概要

分析用途

mental ray 3.6+ のライブラリにライティング分析用のツールが新たに加わりました。標準の CIE スカイ モデル（晴天と曇天の両方）用の新しいシェーダが追加されています。このシェーダは、グレースケール（カラーなし）で、視覚的に魅力的なイメージを生成するためというよりも、分析用に使用します。詳細は、CIE スカイを参照してください。また、mia_physicalsky シェーダが、Perez スカイ モデルの分析関連パラメータと mia_physicalsun の明示的な照度パラメータと共に強化されています。

一般的な概要

屋内ショットの精度を向上させするために、空と mia_portal_light シェーダを組み合わせることができます（スカイ ポータルを参照）。

単位

このほかに、rgb_unit_conversion を 0.318 0.318 0.318 に設定する方法があります。最終的なレンダリング イメージのピクセルは（mia_material またはシェーディング変換に従うシェーダを使用してレンダリングされた場合、および mi_luminance 関数を介して送られた場合）、実際の測光量の輝度値（カンデラ/平方メートル単位¹）です。

これらの実際の輝度値は、フォトグラフィックなトーン マッパ（トーン マッパを参照）に対する入力として使用するのに最適です。

高速 SSS、太陽、空に関する重要事項

共通パラメータ

• haze（かすみ）は、空気中のかすみの量を設定します。範囲は 0（完全な晴天）～ 15（極度な曇天、またはサハラ砂漠の砂嵐）です。かすみは、空と水平線の強度とカラー、太陽光の強度とカラー、日陰の柔らかさ、太陽の周囲のグローの柔らかさ、空気遠近法の強度に影響します。

  Haze（かすみ）= 0

  Haze（かすみ）= 3

  Haze（かすみ）= 8

  Haze（かすみ）= 15

• redblueshift（赤／青シフト）は、光の"赤み"を芸術的な見地でコントロールします。デフォルト値の 0.0 は物理的に正確な値²ですが、このパラメータを -1.0（極端な青）～ 1.0（極端な赤）の範囲に設定して変更できます。

  redblueshift（赤／青シフト）= -0.3

  redblueshift（赤／青シフト）= +0.3

• saturation（彩度）も芸術的なコントロールで、物理的に計算された彩度レベルは 1.0 です。このパラメータの範囲は 0.0（白黒）～2.0（極端に高い彩度）です。

太陽のパラメータ

declare shader "mia_physicalsun" (
        boolean "on"                   default on,
        scalar  "multiplier"           default 1.0,
        color   "rgb_unit_conversion"  default 0.0001 0.0001 0.0001,
        scalar  "haze"                 default 0.0,
        scalar  "redblueshift"         default 0.0,
        scalar  "saturation"           default 1.0,
        scalar  "horizon_height"       default 0.0,
        scalar  "shadow_softness"      default 1.0,
        integer "samples"              default 8,
        vector  "photon_bbox_min",
        vector  "photon_bbox_max",
        boolean "automatic_photon_energy",
        boolean "y_is_up",
        integer "illuminance_mode"           default 0,
        scalar  "direct_normal_illuminance"  default 0.0
    )

    version 6
    apply light

end declare

空のパラメータ

mia_physicalsky シェーダは、大気圏の天空を表現するカラー グラデーションを作成するために使用し、ファイナル ギャザリングまたはスカイ ポータル（スカイ ポータルを参照）と共にシーンを照明するために使用します。mia_physicalsky を環境シェーダとして使用する場合、空がカメラに表示され、反射に現れます。

mia_physicalsky を使用して、モデルの"下部"にある仮想地表プレーンを作成することもできます。これにより、実際に地平線までのジオメトリをモデリングする必要がなくなります。仮想地表プレーンは、地面の外観と地面からのバウンス ライトの両方を提供します。

