コンピューターグラフィックスS
第4回 レンダリング
システム創成情報工学科 尾下 真樹
今回の内容
• レンダリング
– カメラから見える画像を
計算するための方法
オブジェクトの作成方法
オブジェクトの形状表現
オブジェクト
生成画像
表面の素材の表現
動きのデータの生成
光源
画像処理
カメラ
カメラから見える画像を計算
光の効果の表現
今日の内容
• レンダリングの種類
• レンダリングの予備知識
– ポリゴンへの分割、陰面消去、光のモデル、
反射・透過・屈折の表現
• レンダリング手法
– Zソート法、Zバッファ法、スキャンライン法、
レイトレーシング法
• レンダリングの高速化の工夫
• サンプリング
教科書(参考書)
• 「コンピュータグラフィックス」
CG-ARTS協会 編集・出版(3,200円)
– 4章 4-1~4-2(96~116ページ)
– 2-1、2-3、6-2-2 などの内容も説明
• 「ビジュアル情報処理 -CG・画像処理入門-」
CG-ARTS協会 編集・出版(2,500円)
– 4章 4-1~4-2(96~100ページ)
– 1-2-1、1-3-4 、1-5 などの内容も説明
参考書
• 「3DCGアニメーション」
栗原恒弥 安生健一 著、技術評論社 出版
– 第2章(68~108ページ)(次回の内容も含む)
• 「3次元CGの基礎と応用」
千葉則茂 土井章男 著、サイエンス社 出版
– 第3章(29~34ページ)、第6章(50~56ページ)、第8章
(65~78ページ)
• 「コンピュータグラフィックスの基礎知識」
塩川厚 著、オーム社 出版
– 73~92ページ、102~113ページ
レンダリングの種類
レンダリング
• レンダリング
– カメラから見える画像を計算するための方法
– 使用するレンダリングの方法によって、生成画像
の品質、画像生成にかかる時間が決まる
生成画像
オブジェクト
光源
カメラ
レンダリングの種類
• フォトリアリスティック・レンダリング
(Photorealistic rendering)
– 実際のカメラで撮った画像と区別がつかないよう
な、写実的な画像を生成するための技術
– これまでは、いかに写実的な画質を実現するかを
追求しながらCG技術は開発されてきた
• ノンフォトリアリスティック・レンダリング
(Non-photorealistic rendering)
– 非写実的な、CGならではの画像を生成する技術
ノンフォトの例
Hatching [Praun 2001]
JSRF ©スマイルビット 2002
ノンフォトの技術
• ノンフォトリアリスティック・レンダリングも、
技術的にはフォトリアリスティック・レンダリン
グの技術をベースにしている
– 通常のレンダリング手法の一部の処理を変更す
ることで独自の効果を出す
• 今回の講義では、フォトリアリスティック・レン
ダリングの技術を中心に説明する
レンダリングの予備知識
レンダリングの技術
• レンダリング手法にはいくつか種類がある
– 速度・画質のバランスを考えて、使用するレンダ
リング手法を選択する必要がある
• レンダリングを行う時にポイントとなる技術
–
–
–
–
カメラとビューポート、座標変換
面単位での描画
陰面消去
光のモデル、反射・透過・屈折の表現
カメラとビューポート
• ビューポート
– カメラから見える範囲
– カメラの視界によって見える範囲、見え方が決ま
る
教科書 基礎知識 図2-21
カメラの視野
• カメラの視野(視野角)の設定
– 対象物との距離や視野
角の設定によって見え
方が変わる
CG制作独習事典 p.11
教科書 基礎知識 図2-27
透視変換
• 透視変換(perspective、パース)
– 遠くにあるものほど小さく見えるような描画を実
現するための処理
教科書 基礎知識 図2-28
座標変換
• 座標変換
– ワールド座標からビューポート座標系への変換
– ビューポート座標系からスクリーンへの透視変換
y
• 行列演算によりこれらの処理を実現
