Path Tracing（パストレーシング）

2025年10月28日

Path Tracing（パストレーシング）

英語表記: Path Tracing

概要

パストレーシングは、「グラフィックス（GPU, GPGPU, レイトレーシング）→レンダリング技法→レイトレーシング」という技術階層の中で、最も物理的に正確な光のシミュレーションを目指すレンダリング技法です。これは、従来のレイトレーシング技法をさらに進化させ、間接光（物体に反射して空間を照らす光）の挙動を忠実に再現することで、驚くほどリアルな画像（フォトリアリスティックな画像）を生成します。カメラから発射された光線（レイ）が、環境内で何度も反射や屈折を繰り返す「経路（パス）」全体を追跡し、その経路が最終的に光源に到達する確率を統計的に計算する点が最大の特徴です。この手法によって、現実世界で見られるような、柔らかい影、複雑な反射、色のにじみといった現象を自然に表現できるのですよ。

詳細解説

レイトレーシング技術の究極形としての位置づけ

パストレーシングは、私たちが現在目指している「いかに現実と同じ光景をデジタルで再現するか」という目標に対する、非常に強力な答えの一つです。この技術は、分類上「グラフィックス（GPU, GPGPU, レイトレーシング）→レンダリング技法→レイトレーシング」に属しますが、単なるレイトレーシングとは一線を画します。従来のレイトレーシングが、主に視点から物体へ、そして光源へ向かう「直接的な光の経路」を計算していたのに対し、パストレーシングは、光が物体に当たった後、ランダムに拡散し、さらに別の物体に当たって反射し、最終的にカメラに戻ってくるまでの「すべての経路（パス）」を追跡します。

動作原理とモンテカルロ法

パストレーシングの動作原理の核となるのは、「モンテカルロ法」という確率的なサンプリング手法です。現実の光の経路は無限に存在しますが、それをすべて計算するのは不可能ですよね。そこで、この手法では、膨大な数の光の経路の中から、いくつかをランダムに選び出し、その平均を取ることで、全体の光の分布を推定します。

レイの発射: まず、画面上のピクセルごとに、視点（カメラ）から光線（レイ）を発射します。
散乱イベント: レイが物体表面に当たると、その表面の材質（拡散反射、鏡面反射、屈折など）に応じて、新たな方向にランダムにレイを散乱させます。これが「バウンス（反射）」です。
パスの追跡: この散乱を複数回（例えば、5回から10回以上）繰り返すことで、光が環境内を旅する「パス」を生成します。
光源への到達判定: 最終的にレイが光源に到達した場合、その経路は有効な光の経路として計算に組み込まれます。
ノイズとサンプリング: ランダムにサンプリングしているため、計算回数が少ないと画像に「ノイズ（ざらつき）」が発生します。このノイズを減らすためには、ピクセルあたり数百、数千といった非常に多くのレイをサンプリングする必要があります。ここに、GPUやGPGPUといった並列計算技術が不可欠となります。

間接照明の再現性

この技術の最大の目的は、「間接照明（Global Illumination）」の正確な再現です。例えば、太陽光が白い壁に当たったとき、その白い壁自体が光源のように機能し、周囲の空間をほのかに照らします。パストレーシングは、この「壁からの反射光」や「床からの照り返し」を自動的に計算できるため、非常に柔らかく、深みのある自然な陰影と色合いを生み出すことができるのです。

しかし、その代償として計算コストは非常に高くなります。リアルタイムでの利用は長らく困難でしたが、近年のGPU性能の劇的な向上（特にリアルタイムレイトレーシング対応ハードウェアの登場）により、ゲームなどのインタラクティブな環境でも利用され始めています。

