パス トレーサー

パス トレーサーは、プログレッシブなハードウェア アクセラレーションによるレンダリング モードであり、物理的に正確かつ妥協のないグローバル イルミネーション、マテリアルの反射や屈折などを使用することで、リアルタイム機能のデメリットを軽減します。パス トレーサーは Unreal Engine に組み込まれているレイ トレーシング アーキテクチャを共有しているため、クリーンでフォトリアルなレンダリングを実現しながら、追加の設定は最小限で済むか、またはまったく不要です。

「Virtual tour in Unreal Engine」。 (ARCHVYZ 制作)

パス トレーサーでは、 リアルタイム レイ トレーシング や GPU ライトマス などの他のレイ トレーシング機能と同じレイ トレーシング アーキテクチャを使用しています。 そのため、 グラウンドトゥルースの比較 やプロダクション レンダリングに最適です。パス トレーサーは、シーン内に存在するジオメトリとマテリアルのみを使用して偏りのない結果をレンダリングします。また、リアルタイム レンダリング向けに適切に機能するよう開発された、同じレイ トレーシング コードを共有することはありません。

パス トレーサーのメリット

パス トレーサーは、他のレンダリング モードと比較して以下のメリットを提供します。

• 物理的に正確な結果を伴う、高品質でフォトリアルなレンダリングを生成する機能。
• 他のオフライン レンダラの結果と比較して、最小の追加設定または追加設定不要で済む。
• 対応するリアルタイム機能との機能のギャップが低減される。たとえば、グローバル イルミネーションがある場合やパス トレーシングされたシャドウが存在する場合などにおいて、反射や屈折の中で表示されるマテリアルのレンダリングには制限がありません。
• シーケンサーおよびムービー レンダー キューと完全に統合し、映画/テレビ品質のレンダリング出力をサポート。

パス トレーシングを使用したシーン例

次のシーンは、パス トレーシングを使用して高品質なレンダリングを実現した例です。

「Virtual tour in Unreal Engine」。 (ARCHVYZ 制作)

プロジェクトでパス トレーサーを有効にする

パス トレーサーは、プロジェクトで必要なレイ トレーシング機能が有効になっている場合に利用できます。以下のシステム要件を満たし、これらの設定を有効にする必要があります。

システム要件:

• オペレーティング システム:Windows 10 1809 以降
• GPU:NVIDIA RTX および DXR ドライバ対応 GTX シリーズ グラフィック カード

プロジェクト設定:

• [Platforms (プラットフォーム)] > [Windows] > [Targeted RHIs (ターゲットの RHI)]:DirectX 12
• [Engine (エンジン)] > [Rendering (レンダリング)] > [Ray Tracing (レイトレーシング)]:[Ray Tracing] を有効にする

• [Engine] > [Rendering] > [Optimizations (最適化)]:[Support Compute Skin Cache (スキン キャッシュの計算をサポート)] を有効にする

  プロジェクトでレイ トレーシングが有効になっている場合、 Support Compute Skin Cache を有効にするよう求めるポップアップ ウィンドウが開きます (有効になっていない場合)。このプロパティは、レイ トレーシング機能のサポートに必要です。

