レイトレーシングと大域照明

レイトレーシングは、シーン内の光線を追跡することで画像をレンダリングします。光が表面間を跳ね返るのを追跡するように拡張すると、大域照明、つまり合成画像をリアルに見せる間接照明を計算します。

Definition

レイトレーシングは、光線をシーンのジオメトリと交差させることで可視性とシェーディングを計算しますが、大域照明は、複数の表面間での光の完全な伝達をシミュレートすることでレンダリング方程式を解きます。

Scope

このトピックでは、反射、屈折、影のための再帰的レイトレーシング、レンダリング方程式の不偏推定量としてのモンテカルロパス追跡、重点サンプリングと分散低減、およびレイトレーシングとシーンの交差を扱いやすくするバウンディングボリューム階層などの高速化構造について説明します。

Core questions

• 光の経路を追跡することで、ピクセルに到達する放射輝度はどのように推定されますか？
• モンテカルロ積分によってレンダリング方程式はどのように解かれますか？
• 確率的サンプリングに内在するノイズを効率的に低減するにはどうすればよいですか？
• 数十億の光線とシーンの交差はどのように高速化されますか？

Key concepts

• 光線と表面の交差
• 再帰的反射と屈折
• モンテカルロパス追跡
• 重点サンプリング
• バウンディングボリューム階層
• 分散とノイズ

Key theories

再帰的レイトレーシング

ピクセルごとに光線をキャストし、各表面ヒットで反射、屈折、影のために二次光線を生成することで、単一の再帰的フレームワーク内で鏡のような反射、透明度、正確な硬い影が得られます。

パストレーシングとレンダリング方程式

大域照明は、レンダリング方程式を高次元積分として解釈し、ランダムな光の経路で推定することで得られます。これは、誤差が画像ノイズとして現れ、サンプル数が増えるにつれて減少する不偏モンテカルロ法です。

Clinical relevance

パストレーシングは、映画の視覚効果やアニメーションの制作標準であり、ハードウェアアクセラレーションによるレイトレーシングは、リアルタイムゲームやデザインツールに反射と大域照明をもたらしました。

History

Whittedは1980年に再帰的レイトレーシングを導入し、Kajiyaは1986年にレンダリング方程式で光の伝達を統一し、Veachの1997年の堅牢なモンテカルロ推定器に関する研究は、現代のプロダクションパストレーサーを支える分散低減技術を確立しました。

Key figures

• Turner Whitted
• James Kajiya
• Eric Veach

Seminal works

• whitted1980
• kajiya1986
• veach1997

Frequently asked questions

パストレーシングされた画像は、完成する前にざらざらしているように見えるのはなぜですか？

各ピクセルは、有限数のランダムに選択された光の経路を平均することで推定されます。サンプルが少ないと推定値はノイズが多くなり、より多くの経路が蓄積されるにつれてざらつきは薄れていきます。

大域照明とは何ですか？

これは、光が点に到達する前に他の表面で跳ね返った光の寄与であり、柔らかな影、表面間の色のにじみ、直接照明だけでは再現できないコースティクスなどの効果を生み出します。