Трассировка лучей (Ray Tracing)

Трассировка лучей (Ray Tracing) — это метод рендеринга, который позволяет создавать очень реалистичные изображения, моделируя поведение света в реальной жизни. В отличие от традиционных методов рендеринга, которые упрощают вычисления освещения для повышения скорости обработки, трассировка лучей учитывает физические свойства света и его взаимодействие с поверхностями и материалами, создавая более точные тени, отражения и преломления.

Этот метод давно используется в киноиндустрии для создания фотореалистичных визуальных эффектов, однако для интерактивных приложений, таких как видеоигры, его применение стало возможным только недавно благодаря развитию аппаратного обеспечения (в первую очередь, графических процессоров с поддержкой трассировки лучей, таких как NVIDIA RTX и AMD RDNA 2).

Трассировка лучей основывается на вычислении пути световых лучей, исходящих от камеры (или наблюдателя), и их взаимодействия с объектами сцены. Процесс можно разделить на несколько основных этапов:

1. Эмитирование лучей: Лучи света «эмитируются» от камеры в каждую точку пикселя на экране. Эти лучи «путешествуют» по сцене, определяя, какие объекты или поверхности они пересекают.

2. Расчет пересечений: Когда луч пересекает объект, алгоритм вычисляет, как луч взаимодействует с поверхностью объекта — он может быть отражен, преломлен или поглощен в зависимости от свойств материала (например, стекло, металл, вода).

3. Отражение и преломление: Если поверхность является отражающей (например, зеркало или полированный металл), луч отражается от поверхности, и его путь отслеживается далее до тех пор, пока не будет достигнут новый объект или источник света. В случае прозрачных материалов (например, стекла или воды) луч может преломляться, и его путь также отслеживается.

4. Тени: Тени вычисляются путем отслеживания дополнительных лучей от точки пересечения до источников света. Если луч пересекает объект на пути к источнику света, в этой точке создается тень.

5. Освещение: Для каждой точки пересечения учитываются прямые и косвенные источники света. Косвенные источники света (так называемые «глобальное освещение») включают в себя свет, отраженный от других объектов, что позволяет создавать реалистичные эффекты рассеянного освещения.

1. Отражения: Традиционные методы рендеринга, такие как рендеринг на основе растра, часто используют кубические карты окружения для имитации отражений, но они упрощены и не учитывают изменения в сцене. Трассировка лучей вычисляет отражения в реальном времени, обеспечивая точное отображение зеркальных поверхностей, где можно увидеть, как один объект отражается в другом.

2. Тени: В методах рендеринга на основе растра тени часто рисуются с использованием карты теней (shadow map), которая не всегда точна и может иметь артефакты, такие как размытые края или «разрывы». С помощью трассировки лучей тени вычисляются с более высокой точностью, особенно для сложных объектов и источников света.

3. Преломления: Прозрачные и полупрозрачные объекты, такие как стекло или вода, преломляют свет, и этот эффект трудно точно смоделировать с помощью традиционных методов. Трассировка лучей точно учитывает угол падения света на такие поверхности и вычисляет преломленные лучи, что делает прозрачные материалы более реалистичными.

4. Глобальное освещение: В отличие от методов с прямым освещением, трассировка лучей позволяет моделировать косвенные источники света, которые возникают от отражений света от других поверхностей. Это значительно улучшает реалистичность освещения в сценах, делая цвета и свет более правдоподобными.

5. Амбиентная окклюзия: Это эффект затенения в местах, где объекты находятся очень близко друг к другу, и свет туда не проникает. Традиционные методы используют упрощенные техники, такие как SSAO (Screen Space Ambient Occlusion), которые работают на основе изображения. Трассировка лучей более точно моделирует это явление за счет отслеживания лучей, что дает реалистичные результаты в областях с ограниченным освещением.

1. Фотореализм: Благодаря физически точным расчетам отражений, теней, преломлений и освещения, трассировка лучей значительно улучшает качество рендеринга и делает сцены более реалистичными.

2. Точные отражения и тени: В отличие от традиционных методов, которые часто прибегают к упрощению теней и отражений, трассировка лучей предоставляет гораздо более точные результаты, что особенно заметно в динамических сценах.

3. Универсальность: Метод трассировки лучей может применяться для рендеринга самых различных эффектов, от прозрачных объектов до сложных глобальных эффектов освещения.

1. Высокая вычислительная сложность: Одним из главных недостатков трассировки лучей является ее вычислительная сложность. Каждый луч, отслеживаемый в сцене, требует значительных вычислительных ресурсов, что делает процесс рендеринга медленным. Хотя современные графические процессоры могут обрабатывать трассировку лучей в реальном времени, на данный момент это ограничено высокопроизводительными видеокартами, такими как NVIDIA RTX или AMD RDNA 2.

2. Требовательность к аппаратному обеспечению: Реализация трассировки лучей в реальном времени требует специализированного оборудования, такого как RT-ядра (RT Cores) в графических процессорах NVIDIA или ускоренные блоки обработки трассировки лучей в AMD. Для достижения приемлемого уровня производительности трассировку лучей приходится комбинировать с традиционными методами рендеринга, что снижает требования к оборудованию.

3. Стоимость рендеринга: Даже при наличии специализированного оборудования трассировка лучей остается требовательной по сравнению с традиционными методами рендеринга, такими как растеризация. Для большинства потребительских игр трассировка лучей реализуется лишь частично (например, для теней или отражений), чтобы сохранить баланс между качеством и производительностью.

Так как трассировка лучей в чистом виде остается слишком сложной для рендеринга в реальном времени, современные видеоигры часто используют гибридные методы рендеринга, которые сочетают традиционную растеризацию с трассировкой лучей. Например:

• RTX (Ray Tracing Extensions): Видеокарты NVIDIA серии RTX (начиная с архитектуры Turing) поддерживают гибридные методы рендеринга. Отражения и тени могут рассчитываться с помощью трассировки лучей, тогда как остальные части сцены рендерятся традиционными методами. Это позволяет достичь высококачественных эффектов при приемлемой производительности.

• DLSS (Deep Learning Super Sampling): Эта технология от NVIDIA использует машинное обучение для увеличения разрешения изображения после рендеринга, что позволяет компенсировать потерю производительности от трассировки лучей. С DLSS видеокарты могут рендерить сцену в более низком разрешении, а затем увеличивать его до более высокого с минимальными потерями в качестве.

1. Игры: Многие современные игры начали внедрять трассировку лучей для создания более реалистичных визуальных эффектов. Например, игры, такие как Cyberpunk 2077, Control, и Minecraft RTX, используют трассировку лучей для улучшения качества отражений, теней и освещения.

2. Кино и анимация: Трассировка лучей используется в кинематографе уже много лет для создания фотореалистичных спецэффектов и CGI (Computer-Generated Imagery). Это помогает воссоздавать сложные сцены с высококачественным освещением и отражениями, что особенно важно для визуальных эффектов в фильмах.

3. Инженерия и дизайн: В приложениях для архитектурного рендеринга, автомобильного и продуктового дизайна трассировка лучей позволяет создавать фотореалистичные модели, которые дают четкое представление о том, как объекты будут выглядеть в реальной жизни.

Трассировка лучей — это мощный метод рендеринга, который открывает новые возможности для создания фотореалистичных визуальных эффектов. Она уже используется в кино, а теперь, благодаря развитию аппаратного обеспечения, становится доступной и для игр. Хотя её применение в реальном времени пока ограничено требованиями к производительности, гибридные методы рендеринга и специальные технологии, такие как DLSS, позволяют делать игры более реалистичными, не жертвуя при этом скоростью рендеринга.