THE ICED DRINK– 書籍紹介

画像は実際のサンプルプログラム実行時画面です。

THE ICED DRINK（本書はPDF書籍です）

リアルなアイスドリンクを作る。
DXRによるガラス・液体・氷レンダリング

本書では、DirectX Raytracing（DXR）を用いて
ガラス、液体、氷といった透明素材のリアルタイムレンダリングを実装します。
屈折・反射・内部構造などを扱いながら、アイスドリンクのシーンを段階的に構築していきます。

本書の特徴

本書は、DirectX Raytracing（DXR）を用いたリアルタイムレンダリングの技術を解説する実践的な技術書です。題材として、ガラスのグラス、内部の液体、そして浮かぶ氷を持つ「アイスドリンク」のシーンを作成します。

ガラス、液体、氷といった透明素材は、屈折や反射などの複雑な光の挙動を伴うため、リアルタイムCGにおいて難しいテーマの一つです。本書ではこれらを段階的に実装しながら、DirectX Raytracingによる透明物体レンダリングの仕組みを理解していきます。

解説はサンプルプログラムを中心に進められ、ガラスのレンダリングから始まり、液体の追加、氷の表現へとシーンを拡張していきます。各ステップで必要となるレイトレーシングのロジックやシェーダーの実装を具体的に説明し、最終的にはリアルタイムで描画されるアイスドリンクのシーンを完成させます。

DirectX Raytracingを用いたリアルタイムレンダリングの理解を深めたい方や、透明素材の表現を実装レベルで学びたい開発者に向けた内容となっています。

対象読者

・DirectX Raytracing（DXR）によるリアルタイムレンダリングを学びたいプログラマ
・レイトレーシングの実装をコードレベルで理解したい開発者
・ガラスや液体など透明素材のレンダリング手法に興味のある方
・C++とHLSLによるリアルタイムCGプログラミングの経験を持つ方

DXR を完全に初めて触る方でも問題ありません。
BLAS / TLAS / Shader Table などの専門用語は最低限に抑え、概念中心で解説しています。

必要な開発環境

・Windows 10 / 11
・Visual Studio 2022 以降
・DXR対応GPU必須（RTXシリーズ推奨）

本書には、動作確認用プログラムも付属しています。

付属データ

・BRenderer ライブラリ（ヘッダ＋lib＋dll）
・各章のサンプルプログラム
・モデルデータ、テクスチャデータ
・完成サンプル

※ BRenderer のソースコードは非公開です。

このシリーズについて

本書は、リアルタイムレンダリング技術を題材に、具体的なテーマを一つ取り上げてその実装を解説するシリーズの一冊です。各巻では特定のモチーフを中心に据え、実際に動作するサンプルプログラムをベースにしながら、レンダリングアルゴリズムやシェーダーの実装を段階的に解説します。

シリーズでは、理論だけではなく「実際に動くプログラム」を通して技術を理解することを重視しています。コードを読みながらレンダリングの仕組みを追い、最終的に完成したシーンを自分の環境で再現できる構成になっています。

本書『The Iced Drink』では、ガラスのグラス、内部の液体、そして氷を含むアイスドリンクのシーンを題材に、DirectX Raytracing（DXR）による透明素材のリアルタイムレンダリングを扱います。シリーズの他の巻と同様に、サンプルプログラムを中心とした実装ベースの解説となっています。

一冊につき、一つの質感。
一冊につき一つの質感に焦点を当てることで、特定の表現を深く理解し、実装レベルで習得できる構成になっています。

著者より

リアルタイムCGの世界では、多くの技術がアルゴリズムや数式として説明されます。しかし実際の開発では、「それをどのようにコードとして実装するのか」が最も重要になります。

本シリーズでは、特定のテーマを一つ選び、そのレンダリングを実際に動作するプログラムとして実装しながら解説することを目的としています。理論だけでなく、コードを通して理解することを重視しています。

