레이 트레이싱이란 무엇입니까? 레이 트레이싱 작동 방식 알아보기

기술의 진화는 시각적 경험뿐만 아니라 그래픽에서 생명에 이르기까지 획기적인 발전을 가져왔습니다.  엔비디아의 새로운 레이 트레이싱 기술은 회사가 튜링 아키텍처를 기반으로 하는 그래픽 카드  라인을 출시할  때 그 개발에 대한 해답입니다 . 레이 트레이싱이란 무엇 입니까 ? 이것이 미래의 기술이라고 말하는 이유는 무엇입니까? 이번 기사에서 WebTech360 으로 알아보자

레이 트레이싱이란 무엇입니까?

레이 트레이싱은  광선을 따라가며 빛을 렌더링(렌더링)하는 기술입니다(트레이스는 쫓는 것을 의미하고, 레이는 광선을 의미합니다). 태양을 올려다보는 방법, 광선이 닿는 위치, 닿는 물체 및 주변 물체를 비추는 방법을 추적하는 것과 같은 이 기술을 상상할 수 있습니다. 레이 트레이싱은 해당 프로세스를 디지털 환경에서 재현합니다.

즉, 레이 트레이싱 은 환경의 각 개체에 의해 흡수, 반사, 산란 및 산란되는 빛을 추적하며 태양에서 나오는 광선뿐만 아니라 다른 모든 광원(예: 전구 2개)에 적용됩니다. 게임방에서 깜빡이는 벽난로의 불은 게임에서, 인공광원은 3D렌더링시 고정...).

현재 레이 트레이싱이 적용된 튜링 아키텍처는 여전히 큰 물음표로, GPU 시장의 혁명적인 전환점이 될 것으로 예상되며, 이러한 제품은 향후 대부분의 PC에서 볼 수 있을 것 같은지, 아니면 가격이 너무 높아서 그것을 소유하고 사용할 수 있는 사람은 거의 없습니까?

두 개의 GeForce RTX 2080 FE 및 GeForce RTX 2080 Ti FE 시리즈 에 대한 기사와 리뷰가 있었지만 여전히 첨단 기술을 지원하는 게임까지 기다려야 하기 때문에 대답하기 어렵습니다. 트레이싱. 또한 Quadro 전문가용 그래픽 카드에는 Quadro RXT 8000, Quadro RXT 6000, Quadro RXT 5000, Quadro RXT 4000과 같은 새로운 기술이 탑재되어 있습니다.

레이 트레이싱 작동 방식

레이 트레이싱 의 목표 는 보다 사실적인 조명과 보다 자연스러운 음영을 생성하는 것이며 NVIDIA 의 RTX 시리즈는 적어도 출시 데모에서 인상적인 결과를 달성했습니다. 열린 창문이 있는 나무 방은 전통적인 조명을 사용할 때 거의 방 전체를 비추고, 레이 트레이싱을 켜면 방의 어두운 구석보다 직사광선이 있는 곳이 더 밝아집니다. NVIDIA는 또한 Battlefield V의 화염이 어떻게 게임 캐릭터를 따라다니며 자동차 문을 태울 수 있는지를 매우 사실적으로 보여주었습니다.

빛은 조명에 영향을 미칠 뿐만 아니라 색상, 깊이 및 그림자에도 영향을 줍니다. 그래서 조명을 실생활에 가깝게 시뮬레이션하면 나머지 요소들도 잘 구현됩니다. 현재 게임의 셰이더는 밝고 어두운 패치 사이의 약간의 전환이 부족하여 매우 거칠고 선명하게 보이며 레이 트레이싱이 이를 가능하게 하는 부분입니다.

레이 트레이싱 알고리즘 

실제 세계의 시뮬레이션을 만드는 것은 매우 복잡한 작업입니다. 여기에는 중력과 물리적 상호 작용은 말할 것도 없고 각 물체의 분자 특성을 기반으로 하는 무한한 수의 광선, 반사 표면, 물체 통과와 같은 많은 요소가 포함됩니다. 현재 컴퓨터의 한정된 리소스만을 사용하여 이러한 "무한한" 것을 시뮬레이션하는 것은 완전히 불균형하고 불가능합니다.

위의 문제에 대한 솔루션을 "래스터화"라고 합니다. 무한한 수의 광자를 처리하는 대신 처리가 다각형으로 시작됩니다. 더 많은 폴리곤은 더 빠른 처리 속도를 의미하며 래스터화는 이러한 수백만 개의 폴리곤을 특정 이미지로 변환하기 위해 여기에 있습니다.