declare shader "mia_physicalsky" (
        boolean "on"                  default on,
        scalar  "multiplier"          default 1.0,
        color   "rgb_unit_conversion" default 0.0001 0.0001 0.0001,
        scalar  "haze"                default 0.0,
        scalar  "redblueshift"        default 0.0,
        scalar  "saturation"          default 1.0,

        scalar  "horizon_height"      default 0.0,
        scalar  "horizon_blur"        default 0.1,
        color   "ground_color"        default 0.2 0.2 0.2,
        color   "night_color"         default 0 0 0,

        vector  "sun_direction",
        light   "sun",   

        # The following parameters are only useful
        # when the shader is used as environment
        scalar  "sun_disk_intensity"  default 1.0,
        scalar  "sun_disk_scale"      default 4.0,
        scalar  "sun_glow_intensity"  default 1.0,

        boolean "use_background",
        shader  "background",

        # For the lens/volume shader mode
        scalar  "visibility_distance",

        boolean "y_is_up",
        integer "flags",

        integer "sky_luminance_mode" default 0,
        scalar  "zenith_luminance"               default 0.0,
        scalar  "diffuse_horizontal_illuminance" default 0.0,

        # Perez model luminance distribution parameters
        scalar  "a",
        scalar  "b",
        scalar  "c",
        scalar  "d",
        scalar  "e"
    )

    version 5
    apply environment, texture, lens, volume

end declare

• on（オン）はシェーダのオンとオフを切り替えます。デフォルトは on です。

• multiplier（乗数）は光の出力用のスカラー乗数です。デフォルトは 1.0 です。

• rgb_unit_conversion（RGB 単位変換）を使用すると、単位を設定できます。詳細は上記を参照してください。特別な値 0 0 0 に設定すると、80,000 lux（晴れた日の光レベル）は出力レベル 1 に相当し、ロー ダイナミック レンジのレンダリングに適しています。

• horizon_height（水平線の高さ）は水平線の"レベル"を設定します。デフォルト値 0.0 を使用すると、水平線は標準の"高さ"に配置されます。ただし、水平線は無限に遠ざかるため、地面を表現する有限のジオメトリと結合すると問題が発生する可能性があります。また、山頂やニューヨークの超高層ビルなど、高地に位置する場所をレンダリングする場合（水平線が実際には見る人の視点より"下"の位置にある場合）にも問題が発生する可能性があります。

  このパラメータを使用すると、水平線の位置を調整できます。水平線は実際に 3D 空間の特定の"高さ"に存在するわけではありません。特定の角度より下に沈む光線のシェーディング エフェクトです。このパラメータは、この角度を調整します。使用可能な範囲は極端で、-10.0（水平線は"天底: 観測点の真下"）～ 10.0（水平線は天頂: 観測点の頭上）です。実用的な値は小さい数値のみです。たとえば、-0.2 に設定すると、水平線は有限で可視の地表プレーンのエッジの直下に下がります。

  注: horizon_height は、mia_physicalsky シェーダの水平線の視覚表現だけでなく、mia_physicalsun 自体のカラーにも影響します。太陽が "沈む" 地点は、実際にはゼロ以外の horizon_height に変化します。

• horizon_blur（水平線ブラー）は水平線をレンダリングする場合の"ぼかし"を設定します。0.0 に設定すると、水平線は完全にシャープになります。一般に、低い値（0.5 未満）を使用しますが、最大で 10.0 まで設定できます。この場合、水平線はブラーのみで構成され、実質的には水平線ではなくなります。

  horizon_height（水平線の高さ）= 0.0、horizon_blur（水平線ブラー）= 0.0

  horizon_height（水平線の高さ）= -0.3、horizon_blur（水平線ブラー）= 0.2

• ground_color（地表カラー）は、仮想地表プレーンのカラーです。これは拡散反射値（アルベド）であるという点に注意してください。地面は、この拡散カラーが設定された均等拡散反射のように見えます。太陽と空のみによって照明され、シャドウは受けません。

