グラフィックスパイプライン

グラフィックスパイプライン

グラフィックスパイプラインとは、3Dモデルを2Dのピクセルに変換し、ディスプレイに表示するための一連の処理工程です。レンダリングパイプラインとも呼ばれ、3Dコンピュータグラフィックスの中核をなす技術です。このパイプラインは、3Dモデルを、空間に配置されたカメラで撮影したかのように、2D平面の画像へと変換し、最終的にディスプレイのピクセル座標に対応付ける役割を担います。

グラフィックスパイプラインの概要

現代の3Dコンピュータグラフィックスでは、物体はポリゴンメッシュとテクスチャによって表現されます。これらの3Dモデルを2D平面に表示するためには、グラフィックスパイプラインによる一連の変換処理が必要不可欠です。このプロセスは、3Dモデルの配置、カメラ視点の設定、投影変換、隠面消去、ラスタライゼーション、シェーディングなど、複数の段階を経て実行されます。

グラフィックスパイプラインは、高速な描画処理を実現するためにパイプライン処理の形態をとることが一般的です。コンピュータグラフィックスの用途は、映画やCMなどのプロダクション用途と、ゲームやシミュレーションなどのリアルタイム用途の二つに大別されます。これらの用途では、各段階に割り当てられるリソースの比重や、使用されるハードウェア、レンダリングアルゴリズムの厳密さなどが異なりますが、基本的な流れや考え方は共通です。

リアルタイム3DCGの描画に用いられるAPIとしては、OpenGLとDirect3Dが代表的です。

グラフィックスパイプラインの基本的な処理

グラフィックスパイプラインは、以下の基本的な処理段階で構成されています。

ビュー変換

ビュー変換は、ワールド座標系からカメラの視点座標系への変換です。カメラの位置や向きに基づいて、オブジェクトの座標を変換します。視野変換とも呼ばれます。

投影変換

投影変換は、視点座標系からクリッピング座標系への変換です。これにより、カメラから見た光景が表現され、平行投影や透視投影などが用いられます。

隠面消去

隠面消去は、3次元空間で奥にあって見えない面を消去する処理です。奥行きによって遮蔽される面を描画しないことで、効率的なレンダリングを実現します。背面カリング、Zバッファ法、レイトレーシング法など、様々な手法が用いられます。

カリング

カリングは、ポリゴンメッシュの裏面を向いている三角形を取り除く処理です。カメラから見て裏側にある三角形は描画する必要がないため、この工程で描画負荷を軽減します。

クリッピング

クリッピングは、カメラの視界である視錐台（frustum）からはみ出した部分を切り捨てる処理です。これにより、処理対象を減らし、描画速度を向上させます。

ラスタライゼーション

ラスタライゼーションは、描画シーンをラスター形式に変換し、2次元画像空間に表現する処理です。この段階で、ピクセル値が決定されます。特に、三角形内のピクセルごとに色を決定するピクセルシェーディング処理が重要な役割を果たします。

ライティング処理

ライティング処理は、物体の座標、反射率、表面特性、光源の位置に基づいて、物体の陰影を算出する処理です。これにより、3Dモデルに奥行きや質感を与えます。

テクスチャとフラグメントシェーディング

テクスチャとフラグメントシェーディングは、入力頂点の属性やテクスチャから補間された値を基に色を割り当てる処理です。これにより、よりリアルな陰影や表面の質感が表現されます。

実時間処理と非リアルタイム処理

グラフィックスパイプラインは、リアルタイム処理と非リアルタイム処理で異なる要件が求められます。

リアルタイム処理では、CAD、シミュレータ、ゲームなど、映像をリアルタイムに生成する必要があるため、高速な描画処理が必須となります。一方、非リアルタイム処理では、映画などの事前に映像を生成する用途で、より高画質でリアリティのある描画が求められます。

非リアルタイム処理では、レイトレーシングやラジオシティ法など、物理シミュレーションに基づいた大域照明技術を用いて、より現実に近い表現を目指します。一方、リアルタイム処理では、演算量を削減するために、物体表面の質感を擬似的、近似的に作り出すことが多いです。

パイプライン制御

グラフィックスパイプラインは、一連のステージを直列に接続することで制御されます。また、後段の結果を前段に再入力するフィードバック制御も提供されることがあります。これにより、GPU上での高速なデータ処理が可能になります。

グラフィックスパイプラインのステージ

グラフィックスパイプラインは、以下のステージで構成されます。

入力

ポリゴン頂点形式の3Dモデル、テクスチャ、背景画像、ライティング、モデルの位置、処理プログラムなどのデータが入力されます。

変換

入力された頂点座標データは、シェーダーユニットによって様々な変換処理を受け、最終的にフレームバッファに格納されます。変換処理は、頂点パイプラインとピクセルパイプラインに分かれて実行されます。

頂点パイプラインでは、頂点シェーダーによって座標変換や陰影処理、クリッピング、カリングなどが実行されます。また、テッセレーションステージでは、頂点を新たに付加して、ディスプレースメントマップなどの効果を付け加えることができます。ジオメトリシェーダーでは、プリミティブの増減や種類変更が可能です。

ラスタライザーでは、ポリゴンが2次元配列のピクセルに対応付けられます。テクスチャデータを使用することも可能です。ピクセルシェーダーでは、ピクセル単位の処理が行われ、陰影処理、テクスチャマッピング、テクスチャフィルタリングなどが実行されます。

出力

表示装置の画素に対応したフレームバッファから、表示用データが読み出され、表示装置に信号が送られます。最終的に、色がついたピクセルがディスプレイ上に表示されます。

グラフィックスパイプラインの実装

グラフィックスパイプラインの実装には、様々なアプローチが存在します。

CPU汎用計算

最も単純な実装は、CPUを用いた汎用計算です。この実装では、パイプライン処理を行わず、各ステージを必要に応じて計算します。

固定機能パイプライン

固定機能パイプラインは、各ステージが専用回路で実装されたパイプラインです。専用回路によって高速な処理が実現できますが、柔軟性に欠けるという欠点もあります。

プログラマブルパイプライン

プログラマブルパイプラインは、各ステージの挙動をプログラムで動的に制御できるパイプラインです。これにより、ハードウェアの制約を超えて、柔軟に処理を変更できます。近年では、GPUのプログラマブルシェーダーユニットが主流となっています。

まとめ

グラフィックスパイプラインは、3Dモデルを画面に表示するための複雑なプロセスを効率的に実行するための重要な技術です。その進化は、コンピュータグラフィックスの発展に大きく貢献しており、今後も様々な分野で活用されていくと考えられます。

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