5分で分かる！グローバルイルミネーションとレイトレーシングの違いとは？基礎から解説

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3DCGやゲーム開発で頻繁に登場する「グローバルイルミネーション」と「レイトレーシング」という用語について、その違いを正しく理解できていますか？
この記事では、光の表現技術における両者の役割と特徴を初心者にもわかりやすく解説します。グローバルイルミネーションは光の全体的な照明計算を行う手法の総称であり、レイトレーシングはその計算を実現するための具体的なアルゴリズムの一つです。映画制作からゲーム開発、建築設計まで幅広い分野で活用されるこれらの技術について、計算方法の違い、処理負荷の特徴、実際の活用事例を通じて理解を深めることができます。

1. グローバルイルミネーションとレイトレーシングの基本概念

3DCGやゲーム制作において、リアルな光の表現は非常に重要な要素です。その中でも特に注目される技術が「グローバルイルミネーション」と「レイトレーシング」です。これらの技術は密接に関連していますが、それぞれ異なる概念と特徴を持っています。

多くの方がこの2つの技術を混同してしまいがちですが、実際には役割や処理方法が大きく異なります。正しく理解することで、用途に応じた最適な技術選択が可能になります。

1.1 グローバルイルミネーションとは何か

グローバルイルミネーション（Global Illumination、GI）は、光源から放射された光が物体表面で反射や散乱を繰り返しながら、空間全体に広がる現象を総合的に計算する技術です。

従来のコンピュータグラフィックスでは、光源から直接物体に当たる「直接光」のみを計算していました。しかし現実世界では、光は物体表面で反射し、その反射光が他の物体を照らすという現象が無数に繰り返されています。この間接的な光の影響を含めて計算するのがグローバルイルミネーションです。

グローバルイルミネーションを使用することで、白い壁の近くにある物体が薄く白く照らされたり、赤い物体の近くにある白い壁が薄く赤く染まったりする「カラーブリーディング」という現象も再現できます。

1.2 レイトレーシングとは何か

レイトレーシング（Ray Tracing）は、光線を数学的に追跡することで、光の物理的な振る舞いを正確に再現する描画技術です。

この技術では、視点から各ピクセルに向かって仮想的な光線を放射し、その光線が物体表面に当たった際の反射、屈折、透過などの現象を計算します。さらに、物体表面から光源に向かって光線を追跡することで、正確な影の計算も行います。

レイトレーシングの特徴は、物理法則に基づいた正確な光の計算にあります。従来のラスタライゼーション（ポリゴン描画）では近似的に表現していた現象を、実際の光の振る舞いに基づいて計算するため、非常にリアルな映像を生成できます。

特に以下の光学現象の再現に優れています。

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• 完全に正確な反射（鏡面反射）
• 物理的に正しい屈折（水やガラスの透明感）
• 精密な影の計算（ソフトシャドウ含む）
• 複雑な光の相互作用

1.3 両者の関係性について

グローバルイルミネーションとレイトレーシングの関係は、目的と手段の関係として理解できます。

グローバルイルミネーションは「何を計算するか」を定義する概念であり、空間全体の光の相互作用を総合的に計算することが目的です。一方、レイトレーシングは「どのように計算するか」を定義する手法であり、光線追跡によって光の振る舞いを計算する技術です。

実際の制作現場では、グローバルイルミネーションを実現するためにレイトレーシングを使用することがあります。しかし、グローバルイルミネーションはフォトンマッピングやライトマッピングなど、レイトレーシング以外の手法でも実装可能です。

逆に、レイトレーシングは単純な反射や屈折の計算にも使用でき、必ずしもグローバルイルミネーションの実現が目的ではありません。この柔軟性が、現代のリアルタイムレンダリングにおいて両技術が注目される理由の一つです。

2. グローバルイルミネーションの詳細解説

2.1 光の物理的な振る舞いを再現する技術

グローバルイルミネーション（GI）は、現実世界の光の物理的な振る舞いをコンピュータグラフィックスで忠実に再現する技術です。従来のコンピュータグラフィックスでは、光源から直接照射される光のみを計算していましたが、グローバルイルミネーションでは光が物体表面で反射・散乱して他の物体を間接的に照らす現象まで含めて計算します。

この技術により、現実世界で見られる自然な陰影や色の滲み、光の相互反射による微妙な明暗の変化を表現できるようになります。例えば、白い壁に囲まれた部屋では壁からの反射光により全体が明るく見え、赤い壁の近くにある白い物体がほのかに赤く見えるといった現象を正確に描写することが可能です。

