3Dレンダリング

3D レンダリングは、 3D モデルをコンピュータ上で2D 画像に変換する3D コンピュータ グラフィックスプロセスです。3D レンダリングには、フォトリアリスティック効果や非フォトリアリスティック スタイルが含まれる場合があります。

レンダリングは、準備されたシーンから実際の 2D 画像またはアニメーションを作成する最終プロセスです。これは、現実世界でセットアップが完了した後にシーンの写真を撮ったり、ビデオを撮影したりすることに似ています。^[1]さまざまな、多くの場合特殊なレンダリング方法が開発されています。これらは、明らかに非現実的なワイヤーフレームレンダリングからポリゴン ベースのレンダリング、スキャンライン レンダリング、レイ トレーシング、ラジオシティなどのより高度な手法まで多岐にわたります。レンダリングには、1 つの画像/フレームに対して、数分の 1 秒から数日かかる場合があります。一般に、フォトリアリスティック レンダリングとリアルタイム レンダリングのどちらにも適した方法が異なります。^[2]

ゲームやシミュレーションなどのインタラクティブ メディアのレンダリングは、1 秒あたり約 20 ～ 120 フレームの速度でリアルタイムに計算され、表示されます。リアルタイム レンダリングの目標は、1 秒未満の時間 (つまり「1 フレーム」) で目が処理できる限り多くの情報を表示することです (1 秒あたり 30 フレームのアニメーションの場合、1 フレームは 30 分の 1 秒に相当します)。

主な目標は、許容可能な最小レンダリング速度 (通常は 1 秒あたり 24 フレーム。人間の目が動きの錯覚をうまく作り出すために必要な最小速度) で、可能な限り高いフォトリアリズムを実現することです。実際、目が世界を「認識」する方法にエクスプロイトを適用できるため、最終的に表示される画像は必ずしも現実世界の画像ではなく、人間の目が許容できる程度に近い画像になります。

レンダリング ソフトウェアは、レンズ フレア、被写界深度、モーション ブラーなどの視覚効果をシミュレートすることがあります。これらは、カメラや人間の目の光学特性から生じる視覚現象をシミュレートする試みです。これらの効果は、カメラのシミュレートされたアーティファクトに過ぎない場合でも、シーンに現実感を与えることができます。これは、ゲーム、インタラクティブ ワールド、VRMLで採用されている基本的な方法です。

コンピュータの処理能力が急速に向上したことにより、 HDRレンダリングなどの技術を含め、リアルタイムレンダリングでもますます高いリアリティを実現できるようになりました。リアルタイムレンダリングはポリゴンレンダリングであることが多く、コンピュータのGPUの支援を受けています。^[3]

長編映画やビデオなどの非インタラクティブメディアのアニメーションは、レンダリングにかなり長い時間がかかります。^[4]非リアルタイムレンダリングでは、限られた処理能力を活用して高画質を得ることができます。個々のフレームのレンダリング時間は、複雑なシーンでは数秒から数日までさまざまです。レンダリングされたフレームはハードディスクに保存され、その後、映画フィルムや光ディスクなどの他のメディアに転送されます。その後、これらのフレームは、通常24、25、または30フレーム/秒（fps）の高フレームレートで順番に表示されます。これにより、動いているような錯覚が実現されます。

フォトリアリズムを目標とする場合は、レイ トレーシング、パス トレーシング、フォトン マッピング、ラジオシティなどの手法が使用されます。これは、デジタル メディアや芸術作品で採用されている基本的な方法です。光とさまざまな形態の物質との相互作用など、他の自然に発生する効果をシミュレートする目的でも手法が開発されています。このような手法の例には、パーティクル システム(雨、煙、火をシミュレートできます)、ボリューム サンプリング(霧、ほこり、その他の空間的な大気効果をシミュレートします)、コースティクス(プールの底に見られる光のさざ波など、光が屈折する凹凸のある表面による光の焦点をシミュレートします)、および表面下散乱(人間の皮膚など、固体のボリューム内で反射する光をシミュレートします) などがあります。

レンダリング プロセスは、シミュレートされる物理プロセスが複雑で多様なため、計算コストがかかります。コンピュータの処理能力はここ数年で急速に向上し、よりリアルなレンダリングがますます可能になっています。コンピュータ生成アニメーションを制作する映画スタジオでは、通常、レンダー ファームを使用してタイムリーに画像を生成します。ただし、ハードウェア コストが低下しているため、レンダー ファームの使用にかかるコストを考慮すれば、家庭用コンピュータ システムで少量の 3D アニメーションを作成することは完全に可能です。^[5]レンダラーの出力は、完成した映画シーンのほんの一部としてのみ使用されることがよくあります。多くのレイヤーのマテリアルを個別にレンダリングし、合成ソフトウェアを使用して最終ショットに統合することができます。