エンジンを再起動して変更を反映します

パス トレーサーの制限事項

以下は、Unreal Engine のパス トレーシングにおける現在の制限事項です。

• 明るいマテリアルがあると、インテリアのレンダリング速度が低下する
  • 明るい白色など、アルベド値が 1.0 に近いマテリアルは、多数のバウンスを伴う光のパスをパス トレーサーでシミュレートする必要があるため、フレームのレンダリングにかかる時間が必要以上に長くなります。インテリアのシーンでは、光線が環境から出て終了するまでの時間が長くなる場合があるため、特にこの影響を受けやすくなります。パス トレーサーでは、ロシアン ルーレットの手法を使用して、シーンに貢献する可能性が低いレイをやがて終了します。可能な場合にはロシアン ルーレットの手法によってレイが終了されるため、シーン全体で継続的にバウンスするレイが生じる可能性はあまり高くありません。マテリアルのアルベド値が 1.0 に近い場合は、レイのパスが終了される可能性が低くなり、フレームに対するレンダリング時間を伸ばすことにつながります。
  • 実世界では、すべての入射光を反射するマテリアルは珍しく、サーフェスの外見がぼやける傾向があります。そのため、すべてのディフューズ マテリアルのベース カラーは 0.8 未満に維持することをお勧めします。
• 動的なシーン要素
  • パス トレーサーは、時間の経過とともにレンダラーによってサンプルを蓄積することで機能します。これは、スタティックなシーンに最適です。また、動くライト、アニメートされたスキン メッシュ、ビジュアル エフェクトなどの要素を含む動的なシーンにはあまり適していません。この種の要素によってパス トレーシングがエディタで無効になることはなく、フレーム内でアーティファクトがぼやけたり筋状の表示になったりします。これは、エディタで作業し、ムービー レンダー キューを使用して修正し、最終的な要素をレンダリングした場合にのみ表示されます。
• Ray Tracing Material Quality Switch ノード
  • Ray Tracing Quality Switch ノードを使用してマテリアルの複雑さを低減し、レイ トレーシング用にマテリアルを最適化すると、ランタイム時の負荷を抑えることができます。これにより、Unreal Engine のレイ トレーシング機能ではディファード レンダラと比較して単純なマテリアルを使用できます。しかし、パス トレーサーはレイ トレーシングを使用するため、カメラで撮影できるサーフェスでも、この近似は直接表示され、出力レンダリングの品質が損なわれます。そのため、パス トレーサーを利用したい場合は、マテリアル グラフからこれらのノードを除去することでメリットを得られる場合があります。この制限事項は、Unreal Engine の今後のバージョンでなくなる予定です。

特定の機能の詳細と注釈については、このページの「サポートされている機能」セクションを参照してください。

レベル エディタでパス トレーサーを使用する

[View Mode (ビュー モード)] ドロップダウン メニューを使用して [Path Tracing (パストレーシング)] を選択し、レベル ビューポートのパス トレーサーを有効にします。

有効にすると、レンダラは、カメラが動いていないときにサンプルの追加を続けることで、サンプルをプログレッシブに蓄積します。目標のサンプル数に到達すると、フレームのノイズ削減が実施され (ポスト プロセス設定でデノイジングが有効になっている場合)、レンダラ内に存在する残りのすべてのノイズが削除されます。

ほとんどの場合、シーンを変更するとサンプルが無効になり、プロセスが再起動します。カメラを移動したり、ビューを変更したり、オブジェクトのマテリアルを更新したり変更したり、シーンにオブジェクトを移動したり追加したりすると、シーンのサンプルが無効になります。

パス トレーサーはインタラクティブに使用でき、サンプルが蓄積されると、シェーディング カラーを持つピクセルの表示をすぐに開始できます。レンダリングにかかる時間は、サンプリングするシーンやマテリアルの複雑さに大きく左右されます。屋外のシーンでは、レイはバウンスが少なく高速で出ていくため、比較的迅速にレンダリングされる傾向があります。インテリア シーンでは、特にマテリアルのアルベド値が 1.0 に近い場合、ライト パスが長くなります。その結果、レンダリング時間は長くなります。

ポストプロセス ボリュームのパス トレーサー設定

レベルに配置されたポスト プロセス ボリュームは、パス トレーサーの構成可能なプロパティを提供します。これには、ライトのバウンスの最大数、ピクセルあたりのサンプル、アンチエイリアス品質 (またはフィルタ幅) などがあります。

PathTracing カテゴリの [Post Process Volumes Detail (ポストプロセス ボリュームの詳細)] パネルに、パス トレーサーの設定があります。

