの制作に使用されています。すべての次世代ゲームコンソールはレイトレーシングのハードウェアコンポーネントに対応しているため、ゲームプレイヤーはレイトレーシングのリアルタイムによる演出効果を楽しむことができます。

3Dレンダリング – 仮想世界への入り口

スクリーンに投影するための2次元のイメージは、3D レンダリングを使用した3Dモデルから生成できます。これらのイメージは、画像の色、素材、質感を示す一連のデータによって生成されます。

1960年代以降、「コンピューターグラフィックスの父」である アイバン・サザランドが MIT在学中にSketchpadを作成してから、レンダリングはコンピューターグラフィックスに使用されてきました。しかしそれ以前にも、ウィリアム・フェッターは飛行機のパイロットがコックピットをシミュレートするためにそれを使用していました。

3Dレンダリングはどんな風に機能をするの?

それ以来、レンダリング技術は進化してきましたが、基本的なコンセプトは写真のコンセプトによく似ています。 レンダリングプログラムは写真を構成し、すべての重要なデティールの情報をデジタル照明を使用して、リアルなレンダリングを作成します。

レンダリングの方法はさまざまで、1 フレームのレンダリングに1秒から数日かかることもあります。

リアルタイムレンダリングはインタラクティブなメディアに使用され、毎秒120フレームまで計算して表示できます。 使用するソフトウェアは、モーション ブラー、レンズ フレア、深度などの視覚効果をシミュレートできます。

映画やドキュメンタリーでは、リアルタイムレンダリングではないものが使用され、シーンの複雑さによってはレンダリングに数秒から数日かかることがあります。 レンダリングされたフレームは、メディアに転送される前にまずハードドライブに保存され、連番のフレームとして動きの錯覚を利用して使用されます。

レンダリングの品質は向上していますが、プロセスは依然として遅いです。 一部の大企業ではこの問題を回避するために、レンダー ファームを利用しています。ただし、それぞれのアーティストやデザイナーの多くは、高度なハードウェアを使用する必要があります。

レンダリング技術は何年にもわたりどのように進化してきたか。

ラスタライズ

初期の頃からある手法の 1 つは、モデルをポリゴンのメッシュとして扱います。 ポリゴンの頂点には、位置、テクスチャ、色に関する情報が含まれています。 次に、頂点はカメラに垂直な平面に投影され境界線のように機能し、残りのピクセルは色で埋められます。これは絵を描くときに、色を塗る前に輪郭を描くのと同じことです。

このプロセスは、高解像度のアンチエイリアシングによって長年にわたって改善され、オブジェクトのエッジがより滑らかになり、周囲のピクセルにブレンドされます。

レイトレーシングにより3D作品がさらにリアルに仕上げる理由
ラスタライズ

レイキャスティング

ラスタライズの課題により、サーフェスのオーバーラップで問題が発生していました。 これは当初、Zバッファで解消されていましたが、レイキャスティングによってこれらの問題自体が解決されました。 カメラの視点からモデルにレイをキャストし、イメージプレーンにレイを描画できるようにします。 ヒットした最初の画像がレンダリングに表示されます。

レイトレーシング

レイキャスティングは依然として影、反射、および屈折を適切にシミュレートできず、これを改善するためにレイトレーシングが開発されました。レイトレーシングは、レイキャスティングよりも優れた光を描写し、カメラの視点からモデルに一次レイを生成して二次レイを生成できるようにします。 この技術により、サーフェスと影に応じて、影、反射、または屈折光線を放出できます。 もし何かがそのサーフェスを妨げている場合、これらは別のサーフェスに生成される可能性があります。

レイトレーシングにより3D作品がさらにリアルに仕上げる理由
レイトレーシング

レンダリング方程式

そして最後に開発された最新技術はレンダリング方程式で、光がどのように放射されるかのシミュレートを試みます。 これは光源だけでなく、あらゆるものから光が放射されることを考慮して行われます。 すべての光源がアルゴリズムにより、直接照明だけでなく、考えられるすべての光源を考慮する方程式が作成されます。

3Dレンダリングを使用している業界

3Dレンダリングは多くの業界で使用されており、プロトタイプよりも費用対効果が高く、時間を節約できます。 そのため現在、レンダリングにより作成されたプレゼンテーションは建築およびエンジニアリングのアプリケーションで人気があります。

映画業界では、3D レンダリングを使用して高精細度の3Dアニメーション映画を制作します。 これらの高解像度のエフェクトと、コンピューターで生成された画像を使用して完璧なショットを生成でき、もはや制限はほとんどありません。

ゲーム業界は、フォトリアルなレンダリングと高精細なイメージを使用しています。これにより、プレイヤーにより没入感のある体験を提供でき、ゲームの開発者たちはゲームを可能な限りリアルなものすることを目指しています。

マーケティング業界では、レンダリングによりリアルな製品を、オンラインやカタログで見せることができます。レンダリングはコストパフォーマンスが良く、プロモーションをより魅力的に見せることができます。

最近の調査によると、3D アニメーション市場は、2019年から 2025年にかけて年平均成長率 (CAGR) 11% で成長すると予想されています。2018年には、137.5 億ドルと評価されました。 これまでのところ、3D技術を使用する市場のシェアは、メディアおよびエンターテイメント業界が1位で、製造業が 2 位、 建築と建設業界は3位となっています。

結論

3Dレイトレーシングは高度でリアルなビジュアルを生成しますが、多くの計算サイクルを必要とするため、より多くの時間がかかります。 そのため時間が関係なく、画像のレンダリングが遅くても問題ないアプリケーションで使用されます。これは急ぐ必要がなく、非常に正確な反射と影が必要な静止画、映画、テレビの視覚効果には理想的です。しかしビデオゲームのように速度が重要なアプリケーションには遅すぎます。

一方、3Dレンダリングはより高速になり、レンダリングの品質は常に向上しています。 レンダリングソフトウェアは GPU と CPU を使用し、場合によっては両方を使用してレンダリングを作成しますが、それらのアプリケーションは多くのリソースを使用し、大抵の場合アップグレードが必要です。

ほぼ完璧なレンダリングには変更も多少必要ですが、事後処理によりほぼフォトリアルなイメージを作成できます。

レイトレーシングは、ゲーム開発者向けのソフトウェアに使用され始めています。 Nvidia は消費者向けの GPU を RTXグラフィックスカードに統合し、Microsoft は Windows および Xbox Oneの ゲームにレイトレーシングを対応させました。 また、AMD はレイトレーシングの統合にもすぐに対応し、より多くのゲームプレイヤーがリアルタイムで現実に近い、より印象的なゲームを体験できるようにしていく予定です。

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