概要
- スペースシャトル Endeavour の夕焼け写真を再現するシェーダー開発の記録
- 大気散乱 の物理現象とそのシミュレーション手法の解説
- Rayleigh散乱・Mie散乱・オゾン吸収 の実装方法を紹介
- リアルな空の描画 を目指し、ゲームやWebでの応用を意識
- 最適化として LUTベースの手法 にも挑戦
スペースシャトルEndeavourの夕焼け写真と大気散乱現象
- インスピレーション元は Endeavour の写真、地球の大気層が美しいグラデーションを描く
- この色彩の正体は 大気散乱 現象
- 大気散乱 は空の色や夕焼け、朝焼けの原因となる物理現象
- ゲームやWebで 現実的な空 を描画するための基礎知識
- 背景に単純な青グラデーションを使っても リアルさ は再現できない
大気シェーダーの実装方針
- 空の色を ボリュームとして扱う ことが重要
- 観測者の高度、塵、時刻 など複数の変数を考慮
- レイマーチング による大気サンプリング手法
- カメラからシーンへレイを飛ばし、透明な大気を段階的に評価
- 光の減衰（透過率：Transmittance） と 散乱光 の2つを計算
- Rayleigh密度関数 で高度ごとの大気密度をモデル化
- 高度が上がるほど大気が薄くなる
光の減衰とRayleigh散乱
- 光の減衰（透過率T） は光が大気を通過する際の減衰度合い
- Beer's Law で計算
- Rayleigh散乱 は分子サイズの粒子による散乱
- 短波長（青）が強く散乱され、昼間の空が青く見える原因
- Rayleigh位相関数 で太陽光と視線の角度による散乱方向性を計算
- フラグメントシェーダーでピクセルごとにこれらを実装
Mie散乱とオゾン吸収の追加
- Mie散乱 ：大きな粒子（塵・エアロゾル）による散乱
- 太陽付近の霞や夕焼けの赤みを再現
- 独自の密度・位相関数でモデル化
- オゾン吸収 ：オゾン層による特定波長の吸収
- 空の色合いの変化や夕焼け時の深みを表現
- 散乱はせず、光の一部を吸収するのみ
光源方向の減衰（ライトマーチ）
- カメラ→サンプル点 の減衰だけでなく、 太陽→サンプル点 の減衰も考慮
- 各サンプル点から太陽方向へもレイマーチし、追加の光減衰を計算
- これにより、 夕焼け・朝焼けの赤み や 光の減衰 がリアルに表現可能
LUTベースの高速化手法
- Sebastian Hillaire のLUT（Look-Up Table）ベース手法を参考に最適化
- 事前計算したテーブルを使い、リアルタイム描画時の計算負荷を大幅削減
- ゲームやWebGLでの実用的な大気表現を実現
まとめ
- 大気散乱のシミュレーション はリアルな空の描画に不可欠
- Rayleigh・Mie散乱、オゾン吸収 を組み合わせることで自然な色彩を再現
- レイマーチング と LUT最適化 が現実的な描画とパフォーマンス両立の鍵
- Webやゲームでの インタラクティブな体験 にも応用可能
- Artemis IIミッション など宇宙への興味をきっかけに、技術と科学の融合を体感