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コンピュータ グラフィックスの照明は、コンピュータ グラフィックスのシーンで光をシミュレートするために使用される一連のテクニックです。照明テクニックは、詳細度と利用可能な機能のレベルで柔軟性を提供しますが、計算の要求と複雑さのレベルも異なります。グラフィックス アーティストは、各アプリケーションのニーズに合わせて、さまざまな光源、モデル、シェーディング テクニック、および効果から選択できます。
光源
光源はグラフィックシーンに光を導入するさまざまな方法を可能にします。[1] [2]
ポイント
点光源は単一の点から全方向に光を放射し、光の強度は距離とともに減少します。[3]点光源の例としては、独立した電球が挙げられます。[4]
方向性
指向性光源（または遠方光源）は、一方向からシーンを均一に照らします。[4]点光源とは異なり、指向性光源によって生成される光の強度は、シーンのスケールにわたって距離によって変化しません。これは、指向性光源が非常に遠くにあるかのように扱われるためです。[4]指向性光源の例としては、地球上の太陽光があります。[5]
スポットライト
スポットライトは指向性のある光の円錐を作り出します。[6]見る人がスポットライトの光源と光円錐の中心に近づくにつれて、光は強くなります。[6]スポットライトの例としては懐中電灯があります。[5]
エリア
エリアライトは光を発する3Dオブジェクトです。ポイントライトやスポットライトの光源は極小の点として扱われますが、エリアライトは物理的な形状として扱われます。[7]エリアライトはポイントライトやスポットライトよりも柔らかい影とよりリアルな照明を生み出します。[8]
アンビエント
周囲光源は、他の光源が存在しない場合でも物体を照らします。[6]周囲光の強度は方向、距離、他の物体に依存しないため、シーン全体で完全に均一な効果が得られます。[6]この光源により、完全な暗闇でも物体が見えるようになります。[5]
ライトワープ
ライトワープは、幾何学的世界にある物体が光の方向と強度に基づいて光を屈折させる技術である。光は、色スペクトルの範囲でアンビエント拡散項を使用して歪められる。その後、光は反射的に散乱されて被写界深度が増し、屈折する。この技術は、ユニークなレンダリング スタイルを生成するために使用され、物体の露出オーバーを制限するために使用できる。Team Fortress 2などのゲームでは、このレンダリング技術を使用して、漫画のセルシェーディングされた様式化された外観を作成している。[9]
高解像度
HDRIはハイダイナミックレンジイメージの略で、屋外の設定として3Dモデルを包み込む360°画像であり、通常は空の光源として太陽を使用します。モデルのテクスチャは、 HDRIからの直接光と周囲光、および色を反映できます。 [10]
照明の相互作用
コンピュータグラフィックスでは、光源が物体に与える全体的な効果は、通常、少なくとも3つの主要な要素によって記述される物体との相互作用の組み合わせによって決まります。[11] 3つの主要な照明要素（およびそれに続く相互作用の種類）は、拡散、周囲光、鏡面反射です。[11]
拡散する
拡散照明（または拡散反射）は、均一な量の光が光散乱面と相互作用して物体を直接照らす照明です。[4] [12]光が物体に当たった後、物体の表面特性と入射光の角度に応じて反射されます。 [12]この相互作用が物体の明るさに最も大きく影響し、色の基礎を形成します。[13]
アンビエント
周囲光は方向性がないため、あらゆる表面で均一に相互作用し、その強度は周囲光源の強度と物体の表面材料の特性、すなわち周囲反射係数によって決まります。[13] [12]
鏡面反射
鏡面反射光成分は物体に輝きとハイライトを与えます。[13]これは鏡面反射効果とは異なり、環境内の他の物体はこれらの反射では見えません。[12]代わりに、鏡面反射光成分の強度と表面の鏡面反射係数に基づいて物体上に明るいスポットを作成します。[12]
照明モデル
照明モデルは、光の物理法則に基づいて光を近似するレンダリング環境で照明効果を再現するために使用されます。 [14]照明モデルがなければ、自然界で発生する照明効果を再現するには、コンピュータグラフィックスで実用的な処理能力よりも多くの処理能力が必要になります。[14]この照明、つまり照明モデルの目的は、シーン内のさまざまな表面で反射されるすべてのピクセルの色または光の量を計算することです。[15]照明モデルには、オブジェクト指向照明とグローバル照明の 2 つがあります。[16]オブジェクト指向照明では各オブジェクトを個別に考慮するのに対し、グローバル照明ではオブジェクト間で光がどのように相互作用するかをマッピングするという点で、これらのモデルは異なります。[16]現在、研究者は、光が環境とどのように相互作用するかをより正確に再現するためのグローバル照明技術を開発しています。[16]
オブジェクト指向照明