グローバルイルミネーションの計算には、光の物理法則に基づいた複雑な数式と大量の演算が必要となるため、従来は映画やCGアニメーションなどの時間をかけて制作する分野でのみ実用化されていました。しかし、近年のGPU性能向上により、ゲームでもリアルタイムでのグローバルイルミネーションが実現されつつあります。

2.2 直接光と間接光の計算方法

グローバルイルミネーションにおける光の計算は、直接光（Direct Lighting）と間接光（Indirect Lighting）の2つの要素に分けて考えることができます。

直接光は光源から物体表面に直接到達する光を指し、従来のコンピュータグラフィックスでも計算されてきました。太陽光やランプの光が物体に当たって生まれる明暗や影がこれに該当します。計算方法は比較的単純で、光源の位置と物体表面の角度から照度を求めることができます。

一方、間接光は物体表面で反射した光が他の物体を照らす現象を表現します。この計算は非常に複雑で、光が複数回反射を繰り返すため、理論的には無限回の計算が必要となります。実際の実装では、計算回数を制限したり、統計的手法を用いて近似値を求めています。

間接光の計算では、物体表面の材質特性（反射率、粗さ、色など）も重要な要素となります。金属のような鏡面反射する材質と、紙のような拡散反射する材質では、反射光の分布が大きく異なるため、それぞれに適した計算手法が必要です。

2.3 フォトンマッピングやモンテカルロ法の活用

グローバルイルミネーションの実装には、様々な計算手法が開発されており、その中でも代表的なものがフォトンマッピング（Photon Mapping）とモンテカルロ法（Monte Carlo Method）です。

フォトンマッピングは光源から放出される光子（フォトン）の軌跡を追跡し、物体表面での相互作用を記録する手法です。まず光源から大量のフォトンを放射し、それらが物体表面で反射・吸収される過程をシミュレーションします。この情報をフォトンマップとして蓄積し、最終的な画像生成時に参照することで、複雑な光の相互作用を効率的に計算できます。

モンテカルロ法は、統計的サンプリングを用いて複雑な積分計算を近似する手法です。グローバルイルミネーションでは、光の反射方向をランダムにサンプリングし、多数のサンプルの平均値を求めることで間接光を計算します。計算精度はサンプル数に依存するため、高品質な結果を得るには大量の計算が必要ですが、理論的に正確な結果に収束することが保証されています。

近年では、これらの古典的手法に加えて、機械学習を活用したデノイジング技術や、GPUの並列処理能力を最大限活用したリアルタイム手法も開発されています。特にNVIDIAのRTXシリーズのようなレイトレーシング専用ハードウェアを搭載したグラフィックカードの登場により、従来は不可能だったリアルタイムグローバルイルミネーションが実現されています。

これらの技術革新により、ゲーム開発や映像制作において、より写実的で美しい映像表現が可能となり、視聴者により没入感のある体験を提供できるようになっています。特に高性能なゲーミングPCを構築する際には、これらの最新技術に対応したグラフィックカードの選択が重要となります。

3. レイトレーシングの詳細解説

3.1 光線追跡アルゴリズムの仕組み

レイトレーシング（光線追跡）は、視点から各ピクセルに向かって仮想的な光線を飛ばし、その光線が物体と交差する点を計算することで画像を生成する手法です。このアルゴリズムは物理的な光の進行方向とは逆向きに計算を行うため、「逆光線追跡」とも呼ばれます。

具体的な処理手順は以下のようになります。まず、カメラ（視点）から画面上の各ピクセルに向かって一次光線（プライマリレイ）を発射します。この光線が3D空間内の物体と最初に交差する点を特定し、その点での色や材質情報を取得します。交差点では、光源からの直接光による照明計算を行うとともに、反射や屈折が発生する場合は二次光線（セカンダリレイ）を生成します。

レイトレーシングの大きな特徴は、光線の交差判定を正確に行うことで、従来のラスタライゼーション手法では困難だった複雑な光学現象を自然に表現できる点にあります。特に、鏡面反射や透明物体の屈折、影の生成において、物理的に正確な結果を得ることができます。

3.2 反射・屈折・影の計算プロセス

レイトレーシングにおける反射の計算は、入射光線と法線ベクトルから反射光線の方向を求めることから始まります。完全鏡面反射では入射角と反射角が等しくなる物理法則に従い、反射光線の方向を正確に計算します。この反射光線を新たな光線として追跡することで、鏡や金属表面での映り込みを自然に表現できます。

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屈折の計算では、スネルの法則を適用して屈折光線の方向を決定します。異なる媒質の境界面において、光線は屈折率の比に応じて進行方向を変えます。ガラスや水などの透明物体を通過する光線の挙動を正確にシミュレートすることで、リアルな透明感を表現することが可能です。