  赤色の地面

  緑色の地面

  上のイメージで、地面からのバウンス ライトが家の壁にどのように色合いを付けているかに注目してください。また、仮想地表プレーンはシャドウを受けていない点に注目してください。

  多数の空のモデルは、空のみがシーンを照明しているという前提のもと、地面からのバウンス ライトによる影響を無視します。たとえば、mia_physicalsky の出力と IES スカイ モデルとを比較するには、ground_color を黒に設定する必要があります。

• night_color（夜のカラー）は空の最小限のカラーです。空はこの値より暗くなることはありません。日没後に輝く、月、星、高層の巻雲などを追加するのに便利です。太陽が沈み、空が暗くなっても、night_color のエフェクトは影響を受けず、"基本の光レベル" として維持されます。

• sun_direction（太陽の方向）は、手動で指定した場合の太陽面の方向です。sun（太陽）パラメータが使用されている場合、このパラメータは無視されます。

• sun は太陽の方向を自動的に設定する手段です。太陽を表現するディレクショナル ライト（mia_physicalsun シェーダが設定されたライトと同じ）を含むライトのインスタンスのタグです。これにより、可視の太陽面は実際の太陽光の方向に自動的に従います。

• 空気遠近法 は、遠くのオブジェクトほどかすんで見え、色合いがスペクトラムの端にある青色に近くなるということを指す絵画の用語です。mia_physicalsky では、これを visibility_distance（可視性距離）パラメータを使用してエミュレートします。ゼロ以外の値を設定すると、10％ の可視距離が定義されます。すなわち、haze レベル 0.0 の 10 のかすみが可視状態になる距離です。

  このエフェクトを使用するには、シェーダを レンズまたはカメラ ボリューム シェーダとして適用する必要があります。

• y_is_up（Y アップ）は "上" 方向を向く要素を定義します。mental ray の OEM 統合製品の一部では、Z 軸を "上" とみなすため、このパラメータをオフにする必要があります。それ以外の Y 軸を "上" とみなす製品では、このパラメータをオンにする必要があります。

• flags（フラグ）は将来的な拡張機能で、テストや内部アルゴリズムのコントロールです。ゼロに設定する必要があります。

• sky_luminance_mode（空の輝度モード）がゼロの場合、空の輝度は haze レベル、太陽の位置などに基づいて自動的に計算されます。この値はシェーダの以前のバージョンとの互換性があります。

  ただし、sky_luminance_mode がゼロ以外の場合、天空全体の輝度の配分はPerez モデルに従います。a、b、c、d、e という名前の 5 つのパラメータによって定義されます。そのため、このモデルを使用するには、Perez 係数の有効なセットが必要です （ただし、天空全体のカラー配分は、haze パラメータによって定義されます）。

  sky_luminance_mode が 1 の場合、空の輝度は zenith_luminance（天頂の輝度）パラメータ（カンデラ/平方メートル単位）か、または既知の diffuse_horizontal_illuminance（拡散水平輝度）値（ルクス単位）のいずれかを設定して定義します（両方を設定しないようにしてください）。

  sky_luminance_mode が 2 の場合、天頂の輝度は CIE クリアスカイ モデルから算出されます。

mia_physicalsky シェーダはレイを異なる方法で扱うという点に注意してください。カメラからの直接レイ、反射レイ、屈折レイは、以下で説明する "sun disk（日輪）" を含むエフェクト "全ての"エフェクトを認識します。しかし、ライティングには既に太陽を表現する直接光（mia_physicalsun シェーダを使用）が含まれているため、sun disk はファイナル ギャザーのレイに対して不可視です³。