y
x
z
y
x
z
z
x
• 座標変換の詳細は今後の講義で説明
カメラとビューポート、座標変換
• ここまでのまとめ
– レンダリングを行なうときには、あらかじめ、カメ
ラのビューポートを設定しておく
– 座標変換を適用し、画面上でのポリゴンの位置
を計算する(詳しい方法は後日の講義で説明)
教科書 基礎知識 図2-21
ポリゴン単位での描画
• 多くのレンダリング手法では、レンダリングの
前に、曲面をポリゴン(多角形)の集合に変
換して描画する
– 実際には、全て三角面の集合に変換する
• 多角形も三角面の集合
に分割する
– 変換の細かさは状況に
応じて変更可能
• Level of Detail (LOD)
と呼ばれる技術
教科書 基礎と応用 図3-2
曲面パッチもポリゴンにより描画
• 曲面パッチを使う場合の手順
1.なるべく少数のポリゴンでモデリング
(情報が少ない方が修正しやすいため)
2.モデリングしたポリゴンモデルから、曲面を自動
的に生成し、なめらかな曲面モデルを得る
3.レンダリング時は、適切な数のポリゴンに変換
(ポリゴンの方が高速に描画できるため)
1
2
3
ポリゴン単位での描画
• 三角面(ポリゴン)に変換する理由
– 三角面は単純なので高速処理に適している
– 多くのレンダリング手法は、三角面に特化された
ものである
– 三角面に変換することによってデータ量(描画し
なければならない要素の数)は大きくなるが、結
果的には高速に描画できる
• レンダリング手法によっては、曲面をそのま
ま描画することもできる
– レイトレーシング法やスキャンライン法など
隠面消去(隠面除去)
• 隠面消去(隠面除去)ともいう
• 見えるはずのない範囲を描画しない処理
– 普通に存在する面を全て描いたら、見えるはず
のない面まで表示されてしまう
教科書 基礎知識 図2-21
物体の色の計算
• 素材+光の影響により物体の色は決まる
教科書 基礎知識 図3-2
光のモデル
• 局所モデル
– 光源と面の関係のみから面の色を
計算
– 反射光(拡散反射、鏡面反射)
• 大域モデル
– 周囲の面からの影響も考慮して面の色を計算
– 反射光・透過光・環境光
– 光のモデルについては次回の講義で詳しく説明
反射・透過・屈折の表現
• 反射
– ある物体に他の物体が映
る
• 透過
– 透明な物体の後ろが透け
て見える
• 屈折
– 透過が起こる時に、光線
の角度が変化する現象
教科書 基礎と応用 図8-2
レンダリングの予備知識のまとめ
• カメラとビューポート
• 座標変換
• 面単位での描画
• 陰面消去
• 光のモデル
• 反射・透過・屈折の表現
レンダリング手法
レンダリング技術のポイント
• これまでに説明した内容
– カメラと透視変換
– 曲面はあらかじめ面の集合に分割し、面単位で
描画する
• いくつかのレンダリング手法が存在する
• 使用するレンダリング技術を決めるポイント
– どのような方法で陰面消去を行うかがポイント
– 反射・透過・屈折などが表現できるかも重要
レンダリング手法
• いくつかのレンダリング手法がある
–
–
–
–
Zソート法
Zバッファ法
スキャンライン法
レイトレーシング法
低画質、高速度
高画質、低速度
– 速度と画質のトレードオフが存在する
– 上記の4つは全て現在も実用的に使われている
技術(それぞれ一長一短がある)
レンダリング手法
Zソート法
• Zソート法
• Zバッファ法
Zバッファ法
• スキャンライン法
• レイトレーシング法
スキャンライン法
レイトレーシング法
Zソート法
• Zソート法(ペインタ・アルゴリズム)
– 描画すべき面を奥にあるものから手前にあるも
のに順番にソート(整列)
– 奥の面から手前の面へ順番に描画していく
– 結果的に、奥の面は手前の面で隠れる
教科書 基礎知識 図2-30
Zソート法の問題点
• 面同士の前後関係を正しく判定できない
• 面同士が交差する時にうまく処理できない
教科書 基礎と応用 図3.6
