GI（グローバルイルミネーション）

グローバル・イルミネーション (global illumination)は、光エネルギーの大域的な輸送を光学的・物理学的に正確に扱おうとするレンダリング技法のことです。(wiki)
つまり、光の振る舞いをレンダラーが自動的に計算することによって、現実世界と同じようにリアルな画像を得ることが出来るのです。

V-RayはそんなGIレンダラーの先駆者的な存在でありながら、現在に至るまで常に発展し続けてきた、実に許容範囲の広いレンダラーです。
3ds Maxのプラグインとして開発され、そのGIレンダリングは主に建築ビジュアライゼーションで用いられてきました。
Mayaにも移植され、今では多くのアニメーション映像に用いられています。

しかし、V-Rayはモダンなレンダラーとしては珍しく間接照明の計算方法（アルゴリズム）が複数実装されています。

プライマリエンジン
・イラディアンスマップ
・フォトンマップ
・ブルートフォース
・ライトキャッシュ
・スフィリカルハーモニクス

セカンダリエンジン
・フォトンマップ
・ブルートフォース
・ライトキャッシュ

最初はどれをどのように使えばいいのかわからないかもしれませんが、 各アルゴリズムにはそれぞれ異なる長所と短所があるので、理解した上で目的に合わせてアルゴリズムを選択する必要があります。

さらに、最初の間接照明（プライマリエンジン）とそれに以降の間接照明（セカンダリエンジン）を個別に選択できるようになっているため、以下のような組み合わせが可能になります。

※この中でスフィリカルハーモニクスはベイクエンジンとしての役割が主なため、今回の検証からは外します。

コーネルボックスシーンで12パターンの組み合わせをテストしました。パラメータの設定はデフォルトのままです。
コーネルボックス（Cornell Box）とは，米国のCornell University（コーネル大学）がレンダリング研究者のためにフリー素材として提供しているGIレンダリング用テストシーンのことです。
縦軸がプライマリーエンジン、横軸がセカンダリーエンジンです。

V-RayのGIエンジンは、全てのエンジンで同じレンダリング結果にはならないため、よく理解した上で選択することが重要です。

プライマリーにイラディアンスマップを使用した場合、セカンダリーがどのタイプであってもノイズの無いクッキリしたレンダリング結果が得られています。しかし隅にはイラディアンスマップ特有のアーティファクトが現れています。

（アーティファクトとはGI計算の段階で発生したデータのエラーや信号のゆがみ。つまり本来意図しないものが表れること。）

プライマリーにフォトンマップを使用した場合、計算は速いですが非常にラフなレンダリング結果となっています。つまりプライマリーエンジンとして選択できますが、実際に使用することはないでしょう。

プライマリーにブルートフォースを使った場合は、ノイジーですがアーティファクト見られません。

プライマリーにライトキャッシュを使用した場合、計算は速いですが強いアーティファクトが発生しています。 ライトキャッシュはプライマリーエンジンとして選択できますが、実際に使用することはないでしょう。

以上の結果から、実際にプライマリーエンジンとして使用に耐えられるのはイラディアンスマップとブルートフォースということになります。

グローバルイルミネーションを使ったアニメーション

静止画作成では上記の組み合わせの中から最適なものを選択し、後は品質を調整するだけでいけるのですが、GIを使ってアニメーションをレンダリングする場合、GIエンジン特有の問題が出てきます。
イラディアンスマップとブルートフォースをプライマリーとした場合のGIアニメーションレンダリングについて考察していきましょう。

イラディアンスマップでアニメーションを使う方法

ではイラディアンスマップはアニメーションに使えないかというとそうではありません。
イラディアンスマップの場合はレンダリングの前に毎フレームごとのイラディアンスキャッシュを計算し、そのキャッシュを前後フレームでブレンドし、フリッカーを軽減することができます。
この場合、レンダリングは２段階で行います。まずプライマリーにイラディアンスキャッシュを選択し、以下のように設定をして、キャッシュを取得するためのレンダリングを行います。このとき、セカンダリーには何を選んでも構いません。セカンダリーのGI結果はプライマリーに引き継がれてキャッシュに格納されます。
第１段階はイラディアンスキャッシュをとるためのレンダリングなので、最終レンダリングイメージの計算を省いたほうが速くなります。

キャッシュはこのように連番ファイルとして保存されます。

第２段階では先に取得したイラディアンスキャッシュを読み込み、最終レンダリングイメージを計算します。

イラディアンスキャッシュは毎フレームごとに異なる結果ではなく、滑らかに補完されスムースなアニメーションがレンダリングされます。

コーネルボックスのアニメーションではフリッカーがみごとに消えました。このようなシーンではアニメーションモードが有効であることがわかります。
しかし、このアニメーションモードはどのようなシーンでもフリッカーを消せるわけではなく、素早い動きのあるシーンや、動きはゆっくりでも輝度差が激しいシーンなどではフリッカーが出ます。