ムービー レンダー キューでパス トレーシングされたレンダリング

このセクションでは、ムービー レンダー キューを使用し、パス トレーシングされたレンダリング出力を生成する方法の詳細について説明します。一般的な使用法やワークフローの情報については、続行する前に「ムービー レンダー キュー」を参照してください。

ムービー レンダー キュー (MRQ) は、プロダクション パイプラインで高品質なレンダリング出力を生成する際に便利です。パス トレーサーと組み合わせて使用すると、組み合わせない場合よりも大幅に品質の高いレンダリングが可能になります。

Path Tracer モジュールは、レンダリングされたフレームを出力するためにパス トレーサーの使用を有効にし、レンダリング パスに固有の設定をいくつか提供します。

レベル内に配置された Post Process Volumes も、レイの最大バウンス数、エミッシブ マテリアルのサポート、露出などの特定のパス トレーシング機能を制御します。

MRQ はまた、高品質なレンダリングを実現するため、追加のコントロールやオプションを備えた他の設定モジュールを含んでいます。

• High Resolution モジュールは、フレームを別のタイルとしてレンダリングする設定を提供します。このタイルを組み合わせることで、他の方法よりも高い単一フレームの解像度でレンダリングできます。個々のタイルは、お使いのグラフィック カードによってサポートされている最大解像度 (RTX 3080 カードの場合は 7680x4320 など) までで利用できます。
• Anti-aliasing モジュールは、ピクセルあたりのサンプル数を調整するため、およびモーション ブラー品質を高めるための特定の設定を提供します。このモジュールは、レベルのロードやビジュアル エフェクトでシーンを正確にレンダリングするのに必要なウォームアップ時間を提供します。
  • Temporal Sample Count は、時間内でわずかにオフセットが設定されたインスタンスの複数のレンダリングされたフレームを補間し、モーション ブラーの品質を改善します。このサンプルの蓄積はノイズ除去後に実行され、個々の空間パスからの残存アーティファクトの安定化に役立ちます。
  • Spatial Sample Count は、フレームごとに使用するピクセルあたりのサンプル数を設定します。ピクセルあたりのサンプル数を増やし、各フレームのレンダリングに必要な時間を増やしながら、各レンダリング パスに存在するノイズを低減します。ピクセルあたりのポストプロセス ボリュームのサンプル数は、MRQ 出力のこの設定に影響しません。
  • ピクセルあたりの取得されるサンプルの合計数は、空間サンプル数と時間サンプル数の積です。時間と空間の両方にサンプルが分散していると、より良い結果を得られる場合があります。たとえば、ピクセルあたり 16 のサンプルを使用する場合、空間サンプルで 4 個、時間サンプルで 4 個適用したり、空間サンプルで 16 個、時間サンプルで 1 個適用したりできます。
• Console Variables モジュールを使用すると、レンダリング フレームに関連するコンソール変数を追加できます。これには、品質のオーバーライド、またはパス トレーサーに関連する可能性のある一部の設定の切り替えが含まれます。
• Output モジュールは、出力ディレクトリ、ファイル名、画像の解像度、レンダリングする開始/終了フレームを構成するための設定を提供します。

追加情報

パス トレーシング モードは、Unreal Engine 内の他のレンダリング方式の一部とは機能が異なります。つまり、リアルタイム レンダリングで適切に機能するものでも、パス トレーシングを使用したレンダリングでは最適な動作にならない可能性があります。次のセクションでは、これらの不整合や一般的な問題、およびパス トレーサーの成果を改善するために実行できる手順について説明します。

ファイアフライ アーティファクトを低減する

パス トレーサーは、マテリアルのプロパティに従ってレイをランダムに追跡し、ライトのシミュレーションを実行します。シーンの明るい領域が検出される可能性が低い場合、結果のサンプルは過度に明るくなり、光の斑点 (ファイアフライ) が発生してフレーム内に表示されたり消えたりする場合があります。パス トレーシングでは、これらのエフェクトの共通の発生源に最もなりやすいものが最小化されますが、一部のシナリオではそれでも発生する場合があります。