• 完璧な解決方法はない
– 面単位で判定しようとすることが問題
Zソート法での透過の実現
• 面を半透明で描画することで裏が透けて見
えるので、透過のような結果が得られる
– 面を描く時に、面の色と、後ろのピクセルの色を
一定比率で混ぜ合わせる
– ただし、混ぜ合わせには
計算量がかかるので、
ハードウェアがサポート
していなければ困難
• 屈折や反射はこの方法では表現できない
Zソート法の特徴
• メリット
– 高速
• ただし全ての面を描画するため無駄な点もある
– それほど余分なメモリ領域を必要としない
• 面をソートするためのメモリ領域のみ必要
• デメリット
– 面同士の交差をうまく処理できない
• 主な用途
– メモリの非常に限られる用途で、リアルタイムに
描画する必要のあるような用途 (PlayStation1)
レンダリング手法
Zソート法
• Zソート法
• Zバッファ法
Zバッファ法
• スキャンライン法
• レイトレーシング法
スキャンライン法
レイトレーシング法
Zバッファ法
• 画像とは別に、それぞれのピクセルの奥行
き情報であるZバッファを持つ
– Zバッファは画像とほぼ同じメモリサイズを使用
• ピクセルあたり16ビット~32ビットを使用
– ピクセル単位で処理するので交差も処理できる
Zバッファの値(手前にあるほど明るく描画)
Zバッファ法による描画の手順
•
アルゴリズム
1. Zバッファの全ピクセルを無限遠で初期化
2. 面を描く時に、各ピクセルの奥行き値を見て、
これから描こうとしている面の方が奥にあれば
そのピクセルは描画しない
3. 各ピクセルを書き込む時に、同時にその奥行
き値をZバッファに書き込む
Zソート法とZバッファ法の比較
• どちらも面ごとに描画を行なう点で共通
• Zソート
Zソート法
– 面単位で描画、面単位で陰面消去
– 陰面消去がうまくいかないことがある
• Zバッファ
– 面単位で描画、ピクセル単位で陰面消去
Zバッファ法
– Zバッファのためのメモリが必要
Zバッファ法の特徴
• メリット
– ハードウェアでサポートされていれば、不必要なピクセ
ルは描画しないで済むため、Zソート法より高速
– 処理が単純なので、ハードウェアで実現しやすい
• デメリット
– Zバッファのためのメモリを余分に必要とする
• 主な用途
– メモリに余裕のある環境で、リアルタイムに描画する必
要のあるような用途
– 現在のパソコン用グラフィックスカード、家庭用ゲーム機
はほとんどこの技術を採用している
• ハードウェアによるZバッファをサポートしている
Zソート法とZバッファ法の速度比較
• Zソート法とZバッファ法はどちらが高速か?
– ハードウェアがZバッファをサポートしていない場
合は、Zソート法の方が高速
• 各ピクセルの描画の度にZテスト(奥行き情報の比
較)を行うのは非常に時間がかかるため
– ハードウェアがZバッファをサポートしていれば、
Zバッファ法の法が高速
• Zソートが不要
• 無駄なピクセルを描画する必要がなくなるため
• リアルタイム処理では、なるべく少しでもメモリアクセ
ス(特に書き込み)の回数を減らすことが重要
Zバッファ法での透過の表現
• Zソートと組み合わせることで透過を表現可能
– 実際には全ての面を後ろから描画すると効率が
悪いため、以下のような手順
で処理を行なうと効率的
• まず、透明でない面を前方
から(もしくは適当な順序で)
描画
• 次に、透明な面を後方から
順番に描画
• 反射や屈折はそのままでは表現できない
レンダリング手法
Zソート法
• Zソート法
• Zバッファ法
Zバッファ法
• スキャンライン法
• レイトレーシング法
スキャンライン法
レイトレーシング法
スキャンライン法
• 画像のそれぞれのラインごとに描画
• ラインの各スパンごとにどの線分が描画され
るかを判定し、それぞれのスパンを描画
教科書 基礎知識 図2.31
スキャンライン法の説明
教科書 3DCGアニメーション 図2.31