反射/散乱およびシェーディングのモデルは、表面の外観を記述するために使用されます。これらの問題は、それ自体が問題であるように見えるかもしれませんが、レンダリングのコンテキスト内でのみ研究されています。最新の 3D コンピュータ グラフィックスは、Phong 反射モデルと呼ばれる単純化された反射モデルに大きく依存しています ( Phongシェーディングと混同しないでください)。光の屈折において、屈折率は重要な概念です。ほとんどの 3D プログラミング実装では、この値は「屈折率」(通常は IOR と短縮されます) と呼ばれます。

シェーディングは 2 つの異なるテクニックに分類でき、それぞれが個別に研究されることがよくあります。

• 表面シェーディング- 光が表面全体に広がる様子（主にビデオゲームのリアルタイム 3D レンダリングのスキャンライン レンダリングで使用されます）
• 反射/散乱-特定のポイントで光が表面とどのように相互作用するか(主に、CGI 静止 3D 画像と CGI 非インタラクティブ 3D アニメーションの両方で、非リアルタイムのフォトリアリスティックで芸術的な 3D レンダリングのためのレイ トレース レンダリングで使用されます)

3D コンピュータ グラフィックスでよく使用されるサーフェス シェーディング アルゴリズムには、次のものがあります。

• フラット シェーディング: ポリゴンの「法線」と光源の位置および強度に基づいてオブジェクトの各ポリゴンをシェーディングする手法
• グーローシェーディング： 1971年にH.グーローによって発明された、滑らかにシェーディングされた表面をシミュレートするために使用される高速でリソースを意識した頂点シェーディング手法。^[6]
• フォンシェーディング：ブイ・トゥオン・フォンによって発明された。鏡面反射ハイライトと滑らかな陰影面をシミュレートするために使用される。^[7]

反射または散乱は、特定の点における入射光と出射光の関係です。散乱の説明は通常、双方向散乱分布関数またはBSDFで表されます。 ^[8]

シェーディングは、異なるタイプの散乱が表面全体にどのように分布しているか（つまり、どの散乱関数がどこに適用されるか）を表します。この種の記述は通常、シェーダと呼ばれるプログラムで表現されます。^[9]シェーディングの簡単な例としては、テクスチャマッピングがあります。テクスチャマッピングでは、画像を使用して表面上の各ポイントの拡散色を指定し、より詳細な表現を実現します。

シェーディング技法には次のようなものがあります。

• バンプマッピング：ジム・ブリンが発明した、しわのある表面をシミュレートするために使用される法線摂動技術。^[10]
• セルシェーディング:手描きアニメーションの外観を模倣するために使用される手法。

トランスポートは、シーン内の照明が 1 つの場所から別の場所にどのように伝わるかを表します。 可視性は、光トランスポートの主要な要素です。

陰影を付けられた 3 次元オブジェクトは、表示装置 (つまりモニター) が 2 次元のみで表示できるように平坦化する必要があります。このプロセスは3D 投影と呼ばれます。これは投影を使用して行われ、ほとんどのアプリケーションでは透視投影が使用されます。透視投影の基本的な考え方は、遠くにあるオブジェクトは近くにあるオブジェクトに比べて小さく表示されるというものです。プログラムは、膨張定数を観察者からの距離の負の累乗で乗算して遠近感を生成します。膨張定数が 1 の場合、遠近感はありません。膨張定数が高いと、画像の歪みが発生し始める「魚眼」効果が発生する可能性があります。正投影は、科学的なモデリングで正確な測定と 3 次元の保存が求められる CADまたはCAMアプリケーションで主に使用されます。

レンダリング エンジンは 3D モデリング ソフトウェアと一緒に使用したり統合したりすることもできますが、スタンドアロン ソフトウェアもあります。レンダリング エンジンの中には複数の 3D ソフトウェアと互換性があるものもあれば、1 つのソフトウェア専用のものもあります。レンダリング エンジンは、準備された 3D シーンを 2D 画像またはアニメーションに変換する役割を担います。3D レンダリング エンジンは、レイ トレーシング、ラスタライズ、パス トレーシングなどのさまざまな方法に基づいており、速度と期待される結果に応じて、上記で説明したリアルタイムと非リアルタイムのさまざまなタイプがあります。

CADライブラリには、レンダリングする3Dモデル、テクスチャ、バンプマップ、HDRI、さまざまなコンピュータグラフィックスの照明源などのアセットを含めることができます。 ^[11]

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