ソフトウェアレンダリング

ソフトウェア レンダリングは、コンピュータ ソフトウェアを使用してモデルから画像を生成するプロセスです。コンピュータ グラフィックス レンダリングの文脈では、ソフトウェア レンダリングは、グラフィックス カードなどのグラフィックス ハードウェア ASICに依存しないレンダリング プロセスを指します。レンダリングは完全にCPUで行われます。すべてを (汎用) CPU でレンダリングすると、グラフィックス ハードウェアの (限られた) 機能に制限されないという主な利点がありますが、同じ速度を得るためにより多くのトランジスタが必要になるという欠点があります。

レンダリングは、建築、シミュレーター、ビデオゲーム、映画、テレビの視覚効果やデザインの視覚化に使用されます。レンダリングはアニメーションプロセスの最後のステップであり、シェーディング、テクスチャマッピング、影、反射、モーションブラーなどの視覚効果を使用して、モデルとアニメーションに最終的な外観を与えます。^{[1]レンダリングは、}リアルタイムレンダリング（オンラインレンダリングとも呼ばれます）とプリレンダリング（オフラインレンダリングとも呼ばれます）の2つの主要なカテゴリに分けられます。リアルタイムレンダリングは、 3Dコンピュータゲームのようにシーンをインタラクティブにレンダリングするために使用され、通常、各フレームは数ミリ秒でレンダリングする必要があります。オフラインレンダリングは、各フレームが完了するまでに数時間または数日かかるリアルな画像や映画を作成するため、またはプログラマーによる複雑なグラフィックコードのデバッグのために使用されます。

リアルタイム レンダリングでは、パフォーマンスに重点が置かれます。PC 向けの最も初期のテクスチャ マップ リアルタイム ソフトウェア レンダラーでは、3D ジオメトリの錯覚を作り出すためにさまざまなトリックが使用されていました (真の 3D は、主にフライト シミュレータで使用される平面またはグーロー シェーディングされた ポリゴンに限定されていました)。たとえば、 Ultima Underworldでは、上下の視線、傾斜した床、部屋の上を行き来するといった限定的な形式は許可されていましたが、詳細なオブジェクトはすべてスプライトに頼っていました。これらのゲームで使用されているテクノロジは、現在2.5Dに分類されています。

現代の 3D タイトルに構造的に類似し、完全な6DoF を可能にした最初のゲームの 1 つがDescentで、ビットマップテクスチャの三角形ポリゴンで完全に作成された3D モデルが特徴でした。ボクセルベースのグラフィックスもDelta Forceのように高速で比較的詳細な地形レンダリングで人気を博しましたが、人気のある固定機能ハードウェアでは最終的に使用できなくなりました。Quake は、 Michael AbrashとJohn Carmackによる効率的なソフトウェア レンダラーを備えています。Quakeや当時の他のポリゴン 3D ゲームの人気により、グラフィックス カードの売上が伸び、より多くのゲームがDirectXやOpenGLなどのハードウェアAPI を使用するようになりました。ソフトウェア レンダリングは主要なレンダリング技術としては衰退しましたが、2000 年代に入っても多くのゲームでフォールバックとしてソフトウェア レンダラーが使用されており、たとえばUnrealやUnreal Tournament では、当時の CPU で楽しめる品質とパフォーマンスを実現できるソフトウェア レンダラーが使用されています。ハードウェア レンダラーを持たない最後のAAA ゲームの 1 つはOutcastで、高度なボクセル技術だけでなく、グラフィックス ハードウェアで見られるテクスチャ フィルタリングやバンプ マッピングも特徴としていました。

ビデオゲーム コンソールとアーケード ゲーム市場では、3D の進化はより急激でした。これは、これらの市場が常に単一目的のチップセットに大きく依存していたためです。16 ビット コンソールでは、StarFoxやVirtua Racingなどのゲームで RISC アクセラレータ カートリッジが採用され、カスタマイズされた命令セットを通じてソフトウェア レンダリングが実装されました。Jaguarと3DO は3Dハードウェアを搭載した最初のコンソールでしたが、 PlayStation が登場するまで、ほとんどのゲームでこのような機能が使用されること はありませんでした。

1990 年代後半から 2000 年代前半にかけて、子供向けゲームやカジュアル ゲーマー (旧式のシステムや主にオフィス アプリケーション用のシステムを使用するユーザー) 向けのゲームでは、通常、フォールバックとしてソフトウェア レンダラーが使用されていました。たとえば、「Toy Story 2: Buzz Lightyear to the Rescue」では、ゲームをプレイする前にハードウェア レンダリングまたはソフトウェア レンダリングを選択できます。一方、 「Half-Life」などのゲームでは、デフォルトでソフトウェア モードに設定されており、[オプション] メニューで OpenGL または DirectX を使用するように調整できます。一部の 3D モデリング ソフトウェアには、視覚化用のソフトウェア レンダラーも搭載されています。最後に、ハードウェアのエミュレーションと検証にもソフトウェア レンダラーが必要です。後者の例としては、 Direct3Dリファレンス ラスタライザーがあります。