影の計算では、物体表面の各点から光源に向かってシャドウレイ（影生成光線）を飛ばします。この光線が他の物体に遮られる場合、その点は影となります。複数の光源や面光源を考慮することで、現実的な影の濃淡やソフトシャドウ効果も表現できます。

3.3 リアルタイムレイトレーシングの技術進歩

従来のレイトレーシングは計算量が膨大で、映画制作などのオフラインレンダリングでのみ使用されていました。しかし、近年のハードウェア技術の進歩により、リアルタイムでのレイトレーシング処理が現実的になってきました。

特に重要な技術革新は、専用のレイトレーシング処理ユニット（RTコア）を搭載したグラフィックスカードの登場です。これらのハードウェアは、光線と物体の交差判定を高速化するBVH（Bounding Volume Hierarchy）構造の構築と探索を効率的に行います。また、ノイズ除去技術の向上により、少ないサンプル数でも高品質な画像を生成できるようになりました。

現在のリアルタイムレイトレーシングでは、ハイブリッドレンダリング手法が主流となっています。従来のラスタライゼーションと組み合わせることで、反射や影などの特定の効果にのみレイトレーシングを適用し、処理負荷を最適化しています。この技術により、ゲームや対話的なアプリケーションでも、リアルタイムで高品質な光学効果を体験できるようになりました。

また、機械学習を活用したデノイジング技術の発達により、ノイズの多い低サンプル画像から高品質な最終画像を生成する手法も実用化されています。これにより、限られた計算資源でもより美しい映像表現が可能となり、一般的なゲーミングPCでもレイトレーシング機能を活用できる環境が整ってきています。

4. グローバルイルミネーションとレイトレーシングの違い

グローバルイルミネーションとレイトレーシングは、どちらも3Dグラフィックスにおける光の表現技術ですが、その計算方法や対象範囲、パフォーマンス特性には明確な違いがあります。これらの違いを理解することで、用途に応じた適切な技術選択が可能になります。

4.1 計算範囲の違い

グローバルイルミネーションとレイトレーシングの最も大きな違いは、光の計算範囲と対象とする現象の違いにあります。

グローバルイルミネーションは、シーン全体の光の相互作用を包括的に計算する照明モデルです。直接光源からの光だけでなく、物体表面で反射・拡散した間接光も含めて、光がシーン内でどのように伝播し影響し合うかを総合的に評価します。具体的には、光源から発せられた光が壁や床に当たって反射し、その反射光が他の物体を照らすといった連鎖的な光の伝播まで計算に含めます。

一方、レイトレーシングは光線追跡という特定の計算手法を指します。視点から各ピクセルに向かって仮想的な光線を飛ばし、その光線が物体と交差する点での光の反射や屈折を計算します。レイトレーシング単体では、主に鏡面反射や影の生成、透過効果の計算に特化しており、必ずしも間接光の複雑な相互作用まで含むわけではありません。

4.2 処理負荷とパフォーマンスの違い

計算の複雑さと処理負荷の面では、グローバルイルミネーションの方が圧倒的に高い計算コストを要求します。

グローバルイルミネーションでは、光の多重反射や拡散光の計算のために、モンテカルロ法やフォトンマッピングといった統計的手法を用います。これらの手法では、数千から数万の光線サンプリングが必要となり、シーンの複雑さに応じて計算時間が指数関数的に増加します。プロ向けの3DCGソフトウェアでは、1フレームのレンダリングに数分から数時間を要することも珍しくありません。

レイトレーシングは、従来は高い処理負荷を必要とする技術でしたが、近年のハードウェア技術の進歩により状況が大きく変化しています。NVIDIA RTXシリーズやAMD RDNA2アーキテクチャなど、専用のレイトレーシング処理ユニットを搭載したGPUの登場により、リアルタイムでのレイトレーシング処理が実現可能になりました。現在では60FPSでのゲームプレイ中にリアルタイムレイトレーシングを適用できるレベルまで性能が向上しています。

この処理速度の違いから、グローバルイルミネーションは主に映画やCGアニメーションなどのプリレンダリング用途で使用され、レイトレーシングはゲームやインタラクティブアプリケーションでのリアルタイム描画に適用されるケースが多くなっています。

