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なしでレンダリングしています。天井照明の直接光が当たらない領域は、輪郭がぼやけています。例えば、照明器具の筐体は完全に均一に見えます。レンダリングに環境光を追加しないと、筐体は完全に黒く見えてしまいます。

グローバルイルミネーションによるレンダリング。光は表面で反射され、色付きの光が表面間を移動します。赤い壁と緑の壁（画面には表示されていません）の色が、シーン内の他の表面に反射している様子に注目してください。また、ガラス球を通過する光によって赤い壁に投影されるコースティクスも注目すべき点です。

グローバルイルミネーション（GI）、または間接照明とは、3Dシーンにリアルな照明効果を加えるために3Dコンピュータグラフィックスで使用されるアルゴリズム群を指します。このようなアルゴリズムは、光源から直接発せられる光（直接照明）だけでなく、シーン内の他の表面で光線が反射される「バウンス」も考慮に入れます（間接照明）。

「グローバルイルミネーション」という用語は、ターナー・ウィッテッドが論文「シェーディング表示のための改良された照明モデル」^{[ 1 ]}で初めて使用し、局所スケールでの照明計算（フォンシェーディングのように幾何学的情報を直接使用）、微視的スケール（局所的なジオメトリを微細なファセットの詳細で拡張）、およびシーン内のジオメトリ自体だけでなく他のすべてのオブジェクトの可視性も含むグローバルスケールでの照明計算を区別しました。^{[ 2 ]}理論的には、反射、屈折、透明度、影はすべてグローバルイルミネーションの例です。なぜなら、それらをシミュレートすると、あるオブジェクトが別のオブジェクトのレンダリングに影響を与えるからです（オブジェクトが直接光源によってのみ影響を受けるのとは対照的です）。しかし実際には、特にリアルタイム設定では、拡散相互反射またはコースティクスのシミュレーションのみがグローバルイルミネーションと呼ばれます。

グローバルイルミネーションは、3Dシーンのリアリズムを左右する重要な要素です。単純な3Dライティングでは、光源から放射され、仮想カメラに直接反射する光のみを考慮します。光がカメラに到達する前に他の表面と相互作用しないため、影は完全に暗く表示されます。これは現実世界では起こらないため、結果として得られる画像は不完全に感じられます。完全なグローバルイルミネーションを適用することで、画像に自然な印象を与える効果が加わります。しかし、グローバルイルミネーションは計算コストが高く、結果として生成に時間がかかります。

ほとんどのアルゴリズム、特にリアルタイムソリューションに焦点を当てたアルゴリズムは、グローバルイルミネーションの非常に重要な部分である拡散相互反射のみをモデル化しますが、一部のアルゴリズムは間接鏡面反射、屈折、間接影もモデル化しており、現実により近い近似が可能になり、より魅力的な画像が生成されます。シーンの表面間の光エネルギー分布を計算するために使用されるアルゴリズムは、工学設計で有限要素法を使用して実行される熱伝達シミュレーションと密接に関連しています。

ラジオシティ、レイトレーシング、ビームトレーシング、コーントレーシング、パストレーシング、メトロポリス光輸送、フォトンマッピングはすべて、オフライン環境でのグローバルイルミネーションに使用されるアルゴリズムの例であり、実装によっては、精度と速度のトレードオフの結果を得るために、これらのアルゴリズムの一部を組み合わせて使用​​することもあります。

リアルタイムでグローバルイルミネーションを正確に計算することは依然として困難です。^{[ 3 ]}一方で、グローバルイルミネーションの拡散相互反射成分は、照明方程式の「アンビエント」項で近似されることがあり、これは 3D ソフトウェアでは「アンビエント照明」または「アンビエントカラー」とも呼ばれます。この方法は間接照明をシミュレートする最も安価な方法の 1 つですが、単独で使用すると十分にリアルな効果は得られません。アンビエント照明は 3D シーンの影を「平坦化」し、全体的な視覚効果をより単調にすることが知られています。アンビエント照明を超えて、光の経路を正確に追跡する技術は、これまで、消費者向けハードウェアには遅すぎるか、静的で事前計算された環境に限定されていました。古典的なリアルタイムのアプローチは、事前計算された放射輝度転送であり、光の輸送を事前計算することで、ソフトシャドウや相互反射などの効果を維持しながら、低周波照明をリアルタイムで変更できますが、その元の形式は一般的に固定ジオメトリを前提としており、照明とビューを同時にリアルタイムで変更することはできませんでした。^{[ 4 ] [ 5 ]}これは問題となる。ほとんどのアプリケーションでは、ユーザーからの入力が周囲に影響を与える可能性があり、事前計算ステップによってアーティストに制約が生じる可能性がある。そのため、適切なパフォーマンス、正確な視覚結果、およびインタラクティブ性のバランスを見つけるための研究が行われてきた。

NvidiaのRTX 20シリーズ以降、コンシューマー向けグラフィックスハードウェアは、ハードウェアアクセラレーションによってリアルタイムでレイトレーシング計算を実行できるように拡張されました。これにより、アプリケーションはこのアクセラレーションのパワーを活用して、正確なライティング結果を提供するだけでなく、そのライティングを動的に変化させる機能も提供できるようになり、さらなる改善が可能になりました。この機能を活用したコンテンツには、サイバーパンク2077、インディ・ジョーンズ・アンド・ザ・グレート・サークル、アラン・ウェイク2などがあります。^{[ 6 ] [ 7 ]}

リアルタイムグローバルイルミネーションの現状の概要については、^{[ 8 ]}または^{[ 9 ]を参照してください。}

グローバルイルミネーションをシミュレートしようとするアルゴリズムは、レンダリング方程式の数値近似です。グローバルイルミネーションを計算するためのよく知られたアルゴリズムには、パストレーシング、フォトンマッピング、ラジオシティなどがあります。ここでは、以下の手法を区別できます。

• 反転:${\displaystyle L=(1-T)^{-1}L^{e}\,}$
  • 実際には適用されていない
• 拡大：${\displaystyle L=\sum _{i=0}^{\infty }T^{i}L^{e}}$
  • 双方向アプローチ：フォトンマッピング＋分散レイトレーシング、双方向パストレーシング、メトロポリス光輸送
• 反復:${\displaystyle L_{n}tl_{e}+=L^{(n-1)}}$
  • ラジオシティ

詳細な概要については、^{[ 10 ]を参照してください。}

• 方程式のレンダリング
• 推定量のバイアス
• 双方向散乱分布関数
• 一貫性のある推定量
• 偏りのないレンダリング
• カテゴリ:グローバルイルミネーションソフトウェア

• グローバルイルミネーションとアンビエントカラー効果を示すビデオ
• リアルタイムGI技術のコレクション
• リアルタイムGIデモ– 実行可能なデモのリストとしてまとめた、実用的なリアルタイムGI技術の概観
• kuleuven - このページには、コンピュータグラフィックスにおけるグローバルイルミネーションアルゴリズムの有用な公式や方程式のほとんどをまとめたグローバルイルミネーションコンペンディウムが含まれています。
• モンテカルロパストレーシングを用いたグローバルイルミネーションの理論と実践的実装。