Nvidiaが2018年にRTX 20シリーズカードを発売して以来、ゲームにおけるリアルタイム・レイトレーシングが話題を呼んでいる。当初はギミックに過ぎなかったものが、次第にゲーマーがお気に入りのゲームに一貫して求める機能へと進化した。最近では、パストレーシング対レイトレーシングの論争が波紋を広げており、前者は後者よりも高度でリアルなビジュアルを披露している。あと数年、GPUの世代が増えれば、パストレーシングがついに主流になるかもしれない。
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ラスタライズ、レイトレーシング、パストレーシング
パストレーシングとレイトレーシングを比較し、ゲーミンググラフィックスに必要な理由を説明しよう。
従来、開発者はゲームビジュアルのレンダリングにラスタライズと呼ばれる技術を使用してきました。ラスタライズとは、数学的なベクトル図形をピクセルに変換することで、コンピュータのモニターやその他のピクセルベースのディスプレイ（旧式のCRTディスプレイとは異なります）で表示できるようにすることです。 確かに、ラスタライゼーションは、静的な光源による「プリレンダリング」ライティングを使用することで、現実世界の光の挙動を近似させるのにかなり効果的でした。しかし、フォトリアリスティックなゲームビジュアルの需要が高まるにつれて、それを実現する技術とともに、リアルタイム・レイトレーシングがついにゲーマーに提供されるようになったのです。
ラスタライズとは異なり、レイトレーシングはゲームやアプリケーションの各フレームにおける光の現実世界の挙動をシミュレートしようとするものです。光は現実の複数のオブジェクトと相互作用した後、反射、屈折、吸収される可能性があるため、光線の同じ挙動がフレームの1ピクセルごとに計算される。これは、たった1フレームに対して何百万ものシミュレートされた光線の挙動を計算することになります。これが、レイトレーシングの計算量が多い理由だ。
レイトレーシング自体は新しいものではない。1969年に開発されたレイトレーシングは、1970年代から映画スタジオで程度の差こそあれ使用されてきた。しかしハリウッドには、レイトレーシングされた1シーンのレンダリングに数週間かかることもある「レンダーファーム」を使って、映画の全フレームを「プリレンダリング」する贅沢がある。
ゲームにおけるリアルタイムのレイトレーシングは、フレームごとに動的に変化する環境でこの複雑な計算を実行する必要があるため、それとは異なります。これは、レイトレーシングされたゲームのほとんどが、最新のGPUのハードウェアアクセラレーションを使用している場合でも、レイトレーシングされた反射や影など、ラスタライゼーションと組み合わせたレイトレーシングの1つか2つの要素しか使用していない理由でもあります。
次に、パストレーシングについて説明します。パストレーシングの核心は、レイトレーシングの修正版に過ぎません。パストレーシングは、プライマリ光線であれバウンス（セカンダリ）光線であれ、すべての光線のパスをトレースする代わりに、シーンを通して撮影されたときに光が通る可能性が最も高いパスだけを計算します。 1980年代に考案されたパストレーシングは、1ピクセルごとに複数の光線を含むより複雑な数学を必要としますが、最終的には、レンダリングハードウェア、つまりGPUのオーバーヘッドを低減します。パストレーシングは、モンテカルロシミュレーション（正確な予測が不可能な状況で、最も確率の高い結果を予測するのに役立つ確率モデル）を使用したレイトレーシングの近似である。
レイトレーシングには他にもバリエーションがあり、例えばフォトンマッピング（2001年開発）は2段階のグローバルイルミネーション技術だ。最初のステップでは、シーン全体の光線を使用して、色と照明データを含むフォトンマップを作成し、2番目のステップでは、前処理されたフォトンマップを使用して、リアルタイムでシーンをレンダリングします。フォトンマッピングは、技術的にはレンダリングのオーバーヘッドをさらに減らすことができますが、非常に複雑で、ハードウェアの性能が低いとアーティファクトが発生しやすくなります。
パストレーシングはレイトレーシングより良く見える
パストレーシングがレイトレーシングの効果を近似しているだけだとしたら、なぜその方が良いのでしょうか？結果はレイトレーシングより劣っているはずでは？
いいえ、パストレーシングとレイトレーシングの議論はもう少し微妙です。パストレーシング（フルレイトレーシングと呼ばれることもある）は、ゲームにおいてよりリアルなライティングを生み出すことが実際に示されている。 Cyberpunk 2077」や「Alan Wake 2」のような最近のゲームでは、（パストレーシングの助けを借りた）本格的なレイトレーシングがどのように見えるかを紹介しています。
