水たまりに反射する景色や、柔らかくてリアルな影など、めちゃくちゃ綺麗な映像が作れるすごい技術なんだ。
でも、「中身はどうやって動いているんだろう？」「プログラムでどうやって実装するのかな？」って気になったことはないだろうか。
一見するとすごく高度な数学や魔法が使われているように思えるかもしれないけど、実は基本的な仕組みの考え方は意外とシンプルなんだよね。
この記事では、レイトレーシングがどんな仕組みで動いているのか、実際にどうやってコードを書いていくのか、そして最新のゲームエンジンではどう扱われているのかをわかりやすく解説していくよ。
これを読めば、「光の計算ってこうやってたんだ！」とスッキリ理解できて、自分でも簡単なレイトレーサーを作ってみたくなるはずだよ。さっそく見ていこう！
光の探査機を飛ばして色を決めるプログラム
それは、「カメラ（視点）から画面のピクセルに向かって光線（レイ）を飛ばし、3D空間の物体との交差や反射を計算して最終的な色を決める」という処理をコードに落とし込むことなんだ。
現実世界では、太陽や電球などの「光源」から出た光が物体に当たって反射し、私たちの目に届くよね。
でも、それをそのままコンピューターで計算しようとすると、目に届かない無駄な光まで全部計算しなくちゃいけなくて、とんでもない時間がかかってしまうんだ。
だから、レイトレーシングの実装では逆転の発想をするんだよ。
「カメラの方から光線を逆向きに飛ばして、どこにぶつかるかを探ろう！」というわけだね。
この「光の探査機（レイ）」を画面のピクセル全部に対して発射して、得られた情報から色を塗っていくのが、レイトレーシングプログラムの正体なんだ。
光の挙動を追跡する仕組みと従来のレンダリングとの違い
ラスタライズ方式との決定的な違い
今まで多くのゲームで主流だったレンダリング手法に「ラスタライズ」というものがあるんだ。これは、3Dのポリゴン（三角形の面）を視点に合わせて画面にペタッと投影して、その上からテクスチャ（画像）を貼ったり、ピクセル単位で深度を計算して色を塗ったりする手法だよ。
計算が軽くて高速なんだけど、「鏡に映る景色」や「他の物体に遮られてできる複雑な影」を正確に描くのはすごく苦手とされているんだよね。
一方でレイトレーシングは、レイという探査機を使ってシーン内で情報を直接回収するようなイメージで計算を行うんだ。
結果として、反射や屈折、ふんわりとしたソフトシャドウ、空間全体が光に照らされるグローバルイルミネーションなど、現実的な光の振る舞いを表現しやすくなるんだよ。
その代わり、計算コストが非常に高くなるというのが、実装上の最大の特徴でもあり課題でもあるんだ。
レイトレーシングの基本的な処理の流れ
実際にレイトレーシングを実装するときは、だいたい次のような5つのステップで処理が進んでいくんだ。これをプログラムのループ処理で書いていくイメージだね。
- 視点からレイを生成する： カメラの位置から、スクリーン上のピクセル（例えば1920×1080のフルHDなら200万個以上！）に向けてレイを放つ。
- 交差判定を行う： 飛ばしたレイが、3Dシーンの中にある物体（球やポリゴンなど）とぶつかるかどうかを数学的に計算して、一番手前で交差した物体と、その交差点を割り出す。
- 影の判定（シャドウレイ）： ぶつかった交差点から、今度は光源に向かって別のレイを飛ばす。もし途中に別の物体があれば、光が遮られているから「ここは影だ！」と判定する。
- 反射・屈折の再帰処理： ぶつかった物体が鏡やガラスのようなマテリアルだった場合、交差点からさらに反射・屈折する新しいレイを生成して、同じ処理を繰り返す（これをプログラミング用語で再帰呼び出しと言うよ）。
- 色の決定： 環境光や、材質ごとの拡散反射光、鏡面反射光などを足し合わせて計算し、最終的なそのピクセルの色（RGB）を決定する。
実際にコードを組み立てる！構成要素と最新トレンド
自作レイトレーサーの最小構成（CPU実装）
プログラミングの学習目的で、個人が自作レイトレーサーを作るケースも増えているんだ。入門用として一番おすすめなのが、「球」と「平面」だけを配置したシンプルなレイトレーサーを作ることだよ。
ポリゴン（三角形）の交差判定はちょっと計算が複雑なんだけど、球の交差判定は高校数学の「二次方程式」で簡単に解けるから、実装がしやすいんだよね。
多くの自作レイトレーサーは、C言語やRust、C++などを使って、次のような「構造体」や「クラス」を作るところから始まるんだ。