オブジェクト指向照明は、ローカル照明とも呼ばれ、単一の光源を単一のオブジェクトにマッピングすることによって定義されます。[17]この手法は計算が高速ですが、実際のシーンで光がどのように動作するかを不完全に近似することがよくあります。[17]これは、特定のオブジェクトの鏡面反射光、拡散光、および周囲光の組み合わせを合計することによって近似されることがよくあります。[14] 2つの主要なローカル照明モデルは、Phong照明モデルとBlinn-Phong照明モデルです。[18]
フォン照明モデル
最も一般的な反射モデルの 1 つが Phong モデルです。[14] Phong モデルでは、各ピクセルの強度は拡散光、鏡面反射光、および周囲光による強度の合計であると想定しています。[17]このモデルでは、視聴者の位置を考慮して、オブジェクトから反射する光の角度を使用して鏡面反射光を決定します。[18]角度のコサインが取得され、デザイナーが決定した累乗に上げられます。[ 17 ]これにより、デザイナーはオブジェクトにどの程度の幅のハイライトを配置するかを決定できます。このため、この累乗は光沢値と呼ばれます。[18]光沢値は表面の粗さによって決まります。鏡の値は無限大で、最も粗い表面の値は 1 です。[17]このモデルは、視聴者の視点に基づいて、よりリアルに見える白いハイライトを作成します。[14]
ブリンフォン照明モデル
Blinn-Phong 照明モデルは、鏡面光を使用してオブジェクトの光沢に基づいてハイライトを作成する点で Phong モデルに似ています。[19] Blinn-Phong は Phong 照明モデルとは異なり、Blinn-Phong モデルでは、オブジェクトの表面に対して法線で光源と視聴者の中間のベクトルを使用します。[14]このモデルは、正確な鏡面照明と計算時間の短縮のために使用されます。[14]反射光ベクトルの方向を見つけることは、中間法線ベクトルを計算するよりも複雑な計算であるため、処理にかかる時間は短くなります。[19]これは Phong モデルに似ていますが、視覚的な結果が異なり、同様の鏡面反射を生成するには鏡面反射指数または光沢を変更する必要がある場合があります。[20]
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は、光がシーン全体に伝わる様子を計算する点でローカルイルミネーションとは異なります。[16]この照明は、光線がシーン全体で散乱、反射、無限に跳ね返るという物理学と光学に大きく基づいています。[21]グローバルイルミネーションはローカルイルミネーションよりも多くの計算能力を必要とするため、現在も活発に研究が行われています。[22]
レイトレーシング
光源は、吸収、反射、屈折を通じてさまざまな表面と相互作用する光線を発します。[3]シーンの観察者は、目に到達するすべての光源を見ることができます。観察者に届かない光線は気付かれません。[23]すべての光源から光線を発させ、各光源がシーン内のすべてのオブジェクトとどのように相互作用するかを計算することで、これをシミュレートできます。[24]ただし、このプロセスは非効率的です。ほとんどの光線が観察者に届かず、処理時間が無駄になるからです。[25]レイトレーシングは、プロセスを逆にして、観察者から視線光線を送信し、光源に到達するまで光線がどのように相互作用するかを計算することでこの問題を解決します。[24]この方法は処理時間をより効率的に使用し、自然光を厳密に模倣した光のシミュレーションを生成しますが、観察者の目に到達する光の量が多いため、レイトレーシングの計算コストは依然として高くなります。[26]
ラジオシティ
ラジオシティは、周囲の物体と光源から放出されるエネルギーを考慮に入れます。[16]観察者の位置と方向に依存するレイトレーシングとは異なり、ラジオシティ照明は視点の位置に依存しません。[25]ラジオシティはレイトレーシングよりも多くの計算能力を必要としますが、一度計算するだけで済むため、静的照明のシーンではより便利です。[27]シーンの表面は多数のパッチに分割できます。各パッチはいくらかの光を放射し、他のパッチに影響を与えます。その後、各パッチの最終的なラジオシティを得るために、多数の方程式を同時に解く必要があります。[26]
フォトンマッピング
フォトンマッピングは、レイトレーシングよりも効率的な2パスグローバルイルミネーションアルゴリズムとして作成されました。[28]これは、一連の段階を通じて光源から放出された光子を追跡する基本原理です。[28]最初のパスには、光源から放出され、最初のオブジェクトで跳ね返る光子が含まれます。次に、光子の位置を示すこのマップが記録されます。[22] フォトンマップには、跳ね返るか吸収される各光子の位置と方向の両方が含まれます。[28] 2番目のパスは、さまざまな表面の反射が計算されるレンダリングで行われます。 [29]このプロセスでは、フォトンマップはシーンのジオメトリから切り離されているため、レンダリングを個別に計算できます。[22]これは、コースティクスをシミュレートでき、ビューやオブジェクトが変わっても前処理手順を繰り返す必要がないため、便利な手法です。[29]