パストレーシングは、『Quake 2』、『Portal』、『The Elder Scrolls V: Skyrim』、『Half-Life』のような古いタイトルにも実装され、時代遅れのグラフィックから技術的なデモへと変貌を遂げた。
パストレーシングは、より大きなデータサンプルにアクセスできるため、よりリアルなライティングを生成できます。レイトレーシングとは異なり、パストレーシングは各ピクセルに対して複数の光線をシーンに照射し、そのうちの一握りの光線をサンプリングして最終的な出力に到達させる。これにより、NvidiaのDLSSのおかげでノイズ除去されたアルゴリズムは、より明確なシャドウ、反射、グローバルイルミネーションを生成することができます。
パストレーシングはGPUの方が技術的に簡単
パストレーシングには、より複雑な計算、ノイズ除去、AIのトリックが含まれるにもかかわらず、GPUでは、少なくとも理論的には、パストレーシングの方が簡単です。
パストレーシングを使って一から開発されたゲームは、この少ないオーバーヘッドから最も恩恵を受けるでしょう。しかし、このケースはあまり多くありません。パストレーシングは、オリジナルのリリースから何年も経ってから、アップデートとしてさまざまなゲームに導入されている。
Nvidiaが「完全にレイトレースされたゲーム」だと主張するAlan Wake 2でさえ、パストレーシングを普遍的に使用しているわけではない。そうでなくても息をのむような美しさで、PS5でも最高のゲームの1つになっているのだから。
現在の状況では、このようなタイトルをプレイ可能なフレームレートで動かすのは、最もハイエンドなGPUを使ってもとんでもなく難しい。NvidiaのRTX 40シリーズは、これらのゲームを低解像度でレンダリングし、許容できる結果を出すためにアップスケールするだけで、さまざまなAI機能を使う必要がある。しかし、あと数年もすれば、ゲームにおけるAIがゲーム業界に革命を起こすにつれて、パストレーシングの実装はメインストリームGPUではるかに容易になるだろう。
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パストレーシングは新しい技術ではない
2000年代以降、パストレーシングは、ディズニーやソニーなどの映画スタジオで、アニメ映画をフルパストレーシングでレンダリングするために使われてきました。その理論は1980年代から確立されており、今やリアルタイム・パストレーシングは、法外に重いとはいえ、人気のあるゲームに登場し、人々はそれを目の前で見ることができる。
パストレーシングは根本的に新しい技術ではないため、より多くのゲームや手頃な価格のハードウェアに浸透するには時間がかかるだろう。Nvidia、AMD、Intelのような企業が競ってGPUを改良し、高度なAIアルゴリズムに投資しているため、パストレーシングはゲームだけでなく、他のメディアにも普及していくだろう。そして、これは遅かれ早かれ起こるだろう。
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レイトレーシング、パストレーシング、ラスタライゼーションが連携
パストレーシングは先進的で印象的ですが、それでもすべてを完璧にこなすことはできません。より多くのデータにアクセスできるという最大の利点は、最大の欠点でもあります。
利用可能なデータが少ない場合（暗いダンジョンなど）や、反射面や屈折面の場合（水面やガラスなど）は、レイトレーシングの方がまだ優れている。このため、ゲームにおけるパストレーシングの登場によって、レイトレーシングが突然シーンから消えることはないだろう。
開発者はいつものように、どのような状況でも最もリアルなシーンを作り出すために、レンダリング技術を組み合わせて使うだろう。したがって、レイトレーシングとパストレーシングの両方が、ラスタライゼーションとともに、近い将来、ゲームに力を与えることになるだろう。
数年に一度、新しいテクノロジーがニュースになる。最初はシェーダーであり、次にテッセレーションであり、レイトレーシングが続き、そして今はパストレーシングである。しかし、これらの技術は、ゲームのパフォーマンスにも大きな負担をかける。もし現在のPCが、ゲームにおけるこれらの新時代の技術を活用できていないと感じているなら、新しいGPUを購入する必要があるかもしれない。完全にパストレースされた未来のゲームを待つとともに、未来のGPUが一般ゲーマーにも手の届くものになることを願うばかりだ。
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画像クレジット：DepositPhotosによる回路付き最新GPUカードのクローズアップビュー
