レイトレーシング：コンピュータグラフィックスにおけるリアルな照明シミュレーション

レイトレーシングは、画像平面のピクセルとして光の経路を追跡し、仮想オブジェクトとの遭遇をシミュレートすることで画像を生成するレンダリング技術です。光輸送の物理を正確にシミュレートすることで、ラスタライゼーションのような従来のレンダリング手法よりも、非常に高いフォトリアリズムを生み出すことができます。この記事では、レイトレーシングの包括的な概要を提供し、その基本原理、応用、利点、課題、そして将来のトレンドを探ります。

レイトレーシングとは？

その核心において、レイトレーシングは通常のカメラモデルを逆転させることで機能します。画面に三角形を投影する代わりに、レイトレーシングはカメラ（または目）から画像平面の各ピクセルを通してシーン内にレイ（光線）をキャストします。これらのレイはシーン内のオブジェクトと交差し、交差点でのシェーディングはオブジェクトの物質的特性と照明条件に基づいて計算されます。ピクセルの色は、このシェーディング計算の結果によって決定されます。

照明効果を近似するラスタライゼーションとは異なり、レイトレーシングは現実世界で光がどのように振る舞うかを正確にシミュレートしようと試みます。これには、反射、屈折、影、グローバルイルミネーションなどの効果が含まれます。ピクセルごとに複数のレイを追跡し、シーン内でそれらを反射させることで、レイトレーシングは複雑な照明効果を持つ驚くほどリアルな画像を生成できます。

レイトレーシングの仕組み

レイトレーシングのプロセスは、以下の主要なステップに分解できます：

1. レイの生成

画像の各ピクセルに対して、プライマリレイ（一次光線）がカメラの位置からピクセルを通り、シーン内へと生成されます。

2. レイとオブジェクトの交差判定

レイはシーン内のすべてのオブジェクトとの交差がテストされます。最も近い交差点が決定されます。

3. シェーディング

交差点で、シェーディング計算がピクセルの色を決定します。これには以下の要素が考慮されます：

直接光： 光源から表面点へ直接進む光。
反射： 表面が反射性の場合、反射レイが交差点からキャストされます。
屈折： 表面が透明な場合、屈折レイが交差点からキャストされます。
影：点が影の中にあるかどうかを判断するために、シャドウレイ（影光線）が交差点から各光源に向かってキャストされます。

4. 再帰的レイトレーシング

反射レイと屈折レイは、光源に当たるか最大再帰深度に達するまで再帰的に追跡されます。これにより、反射の中の反射のような複雑な照明効果のシミュレーションが可能になります。

5. 色の蓄積

再帰的レイトレーシングプロセスによって返された色は、ピクセルの最終的な色を決定するために結合されます。

レイトレーシングの主要な概念

レイトレーシングの複雑さを理解するためには、これらの主要な概念を理解することが不可欠です：

グローバルイルミネーション

グローバルイルミネーションとは、カラーブリーディングやソフトシャドウなどの間接照明効果のシミュレーションを指します。レイトレーシングは、直接光源だけでなく、それを超えてレイを追跡することで、グローバルイルミネーションのシミュレーションに優れています。これにより、よりリアルで没入感のある視覚体験が生まれます。レイトレーシングで使われるグローバルイルミネーションのアルゴリズムの例には、以下のようなものがあります：

パストレーシング： シーン内を光が通るランダムな経路を追跡するモンテカルロ法。
フォトンマッピング： 最初に光源からフォトンを追跡してフォトンマップを構築し、次にカメラからレイを追跡して各ピクセルの照明を推定する2パスアルゴリズム。
双方向パストレーシング： カメラからのパストレーシングと光源からのパストレーシングを組み合わせて効率を向上させます。

モンテカルロ積分

多くのレイトレーシングアルゴリズム、特にグローバルイルミネーションに使用されるものは、解析的に解くのが困難または不可能な積分を推定するためにモンテカルロ積分に依存しています。モンテカルロ積分は、ランダムなサンプルを取り、その結果を平均して積分の値を近似するものです。これは、多くの可能な光路にわたる積分を含む複雑な照明効果を計算するのに特に役立ちます。

