ゲームにおける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は、3Dゲーム向けの照明技術であり、光が表面で反射して近くの物体を照らす際の挙動をシミュレートすることで、シーンをより現実的に見せようと試みるものです。より基本的な手法は「直接照明」と呼ばれるもので、光源が対象物だけを照らし、それ以外のものは照らさない。これは現実世界の光の挙動とは異なる。グローバルイルミネーション、すなわち「間接照明」では、光が物体に反射して近くの物体も照らすため、はるかにリアルで自然な見た目となる。

外は晴れた日だが、あなたは壁に沿って窓が並ぶ暗い部屋の内部を見ている。それらの窓には遮光ブラインドが取り付けられている。ブラインドを上げると、日光が部屋に注ぎ込む。基本的な照明技術を使っていた場合、光は床に当たり、床だけを照らす鋭い角度を作り出し、まるで床そのものに窓があるかのように、あるいは光の四角形のように見えるだろう。

グローバルイルミネーションでは、その光は天井に反射して天井だけでなく部屋の他の部分も照らします。この状況や現実世界では、床が十分な光を周囲の物体に透過させる場合、床自体が光源となります。窓から差し込む光によって部屋の大部分が十分に照らされている様子を想像できるでしょう。単に床だけを照らすのではなく。下の動画でその様子を確認できます。

見た目はゲームや照明の実装方法によって異なるため、結果は大きく変わります。現実世界では光がそう振る舞わないため、非常に硬質な影が表現されることはあまりありません。以下に現代ゲームにおける3つの例を示しますので、ご自身でリアルに見えるかどうか判断してください。

このゲームでは、グローバルイルミネーションとレイトレーシングをオプションとして提供し、その効果を向上させます。以下にその様子をお見せします。

まず、レイトレーシングを無効化し、グローバルイルミネーションを「低」と「高」の両方に設定してゲームを実行しました。下図の通り、両設定間には実質的に目に見える差は全くありません。ランプは基部周辺に非常に不自然な影を落とし、光が当たる部分と当たらない部分の境界がはっきりとした線として現れています。

次に、フルレイトレーシング（パストレーシングとも呼ばれる）を有効化し、グローバルイルミネーションはHIGH設定のままにしました。その差は非常に顕著です。下図の通り、光はランプを支える柱の基部に拡散し、非常に拡散した状態となり、ほぼ全域に広がっています。光は岩壁で反射し、床も照らしています。以前存在していたハードシャドウは消え、シーン内の岩壁が光を周囲全体に反射しています。

『サイバーパンク2077』にはグローバルイルミネーションを可能にするパストレーシングが実装されており、これを有効にすると間接照明の鮮明な例が確認できる。シーン右側の柱はレイトレーシング無効時はほぼ真っ暗だが、パストレーシングを有効にすると壁の看板が床を照らすため、柱が明瞭に浮かび上がる。

このゲームにはグローバルイルミネーションが組み込まれていますが、レイトレーシングによる間接拡散照明を有効化するオプションがあり、これにより表面にハイライトが追加されます。これらのスクリーンショットでは、光源の上にあるパイプを左右にスワイプしながらご覧ください。間接照明を有効化すると、パイプがほぼ完全に照らされている様子が確認できます。

主な欠点は、通常レイトレーシングと組み合わされるため、ゲームを60fpsで動作させるには高性能なGPUが必要となる点です。ただし、アップスケーリング技術やフレーム生成技術で補うことは可能です。もう一つの欠点は、この技術が多くのゲームに採用されていないことです。強力なGPUが必要であり、さらにベイク処理を実装する場合、開発者による多大な労力を要するためです。通常、この技術が採用されているのは『サイバーパンク2077』、『インディ・ジョーンズ』、『メトロ エクソダス』、『アバター：フロンティアーズ・オブ・パンドラ』といったAAA級のシングルプレイヤーゲームや、それに類するタイトルに限られています。

グローバルイルミネーションの主な利点は、ゲームをよりリアルに見せられることです。現実世界で光がどのように反射し、近くの物体を照らすかを計算するため、通常は非常に見栄えが良くなります。

そうではなく、一つの考え方として、グローバルイルミネーションはレンダリングプロセスの結果であり、レイトレーシングはその最終結果を達成する一つの方法に過ぎず、唯一の方法ではない。アーティストやプログラマーは、事前に膨大な作業量をかけて光の反射を計算し、その照明をゲームのテクスチャや環境にベイクすることで擬似的に表現できる。リソースが不足する場合は、レイトレーシングに頼る選択肢もある。レイトレーシングはゲーム内でリアルタイム処理が可能だが、大きなパフォーマンスの代償を伴う。現時点では、レイトレーシングを60fpsで実行できるハードウェアを所有するゲーマーはほとんどいないからだ。