パス トレーシングされた結果がブルーム ポストプロセス パスと組み合わさると、結果のピクセルは表示されたり消えたり、明るくなったり暗くなったりするため、非常に目につきやすくなります。

ポスト プロセスの設定である Max Exposure Path はレンダリングされたパス トレーシング済みのシーン内で使用される最大露出を制御します。ポスト プロセスの [Max EV100 (最大 EV100)] ([Lens (レンズ)] > [Exposure (露出)] セクション) の設定により、現在のシーンの露出よりも露出を数段階大きくすると、ファイアフライが発生する可能性が低くなります。

ノイズ除去

サンプル数が大きい場合でも、パス トレーサーではレンダリングされたフレームにわずかな残存ノイズが常に発生します。ポストプロセス ボリュームの設定内のノイズ除去オプションは、 Intel の Open Image Denoise ライブラリを利用して最後のサンプルからノイズを除去します。

このノイズ除去機能は CPU で実行され、現時点ではインタラクティブなノイズ除去を目的として設計されておらず、長期間実行されるフレームの品質改善に活用するためのものです。現時点で時間的な整合性は保証されておらず、安定した出力を得るにはピクセルあたりのサンプル数を比較的大きくする必要があります。ムービー レンダー キューを使用している場合、時間的な安定性は、 [Anti-aliasing (アンチエイリアス)] 設定モジュールの [Temporal Sample Count (テンポラル サンプル数)] を設定することで改善することもできます。

パストレーサーを使用したスカイライト

スカイライトは、2 つの方法で処理します。スカイ マテリアルを適用した従来のスカイボックスを使用する方法、またはスカイ ライトの リアルタイム キャプチャ モードを使用してシーン内の空、大気、および雲をキャプチャする方法です。

スカイボックスを使用して空を表現する場合、パス トレーサーと適切に連携するように、メッシュおよびマテリアルにいくつかの設定を行う必要があります。まず、スカイ マテリアルでは、フラグ Is Sky がマテリアルの [Details (詳細)] パネルの設定で有効になっている必要があります。これによって、シーン内にスカイ ライトが存在する場合に、スカイボックス マテリアルのイルミネーションが二重にカウントされることがなくなります。また、仮に二重にカウントされてしまった場合にも、発生するノイズの量が低減される可能性があります。

レベルでスカイボックス アクタを選択し、 [Details] パネルを使用して [Cast Shadows (シャドウをキャスト)] を無効にし、シーン内のスカイ ライトとディレクショナル ライトからの寄与がメッシュに遮られないようにします。

あるいは、スカイ ライトの リアルタイム キャプチャ モードを有効にすることで、 Sky Atmosphere システムおよび Volumetric Clouds システムからのライトの寄与を取得できます。スカイライトの表現におけるスカイボックス、Sky Atmosphere、および Volumetric Clouds の取得に関するこの制限により、解像度はスカイ ライトの キューブマップの解像度 によって異なります。

Lower Hemisphere Is Solid Color を有効にして Lower Hemisphere Color を設定しない限り、地平線の下の領域は黒く見えます。

デフォルトの Lower Hemisphere Color と設定した色。

光源の直接的な可視性

厳密でない光源 (ソース半径が設定されたポイントライト、矩形ライト、スカイ ライトなど) は、デフォルトでカメラのレイに対して直接表示されないようになっています。この例外となるのが、 リアルタイム キャプチャ が有効になっているスカイ ライトです。

スカイボックスのジオメトリ、およびスタティックな (または指定した) キューブマップと組み合わせる場合、スカイライトは通常、カメラ レイで表示されることはありません。コンソール変数 r.PathTracing.VisibleLights 1 を設定することで、これを変更できます。

表示されるライトのコンソール変数が有効になっているかどうかにかかわらず、反射と屈折においてすべての光源が表示されるようになります。これにより、光源がすべてのレイ パスに確実に表示されます。ただし、予期しない動作が発生する場合があります。たとえば、矩形ライトをガラスの窓のすぐ後ろに配置するとそのライトは表示されますが、窓を通した表示はブロックされます。これは、屈折率が 1 でない屈折の場合にのみ起きることです。