アクセラレーション構造（高速化手法）

各レイがシーン内のすべてのオブジェクトとの交差をテストする必要があるため、レイトレーシングは計算コストが高くなる可能性があります。アクセラレーション構造は、必要な交差テストの数を減らすために使用されます。一般的なアクセラレーション構造には、以下のようなものがあります：

バウンディングボリューム階層（BVH）： オブジェクトをバウンディングボリュームで囲む階層的なツリー構造。
k-d木： シーンをより小さな領域に分割する空間分割データ構造。
空間ハッシュ： ハッシュ関数を使用して空間領域内のオブジェクトを迅速に見つける技術。

レイトレーシングの利点

レイトレーシングは、従来のレンダリング技術に比べていくつかの利点があります：

フォトリアリズム： 照明効果の正確なシミュレーションにより、非常にリアルな画像が生成されます。
グローバルイルミネーション： 間接照明をシミュレートする能力により、より没入感のあるシーンが作成されます。
反射と屈折： 反射性および透明な表面のリアルなレンダリング。
影：ハードシャドウとソフトシャドウの正確なシミュレーション。
多様性： さまざまなシーンやマテリアルのレンダリングに使用できます。

レイトレーシングの欠点

利点がある一方で、レイトレーシングにはいくつかの欠点もあります：

計算コスト： レイトレーシングは、特に複雑なシーンでは計算コストが高くなる可能性があります。
複雑さ： レイトレーシングアルゴリズムの実装は複雑で時間がかかることがあります。
ノイズ： モンテカルロレイトレーシングアルゴリズムはノイズの多い画像を生成することがあり、デノイズ技術が必要です。

レイトレーシングの応用

レイトレーシングは、以下のような幅広い分野で利用されています：

映画とアニメーション

レイトレーシングは、映画やアニメーション業界で高品質な視覚効果やフォトリアルな画像を制作するために広く使用されています。Pixar、Disney、DreamWorksなどの企業は、アニメーション映画のレンダリングにレイトレーシングを使用しています。例えば、Pixarの「モンスターズ・インク」は、リアルな毛皮のレンダリングにレイトレーシングを使用した初期の先駆者の一つでした。表面の反射や正確な影は、それまで達成できなかったリアリズムの層を加えました。

ゲーム開発

現代のGPUに搭載された専用のレイトレーシングハードウェアの登場により、リアルタイムレイトレーシングはゲーム開発でますます一般的になっています。「サイバーパンク2077」、「Control」、「メトロエクソダス」などのゲームは、リアルな反射、影、グローバルイルミネーションで視覚的忠実度を高めるためにレイトレーシングを利用しています。これらの強化は、視覚的な没入感と全体的なゲーム体験を大幅に向上させます。

建築ビジュアライゼーション

レイトレーシングは、建築デザインのリアルなレンダリングを作成するために使用され、建築家やデザイナーが建物を建てる前にその創造物を視覚化することを可能にします。これは、デザインの決定を下したり、クライアントにデザインを伝えたりするのに役立ちます。LumionやEnscapeのようなソフトウェアは、建築プロジェクトのほぼフォトリアルなプレビューを提供するために、レイトレーシングに大きく依存しています。

プロダクトデザイン

レイトレーシングは、製品のリアルなレンダリングを作成するためにプロダクトデザインで使用され、デザイナーがデザインの外観と機能を評価することを可能にします。例えば、自動車メーカーは、新しいモデルのデザインを視覚化し、洗練させるためにレイトレーシングを使用し、光が車両の表面とどのように相互作用するかを正確にシミュレートします。

科学的ビジュアライゼーション

レイトレーシングは、医療画像や物理現象のシミュレーションなど、複雑なデータセットをレンダリングするために科学的ビジュアライゼーションで使用されます。これにより、科学者はデータをより良く理解し、分析することができます。例えば、MRIデータをレイトレーシングで視覚化すると、内臓のより鮮明で詳細な画像を提供できます。