これらのパラメータは、ファイナル ギャザリング結果には影響を与えません。"目に見える"結果のみ（カメラが捉えるものと、反射と屈折に現れるもの）に影響します。

• sun_disk_intensity（日輪の強度）と sun_glow_intensity（太陽のグロー強度）は、可視の日輪と太陽のグローの強度で、太陽の"外観"を調整するために使用します。

  sun_glow_intensity（太陽のグロー強度）= 5

  sun_glow_intensity（太陽のグロー強度）= 0.1

• sun_disk_scale（日輪のスケール）は可視の太陽面のサイズを設定します。値 1.0 は"物理的に正確な"サイズですが、人間の目は写真の中の太陽のサイズを適切に判断しない傾向にあるため、デフォルト値は若干視覚的な感覚に近い 4.0 です。

  sun_disk_scale（日輪のスケール）= 1

  sun_disk_scale（日輪のスケール）= 4

• use_background（バックグラウンドの使用）が有効で、background（バックグラウンド）が設定されていない場合、レンダリングの背景は透明な黒になり、外部での合成にはこの設定が適しています。background シェーダが提供されている場合、レンダリングの背景はそのシェーダから取得されます（たとえば、実際の場所や類似した場所の背景写真を参照するテクスチャ シェーダなど）。いずれの場合も、mia_physicalsky は屈折と反射に表示されます。

CIE スカイ モデル

declare shader "mia_ciesky" (
        boolean "on"                  default on,
        color   "rgb_unit_conversion" default 0.0001 0.0001 0.0001,

        # Luminance parameters
        boolean "auto_luminance"                 default on,
        scalar  "zenith_luminance"               default 0.0,
        scalar  "diffuse_horizontal_illuminance" default 0.0,

        # CIE specific parameters. 0 = clear sky, 1 = overcast
        scalar  "overcast"            default 0.0,

        # Sun direction
        vector  "sun_direction",
        light   "sun",   

        # Y vector
        boolean "y_is_up",
    )

    version 1
    apply environment, texture
end declare

シェーダは、多数のパラメータを mia_physicalsky と共有します。たとえば、on、rgb_unit_conversion、sun_direction、y_is_up パラメータなどがあり、これらのパラメータは両シェーダで同様に機能します。詳細は、mi_shader__mia_physicalsky を参照してください。

以下のパラメータは mia_ciesky シェーダに固有です。

• auto_luminance。オンの場合、空の輝度は zenith_luminance パラメータ（カンデラ/平方メートル単位）、または既知の diffuse_horizontal_illuminance 値（ルクス単位）のいずれかを設定して定義します（両方を設定しないようにしてください）。

• overcast がゼロの場合、CIE クリア スカイ モデルが使用されます。overcast が 1.0 の場合、CIE オーバーキャスト モデルが使用されます。中間の値の場合、2 つのモデルのリニア補間が使用されます。

スカイ ポータルと環境ポータル

問題点

解決策

これらのすべての問題を解決するために、まずポータル ライトの概念について説明します。ポータル ライトは（矩形の）エリア ライトで、これを窓に配置します。適切な強度とカラーを、窓の外の空（mia_physicalsky などの環境シェーダ）と、その空を "確認" できる範囲⁴から取得します。

実際には、ポータル ライトは "FG 集光器" のように動作するため、シーン全体に数千単位の FG レイを照射して窓を "見つける" 必要がありません。ポータル ライトは実際に FG レイを遮断し、窓の外側から入射する光を直接光に変換し、高精度なエリア シャドウを生成します。そのため、補間に関連する問題は発生しません。

FG は、黒い部屋ではなく十分照明された部屋を認識することになるため、FG レイの数を大幅に少なくすることができます。さらに、窓から入射する光は直接光になるため、"無償で"追加の光の跳ね返りを 1 つ得ることができます。

mia_portal_light

さらに、mental ray のライトのインスタンスは、長方形のエリア ライトがライト自体の座標空間の X/Y 平面で延長されるように設定する必要があります。また、ライトの変換はライトのインスタンスの変換で処理される必要があります⁵。

