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とは

グローバルイルミネーション（GI：Global Illumination）は、3次元コンピュータグラフィックスにおいて、光エネルギーの大域的な輸送を、光学的・物理学的に正確に扱うレンダリング技法です。この技術の主な目的は、より写実的な出力、つまり物理的に正しい出力を得ることにあります。従来の局所照明（ローカルイルミネーション）とは異なり、GIは光の直接的な照射だけでなく、物体間の相互反射による間接光も考慮に入れます。

局所照明との比較

局所照明では、光源からの直接光のみが考慮されます。一方、グローバルイルミネーションでは、壁や物体からの相互反射光も計算され、より複雑な光の相互作用が表現できます。

例えば、赤と緑の壁があるシーンを考えてみましょう。局所照明では、直接光が当たる部分しか明るくなりませんが、GIでは、緑の壁で反射した光が他の物体を照らし、それによって色が移り込む現象も再現されます。

初期のGI技法であるラジオシティ法は拡散反射しか扱えませんでしたが、フォトンマッピングなどの技術によって、光の屈折や集光も表現可能になりました。これにより、透明な球体を通った光が地面に模様を作るコースティクスも再現できます。

グローバルイルミネーションの意義と適用範囲

従来の手法では、アーティストが複数の光源を手作業で配置し、反射光を再現する必要がありました。GIは、このような手間を大幅に削減し、より現実的な光の表現を可能にします。

以前は、レンダリングに多くの計算資源と時間を必要としたため、動画での使用は限られていました。しかし、近年のコンピュータの高速化、マルチコア化、メモリの大容量化により、GIの処理速度は大幅に向上しました。HDRIやイラディアンスキャッシュ、フォトンマップの計算方法の進歩も、処理速度向上に貢献しています。さらに、動画では、一度光源を計算しシーン内に照度データを保存すれば、2フレーム目からは光の計算が不要になるため、従来の方法よりも効率的にレンダリングできます。

現在では、映画産業で使用されるレンダリングソフトウェアの代表格であるPIXAR RenderManをはじめ、多くの統合型3DCGソフトウェア（Autodesk 3ds Max、Autodesk Maya、NewTek LightWaveなど）に、グローバルイルミネーション機能が標準搭載されています。

グローバルイルミネーションの主な実現方法

GIを実現するための主な手法には、以下のようなものがあります。

ラジオシティ
フォトンマッピング
モンテカルロ・レイトレーシング
メトロポリス光輸送 (MLT)
エネルギー再分布パストレーシング (ERPT)

リアルタイム・グローバルイルミネーション

ゲームやシミュレーション分野では、リアルタイム性が求められるため、従来のローカルイルミネーションが主流でした。しかし、高性能なグラフィックスカードやゲーム機の登場により、擬似的な手法ではありますが、リアルタイムでもGIが利用されるようになりました。

現在では、多くのハイエンドゲーム（AAAタイトル）で、GIが採用されており、グラフィックスの写実性や現実感を高めています。ただし、計算資源や処理時間の制約があるため、アルゴリズムを簡略化した疑似手法が用いられることが多いです。

リアルタイム処理系向けの主な手法は以下の通りです。

Precomputed Radiance Transfer (事前計算済み放射輝度伝播、PRT)
Image Space Photon Mapping (ISPM)
Cascaded Light Propagation Volumes (Cascaded LPV)
Sparse Voxel Octree GI (SVO-GI, SVOGI)

採用事例

GIは、映画やゲームなど、さまざまな分野で採用されています。

映画

シュレック2
トイ・ストーリー3
ターミネーター4

ゲーム

ソニック ワールドアドベンチャー (HD版)
ソニック ジェネレーションズ (白の時空)
ソニック フォース
KILLZONE 2
Halo 3
Battlefield 3 (Frostbite 2)
Crysis 2 (CryENGINE 3)

グローバルイルミネーションは、よりリアルな3DCG表現を可能にする重要な技術であり、今後もその応用範囲は広がっていくと予想されます。

関連項目

3次元コンピュータグラフィックス
* レンダリング方程式

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