ボリュメトリックライトは、3DCGにおいて非常に魅力的な表現技法のひとつです。アーティストや開発者の間では「ゴッドレイ（神の光）」や「光のビーム」「光のシャフト」などと呼ばれることもあり、光が霧や煙、ホコリなどの粒子を含んだ空間を通過する際の散乱をリアルに再現します。この技術は、静止画のレンダリングだけでなく、ゲームやVRといったリアルタイムアプリケーションでも重要な役割を果たします。シーンに奥行きや臨場感を与えるためには、繊細な光の演出が欠かせません。美しいボリューメトリックライトを実現するには、シェーダーの設計、描画パフォーマンスの最適化、使用するレンダリングエンジンのパイプラインを理解することが必要です。
ボリュメトリックライトをレンダリングするには、光源、カメラ、そしてフォグボリューム（霧の体積）の関係をまずは理解しましょう。ソフトウェアによって手順は異なりますが、基本原理は共通しています。ボリュメトリックライトは、霧や煙、ホコリのような媒質を通して光がどのように散乱するかを、ボクセルベースの表現を使ってシミュレーションされます。以下は、オフラインレンダリングとリアルタイムレンダリングエンジンに共通する大まかなワークフローです：
まずはスポットライトやポイントライトを使ってみましょう。光が霧や埃で満たされた3Dエリアに当たっていることを確認します。このフォグ領域は通常、密度（フォグの濃さ）、散乱（光の広がり具合）、異方性（光が散乱しやすい方向）などの設定を使用して設定します。たとえばBlenderでは、立方体の中にボリュームスキャッタシェーダを入れてフォグを表現し、明るいスポットライトを立方体を通して照らすように配置することで、このエフェクトを作成できます。
異方性は、霧や塵の内部で光が散乱する方向を制御します。0に設定すると、光はあらゆる方向に均等に広がります。1に近い値に設定すると、光はほとんど前方に広がり、より焦点の合ったビームになります。マイナスの値に設定すると、光は後方に広がります。この設定によって光の見え方が変わり、シャープにまとまって見えるか、柔らかい光として見えるかが変わります。また、密度の値を高くすると霧が濃くなり、密度を高くすると、カメラがフォグからどれだけ近いか遠いかによって、光を隠したり目立たせたりすることができます。
ビデオゲームでは、リアルなボリューメトリックライトのために、霧や煙の中にくっきりと正確な影が必要です。これはシャドウマッピングと呼ばれる方法で行われ、光がブロックされる場所をゲームに認識させます。影が正しく設定されていないと、光線が平坦に見えたり、奇妙な見た目のエラーが発生したりします。オフラインレンダリング（映画など）では、レイトレーシングがこうした照明効果を自動的に処理します。しかし、Unity や Unreal のようなリアルタイム エンジンでは、シャドウ マップと、フロクセル ベースのライティング (空間を小さな 3D ブロックに分割する) と呼ばれるシステムを使用して、ライティング エフェクトの見た目を維持しながら高速に実行します。
ほとんどのエンジンは、ポストプロセスを使ってゴッドレイやブルームなどの追加エフェクトをシミュレートします。Unityでは、HDRPパイプラインとURPパイプラインの両方で、ボリュメトリックフォグとライティングの設定がポストプロセッシングツールに含まれています。これらのエフェクトは既存のライティングと連動し、手動で調整することなく、シーンをよりリアルに見せることができます。
レイトレースによるボリュメトリックライトは、非常にリアルなエフェクトを生み出しますが、コンピュータのパワーを大量に消費します。特にアニメーションやリアルタイムのプロジェクトでスムーズに動作させるには、パフォーマンスを慎重に最適化する必要があります。ここでは、高解像度レンダリングで効率的にボリュメトリックライトを使用するための最良の方法を紹介します：
ゴボ・ライトは、パターン化されたテクスチャを使って光線を形作る光源です。ビームを分割することで、光をより面白くリアルに見せます。このテクニックは、複雑な光散乱をシミュレートする必要なく、リアルなボリュメトリックライトのエフェクトを作成するのに便利です。
アニメーションでは、ボリュメトリックライトを個別のレンダーパスとして保存することで、再度使用することができ、処理を高速化することができます。レンダリングエンジンによっては、ボクセルボリュームやシャドウボリュームを事前に計算し、多くのフレームで再利用することができます。これは、ちらつきやゴースト効果の低減に役立ちます。
分析的ライティングでは、簡略化した数式を使って光の振る舞いを計算するので、レンダリングが速くなります。一方、リアルタイム・ライティングの手法も、計算を簡略化することでスムーズな動作を維持しますが、パフォーマンスと近似性のバランスをとります。
この方法は、霧や埃に覆われた体積の中で光がどのように散乱するかを数学の公式を使って推定するものです。その代わり、光の方向、霧の濃さ（密度）、距離による光の減衰（減衰）に基づいて、光線の形と広がりの大まかな計算を行います。
UnityやUnreal Engineのようなゲームエンジンでは、フロクセルと呼ばれる効率的な3Dピクセルグリッドを使用し、深度に基づいて光がどのように散乱するかを計算することで、リアルタイムのボリュメトリックライトが機能します。UnityのHDRP（High Definition Render Pipeline）は、画面を小さな3Dセクションに分割し、セクションごとにライトを処理し、フレームごとにそれらを結合する、フロクセルベースのシステムを使用しています。これにより、ゲームをあまり遅くすることなく、多くの動くライトを使用できます。一方、UnityのUniversal Render Pipeline (URP)は、このシステムをよりシンプルにしたもので、モバイルデバイスや低性能デバイスに適していますが、機能が少なく、リアルなフォグエフェクトもありません。Unityで作業している場合、ボリュメトリックライティングをオンにするには、プロジェクトのいくつかの箇所を調整する必要があります：
Robloxのようなエンジンでは、ボリュメトリックライトは品質設定と使用可能なシステムパワーに左右されます。それでも、多くの場合カメラの位置と連動するスマートなテクニックを使えば、ゲームを遅くしたりラグを発生させたりすることなく、奥行き感を作り出すことができます。よく使われる方法の1つは、「フォグメッシュ」のようなメッシュを使って、ライティング効果を簡単にごまかすことです。しかし、この方法は動作が遅くなる可能性があるため、ゲーム本編ではなく、デモやショーケースのシーンでのみ使用するのがベストです。
ゲームエンジン、カスタムレンダラー、リアルタイムグラフィックス用ツールなど、さまざまな種類のソフトウェアでボリュメトリックライトを追加できます。機能はそれぞれ少し異なるかもしれませんが、基本的なセットアップは通常同じです。ここでは、URPや他の同様のシステムでボリューメトリック・ライティングを設定する方法を説明します：
透明（アルファ）テクスチャを使った加法パーティクルシステムを使えば、コンピュータのパワーをあまり使わずに、光線や霧のようなリアルなボリューメトリックエフェクトを作成できます。ほとんどのゲームエンジンやレンダリングソフトウェアには、これを簡単にするツールやプラグインが組み込まれています。パフォーマンスをあまり低下させずに良い結果を得るには、深度テクスチャ、フォグボリューム、およびスクリーン空間エフェクトを適切に使用することが重要です。
映画では、ボリューメトリックライトはシーンのある特定の部分に視線を誘導するのに役立ちます。ビデオゲームでは、プレイヤーに行き先を示したり、危険を知らせたり、特定のムードを作り出したりします。製品デザインや建築のイメージでは、空間の信憑性や実在感を高めます。あなたのレンダリングが平凡で物足りないように感じたら、一筋の光を加えてみてください。