多角形のシェーディング
ポリゴンシェーディングは、3Dモデルを2Dピクセル画像として描画するラスタライズ処理の一部です。[18]シェーディングでは、3Dモデルの幾何学的属性と組み合わせて照明モデルを適用し、結果の画像の各フラグメント（またはピクセル）で照明をどのように表現するかを決定します。 [18] 3Dモデルのポリゴンには、シェーディング処理に必要な幾何学的値が格納されます。[30]この情報には、頂点の位置の値と表面法線が含まれますが、テクスチャやバンプマップなどのオプションのデータを含めることもできます。[31]
フラットシェーディング
フラットシェーディングは、ポリゴンごとに照明と色が均一に適用されるシンプルなシェーディングモデルです。[32] 1つの頂点の色と法線を使用して、ポリゴン全体のシェーディングを計算します。[18]フラットシェーディングは、各ポリゴンの照明をレンダリングごとに1回計算するだけで済むため、コストがかかりません。[32]
グーローシェーディング
グーローシェーディングは補間シェーディングの一種で、各ポリゴンの内部の値は頂点値のブレンドです。[18]各頂点には、周囲のポリゴンの表面法線の平均で構成される独自の法線が与えられます。[32]次に、その頂点の照明とシェーディングは、平均法線と選択した照明モデルを使用して計算されます。[32]このプロセスは、3D モデル内のすべての頂点に対して繰り返されます。 [ 2]次に、頂点間のエッジのシェーディングは、頂点値の間を補間することによって計算されます。 [2]最後に、ポリゴンの内部のシェーディングは、周囲のエッジ値の補間として計算されます。[2]グーローシェーディングは、3D モデルの表面全体に滑らかな照明効果を生み出します。[2]
フォンシェーディング
フォンシェーディングはグーローシェーディングに似ており、頂点値をブレンドしてポリゴンをシェーディングする別のタイプの補間シェーディングです。[ 21] 2つの主な違いは、フォンシェーディングではシェーディングを計算する前に、ポリゴン全体の頂点法線値を補間することです。[32]これは、ポリゴン全体のすでにシェーディングされた頂点値を補間するグーローシェーディングとは対照的です。[21]フォンシェーディングでは、ポリゴン内のフラグメント（ピクセル）の法線を計算した後、照明モデルを適用してそのフラグメントをシェーディングできます。[32]このプロセスは、3Dモデルの各ポリゴンがシェーディングされるまで繰り返されます。[21]
照明効果
コースティクス
コースティクスは、曲面を持つ媒体で反射および屈折する光、または曲面から反射する光の効果です。[33]これらは集中した光のリボンとして表示され、水やガラスを見たときによく見られます。[34]コースティクスは、コースティクステクスチャ マップを影響を受けるオブジェクトのテクスチャ マップとブレンドすることで、3D グラフィックスに実装できます。 [34]コースティクス テクスチャは、コースティクスの効果を模倣するためにアニメーション化された静的イメージ、または空白イメージへのコースティクスのリアルタイム計算のいずれかです。 [34]後者はより複雑で、3D レンダリングの環境を移動する光子をシミュレートするために逆レイ トレーシングが必要です。 [33]フォトン マッピング照明モデルでは、モンテ カルロサンプリングをレイ トレーシングと組み合わせて使用して、コースティクスによって引き起こされる光の強度を計算します。[33]
反射マッピング
反射マッピング（環境マッピングとも呼ばれる）は、レイトレーシングを使用せずに2D環境マップを使用して反射効果を作成する手法です。 [35]反射オブジェクトの外観は、視聴者、オブジェクト、および周囲の環境の相対的な位置に依存するため、グラフィックスアルゴリズムは反射ベクトルを生成し、これらの要素に基づいてオブジェクトの色を決定します。[36]周囲を表現するために完全にレンダリングされた3Dオブジェクトではなく2D環境マップを使用すると、オブジェクトへの反射は、シンプルで計算コストの低いアルゴリズムを使用して決定できます。[35]
粒子システム
パーティクルシステムは、小さな粒子の集合体を使用して、火、液体の移動、爆発、髪の毛の動きなど、混沌とした非常に複雑なイベントをモデル化します。[37]複雑なアニメーションを構成する粒子はエミッターによって分散され、エミッターは各粒子に速度、寿命、色などのプロパティを与えます。[37]時間の経過とともに、これらの粒子は効果に応じて移動したり、色を変えたり、その他のプロパティを変えたりすることがあります。[37]通常、パーティクルシステムには、エミッターが各粒子に与える初期プロパティなどのランダム性が組み込まれており、効果をリアルで不均一なものにします。[37] [38]
参照
参考文献
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