しかし、ハイエンド グラフィックスの場合でも、ソフトウェア レンダリングの「技術」が完全に消滅したわけではありません。初期のグラフィックス カードはソフトウェア レンダラーよりもはるかに高速で、もともと品質と機能も優れていましたが、開発者は「固定機能」のピクセル処理に制限されていました。すぐに、ゲームの見た目を多様化する必要が生じました。ソフトウェア レンダリングでは、任意のプログラムが実行されるため、制限はありません。そのため、グラフィックス カードは、頂点ごと、ピクセル/フラグメントごとに小さなプログラム (シェーダーとも呼ばれます) を実行することで、このプログラマビリティを再導入しました。DirectX のHigh Level Shader Language (HLSL) やOpenGL Shading Language (GLSL)などのシェーダー言語は、シェーダー用のCに似たプログラミング言語であり、(任意の機能) ソフトウェア レンダリングとの類似性を示し始めています。

リアルタイム レンダリングの主な手段としてグラフィックス ハードウェアが採用されて以来、CPU のパフォーマンスは相変わらず着実に向上しています。これにより、新しいソフトウェア レンダリング テクノロジが登場しました。ハードウェア レンダリングのパフォーマンスに大きく影を落とされていますが、一部の最新のリアルタイム ソフトウェア レンダラーは、特殊な動的コンパイルとSSEなどの高度な命令セット拡張を利用することで、幅広い機能セットと妥当なパフォーマンス (ソフトウェア レンダラーの場合) を組み合わせることに成功しています。今日では、比類のないパフォーマンス、機能、継続的なイノベーションにより、ハードウェア レンダリングがソフトウェア レンダリングよりも優位であることは議論の余地がありませんが、CPU とGPU はいずれ収束し、ソフトウェア レンダリングとハードウェア レンダリングの境界は薄れると考える人もいます。^[2]

ハードウェア障害、ドライバーの破損、エミュレーション、品質保証、ソフトウェア プログラミング、ハードウェア設計、ハードウェアの制限など、さまざまな理由により、グラフィックス パイプラインの一部またはすべての機能を CPU に任せることが有用な場合があります。

その結果、既存のハードウェア グラフィカル アクセラレータを置き換えたり、拡張したりできる汎用ソフトウェア パッケージが数多く存在します。

• RAD Game Toolsの Pixomatic は、D3D 7～9 クライアント ソフトウェア内での静的リンクを目的としたミドルウェアとして販売されています。
• SwiftShader は、D3D9 および OpenGL ES 2 クライアント ソフトウェアにバンドルすることを目的としたミドルウェアとして販売されているライブラリです。
• Mesa内の swrast、softpipe、LLVMpipe レンダラーは、システム レベルでシムとして機能し、OpenGL 1.4 ～ 3.2 ハードウェア デバイスをエミュレートします。Mesa に搭載されている lavapipe レンダラーは、 Vulkan APIのソフトウェア レンダリングを提供します。
• WARP は、Microsoft が Windows Vista 以降に提供しているもので、システム レベルで動作して、高速な D3D 9.1 以降のエミュレーションを提供します。これは、Microsoft が開発者に常に提供してきた、非常に低速なソフトウェア ベースのリファレンス ラスタライザーに加えて提供されるものです。
• Apple が Mac OS X で提供するCGLの Apple ソフトウェア レンダラー。システム レベルで動作し、高速な OpenGL 1.1 ～ 4.1 エミュレーションを提供します。

リアルタイム レンダリングとは異なり、プリレンダリングではパフォーマンスは二の次です。プリレンダリングは主に映画業界で使用され、リアルなシーンの高品質なレンダリングを作成します。今日の映画の特殊効果の多くは、完全にまたは部分的にコンピュータ グラフィックスで作成されています。たとえば、ピーター ジャクソン監督の「ロード オブ ザ リング」の映画に登場するゴラムのキャラクターは、完全にコンピュータ生成画像(CGI) です。アニメーション映画でも、CGI の人気が高まっています。最も有名なのは、ピクサーが「トイ ストーリー」や「ファインディング ニモ」などの一連の映画を制作したこと、およびブレンダー財団が世界初のオープン ムービー「エレファンツ ドリーム」を制作したことです。

非常に高品質で多様なエフェクトが求められるため、オフライン レンダリングには高い柔軟性が求められます。市販のリアルタイム グラフィックス ハードウェアは日々高品質になり、プログラムも容易になっていますが、フォトリアリスティックなCGI のほとんどは依然としてソフトウェア レンダリングを必要とします。たとえば、Pixar のRenderManでは、長さと複雑さに制限のないシェーダーを使用できるため、汎用プロセッサが必要になります。古いハードウェアでは、レイトレーシングやグローバル イルミネーションなどの高リアリズムのテクニックも使用できません。

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