『The Iced Drink』では、ガラスのグラス、内部の液体、そして氷を持つアイスドリンクのシーンを題材に、DirectX Raytracing（DXR）による透明素材のレンダリングを扱います。これらの素材は屈折や反射などの複雑な光の挙動を伴いますが、レイトレーシングではその挙動を比較的自然な形で表現することができます。

本書が、リアルタイムレイトレーシングの理解を深める一助になれば幸いです。

書籍外観

「はじめに（全文）」

ガラスは、レイトレーシングの面白さが最もよく現れる題材の一つです。

光が境界で屈折し、内部を通過し、再び外へ出ていく。
その結果として、歪み、反射、透明感といった現象が自然に現れます。

レイトレーシングでは、これらの現象を特別な近似なしに扱うことができます。
現実の光の挙動をそのままモデル化できる点は、この手法の大きな特徴です。

前作 THE GLASS では、ガラスという単一媒質の透明体を扱いました。
単一媒質であっても、屈折や内部反射を正しく処理することで、リアルなガラス表現を得ることができます。

しかし、現実の物体は単一媒質だけで構成されているわけではありません。

グラスの中に液体が入り、
さらに氷が浮かぶ。

このような状況では、光は

空気
ガラス
液体
氷

といった複数の媒質を連続して通過します。

媒質が増えると、光の経路も複雑になります。
屈折は一度ではなく、何度も発生します。

このとき重要になるのが、現在レイがどの媒質の中にいるのかを正しく管理することです。

本書では、そのための方法として 媒質スタック（media stack）を使用します。

スタック構造を用いることで、
入射と出射の関係を整理し、
複数媒質の入れ子構造を安定して扱うことができます。

本書の目的は、理論を網羅することではありません。

シェーダーの処理とレンダリング結果の関係を確認しながら、
実際に動作するプログラムを通して、透明体表現の構造を理解することです。

最終的には、

ガラス
液体
氷

を含むシーンを、DirectX12 + DXR によるリアルタイムレイトレーシングで描画します。

複数媒質の透明体は、一見すると複雑に見えます。
しかし構造を整理すれば、その動作は決して難しいものではありません。

本書が、リアルタイムレイトレーシングによる透明体表現を理解する一助になれば幸いです。

サンプルプログラムについて 0
はじめに 1
目次 3
第1章空のタンブラー 7
1.1節本章の目的 7
1.1.1項本章で作るもの 7
1.2節シーン構成 7
1.2.1項配置するメッシュ 7
1.2.2項 DOFは使用しない 8
1.3節厚みを持つ容器 8
1.3.1項二つの境界 8
1.3.2項内部にいるという状態 10
1.3.3項そのための記録構造 10
1.4節入射と出射の判定 11
1.5節反射回数の制御 11
1.5.1項 1項　traceCount と g_maxTraceCount 11
1.5.2項回数を変えて観察する 12
1.6節厚みの影響 13
1.7節本章の到達点 13
第2章液体の導入 15
2.1節本章の目的 15
2.1.1項内部空間に媒質を追加する 15
2.2節境界の増加 15
2.2.1項空気とガラスだけの場合 15
2.2.2項液体を入れた場合 16
2.3節 fluid_only.obj の追加 17
2.3.1項メッシュのロード 17
2.3.2項 InstanceID の意味 17
2.4節屈折率の違い 17
2.4.1項 refractIndex の役割 17
2.4.2項入射と出射の組み合わせ 17
2.5節視覚的変化 18
2.5.1項液体の境界線 18
2.5.2項内部反射の変化 18
2.6節本章の到達点 19
第3章氷の導入 20
3.1節本章の位置づけ 20
3.2節氷は「入れ子」ではない 21
3.2.1項液体とは違う存在 21
3.2.2項レイの経路の複雑化 21
3.3節スタック構造の本当の意味 22
3.3.1項複数 InstanceID が積まれる 22
3.3.2項なぜスタックでなければならないのか 22
3.4節屈折率の連鎖 22
3.4.1項 refractIndex の連続適用 22