オブジェクトが高速で移動するアニメーションにおけるGI問題

例えば広大な背景をバックにオブジェクトが高速で移動するようなシーンを想定してみましょう。

このようなアニメーションレンダリングでGIだけに注目してみると

プレパスによるキャッシュ取得を行わずに、毎フレームごとにイラディアンスマップ計算を行った場合、大量のフリッカーが発生していることがわかります。
では、上記のような設定でプレパス計算を行い、キャッシュを取得してレンダリングを行うと、

動きのない背景のフリッカーは抑えられていますが、高速で動く飛行機はとんでもないことになっています。
これは、前後数フレーム間でイラディアンスマップをブレンドするという性質上、高速で動く物体にはブレンド効果が得られず、エラーとなって現れてしまうためです。
残念ながらイラディアンスマップを使ったGIではこのようなシーンは苦手なのです。
では、別のGIを選択した場合はどうでしょうか。
プライマリーにブルートフォースを使ってみました。
ブルートフォースにはキャッシュを取るということがないため、１回の計算でレンダリングが完了します。

イラディアンスマップ程ではないですが、背景のビルに激しいフリッカーが見られます。
これはセカンダリーに使用しているライトキャッシュの性質によるものです。しかもライトキャッシュはキャッシュとは名が付くものの、前後フレームによるブレンドができないため、高速なアニメーションではフリッカーの影響が避けられません。
ではどうすればいいのでしょうか？

V-Rayクイックセッティング

V-RayではいくつものGIエンジンが搭載されていますが、V-RayのGIに精通していないと、レンダリングしたいシーンにどのGIエンジンが最適な組み合わせなのかわからなくなってしまいますよね。
V-Rayではそのような場合に備えて、いくつかの典型的なシーンにはこの組み合わせが最適ですと指南してくれるツールが備わっています。それがV-Rayクイックセッティングです。
V-Rayクイックセッティングはこのようなパネルになっていて、主に４つのシーンに対して最適なレンダー設定とスピードとクオリティの調整が容易にできるようにパラメーターがピックアップされています。

中でも注目に値するVFXプリセットでは、あえてGI計算は外されています。
素早く動くオブジェクトや爆発などのエフェクトがあるシーンでは、上手く機能しないGIを外してしまっても、最終的なコンポジットで上手く加工すれば、それほど影響は無いという判断なのかもしれません。

インテリア（内観）アニメーション

窓から差し込む光によってライティングされるようなインテリアシーンをアニメーションする場合にも注意が必要です。
ただし、ライティングが一定で、カメラだけがウォークスルーするような場合はユーズカメラパスによるキャッシュの取得が最適です。
V-Rayクイックセッティングでも推奨されているイラディアンスマップとライトキャッシュの組み合わせを使用します。
ユーズカメラパスも２段階のレンダリングを行います。といってもキャッシュの計算は１回（１フレーム分）だけで完了します。

ユーズカメラパスの場合はカメラから見えている範囲のGIキャッシュを１つのキャッシュファイルに保存します。 レンダービューで状態を確認しながらレンダリングすることもできますが、全てのフレームを１回で計算するので見た目はおかしな状態になっています。

キャッシュが取得できたらそれを使って第２段階のレンダリングを行います。

これにより、フレームごとにGI計算の結果が変わることなく、フリッカーの無いアニメーションがレンダリングできます。

しかし、あくまでもカメラしか動くものが無いシーンの場合だけです。
このようなインテリアシーンの場合は、光の拡散反射が見栄えを決定付けてしまうため、先のVFXシーンのようにあえてＧＩを外すということはできません。
では、このような輝度差が激しいライトが動くシーンの場合は、どのＧＩが最適なのでしょうか。

総括

V-RayのGIエンジンは、3ds Max版がリリースされた当初からクオリティとスピードのバランスに秀でていました。 それは、たとえアンバイアス（偏りの無い正確な）ではなかったとしても、現実の光の振る舞いに近い値を素早く計算できるアルゴリズムを複数用意することによって、美しい絵を素早く得たいというユーザーの利便性に答えてきたからに他ならないと思います。
ぜひ、複数搭載されたGIエンジンをいろいろ試して楽しいでもらいたいと思います。

次回は導入編から応用編へ、エフェクトにおけるV-Rayの使い勝手を見ていきます。