シェーディング

シェーディング：絵画からCGまで、立体感を生み出す技法

シェーディングとは、絵画や3次元[[コンピュータグラフィックス]]において、明暗のコントラストを用いて対象物の立体感を表現する技法です。絵画では「陰影画法」と呼ばれ、古くから用いられてきました。単なる影の付加（シャドーイング）とは異なり、光の当たり方や材質、さらには周囲の環境までも考慮した高度な表現手法です。

絵画におけるシェーディング

紙上に絵を描く際、シェーディングは、対象物の立体感を表現するために不可欠な技術です。濃い色の画材で暗い部分、薄い色の画材で明るい部分を表現することで奥行きが生まれ、よりリアルな描写が可能になります。

代表的な技法としてクロスハッチングが挙げられます。これは、直角に交わる線を間隔を変えて描くことで、影の濃淡を表現する手法です。線の間隔が狭ければ暗い部分、広ければ明るい部分となります。光の当たる方向を意識することで、より自然で説得力のある陰影表現を実現できます。

コンピュータグラフィックスにおけるシェーディング

コンピュータグラフィックスにおいて、シェーディングはレンダリング処理の一部として行われます。光の角度や光源からの距離を計算し、ピクセルごとに適切な色を割り当てることで、実写のようなリアルな表現を可能にします。

光源の種類

シェーディングでは、光の挙動をシミュレートするために様々な光源が設定されます。それぞれの光源は、面積、指向性、減衰、色などの特性を持ちます。

アンビエントライト（環境光）： シーン全体を均一に照らす光で、シェーディングは適用されません。
ディレクショナルライト（平行光源）： 太陽光のように、平行な光線を当てる光源です。距離減衰は考慮されません。
ポイントライト（点光源）： 一点から四方八方に光が広がる光源です。
スポットライト： 一点から円錐状に光が広がる光源です。
エリアライト（面光源）： ある平面から光が広がる光源です。
ボリュームライト： 空間内の特定範囲にのみ届く光源です。
イメージベースドライティング： 光の情報が記録された画像を用いた光源です。

複数の光源を組み合わせることで、より複雑でリアルなライティング表現が可能です。レンダリングエンジンは、これらの光源からの光の合成を計算し、最終的な画像を生成します。

距離減衰

距離減衰とは、光源からの距離が離れるほど光の強度が弱まる現象をシミュレートするものです。現実世界では、光源からの距離が離れると光の強度は減少します。これを表現することで、より写実的な画像が得られます。

距離減衰の計算方法は、線形、2次、n次など、様々な方法があります。2次減衰は、実世界の光の挙動を最も正確に反映した方法と言われています。

反射モデル

光は物体表面で反射、散乱、吸収されます。これらの現象をシミュレートするために、様々な反射モデルが用いられています。

ランバート反射モデル： 拡散反射を計算するモデルです。
Phongの反射モデル： 拡散反射と鏡面反射を計算するモデルです。計算コストが低いのが特徴です。
Blinn-Phongの反射モデル： Phongモデルの改良版です。
* 双方向反射率分布関数 (BRDF)： 物理的に正確な反射モデルです。

これらのモデルは、物体の材質（マテリアル）パラメータによって制御されます。

補間

3次元モデルはポリゴンで構成されるため、単純にシェーディングを行うと、ポリゴン境界が目立ってしまいます。これを解決するために、グーローシェーディングやフォンシェーディングなどの補間手法が用いられます。これらの手法は、隣り合うポリゴンの色を滑らかに繋ぎ合わせることで、より自然な曲面表現を実現します。

フラットシェーディング

フラットシェーディングは、ポリゴンを面としてシェーディングする手法です。補間を行わないため、計算コストが低く、リアルタイムレンダリングに適しています。しかし、滑らかな曲面表現には向いていません。

まとめ

シェーディングは、絵画からCGまで、幅広い分野で用いられる重要な技術です。様々な手法が存在し、それぞれの特性を理解することで、より効果的な立体表現を実現できます。近年では、リアルタイムレンダリング技術の発展により、高度なシェーディング手法が容易に利用できるようになっています。

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