スキャンライン法の特徴
• メリット
– メモリが少なくて済む
– より正確な透過が計算できる
– 境界を正確に判定できるため、ジャギー(後述)を減らす
ことができる
• デメリット
– 処理が複雑(ハードウェア実装は困難)
– 時間がかかる(リアルタイムではまず無理)
• 主な用途
– 画質が非常に綺麗で、時間的にも許容範囲であるため、
現在映画などに主に使われている
これまでの手法の問題
• これまでの手法は、面単位で描画する技術
• 透過は処理できても、反射・屈折などはうま
く再現できない
– ただし、擬似的にこれら
を実現する方法もある
ので、次回紹介する
• 環境マッピング
反射を考慮したレンダリングの例
基礎と応用 図8.9
レンダリング手法
Zソート法
• Zソート法
• Zバッファ法
Zバッファ法
• スキャンライン法
• レイトレーシング法
スキャンライン法
レイトレーシング法
レイトレーシング法
• 最も高品質な(最も実写に近い)画像が得ら
れる方法
– カメラからそれぞれの
ピクセルごとに視線
方向に半直線(レイ)を
飛ばし、物体との交差
判定によりピクセルの
色を計算
教科書 基礎知識 図2-33
レイトレーシング法の計算
• 反射・透過・屈折の計算
– 物体にぶつかったら、
反射・屈折成分を物体
の色に加えることで、
そのピクセルの色を決定
教科書 基礎と応用 図8.2 図8.3
レイトレーシング法の計算
• 反射・屈折のくり返し計算
– 何回も反射を計算しているときりがないので、一
定回数できりあげる(シーンに応じて設定)
教科書 基礎知識 図3-32
レイトレーシング法の特徴
• メリット
– 最も高品質
– 反射・透過・屈折もある程度正しく表現できる
• デメリット
– 計算に非常に時間がかかる
• 主な用途
– とにかく品質の要求される静止画像(ポスタ等)
– 映画などに使うには時間がかかりすぎる
• 実際には屈折の表現が必要な状況は少ないので、
スキャンライン法でも十分な画質が得られる
レイトレーシングの高速化の工夫
• 空間インデックスの導入による高速化
– あるレイに対して、すべてのオブジェクトとの交
差を求めるのは非常に時間がかかる
– 空間インデックスにより、交差する可能性のある
オブジェクトを絞り込むような処理をまず行う
教科書 基礎と応用 図8.11 図8.12
レンダリング手法のまとめ
• Zソート
– 面単位で描画、面単位で陰面消去
• Zバッファ
– 面単位で描画、ピクセル単位で陰面消去
• スキャンライン
– ライン単位で描画、ピクセル単位で陰面消去
• レイトレーシング
– ピクセル単位で描画、ピクセル単位で陰面消去
レンダリング手法の比較
• Zソート
– リアルタイム処理、たまに不自然な画ができる
• Zバッファ
– リアルタイム処理、それなりの画質が得られる
• スキャンライン
– まあまあ速度で、かなりの画質が得られる
• レイトレーシング
– 画質は非常に高いが、速度が遅すぎて実用に
は向かない
レンダリングの高速化のための工夫
レンダリング関連の技術
• レンダリング処理の高速化のための工夫
– 並列処理による高速化
– 背面消去
• その他のレンダリング関連の重要な技術
– 光の表現方法
• シェーディング、ラジオシティ
– 素材の表現方法
• マッピング
– これらについては次回の講義で説明する
並列処理による高速化
• スキャンライン法、レイトレーシング法は
並列処理が可能
– スキャンライン法はそれぞれのラインごと
– レイトレーシング法はそれぞれのピクセルごと
• に独立に処理することができる
• 現在の主要な商用CGツールはネットワーク
レンダリングの機能を持っている
– 映画などの高品質の画像の生成では、多数の
コンピュータを使ってレンダリングされている
並列処理による高速化
• スキャンライン法とレイトレーシング法の例
教科書 基礎知識 図2.31
教科書 基礎知識 図2-33
背面消去
• 背面消去(後面消去、背面除去、後面除去)