3.4.2項視覚的変化 23
3.5節 trace回数の重要性 24
3.6節本章の到達点 24
第4章吸収と色 25
4.1節本章の位置づけ 25
4.2節透明体は本当に透明か 25
4.2.1項通過距離の意味 25
4.3節色付き液体 26
4.3.1項液体の色設定 26
4.3.2項距離による濃度差 26
4.4節氷との違い 27
4.5節スタックと吸収の関係 27
4.6節本章の到達点 28
第5章最終仕上げと演出 29
5.1節本章の目的 29
5.2節被写界深度の再導入 29
5.2.1項 DOFの役割 29
5.2.2項視覚的効果 30
5.3節 trace回数の最適化 31
5.3.1項回数と品質 31
5.3.2項無限反射との違い 31
5.4節ライト位置の調整 32
5.4.1項エリアライト 32
5.4.2項ポイントライト 32
5.5節最終構成 32
5.6節本章の到達点 32
第6章パラメータ検証 34
6.1節本章の目的 35
6.2節屈折率の影響 35
6.3節吸収強度の影響 37
6.4節 trace回数の影響 40
6.5節本章のまとめ 42
第7章媒質スタックの詳細 43
7.1節本章の位置づけ 44
7.2節スタックの基本構造 45
7.3節状態遷移の具体例 45
7.3.1項ケース1　空気 → ガラス 45
7.3.2項ケース2　ガラス → 液体 45
7.3.3項ケース3　液体 → 氷 46
7.3.4項ケース4　氷 → 液体（出射） 46
7.3.5項ケース5　液体→ ガラス（出射） 47
7.3.6項ケース6　ガラス → 空気（出射） 47
7.4節 push と pop の判定 47
7.5節なぜフラグでは成立しないのか 48
7.6節スタック設計の意味 48
7.7節本章のまとめ 48
第8章パフォーマンスと実用性 49
8.1節本章の目的 50
8.2節解像度の影響 50
8.3節 trace回数と負荷 52
8.4節エリアライトのレイ数 54
8.5節氷メッシュの影響 56
8.6節 TDR（Timeout Detection and Recovery） 56
8.7節実用的な推奨設定 56
8.8節本章のまとめ 56
第9章設計と拡張 57
9.1節本章の位置づけ 57
9.2節本書の設計の特徴 57
9.3節 Iced Drink の先へ 57
9.4節体積表現への可能性 58
9.5節本書の到達点 58
9.6節最後に 58
Appendix A　動作環境と事前確認 59
A.1 対応 OS 59
A.2 GPU 要件 59
A.3 GPU ドライバ 59
A.4 開発環境 59
A.5 環境チェックプログラムについて 60
A.6 起動しない場合の基本確認事項 60
A.7 本書の想定について 60
Appendix B　BRenderer API 一覧 61
B.1 Renderer の生成と破棄 61
B.2 初期化・描画制御 61
B.3 メッシュ関連 62
B.4 ライト関連 62
B.5 カメラ関連 62
B.6 レイトレーシング制御 63
B.7 デバッグ・補助機能 64
B.8 内部実装について 64
B.9 本 Appendix の使い方 65
Appendix C　本書で扱わなかったこと 66
C.1 DirectX12 の低レベル初期化 66
C.2 DXR の内部構造 66
C.3 本書のスタンス 66
Appendix D　トラブルシューティング 68
D.1 サンプルが起動しない 68
D.2 ウィンドウは表示されるが、何も描画されない 68
D.3 動作が極端に遅い 68
D.4 実行中にアプリケーションが強制終了する 69
D.5 デバッグコンソールに何も表示されない 69
D.6 それでも解決しない場合 69
Appendix E　この先の発展 70
E.1 屈折率を変える 70
E.2 ガラスの厚みを変える 70
E.3 反射回数と描画品質 70
E.4 別の表現への応用 71
E.5 次の一歩 71
著者紹介 72
著作権および利用条件について 74
免責事項 75
THE ICED DRINK 76

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