GPUの「レイトレーシング処理」改良の歴史をひもとく【GeForce RTX 40シリーズ編】：レイトレーシングが変えるゲームグラフィックス（第6回）（4/5 ページ）

主にPCゲームで使われるグラフィックス回りについて解説する連載を、約1年ぶりに再開。3回（予定）に分けて、GPUにおけるリアルタイムレイトレーシング（RT）処理がどのように改良されていったのか見ていこうと思う。今回は、NVIDIAの「GeForce RTX 40シリーズ」における改良だ。

[西川善司，ITmedia]

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改良ポイント3：Displaced Micro-Mesh Engineの搭載

　突然だが、ここで問題。ある3Dシーンのポリゴン数が100倍になった場合、レイトレーシングの処理にかかる負荷はどのくらい増加するだろうか？

　単純に考えれば「100倍！」と答えたくなる所だが、実際はそこまで増えないという。NVIDIAによれば、「レイのトラバース処理とインターセクション処理なら、せいぜい2倍程度しか増えない」という。

　100倍の数のポリゴンを、わずか2倍の負担増で処理できてしまう――これは、リアルタイムレイトレーシング技術ではBVHを使って3Dシーンを階層として管理しているからだ。

　BVHを構成する基本要素は、当該の3Dモデル全体を覆える最小体積の直方体（Box）だ。Boxは3D座標軸に平行／垂直な向きにそろえられた「Axis Aligned Bounding Box（AABB」構造になっており、こうした構造体は「Acceleration Structure（AS）」と呼ばれる。

　レイはトラバース（推進）したら、BVHを参照した上で、衝突の有無をAABB単位で判定する。BVHはAABBによる階層構造になっていて、実際の衝突判定は最下層のAABBに含まれるポリゴンに対して行われる。

レイの初期判定はポリゴン単位では行わず、その3Dモデルを覆うAABBに対して行う。AABBの階層構造体はBVHと呼ばれ、近代レイトレーシング技術における基盤技術の1つとなっている

　ポリゴンが100倍となった3Dシーンでは、BVH探索における下層への探索数がより多段化する。しかし、レイのインターセクション処理のほとんどは、上層の方にある粗いAABBであり、「衝突していない」と判定されて素通りできてしまう。逆に、深い階層までBVHの探索が及ぶのは、「衝突している」と判定されるレイだけとなる。

　ゆえに、ポリゴンが100倍になったとしても、レイのトラバース処理時間とインターセクション処理時間まで100倍になることはないのだ。

BVHによる探索アルゴリズムでは、レイが衝突した3Dモデルの1ポリゴンまでを突き止める。しかし、多くのレイは上層のAABBにおいて“非衝突”と判定され、素通りされる。同じ3Dシーンなら、どれだけポリゴンが増えても非衝突率はそれほど増えない。ただし、ポリゴンが増えた場合、縦方向の探索の“深さ”は増すので、衝突判定にかかる負荷はそれなりに大きくなる

　一方で、NVIDIAはこうも主張している。

　3Dシーンの複雑性（≒ポリゴン数）が増加した場合、レイトレーシングの処理系において、最もリニアに負荷が増大してしまうのは「BVHの生成に要する時間」と、「BVHが消費するグラフィックスメモリの容量」だ。

　この課題に対処するために、NVIDIAはGeForce RTX 40シリーズのRTコアに「BVH探索の高速化」「BVH容量のコンパクト化」を実現し、ひいては「多ポリゴンの3Dシーンにおけるレイの交差判定の高効率化」を実現するための機構を統合した。「Displaced Micro-Mesh Engine（DMME）」だ。

　結論から言うと、DMMEが実現する「Displaced Micro-Mesh（DMM：変移マイクロメッシュ）」の着想や発想の起点は、先述のOMとよく似ている。

　DMMを活用する際は、3Dシーンを構成する3Dオブジェクトを構成するポリゴンを「低ポリゴン3Dモデル」と、ディテール表現に相当するDMMに“あらかじめ”分離しておく必要がある。