– バックフェースカリング、とも呼ぶ
• 後ろ向きの面の描画を省略する処理
• サーフェスモデルであれば、後ろ向きの面は
描画は不要である点に注目する
– 仮に描画したとしても、その後、手前側にある面
で上書きされる
– 裏向きの面の描画を省略することで処理を高速
化できる(単純に考えると、約半分に減らせる)
背面消去
• 後ろ向きの面の判定方法
– 視線ベクトル(カメラから面へのベクトル)と
面の法線ベクトルの内積により判定
教科書 基礎知識 図2-22
教科書 基礎と応用 図3.5
背面消去
• 背面消去が使えない場合
– 内側が見えている箱や壺など、裏面も描画する
必要がある場合
– 一時的に両面を描画する or 裏面も描画する必
要がある場合は2枚の面を張り合わせておく
ことによって対処
表面のみ描画
裏面も描画
サンプリング
サンプリング
• サンプリング
– コンピュータグラフィックスでは、ピクセル単位で
処理を行う
• 本来は連続的な映像を、ピクセルごとに離散化して
扱うことになる
– そのままではカメラや人間の眼とは異なる画像
となってしまうことがある
• エイリアシング、モーションブラー、被視界深度
• このような問題を解決するために、サンプリングの方
法を工夫する技術がある
サンプリングの関連技術
• アンチエイリアシング
• モーションブラー
• 被視界深度
アンチエイリアシング
• ジャギー
– ピクセル単位で描画を行うことにより、物体の境
界にギザギザが生じてしまう
– アンチエイリアシングによりジャギーを軽減
教科書 3DCG
アニメーション
図2.47
アンチエイリエシングの手法(1)
• オーバーサンプリング
– 視点を少しずつ変えて複数の画像をレンダリン
グし、その平均を取る(合成する)
• 高品質だが時間がかかる
• リサイジング
– 画面よりも大きなサイズでレンダリングを行って、
縮小して表示する
• フィルタリング
– レンダリングした画像に対して、周囲のピクセル
の色を混合するようなフィルタを適用する
アンチエイリエシングの手法(2)
• スキャンライン法の場合
– 境界が明示的に判定できるため、境界のみでの
色の混合を行うことができる
• 比較的効率的に実現できる
• レイトレーシング法の場合
– ピクセルよりも細かい単位でレイを飛ばして、色
を混合を行なうこともできる
• リサイジングよりも効率的
モーションブラー
• モーションブラーブラー
– カメラや人間の眼では、高速に運動する物体は
ぶれて見える
• カメラの撮影や人間の認識には、一瞬ではなく、一定
時間内の多少の間があるため
– CGでは、普通に描画する
と全ての物体がくっきりと
見えてしまう
– モーションブラーの効果を
擬似的に実現
教科書 3DCGアニメーション 図2.48
モーションブラーの実現方法
• オーバーサンプリング
– 時間を少しずつ変えて複数の画像をレンダリン
グし、その平均を取る
• アンチエイリアシングとの組み合わせも可能
– 高速で動く物体は、少しずつずれて描画される
• 残像
– 前フレームの画像に重ねて描画
– 厳密にはモーションブラーとは異なる
前のフレーム
②
①
現在のフレーム
t
被視界深度
• 被視界深度
– フォーカスの合う範囲
– カメラや人間の眼では、
フォーカスの合わない
範囲はぼやけて見える
• 実現方法
教科書 3DCGアニメーション 図2.49
– 焦点は固定したままでカメラの位置を変えなが
ら複数の画像をレンダリングし、平均を取る
– フィルタによる実現方法もある
まとめ
• レンダリングの種類
• レンダリング技術
– ポリゴンへの分割、陰面消去、光のモデル、
反射・透過・屈折の表現
• 各種のレンダリング手法
– Zソート法、Zバッファ法、スキャンライン法、
レイトレーシング法
– レンダリングの高速化の工夫
• サンプリング
次回予告
• 光の表現(シェーディング、ラジオシティ)
• 素材の表現(マッピング)
ダウンロード

Zソート法