レイトレーシングのハードウェアとソフトウェア

レイトレーシング対応GPU

NVIDIA（RTXシリーズ）およびAMD（Radeon RX 6000シリーズ以降）の現代のGPUは、レイトレーシング専用のハードウェアを搭載しており、レンダリングプロセスを大幅に高速化します。これらのGPUには、レイとオブジェクトの交差テストを効率的に実行するために設計された特殊なコア（NVIDIA GPUのRTコア、AMD GPUのレイアクセラレータ）が含まれています。

レイトレーシングAPI

いくつかのAPIがレイトレーシングをサポートしています。これには以下が含まれます：

DirectX Raytracing (DXR): MicrosoftのレイトレーシングAPIで、Windows 10以降で利用可能です。
Vulkan Ray Tracing: VulkanによってサポートされているクロスプラットフォームのレイトレーシングAPI。
OptiX: NVIDIAのレイトレーシングエンジンで、NVIDIA GPUでの高性能レイトレーシング用に設計されています。

レイトレーシングソフトウェア

数多くのソフトウェアパッケージがレイトレーシングをサポートしています。これには以下が含まれます：

Blender: Cyclesレンダリングエンジンを通じてレイトレーシングをサポートする、無料のオープンソース3D制作スイート。
Autodesk Maya: Arnoldレンダラーを通じてレイトレーシングをサポートする、プロフェッショナルな3Dモデリングおよびアニメーションソフトウェアパッケージ。
Cinema 4D: 内蔵のレンダリングエンジンを通じてレイトレーシングをサポートする、3Dモデリング、アニメーション、レンダリングソフトウェアパッケージ。
Unreal Engine: リアルタイムレイトレーシングをサポートする人気のゲームエンジン。
Unity: リアルタイムレイトレーシングをサポートするもう一つの人気のゲームエンジン。

リアルタイムレイトレーシング

リアルタイムレイトレーシングとは、レイトレーシングされた画像をインタラクティブなフレームレート（通常は毎秒30フレーム以上）でレンダリングする能力を指します。これは、GPU技術の進歩と効率的なレイトレーシングアルゴリズムの開発によって可能になりました。

リアルタイムレイトレーシングは、主にゲーム開発でパフォーマンスを犠牲にすることなく視覚的忠実度を高めるために使用されます。しかし、仮想現実や拡張現実など、他の分野でも応用が見出されています。

リアルタイムレイトレーシングを最適化するために、いくつかの技術が使用されています：

デノイジング： レイトレースされた画像からノイズを除去して視覚品質を向上させます。
適応サンプリング： シーンの複雑さに応じてピクセルごとにトレースするレイの数を調整します。
ハイブリッドレンダリング： レイトレーシングと従来のラスタライゼーション技術を組み合わせて、視覚品質とパフォーマンスのバランスを取ります。

レイトレーシングの未来

レイトレーシングは、その性能、効率、リアリズムを向上させるための継続的な研究開発が行われている進化中の分野です。レイトレーシングの将来のトレンドには、以下のようなものがあります：

AIによるレイトレーシングの高速化

人工知能（AI）を使用してレイトレーシングを高速化することは、有望な研究分野です。AIは以下の目的で使用できます：

画像のデノイズ： AI搭載のデノイザーは、従来のデノイザーよりも効果的にレイトレースされた画像からノイズを除去できます。
照明の予測： AIはシーンの照明を予測するように訓練でき、トレースする必要のあるレイの数を減らします。
アクセラレーション構造の最適化： AIを使用して、アクセラレーション構造の構築とトラバーサルを最適化できます。

クラウドベースのレイトレーシング

クラウドベースのレイトレーシングは、リモートサーバーでレイトレースされた画像をレンダリングし、その結果をユーザーのデバイスにストリーミングするものです。これにより、ユーザーはローカルマシンに強力なハードウェアを必要とせずにレイトレーシングを体験できます。クラウドベースのレイトレーシングは、NVIDIAやGoogleなどの企業によって探求されています。