- Vector（ベクトル）： 位置や方向、光の色などを扱うための3次元ベクトル演算クラス。足し算や内積・外積などを計算するよ。
- Ray（レイ）： 「どこから（原点ベクトル）」と「どの方向へ（方向ベクトル）」という2つのデータを持つ探査機。
- Object（オブジェクト）： 球や平面などの形。レイとぶつかるか計算する「交差判定メソッド」を持っている。
- Material（マテリアル）： 物体の色、光沢、反射率、屈折率などの表面特性を持つデータ。
- Scene（シーン）： オブジェクトや光源をリストとしてまとめておく「世界」のこと。
- Camera（カメラ）： 視点の位置や向き、視野角（FOV）を設定し、各ピクセルへレイを生成する係。
Qiitaや個人ブログなどの技術記事でも、「シンプルなレイトレーサーを実装してみる」といった入門記事がたくさんシェアされているから、参考にしやすい環境が整っているんだ。
GPUベースの並列計算への進化
CPUを使った実装だと、ピクセルを1個ずつ順番に計算するか、せいぜい数スレッドに分けるくらいしかできないから、1枚の画像をレンダリングするのに数秒から数分かかってしまうこともあるんだよね。
そこで研究レベルや実用レベルで主流になっているのが、GPUを用いた並列計算への実装なんだ。
CPU側で視点・スクリーン座標・光源座標・3Dモデルデータ（OBJ形式など）を準備したら、それを丸ごとGPUのカーネルへ転送する。
そして、GPUが持つ何千ものコアを使って、各スレッドでピクセルごとの交差判定を「一気に並列で」計算するんだ。
計算が終わったら、GPU側で得たピクセルデータをCPUへ戻してディスプレイに表示する、という強力なパイプラインが構築されているよ。
ゲームエンジンにおけるリアルタイム実装
PC向けの解説記事などでは、GeForceシリーズなどの最新GPUには「RTコア」と呼ばれるレイトレーシング専用の計算回路が搭載されていることが解説されているよ。この専用RTコアによるレイと三角形の交差判定の超高速化や、ノイズ除去（デノイザ）の品質向上が、リアルタイム実装を支える大きな要因になっているんだ。
このハードウェアの進化を受けて、UnityやUnreal Engineといった商用のゲームエンジンでも、リアルタイムレイトレーシングが本格的に実装されているんだ。
- Unityの場合： シーン内のリアルなライトの挙動と、オブジェクトやマテリアルとの相互作用をシミュレートして、グローバルイルミネーション（GI）やアンビエントオクルージョン（環境光による影）などをリアルタイムで表現できるようになっているよ。
- Unreal Engineの場合： こちらもカメラ視点から光線をキャストし、光源に到達するまでの光のバウンス（跳ね返り）を追跡して、その過程で色を収集する仕組みを採用しているんだ。
一般的には、「RTX 20番台以降のGPUと8GB以上のVRAM」が、ゲームでレイトレーシング機能をオンにするための条件と言われているね。
レイトレーシング実装のポイントをおさらい
- レイトレーシングの実装は、「カメラからピクセルへレイを飛ばし、オブジェクトとの交差・反射・屈折を計算して色を決める」処理のコード化である。
- ベクトル、レイ、オブジェクト、マテリアル、カメラといった基本の構造体を組み合わせて作る。
- 自作の入門なら、CPUを使って「球」と「平面」だけで計算するミニマムな実装がおすすめ。
- 実用レベルや最新のゲームグラフィックスでは、専用RTコアを搭載したGPUを使って並列計算を行い、リアルタイムで処理している。
まずはシンプルな球を描くことから始めよう！
「なんか数学とかGPUとか難しそう…」って感じたかもしれないけど、心配しなくて大丈夫だよ。実は「画面に1つの球を描いて、そこに影をつける」くらいの最小限のレイトレーサーなら、数百行の短いコードで書けちゃうんだ。
自分の好きなプログラミング言語（C++、Rust、Python、JavaScriptなど何でもOK！）を使って、まずは「レイを飛ばす」という体験をしてみてほしいな。
自分で書いたコードが光のシミュレーションを行い、真っ黒だった画面にポツンと綺麗な球がレンダリングされた時の感動は、本当にクセになるはずだよ。
もし行き詰まっても、ネット上には先人たちが残してくれた素晴らしい入門記事がたくさんあるから大丈夫。
少しでも興味が湧いたら、ぜひ今週末にでも、最初の一行を書き始めてみてね！きっと新しいプログラミングの世界が広がるはずだよ。