以下のパラメータがあります。

declare shader "mia_portal_light" (
        boolean "on"                     default on,
        scalar  "multiplier"             default 1.0,
        color   "tint_color"             default 1 1 1,
        boolean "reverse"                default off,
        scalar  "cutoff_threshold"       default 0.005,
        boolean "shadows"                default true,
        boolean "use_custom_environment" default off,
        shader  "custom_environment",
        boolean "visible"                default off,
        boolean "lookup_using_fg_rays"   default on,
        scalar  "shadow_ray_extension"   default 0.0,
        boolean "emit_direct_photons"    default off,
        color   "transparency"           default 1 1 1
    )
    version 9
    apply light, emitter
end declare

on（スカイ ポータルの有効化）はライトを有効または無効にします。

multiplier（強度乗数）は強度を設定し、tint_color（カラーマルチプライヤ）はライトのカラーを変更します。カラーが白で multiplier が 1.0 の場合、放出されるライトの強度（およびカラー）は FG が認識した環境ライト（多数の FG レイを投射することが可能な場合）と等しくなります⁶。

ライトは通常、ライトのインスタンスの座標空間の正 Z 方向に照射します。reverse（反転）がオンの場合、負 Z 方向に照射します。

cutoff_threshold（遮断しきい値）は、パフォーマンス最適化オプションです。このレベルより下のライトは無視され、（エリア ライトのレンダリングに長時間かかる）シャドウ レイはトレースされません。もちろん、ライトが無視されるため、シーンは少し暗めになりますが、膨大なレンダリング時間を大幅に短縮できます。

shadows（シャドウ）はシャドウのオンとオフを切り替えます。

use_custom_environment（カスタム環境の使用）がオフの場合、シェーダはライトのカラーをグローバル カメラ環境から取得します。オンの場合、custom_environment として渡されたシェーダを呼び出してカラーを取得します。

ヒント: シェーダは環境に対するポータルとして機能しますが、custom_environment としてソリッド カラーを返すシェーダを配置することによって"ライト カード" として扱うこともできます。たとえば、mib_blackbody は、特定の色温度のライト カードを作成します。

use_custom_environment がオンで、custom_environment が実際に渡されない場合、シェーダは白いライト カードとして動作します。

visible（可視）は、光を放出するサーフェスが可視かどうかを定義します。オフの場合、視点からのレイ、反射レイなどは通過し、ポータル ライト自体は非表示のままになります（窓の外を "見る" ことができます）。オンの場合、実際に光を放出するサーフェスは視点からのレイ、反射レイなどに対して可視になります（環境シェーダの結果を "見る" ことはできますが、窓の外を "見る" ことはできなくなります）。オンモードは、mia_portal_light をライト カード シェーダとして使用する場合に便利です。

lookup_using_fg_rays（ファイナル ギャザー レイを使用した参照）がオフの場合、環境シェーダは通常の mi_trace_environment() の呼び出しで参照されます。ただし、一部のシェーダは、FG レイまたはその他のレイによって呼び出される場合、別の動作をします（たとえば、mia_physicalsky シェーダは、FG レイに対して可視の太陽の "イメージ" を表示しません）。mia_portal_light の目的は、"FG 集光器" として機能することであるため、その動作に従う必要があります。lookup_using_fg_rays がオンの場合、レイのタイプが miRAY_FINALGATHER に設定された環境を呼び出し、これに基づいて動作を切り替えるシェーダが FG レイに適したカラーを返します。

shadow_ray_extension（シャドウ レイの拡張）がゼロの場合、シェーダはライトの "位置から" シャドウ レイのトレースを開始します。正の値の場合、シャドウ レイはその距離を "屋外" で開始します。大きなオブジェクトが窓のすぐ外にある場合、そのオブジェクトのシャドウが考慮されます。反対に、負の値の場合、シャドウ レイはその距離を窓の内側で開始します。こうすると、必要以上にシャドウを込み入らせてしまう可能性のある、窓付近のジオメトリ（花、カーテンなど）を "スキップ" することができます。

emit_direct_photons（直接フォトンの放出）がオンの場合、ライトは直接的なフォトンを照射するだけで、実際にはまったく間接光を放出しません。

transparency（透明度）パラメータには 2 つの機能があります。

• visible がonの場合、エリア ライトの "可視カラー" に対する乗数として機能します。これが白の場合、直接 "目に見える" カラーは、物理の法則によって決定された、その量のライトを放出するサーフェスのカラーになります。