ニューラルレンダリング

ニューラルレンダリング技術は、レイトレーシングと深層学習を組み合わせて、新しいレンダリング手法を生み出します。ニューラルレンダリングは以下の目的で使用できます：

疎なデータからのリアルな画像の生成： ニューラルレンダリングは、少数の入力画像やほんの数点のデータポイントからでもリアルな画像を生成できます。
シーンの新しい視点の作成： ニューラルレンダリングは、元の画像では捉えられなかったシーンの新しい視点を作成できます。
物理的に妥当な方法での画像の編集： ニューラルレンダリングは、物理的なリアリズムを維持しながら画像を編集できます。

さまざまな業界におけるレイトレーシング：グローバルな視点

レイトレーシングの採用は、技術インフラ、経済的要因、創造的な好みの違いを反映して、業界や地理的地域によって異なります。以下に、いくつかのグローバルな視点を紹介します：

北米

北米、特にアメリカ合衆国は、特に映画およびゲーム業界においてレイトレーシングの採用をリードしてきました。Pixarのような主要なアニメーションスタジオやElectronic Artsのようなゲーム開発者の存在が、レイトレーシング技術への革新と投資を推進しています。さらに、高性能GPUと堅牢なインターネットインフラの普及が、リアルタイムおよびクラウドベースのレイトレーシングソリューションの採用を促進しています。

ヨーロッパ

ヨーロッパでは、レイトレーシングの採用において多様な状況が見られます。イギリスやドイツのような国々は強力なゲームおよびVFX産業を持ち、これらの分野でのレイトレーシングの使用を促進しています。また、イタリアやフランスのような豊かな建築遺産を持つ国々では、保存やデザイン目的で詳細かつ正確なレンダリングが不可欠であるため、建築ビジュアライゼーションもレイトレーシングから大きな恩恵を受けています。さらに、ヨーロッパの研究機関はレイトレーシングアルゴリズムとハードウェアの進歩に積極的に関与しています。

アジア太平洋地域

アジア太平洋地域は、中国、韓国、日本などの国々で急成長しているゲームおよびエンターテイメント産業に牽引され、レイトレーシングの採用で急速に追いついています。先進的な技術インフラで知られる韓国は、ゲーム開発と視覚効果のハブであり、多くのスタジオがリアリズム向上のためにレイトレーシングを導入しています。中国の成長するゲーム市場も、レイトレーシング対応のハードウェアとソフトウェアの需要を煽っています。日本のアニメや漫画業界は、視覚品質を高めるためにレイトレーシングを探求しています。建築ビジュアライゼーションでは、シンガポールや香港のような国々が、その洗練された都市開発にレイトレーシングを採用しています。

新興市場

インドやブラジルのような新興市場では、レイトレーシングの採用が徐々に増加しています。経済的要因により高性能GPUやソフトウェアへのアクセスは限られているかもしれませんが、ゲームや視覚効果への関心の高まりが需要を牽引しています。インターネットインフラが改善し、ハードウェアコストが低下するにつれて、特に建築ビジュアライゼーションやプロダクトデザインのような分野でレイトレーシングの採用が拡大すると予想されます。

結論

レイトレーシングは、光の物理を正確にシミュレートすることによって、非常にリアルな画像の作成を可能にする強力なレンダリング技術です。従来は計算コストが高かったですが、ハードウェアとアルゴリズムの進歩により、リアルタイムレイトレーシングが現実のものとなりました。技術が進化し続けるにつれて、レイトレーシングは映画やアニメーションからゲーム開発、科学的ビジュアライゼーションまで、幅広い応用分野でますます重要な役割を果たすことが期待されています。フォトリアルな結果を生み出すその能力は、視覚的に見事で没入感のある体験を創造しようとするすべての人にとって、非常に価値のあるツールです。