Lumion 2024へ向けて – 開発プレビュー：レイトレーシングのためのReSTIR

1. Lumion 2023におけるReSTIRとは？

進化し続けるグラフィックスレンダリングの分野では、フォトリアリズムを短時間で達成することが、あらゆるワークフローにとって不可欠です。Lumionの以前のバージョンは、12年以上のラスタライズエンジンの開発と最適化を経て、最新バージョンでは全面的な見直しが行われました。しかし、Lumion 2023は、エンジンにレイトレーシングを実装することで、異なるレンダリング技術において大きな進歩を遂げました。

この状況の中で、ReSTIR（Reservoir Spatio-Temporal Importance Resampling）技術がゲームチェンジャーとして登場した。パストレーシング（現実世界での光の伝わり方をエミュレートし、リアルな画像を生成する技術）の能力を増幅するように設計されたReSTIRは、Lumionにとって革新的な機能となり得ます。

従来のパストレーシングは、計算量の問題に取り組むことが多く、特に複雑なライティングシナリオでは、粒状感のあるノイズの多い画像になります。そのような状況を解決するために、ReSTIRは光源のサンプリングと再サンプリングの方法として採用されています。時間データと空間データの両方を利用することで、ReSTIRはノイズを最小限に抑えるために必要な時間を短縮し、より効率的なレンダリングを実現します。

つまり、Lumion 2023のようなソフトウェアにとって、ReSTIRを統合することは、より高速で鮮明なビジュアライゼーションにつながるということです。

2. パストレーシングエンジンへの統合

パストレーシングエンジンは、その性質上、ランダムに生成された光線がシーン内のオブジェクトとどのように相互作用するかを計算します。これらのエンジンがオブジェクト間で反射する光線（間接照明またはグローバルイルミネーション）をシミュレートする場合、計算コストが高くなります。そこでReSTIRの登場です。

パストレーシングエンジンにReSTIRを統合することで、開発者はクリアでノイズのない画像を生成するために必要な光線の数を減らすことができます。この技術は、最終画像に最も貢献する光線に優先順位をつけ、ほとんど影響しない光線は無視します。その結果、レンダリング時間が短縮され、よりリアルな画像が得られます。

3. ReSTIR の利点

3.1：ノイズの低減
ReSTIRの主な利点のひとつは、大幅なノイズ低減です。これは、アーチファクトの少ない鮮明な画像を意味します。

3.2：効率性
インテリジェントなサンプリング手法により、シーンはより迅速にレンダリングされ、リアルタイムレンダリングがより現実的になります。

3.3：照明の高速化
ReSTIRは光のサンプリングを改善するだけですが、画像の収束を高速化することで、レンダリング出力の鮮明な画像をより短時間で得ることができます。

3.4：柔軟性
ReSTIRはより少ないサンプル数でより良い結果を得ることができ、デノイザーはそれほど積極的になる必要がありません。

このコンセプトを説明する例：

10秒で画像Xに対して100本の光線を計算することができます。
ReSTIRの実装では、100本の光線で同じ画像を5秒で計算できます。
つまり、10秒で200サンプルに相当する処理をすべて同じ時間枠で行うことができます。

4. 研究開発（R&D）

Lumionの開発チームは最近、ReSTIR技術の統合を試みています。レイトレーシング技術の現在のバージョンは、最終版には程遠いものであり、今後、ReSTIRをLumionの既存のフレームワークに適応させて組み込むために、専用の開発部が設立されました。この技術はプラグアンドプレイ（接続すればすぐに使える）とは程遠いため、このプロセスでは、Lumionのエンジンとの互換性を確保するために、オリジナルのReSTIRコードを変換する必要があります。

当初、ReSTIRは直接照明のために開発されましたが、現在では追加技術により、ReStirの利点を間接照明に拡張し、反射やグローバルイルミネーションの計算を高速化することができます。我々のチームは、ReSTIR DIを統合することに成功し、現在、この技術の利点を完全に表示するためにReSTIRに取り組んでいます。つまり、現在、2種類のReSTIRアルゴリズムがターゲットとして実装段階にあります：

ReSTIR DI：直接照明光源（Lumionのライトを対象）
ReSTIR GI：間接照明（グローバルイルミネーションを対象）

初期の統合は達成され、レンダリング時間が改善され、より効率的に出力が作成されています。現在の段階は、微調整と改良です。目的は、単にLumion内でReSTIRを動作させることではなく、その能力を最大限に引き出すことです。そのため、徹底的な反復テストを行い、ボトルネックを特定し、それを解決する必要があります。現在の優先順位は、妥協することなく、より速いレンダリング速度を達成することです。

6. Lumion 2023でコンテキスト化

現在、私たちが確認している改善点は、非常にわかりやすいものです。

6.1：レンダリング時間の短縮
シーンのレンダリング時間の短縮。

6.2：画質の向上
ビジュアライゼーションのアーティファクトを減少し、グローバルイルミネーションの向上。

6.3：リアルタイムレンダリング
Lumionは、リアルタイムのレイトレースによる編集モードを提供できる可能性があります。これは現在研究開発の一部ではないため、新しいプロジェクトを定義する必要がありますが、この技術が提供する可能性の1つです。

7. 結論

ReSTIRテクノロジーは、隣接する光線や以前のフレームからの光線の再利用を可能にします。上述のように、直接的な結果として、画像を計算するために使用できる光線の数が少なくなり、より多くの光線を撮影できるようになり、最終的にはレンダリング時間が大幅に短縮されます。

これは、フォトリアリズムと計算効率のギャップを埋める、レンダリング技術の大きな飛躍を意味します。Lumion 2023のようなソフトウェアにとって、このような進歩を取り入れることは、ビジュアライゼーションの境界を再定義し、以前よりも効率的なツールをアーティストや建築家に提供することになります。今後、ReSTIRのような技術がデジタルグラフィックスとビジュアライゼーションの未来を形作ることは間違いなく、Lumionへの実装が間もなく成功することを期待しています。