4.3 表現できる光の現象の違い

両技術が再現できる光学現象にも明確な違いがあります。グローバルイルミネーションは自然光の複雑な振る舞いをより忠実に再現できます。

グローバルイルミネーションでは、カラーブリーディング（色滲み）現象を正確に表現できます。例えば、赤い壁の近くに置かれた白い物体が、壁からの反射光により淡い赤色に見える現象や、窓から差し込む青空の光と室内の暖色系照明が混合して生まれる微妙な色合いの変化などを自然に再現します。また、コースティクス（焦点光）と呼ばれる、ガラスや水面で屈折した光が集まって生じる光の模様も精密に計算できます。

レイトレーシングは、鏡面反射や透明物体の屈折、正確な影の生成において優秀な結果を示します。金属表面の鮮明な映り込みや、ガラス越しに見える物体の歪み、建物や人物が落とす影の正確な形状と濃淡の表現が得意分野です。特に、複数の光源による複雑な影の重なりや、半透明物体を通過する光の減衰なども正確に計算できます。

ただし、従来のレイトレーシングだけでは間接光による柔らかな照明効果は限定的でした。この問題を解決するため、現在ではレイトレーシングとグローバルイルミネーション技術を組み合わせたハイブリッドアプローチが主流となっています。RTX対応ゲームでは、レイトレーシングによる反射と影の計算に加えて、簡易的なグローバルイルミネーション手法を併用することで、リアルタイム処理でありながら高品質な照明表現を実現しています。

5. 実際の活用分野と事例

グローバルイルミネーションとレイトレーシングは、現代の様々な分野で重要な役割を果たしています。これらの技術が実際にどのように活用されているのか、具体的な事例を交えながら詳しく解説していきます。

5.1 映画・アニメーション制作での活用

映画・アニメーション業界では、グローバルイルミネーションとレイトレーシングが写実的な映像表現の実現に不可欠な技術となっています。特にハリウッドの大作映画では、これらの技術なしには現代の映像表現は成り立ちません。

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ピクサーのアニメーション映画「モンスターズ・インク」では、毛の表現にレイトレーシングが使用され、自然な光の反射を実現しました。また、「ファインディング・ニモ」では水中の複雑な光の屈折や散乱を表現するためにグローバルイルミネーションが活用されています。

国内では、スタジオジブリの作品においても、背景の自然な光の表現にこれらの技術が応用されています。特に「君の名は。」などの新海誠監督作品では、リアルな空の表現や建物への光の反射にレイトレーシング技術が使われ、圧倒的な美しさを実現しています。

5.2 ゲーム開発での実装例

ゲーム業界では、リアルタイム性を重視しながらも高品質な映像表現を実現するため、これらの技術の最適化が重要な課題となっています。特に最新のゲームでは、プレイヤーの没入感向上のため積極的に導入されています。

NVIDIAのRTXシリーズグラフィックカードの登場により、リアルタイムレイトレーシングがゲーム開発の標準技術として定着しました。「サイバーパンク2077」では、都市の光の反射や窓ガラスへの映り込みにレイトレーシングが使用され、圧倒的なリアリティを実現しています。

国内のゲーム開発では、カプコンの「バイオハザード」シリーズでホラー演出に効果的な影の表現を実現するためにこれらの技術が活用されています。また、スクウェア・エニックスの「ファイナルファンタジー」シリーズでは、キャラクターの髪の毛や装飾品の光沢表現にレイトレーシングが使用されています。

モバイルゲームにおいても、Unity EngineやUnreal Engineの進歩により、簡易的なレイトレーシング技術が導入され始めています。処理能力の制約がある中でも、効率的なアルゴリズムの採用により高品質な光の表現が可能になっています。

5.3 建築・インテリア設計での応用

建築・インテリア設計分野では、設計段階でのシミュレーションや顧客への提案において、これらの技術が重要な役割を果たしています。特に自然光の取り入れ方や室内照明の配置検討において、正確な光のシミュレーションが求められています。

大手建設会社では、グローバルイルミネーションを活用した日照シミュレーションにより、建物の省エネルギー性能を事前に評価しています。これにより、窓の配置や庇の設計を最適化し、冷暖房費の削減を実現しています。

AutodeskのRevitやSketchUpなどの建築CADソフトウェアでは、レンダリング機能にこれらの技術が組み込まれており、設計者は簡単にフォトリアルな建築パースを作成できます。特にインテリアデザインでは、照明計画の検討において正確な光の表現が不可欠です。

不動産業界では、マンションやオフィスビルの販売・賃貸において、リアルタイムレンダリング技術を活用したバーチャル内見システムが普及しています。これにより、建設前の物件でも顧客は実際の光の入り方や室内の雰囲気を体験できるようになっています。

また、文化財の保存・復元分野でも、古い建造物の元の姿を再現するためにこれらの技術が活用されています。当時の建材の反射特性や光の条件を正確に再現することで、歴史的な建造物の本来の美しさを現代に伝える重要な役割を果たしています。