パス トレーサーを使用したガラスのレンダリング

パス トレーサーを使用し、指定した厚さのガラスをレンダリングするには 2 つの方法があります。サーフェスの物理的なプロパティに基づいて正確な物理的外観を実現するいくつかの値を使用する方法と、芸術的な方向性で制御を向上するものの、物理的な正しさには多少欠ける追加のプロパティを使用する方法です。これらはどちらも、ガラスのようなマテリアルにパス トレーサーを使用して高い品質を実現する場合に適切かつ有効な方法です。

物理的に正確な結果を得る方法では、以下の例のように、いくつかの値とパラメータをマテリアルに設定するだけで実現できます。

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芸術的な方向性で制御を向上する必要がある状況では、ベース カラーを調整するとガラスの反射に色合いを付けることができます (ただし、シャドウには付けません)。また、Fresnel を Opacity の入力に接続すると、反射のフォールオフをより詳細に制御できます。

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近似コースティクス

パス トレーサーは近似コースティクスのパスを使用し、特にガラスやメタル サーフェスのラフネス値が低い場合にノイズを低減します。この種のマテリアルの場合、反射率が高いコースティクスではさまざまなパターンが生じ、ノイズのないイメージに収束するには現実的でない画像やサンプル数がかかる可能性があります。

これはたとえば、レンダリングおよびサンプルの蓄積プロセスで画像が順に取得され、処理が完了し、ノイズが除去された結果から最終的な画像が取得された場合などです。

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通常、コースティクスはノイズのない結果に収束するまで長い時間がかかるため、パス トレーサーではコンソール コマンド r.PathTracing.ApproximateCaustics 1 を使用し、画像内に表示されるコースティクスの近似を実行することで画像のノイズを低減します。この変数はデフォルトで有効になっています。

さらに考慮するべき要素として、屈折率の高いコースティクスと近似コースティクスの違いがあります。ノイズ除去機能を使用すると、収束するのに十分な時間をかけた場合のコースティクスの表示をプレビューできますが、近似コースティクスを使用すると、はるかに短時間で制作に利用しやすい画像を得ることができます。

Thin Translucency シェーディング モデル

Thin Translucency シェーディング モデルは、近似コースティクスを使用し、厚いガラスに適切に着色された半透明のシャドウで物理的に正確な結果を実現するのに便利です。

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1 つ注意すべき点としては、各インターフェースが一意のガラスとして処理されることです。つまり、シェーダーによって屈折は計算されず、オブジェクトは固体のジオメトリというよりは泡のような外観になります。

粗いライトの透過と反射

パス トレーサーは、粗い反射に加え、粗い透過のレンダリングを可能にする点がユニークです。さらに、パス トレーサーはこれらのシェーダー パラメータを組み合わせています。

以下の例では、ガラス マテリアルのラフネス値によって異なる近似コースティクス、反射の粗さ、キャストされる半透明のシャドウを示します。

スライダをドラッグすると、ガラス マテリアルが粗さのない状態から一定の粗さの間で変化します。ラフネス値の範囲は、0 ～ 0.2 です。

便利なコンソール変数

パス トレーサーを使用する場合に、有効にすると便利なコンソール変数の一部を以下に示します。

サポートされているパス トレーサーの機能

パス トレーサーの制限事項となるのは、現在の実装の制限事項か、またはサポートされる予定がない機能のいずれかです。このリストは現時点でサポートされている内容を示すものです。エンジンのすべてのサポートされる機能/プロパティの包括リストではありません。

パス トレーサーは、Unreal Engine の リアルタイム レイ トレーシング 機能と同じコードを共有しています。通常、リアルタイム レイ トレーシングでサポートされている機能はパス トレーサーでもサポートされています。