レイトレーシング

現実では、太陽や電灯のような光源から無数の光があふれ出て、物にぶつかったあと、私たちの目に入ってきます。けれども、コンピューターが光源から出発する世界中のすべての光を計算しようとすると、計算量が膨大すぎて手に負えません。

そこでレイトレーシングは、うまく向きを逆にしました。光源ではなく私たちの目から出発した仮想の光線を、逆向きに飛ばすやり方です。

目から飛ばした光線が仮想空間の物体に当たると、その物体の色を確かめ、さらにその物体が照明から光を受けているかをもう一度確かめます。私たちの目に実際に入ってくる有効な光の経路だけをピンポイントで計算するので、むだな計算を大幅に減らせます。

長いあいだ、3Dゲームはラスタライズ(Rasterization)という方式を使ってきました。三次元の立体を二次元の画面にぺたんと平らに広げてから、色ぬりや影の効果を重ねていく方法です。

ラスタライズは計算がとても速く、リアルタイムのゲームに向いていましたが、はっきりした限界がありました。鏡にうつる部屋の奥や、ガラスのコップを通って曲がる光のような複雑な光の動きは、あらかじめ仕込んだ目だまし効果でまねるしかなかったからです。

一方、レイトレーシングは光の物理法則を直接計算します。窓ガラスにうつる自分の姿、水たまりに反射する華やかなネオンサイン、物の後ろ側に自然ににじむやわらかい影を、ずっと自然に表現できます。ただしリアルタイムのゲームでは、光線の数を減らし、ノイズ除去の技術とラスタライズを組み合わせて使う場合がほとんどです。

レイトレーシングは、1960年代後半にはすでにアイデアが出ていた古い技術です。ただ、かつては劇場用の3Dアニメーションや映画の特殊効果のように、あらかじめ時間をかけてつくる作業にしか使われませんでした。映画のひとコマ(1フレーム)を計算するだけでも、平均で数十時間かかることがあったからです。2013年のピクサー映画は、1フレームに平均約29時間かかったそうです。

1秒間に60枚以上の画面を描かなければならないリアルタイムのゲームでは、とても手が出せませんでした。何百万ものピクセルごとに跳ね返る多数の光線を即座に計算するのは、コンピューターにとって過酷すぎたのです。

近年、光線追跡専用の演算ユニットを載せた高性能なグラフィックス処理装置(GPU)と、AIによる画質復元技術が登場しました。おかげで今では、家のパソコンでもリアルタイムでリアルな光を楽しめるようになりました。