　「そもそもDMMって何だよ？」というところだが、イメージ的にはDirectX 11で追加された「テッセレーションステージ」という仕組みにおいて利用できるようになった、「ディスプレースメントマッピング（Displacement Mapping）」で取り扱われる「ディスプレースメントマップ（Displacement Map）」というテクスチャーの概念とほぼ同じだ。

　ディスプレースメントマップとは、3Dモデル上のディテール表現を「盛っている」か「掘ってる」かの分布図、言い換えれば「デコボコの変移量」としてテクスチャーマップにしたものだ。

　ディスプレースメントマッピングでは、まずテッセレーションステージにおいて、低ポリゴンの3Dモデルを多数のポリゴンに分解する（この処理を「テッセレーション」という）。その後、分解されたポリゴンに対して、ディスプレースメントマップの起伏の変化量に応じて3Dモデルを盛ったり掘ったりして、ディテールを加えていく。

ディスプレースメントマッピングの概念図。少ポリゴンの3Dモデル（左）に対してテッセレーションを行い、多ポリゴンのモデルを生成する（中央）。そこに起伏の変位量を記載したテクスチャーであるディスプレースメントマップを加えて、多ポリゴンモデルを完成形（右）に持っていくという仕組みだ

　GeForce RTX 40シリーズのDMMEが取り扱うDMMは、ディティールの表現に使われるもので、事実上テクスチャーのようなものだ。しかし実態としては微細な三角形を使って起伏を表現している。前段で「OMは仮想的なマイクロポリゴン」だと説明をしたが、OMの起伏情報バージョンがDMMだと考えればいい。

　ということで、DMMEを活用した場合、BVH自体を低ポリゴンの3Dモデルベースで生成することができるようになり、最終的なインターセクション判定の時にのみDMMEを活用して衝突先のポリゴンを特定する――というような、多段インターセクションパイプラインになるということである。

　この仕組みは、最終的なインターセクション判定自体は複雑化するものの、BVH自体を低ポリゴンの3Dモデルで実践出来ることから、BVHの占有メモリー容量は削減でき、なおかつ「BVHの部分更新速度」や「レイのトラバース効率」の向上も期待できる。

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　それでは、このDMMEをを絡めた、レイのインターセクション処理はどういう流れで行われるのだろうか。順を追って解説する。

　基本的にレイの探索は、低ポリゴン3DモデルからなるBVHに対して行われる。もしもレイがBVH上層の粗いAABBにヒットしていると判定され、最終的に低ポリゴン3Dモデルを構成する1つのポリゴンまで行き着いたとする。

　すると、ここでDMMEが登場する。DMMは、レイが衝突したポリゴンの位置に対応するDMM上の起伏情報を読み出し、衝突した箇所のディテール情報を“補正”する。言い換えると、レイのぶつかった場所を「低ポリゴン3Dモデル上の1ポリゴン」から「多ポリゴン3Dモデル上の1ポリゴン」に修正するわけだ。

GeForce RTX 30シリーズまでのレイとポリゴンの衝突判定メカニズムで、下段がGeForce RTX 40シリーズの衝突判定メカニズムだ。粗いBVHでまず衝突判定を取り、DMMを参照してを参照して正しい位置へと修正する流れとなる

　NVIDIAがDMMEを使わない場合と使う場合で3Dモデルのレンダリングパフォーマンスを比較したところ、BVHの生成／更新速度は8〜15倍に高速化された一方で、BVHのデータサイズは6〜20倍も小さくできたそうだ。

3つの3Dモデルに対し、DMME処理の有無によるパフォーマンス差を比較した図。思っている以上に大きな差が出ている

　ちなみに、OMEと同様に、現時点ではDMMEもDirectX Raytracingから利用できない。既存ゲームに対して自動で機能するものではなく、使うには、個別に対応が必要となる。