具体例・活用シーン

パストレーシングは、その計算の正確さから、特にリアリティが求められる分野で重宝されています。

1. 建築ビジュアライゼーションとデザイン

新築のマンションやオフィスビルを建てる際、設計段階で「完成したら光がどのように差し込み、影がどのように落ちるか」を正確に把握する必要があります。パストレーシングを使えば、特定の時間帯の太陽光、室内の照明、窓の外からの反射光など、すべての光の挙動を予測できます。これにより、デザイナーは実際に建物を建てる前に、最高の照明環境をシミュレーションできるのです。これは、非常に実用的な活用例といえますね。

2. 映画・アニメーション制作

CG映画やハイエンドなVFX（視覚効果）では、何年も前からパストレーシングが標準的なレンダリング手法として使われています。なぜなら、複雑なシーンや材質（ガラス、水、毛皮など）を扱う際、従来のレイトレーシングやラスタライズでは表現しきれない微妙な光の相互作用を、パストレーシングならば確実に再現できるからです。制作時間がかかっても、最終的な品質を最優先する場合に採用されます。

3. ゲームグラフィックスの最先端

かつては数時間かかっていたパストレーシングによるレンダリングが、高性能なGPUの登場と最適化技術（デノイジング技術など）の進化により、リアルタイムに近づいています。特に、PCゲームや次世代コンソールの一部では、レイトレーシングの機能の一部としてパストレーシングが導入され始めています。例えば、特定のゲームタイトルでは、パストレーシングをフル活用することで、ゲーム内の照明が劇的にリアルになり、まるで写真のような没入感を提供しています。

アナロジー：光の探偵とビリヤードの玉

パストレーシングの仕組みを理解するための良いアナロジーは、「ビリヤードの玉」の動きを追跡する物語です。

想像してみてください。あなたは画面（カメラ）の前に立っています。
従来のレンダリング（ラスタライズや簡易レイトレーシング）は、「手球が最初にポケットに入ったかどうか」だけを調べるようなものです。直接的な結果しか見ません。

一方、パストレーシングは、「手球がクッションに何回当たったか、他の玉に当たってどれだけ減速したか、そして最終的にどのポケットに入ったか」という、玉の移動の全経路（パス）を詳細に追跡する、光の探偵のようなものです。

さらに、パストレーシングが優れているのは、この探偵が「確率的に」調査を行う点です。部屋全体に何億個ものビリヤードの玉を一斉に発射し、そのうちポケットに入った玉の経路だけをランダムに選んで平均値を出す。これにより、「壁に当たって拡散した光（間接光）」や「色付きの玉に当たって色が反射した現象」までを正確に把握し、全体として非常にリアルな光景を描き出すことができるのです。この手法こそが、レイトレーシング技術の持つ物理的な正確さを最大限に引き出しているといえるでしょう。

資格試験向けチェックポイント

パストレーシングは、特に応用情報技術者試験や、高度試験におけるグラフィックス関連の問題で出題される可能性があります。階層構造「グラフィックス（GPU, GPGPU, レイトレーシング）→レンダリング技法→レイトレーシング」の文脈で、以下の点を押さえておきましょう。

レイトレーシング技術群の進化形である: 単なるレイトレーシングではなく、間接光や拡散反射を正確に扱うための高度な手法であることを理解してください。
キーワードは「間接照明（Global Illumination）」と「フォトリアリスティック」: パストレーシングの最大の利点は、光源から直接届かない光（間接光）をシミュレートし、写真のようなリアリティを実現することです。
モンテカルロ法との関連性: 計算のランダム性と統計的なサンプリングを利用している点が出題ポイントになります。この確率的な手法によって、無限の光の経路を効率的に近似計算しているのです。
計算負荷の高さ: 非常に高い計算資源（特にGPGPUによる並列処理能力）を要求する技術であり、リアルタイム化にはデノイジングなどの補助技術が不可欠である、という知識も重要です。
GPU/GPGPUの活用: 大量の光線追跡を並列処理で高速化するために、GPU（特にレイトレーシング専用コアを持つもの）やGPGPU技術が必須であることを結びつけて覚えておきましょう。