NVIDIA の研究者がリアルタイムグラフィックスの画期的な進化を発表

by Matt Pharr · August 11, 2021

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夏の主要なグラフィックスカンファレンスで、NVIDIA がアーティスト、クリエイター、ゲーマー向けのリアルタイムパストレーシングおよびコンテンツ制作ツールを進化させる研究成果を公開

コンピューターグラフィックスと AI は、NVIDIA の基盤となる技術です。これらを組み合わせることで、「映画のような品質の 3D 画像をリアルタイムでレンダリングする」というクリエイターたちの目標の達成に近づいています。

NVIDIA Research は、今夏開催の一連のグラフィックスカンファレンスで、リアルタイムパストレーシングとコンテンツ制作における画期的な研究成果を発表しています。その多くは、最先端の AI 技術に基づくものです。これらのプロジェクトでは、リアルタイムレンダリングの水準を向上させる最新のツールを使って、グラフィックス関連のとりわけ困難な未解決の問題に取り組んでいます。

目標の 1 つは、毛皮や霧などの複雑な素材を通過する光のレンダリングのリアルさを向上させることです。もう 1 つの目標は、アーティストたちのクリエイティブなビジョンを、今まで以上に簡単に、生き生きとしたモデルやシーンに変換することです。

今週開催されている SIGGRAPH 2021、また最近開催された High-Performance Graphics カンファレンスや Eurographics Symposium on Rendering で発表されたこれらの研究成果は、NVIDIA RTX GPU がいかにしてフォトリアルなリアルタイムグラフィックスの可能性を広げることができるかを示すものです。

フォトリアルな画像をリアルタイムにレンダリングするためには、物理的な世界における光の法則をモデル化し、光を正確にシミュレーションする必要があります。現在知られている最も効果的なアプローチであるパストレーシングは、膨大な計算リソースを必要としますが、素晴らしい画像を提供できます。

専用のレイトレーシングハードウェア、および AI モデルを効率的に評価できる高性能な Tensor コアを搭載した NVIDIA RTX プラットフォームは、このタスクを実行するのに最適です。しかし、それでもなお、高精細な画像のレンダリングが難しいケースもあります。

木々の間をうろついている虎を例に挙げて考察しましょう。

光を見る: リアルタイムパストレーシング

完全にリアルなシーンを再現するためには、クリエイターは反射や影、目に見える靄などの複雑な照明効果をレンダリングする必要があります。

森の中のシーンでは、木の葉の間から差し込むまだらの太陽光が、霧の中に浮遊する水分子の間でかすんで見えます。このような霧、そして雲や埃っぽい表面などのリアルな画像をリアルタイムにレンダリングするのは、かつてであれば到底不可能なことでした。しかし、NVIDIA の研究者は、このような現象の視覚効果を 10 倍効率的に計算できる技術を開発しました。

虎は日光に照らされていたり、木の影になっていたりします。虎が木々の間を歩くと、足元の池にその姿が映り込みます。こうした直接反射と間接反射が混在する豊かなビジュアルの照明効果を演出するためには、シーン内の各ピクセルに対してそれぞれ何千ものパスを計算する必要があります。

このタスクをリアルタイムで解決するには、膨大なリソースが求められます。そこで NVIDIA の研究チームは、最終的な画像の見え方に貢献する可能性の高いライトパスや反射を優先的に処理するパスサンプリングアルゴリズムを開発し、従来の 100 倍以上の速さで画像をレンダリングすることに成功しました。

ニューラルラディアンスキャッシング

NVIDIA の別の研究者グループは、「ニューラルラディアンスキャッシング」という新技術によって、グローバルイルミネーションに画期的な成果をもたらしました。この手法では、NVIDIAのレイトレーシング用の RT コアと AI アクセラレーション用の Tensor コアの両方を使って、動的なシーンをレンダリングしながら、小型のニューラルネットワークをライブでトレーニングします。

ニューラルネットワークは、シーン全体での光の分布を学習します。このニューラルネットワークは、NVIDIA GeForce RTX 3090 GPU 上で動作する場合、1 秒間に 10 億以上のグローバルイルミネーションクエリを評価し、従来のインタラクティブなフレームレートでは実現できなかった虎の厚い毛皮を、豊かな光のディテールによって描き出します。

難しいテクスチャをシームレスに作成

レンダリングアルゴリズムの進化に伴い、利用可能な 3D コンテンツのレベルも、アルゴリズムが対応できる複雑さや豊かさについていくことが求められます。

NVIDIA の研究者は、リッチでリアルな 3D 環境をモデリングするコンテンツ制作者のためにさまざまな技術を開発することで、この分野に取り組んでいます。特に注目している分野の 1 つは、従来の技術ではシミュレーションが困難な、幾何学的な複雑性に富んだ素材です。

例えばポロシャツの織り目、カーペットの質感、草の葉などは、ピクセルのサイズよりもはるかに小さいことが多く、それらの表現を効率的に格納したり、レンダリングしたりするのは困難です。NVIDIA の研究者は、ニューラルネットワークを使ってこれらの難しい素材を再現し、照明に対する反応をコード化するためのアプローチである NeRF-Tex によって、この問題に取り組んでいます。