6. 技術選択のポイント

グローバルイルミネーションとレイトレーシングのどちらを選択するかは、プロジェクトの要件や制約によって決まります。適切な技術選択を行うためには、リアルタイム性、画質、ハードウェア要件の3つの観点から検討する必要があります。

6.1 リアルタイム性を重視する場合

ゲーム開発やVR/ARアプリケーション、インタラクティブなデザインツールなど、リアルタイムでの描画が必要な用途では、処理速度が最優先事項となります。

従来のレイトレーシングは、フルスクリーンでの60fps以上の描画を実現するには高い処理能力が必要でした。しかし、NVIDIA RTXシリーズやAMD RDNA 2アーキテクチャなどの専用ハードウェアによるリアルタイムレイトレーシングの登場により、状況は大きく変わりました。

リアルタイム用途では、部分的なレイトレーシング機能を組み合わせたハイブリッドレンダリングが現実的な選択肢となります。反射や影の計算にのみレイトレーシングを使用し、その他の処理は従来手法を併用することで、品質と性能のバランスを取ることができます。

6.2 高品質な画質を求める場合

映画制作、建築レンダリング、プロダクトデザインなど、最終的な画質が最も重要視される分野では、グローバルイルミネーションの採用が適切です。

フルグローバルイルミネーションでは、光の物理的な振る舞いを正確にシミュレーションするため、以下のような高品質な光表現が可能になります。

• 間接光による自然な色の移り（カラーブリーディング）
• コースティクス（集光模様）の正確な再現
• 微細な陰影のグラデーション
• 透明材質を通過した光の散乱効果
• 複雑な材質間での光の相互作用

これらの効果は、フォトリアリスティックな画像生成において不可欠な要素であり、従来のレイトレーシングだけでは十分に表現できません。特に建築分野では、自然光の室内への入射や材質感の正確な表現が設計の判断に直結するため、グローバルイルミネーションの精度が重要となります。

ただし、処理時間は大幅に増加するため、プロジェクトのスケジュールとコストを慎重に検討する必要があります。1フレームのレンダリングに数分から数時間を要する場合もあるため、効果的なワークフローの構築が不可欠です。

6.3 ハードウェア要件の考慮事項

技術選択において、利用可能なハードウェアリソースの評価は極めて重要です。グローバルイルミネーションとレイトレーシングは、それぞれ異なるハードウェア特性を要求します。

6.3.1 GPU要件の比較

レイトレーシングでは、RTコアやRDNA 2のレイアクセラレーターなどの専用ハードウェアの有無が性能に大きく影響します。これらの機能を搭載していないGPUでも計算は可能ですが、実用的な速度は期待できません。

6.3.2 メモリとストレージの考慮

グローバルイルミネーションでは、大量のテクスチャデータと中間計算結果を保持するため、十分なVRAMとシステムメモリが必要です。4K解像度でのフルGI計算では、16GB以上のVRAMが推奨される場合もあります。

また、フォトンマッピングやライトキャッシュなどの事前計算データは大容量になるため、高速なSSDストレージの利用が作業効率に直結します。

6.3.3 CPU性能の重要性

多くの場合、グローバルイルミネーション計算はCPU-GPU間での並列処理により最適化されます。特にモンテカルロ法を用いた計算では、多コアCPUの性能が全体的な処理時間に大きく影響します。

予算に制約がある場合は、段階的なハードウェア導入計画を立てることも重要です。初期段階では基本的なレイトレーシング機能から始めて、プロジェクトの成長に合わせてより高性能なシステムに移行するアプローチが現実的です。

7. まとめ

グローバルイルミネーションとレイトレーシングは、どちらも美しい3Dグラフィックスを実現するための重要な技術ですが、その役割と特徴は大きく異なります。グローバルイルミネーションは光の物理的な振る舞いを包括的に再現する概念であり、直接光と間接光の両方を計算して自然な照明効果を実現します。一方、レイトレーシングは光線を追跡して反射や屈折を計算する具体的なアルゴリズムです。映画制作では高品質なグローバルイルミネーションが重視され、ゲーム開発ではリアルタイムレイトレーシングが注目されています。技術選択では、リアルタイム性を求める場合はレイトレーシング、最高品質を追求する場合はグローバルイルミネーションが適しています。どちらの技術も高性能なグラフィックスカードとCPUが必要となるため、適切なハードウェア選択が成功の鍵となります。ゲーミングPC/クリエイターPCのパソコン選びで悩んだらブルックテックPCへ。

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