ラスタレンダリング完全解説：パイプライン、透視補正、深度テスト、AAとGPU最適化
エバープレイ編集部ラスタレンダリングとは — 概要と定義
ラスタレンダリング（rasterization、ラスタ化）は、コンピュータグラフィックスにおける基本的な描画方式の一つで、数学的に表現された幾何（主にベクトル情報、例えば三角形や線、曲線）をピクセル（ラスタ）という離散的な画素格子に変換して最終イメージを生成するプロセスを指します。リアルタイムレンダリング（ゲームやインタラクティブな可視化）で広く使われる手法で、ハードウェア（GPU）による高効率な実装が進んでいるのが特徴です。
ラスタレンダリングの基本パイプライン
頂点処理（Vertex Processing）：頂点座標に対してモデル変換・ビュー変換・射影変換を行い、クリップ空間→正規化デバイス座標へと変換します。
クリッピングとホモジニアス除算：画面外にあるプリミティブをクリップし、wで割ることで透視投影（NDC）を実現します。
ビューポート変換：NDCを実際の画素座標に変換します。
ラスタライゼーション（ピクセル化）：各プリミティブ（通常は三角形）について、どの画素がプリミティブのカバー下にあるかを決定します。
フラグメント処理：生成されたフラグメント（候補ピクセル）にシェーディング（テクスチャ参照、ライティング、色計算）を行う。
テストと合成：深度テスト（Zバッファ）、ステンシルテスト、ブレンド等を経てフレームバッファに書き込みます。
三角形ラスタライゼーションの詳細
実装は主に三角形を単位として進みます。三角形のラスタライゼーションでは、バウンディングボックスを求め、その内部の画素に対して「画素中心が三角形内にあるか」や「カバレッジ（サンプルの割合）」を判定します。判定方法としてはエッジ関数（辺に対する半平面テスト）やバリセンター座標（重心座標）を用いるのが一般的で、これにより補間（頂点属性の内挿）も同時に行えます。
透視補正と属性補間
透視投影では、スクリーン空間で線形に補間するとテクスチャや法線が歪みます。正しい補間は「1/w」を用いる透視補正（透視的に一時変数を補間し、最後に再度wで割る）を行います。具体的には頂点属性を頂点の1/wで乗じて補間し、補間後に再び1/(補間した1/w)を掛けて元に戻します。Scratchapixel や各種レンダリング教材に詳細な導出が掲載されています。
深度バッファ（Zバッファ）とオーバードロー
ラスタレンダリングでは深度バッファを用いてピクセルごとの近接面のみを描画します。Zバッファは各ピクセルの最小（あるいは最大）深度を保持し、新しいフラグメントと比較して可視性を決定します。深度精度の問題（非線形な深度分布やビット精度不足）により、ちらつき（Zファイティング）が発生するため、投影行列や深度レンジ、デプスフォーマットの選定が重要です。GPUではオーバードロー（同じピクセルに複数回書き込むこと）を削減するため、深度プリパスやヒエラルキカルZ、Early-Zテストなどの最適化が用いられます。
テクスチャマッピングとフィルタリング
ラスタレンダリングではポリゴン表面にテクスチャを写像します。サンプリング時のエイリアシングを抑えるためにミップマップ（MIPMAP）や三線形フィルタ、異方性フィルタリング（Anisotropic Filtering）が用いられます。ミップマップは解像度の異なる複数テクスチャを事前生成して、想定されるサンプル密度に応じて適切なレベルを選択する手法です。
アンチエイリアシング（AA）の手法
代表的なAA手法：
SSAA（スーパーサンプリング）：高解像度でレンダリングして縮小する。高品質だがコスト高。
MSAA（マルチサンプルAA）：ピクセル内で複数サンプルを持ち、ジオメトリのエッジでのみサンプルを分離。シェーダ計算を節約できる。
ポストプロセス系（FXAA、SMAA）：画面全体にエッジ検出とぼかしをかける手法。コスト低めだが結果がぼやける場合がある。
TAA（Temporal AA）：時間的情報を利用してジッターされたサンプルを統合する。動的シーンでの残像やゴースティングを制御する工夫が必要。
ハードウェア実装とGPUの最適化
現代GPUはラスタライゼーションに特化したハードウェアパイプラインを持ち、高速に三角形のラスタ化、テクスチャサンプリング、シェーディング、深度テストを行います。タイルベースレンダリング（Tile-Based Rendering）は、フレームを小さなタイルに分割してメモリ帯域を節約する方式で、モバイルGPU（ARM Mali、Imagination PowerVRなど）で多く採用されます。一方、NVIDIAやAMDのGPUは一般にロングレンジのレンダリングパスやテクスチャキャッシュを重視します。
最適化手法（ソフトウェア／ハードウェア両面）
バウンディングボックスやビュー方向による早期クリッピング。
ヒエラルキカルZによる早期Zクリアとオーバードロー削減。
インスタンシングで同一メッシュをまとめて描画。
レベルオブディテール（LOD）で遠景のジオメトリを粗くする。
シェーダの分岐やテクスチャフェッチの最適化、メモリアクセスパターンの調整。
ラスタレンダリングとレイトレーシングの比較
ラスタライゼーションはジオメトリ中心で非常に高速にイメージを生成できるため、リアルタイム用途で優勢です。一方レイトレーシングは光の伝搬を直接シミュレートするため、反射・屈折・シャドウの精度が高い反面計算コストが大きいです。近年は両者のハイブリッド（ラスタで一次パス、レイトレーシングで反射やシャドウ補正）や、リアルタイム向けのレイトレーシングハードウェア（RTコア）を併用するケースが増えています。
ユースケースと限界
ラスタレンダリングはゲーム、UI描画、GISや2D/3Dアプリケーションのレンダリングなど幅広く使われます。欠点としてはグローバルイルミネーションや正確な反射表現など、光学的に複雑な現象に対しては追加の技術（スクリーンスペース技術、シャドウマップ、反射プローブ、レイトレーシング併用など）が必要になる点です。
将来の動向
近年はリアルタイムレイトレーシングの普及、ハードウェアの進化、機械学習を使ったノイズ除去やアップスケーリング（例：DLSS、FSR）といった技術が進展し、ラスタレンダリングはこれらの技術と共存・補完する形で進化しています。ラスタの高速性とRTの物理精度をどう組み合わせるかが今後のトレンドです。
まとめ
ラスタレンダリングは、ジオメトリをピクセルに変換する効率的な手法で、GPUハードウェアに深く最適化されています。三角形ラスタ化、透視補正、深度テスト、テクスチャフィルタリング、アンチエイリアシングなど複数の技術要素が組み合わさって高品質なレンダリングを実現します。現在はレイトレーシングやAI技術と組み合わせることで、リアルタイムグラフィックスの表現力をさらに高める方向に進んでいます。
参考文献
- ラスタ化（Wikipedia 日本語）
- Rasterisation (computer graphics) — Wikipedia
- LearnOpenGL — オープングラフィックスパイプライン解説
- Scratchapixel — ラスタライゼーション、透視補正、バリセンター法のチュートリアル
- GPU Gems（NVIDIA） — GPU最適化に関するリソース
- Khronos OpenGL Rendering Pipeline — Glossary
- Vulkan Specification — Rendering and Rasterization
- NVIDIA Developer — GPU Architecture and Rasterization Overviews
- Depth buffer — Wikipedia
- Anti-aliasing — Wikipedia
