パス・トレーシング

概要

パス・トレーシング（Path Tracing、ドイツ語ではしばしば「Pfadverfolgung」と呼ばれる）は、コンピュータグラフィックスのレンダリング手法の一つで、仮想的なシーンにおける光の伝播を物理的に妥当な形でシミュレーションします。これはレイトレーシングの一種であり、各レイのヒットに対して二次レイの分岐ツリーを生成するのではなく、パス・トレーシングはサンプルごとに、シーン内をランダムに選択された単一の光のパスを追跡します。多くのそのようなパスを平均化することで、各ピクセルの明るさの推定値が得られます。

この手法は、1986年にジム・カジヤ（Jim Kajiya）によって、彼が定式化したレンダリング方程式（rendering equation）と共に発表されました。パス・トレーシングはこの方程式を近似的に解き、直接照明、間接照明（グローバル・イルミネーション）、ソフトシャドウ、反射、屈折、カラーブリーディング（色のにじみ）、そしてボリューム効果を、すべて同じ光輸送の異なる現れとして扱います。

仕組み

パス・トレーシングは、レンダリング方程式にモンテカルロ積分を適用します。ピクセルごとにランダムなレイの方向をサンプリングし、多くのイテレーションを通じて結果を平均化します。パスはランダムに選択されるため、この手法は原理的に画像ノイズを発生させますが、ピクセルあたりのサンプル数が増加するにつれてノイズは減少します。クリーンな結果を得るためには、しばしばピクセルあたり数千ものサンプルが必要となります。

• 光輸送： 反射、屈折、散乱、そして発光は、ヒットした表面のマテリアル特性（BRDF）を通じて評価されます。
• ノイズと計算時間： サンプル数を増やすとノイズは減少しますが、レンダリング時間は増加します。
• デノイジング： 近年のパス・トレーサーは、デノイジング手法（ニューラルネットワーク、エッジ保持フィルター、バイラテラルフィルターなど）を利用して、必要なサンプル数を減らし、レンダリング時間を短縮しています。

映画・VFXでの使用

パス・トレーシングは、物理的に正確な反射、自然な間接照明、そしてショットシーケンス全体で一貫した画質を提供するため、長年にわたり映画やビジュアルエフェクトのオフラインレンダリングの標準となっています。パス・トレーシングを基盤とする一般的なプロダクションレンダラーには、以下のようなものがあります。

• Pixar RenderMan – パス・トレーシングアーキテクチャとして再構築されました。
• Arnold（元々はMarcos Fajardo氏による） – プロダクション向けのブルートフォース・モンテカルロ・パス・トレーサーとして。
• Chaos V-Ray.
• Blender Cycles.
• Disney Hyperion.

ハードウェアアクセラレーションされたレイトレーシングとAIベースのデノイジングにより、パス・トレーシングはリアルタイムアプリケーションにも徐々に開かれていますが、従来のVFXワークフローにおいては、依然として主にオフラインレンダリング手法です。