  パラメータを白から変更すると、目に見える結果（このパラメータを変更することによって変更される）と放出されたライトの強度（このパラメータによる影響を受けない）の間のバランスを意図的に変更できます。これはノイズの防止に役立ちます。

• visible がoffの場合、エリア ライトの透明度を定義します。

  これにより、mia_portal_light シェーダが窓に貼り付けられた "ジェル" としての役割も兼任し、屋外で見られるライトの強度を抑制し、露出過度や白とびを防止できます。実際に放出されるライトの強度はこの影響を受けません。また、窓を通過するその他の光線の強度にも影響しません。屈折または反射などに現れる、目に見えるものに対してのみ影響します。

例

以下のシーン⁷を使用します。

ポータル ライト、GI、FG を使用したシーン

シーンは、太陽と空のシェーダによって照明されているだけで、屋内に光源はありません。

ポータル ライトを使用しない

ポータル ライトを使用する

左は、ポータルを使用しない場合に FG が認識する超高コントラストなシーンですが、右は非常にバランスの取れたシーンです。単に微細な直接光で満たされているだけではありません。空自体が FG に対して不可視なので、高コントラストな領域を照射する負担がなく⁸、ファイナル ギャザリングで発生する問題はほぼ解消されます。

ポータル ライトが直接光である場合の 2 番目の特徴は、FG をオンに戻した場合、"無償で" 光が 1 度バウンスすることです。

ポータル ライトによって、無償で 1 度バウンスする空のライティング

FG レイのバウンスを 1 に設定しているにもかかわらず、窓の内側の壁で天空光が跳ね返っている点に注意してください。

ポータル ライトと 3 度の拡散バウンスを使用

GI（フォトン）を使用

複数の拡散バウンスをオン（左）にすると、イメージにリアルさ加わります。GI（フォトン）をオンにすると、ポータル ライトが実際にフォトンを投射するため、非常にバランスの取れたイメージが生成されます。太陽光が跳ね返ることによりバランスが大きく崩れることがなくなり、天空光はフォトンとして均等に跳ね返ります。

最後に、屋内のライトのいずれかをオンにし、ポータル ライトの transparency パラメータを使用して屋外の景色の露出過剰に対処して最終的なイメージを取得します。

最終的なイメージ

ポータル ライトを利用することについてのまとめ

• レンダリング時間を短縮する（極度に高い FG 設定を使用する必要性を軽減する）
• シーン内のライトのバランスを維持する（環境ライトをフォトンに変換し、太陽光と同様に屋内を跳ね返らせる）
• 空の照明の精度を向上させ、滑らかな領域を滑らかにして斑点を除去し、最も微細なディテールを忠実に再現する
• ...シーンの設定時間を大幅に短縮する（調整せずに、またはわずかに調整するだけで、常にすぐに使える "最適" なイメージを生成する）

ポータル ライトによる、天空光の微妙な相互作用

脚注

1

値 0.318（1/pi）は、論理的に完全な均等拡散反射の照度/輝度の比率に基づきます。

2

6,500K の白色点に換算されます。

3

不可視でない場合、ファイナル ギャザリングでノイズが発生し、過剰な光がシーンに追加されます。

4

シェーディング ポイントから確認できる窓の範囲を区切る立体角。

5

ほとんどの OEM アプリケーションでは、mental ray エリア ライトのインスタンスは既にこのように設定されています。

6

FG フィルタが 0 の場合は、非バイアス モードです。

7

サンプルのシーン ジオメトリの大部分は、Giorgio Adolfo Krenkel の好意によって提供されています。

8

ただし、太陽による床上の光の集合部分を直接照射する FG レイは高コントラストな領域を認識します。