즉, 2D 프로토타입을 생성하고 사전 구축된 3D 세계에서 렌더링합니다. 그 안에서 폴리곤으로 이루어진 2차원 이미지는 가까이서 보면 화면 전체를 가릴 수 있지만, 멀리서 보면 몇 개의 픽셀만 가릴 수도 있어 픽셀과 질감, 원리를 만들어낸다. 물론 하나의 기술이 전체 작업을 다룰 수는 없습니다.

Z 버퍼(각 픽셀의 깊이를 추적하는 보조 버퍼)와 같은 다양한 기술은 프로세스 속도를 높여 생성된 수백만 개의 다각형을 표시하고 정렬할 수 있으며 가능한 한 효율적으로 처리할 수 있는 도구를 만듭니다. 테라플롭스의 처리 속도를 가진 최신 GPU만이 처리할 수 있는 프레임당 수백만 또는 수십억 개의 계산이 필요할 수 있습니다.

Ray tracing은 Rasterization 과는 다르게 위의 문제에 접근하며 역사적으로 약 50년 동안 존재해 왔습니다. Turner Whitted는 현재 NVIDIA 에서 일하고 있으며 과거에는 재귀 추적을 계산하는 방법을 스케치하여 그림자, 반사 등을 포함한 인상적인 비주얼을 생성했습니다. 물론 래스터화보다 훨씬 더 복잡할 것입니다.

광선 추적은 3D 세계에 광선을 투사할 때 광선(일반적으로 광선)의 방향을 감지하는 것과 관련됩니다. 개체를 만들고 싶다고 가정하면 먼저 개체를 구성하는 다각형을 따르는 광선을 결정한 다음 가능한 광원, 재료, 평면 또는 곡면과 같은 다각형의 속성을 고려합니다. , 간단히 말해서 광선을 더하거나 뺍니다.

그런 다음 장면의 개체에서 반사된 빛을 포함하여 다른 광원에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 투명하고 반투명한 표면(예: 유리 또는 물) 에 대해서도 레이 트레이싱을 가능하게 하려면 많은 공식이 필요합니다 . 광선조차도 무한한 수의 광자를 모두 감지할 수 없기 때문에 모든 것은 인공 반사의 한계를 가져야 합니다.

NVIDIA 에 따르면 가장 일반적으로 사용되는 레이 트레이싱 알고리즘은 BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversal 입니다. 이 알고리즘은 처리를 위해 개체를 구역화하여 프로세스 속도를 높입니다. 즉, "분할 및 정복"입니다.

BVH 알고리즘을 사용하는 NVIDIA의 토끼 모델을 참조할 수 있습니다. 이 모델은 각 레벨을 현지화하고 알고리즘이 짧은 목록 폴리곤을 생성할 때까지 블록을 점점 더 작게 분할한 다음 레이 트레이싱 작업을 수행합니다.

그러나 CPU나 GPU에서 소프트웨어로 이 작업을 수행할 때 수행해야 할 작업량이 너무 많습니다. 대안은 RT 코어이며 각 RT 코어에는 BVH 구조 알고리즘이 내장되어 있어 CUDA 코어보다 10배 빠르게 작업을 처리할 수 있습니다.

또한 픽셀에서 얼마나 많은 광선이 감지되는지 언급해야 합니다. 하나의 광선만으로도 수십 또는 수백 개의 계산이 이루어지지만 추적되는 광선이 많을수록 작업이 가벼워지고 생산성이 높아집니다. Pixar와 같은 회사도 레이 트레이싱 기술을 사용하여 애니메이션을 만듭니다.

프레임 속도가 60FPS인 90분짜리 영화에는 324,000개의 이미지가 필요하며 각 이미지는 각 픽셀을 추적하는 광선을 계산하는 데 몇 시간이 걸립니다. NVIDIA는 어떻게 이러한 실시간 등가물을 달성할 것입니까? 위에서 RT 코어의 등장을 언급했는데 그것만으로 부족하다면 튜링 아키텍처에서만 텐서 코어를 사용할 수 있다는 것이 답이다. 간단한 예를 들어 FP16의 워크로드를 취하면 Tensor 코어는 114TFLOPS에 도달하는 반면 FP32 및 CUDA는 14.2TFLOPS에 불과합니다.

그런데 Tensor 코어가 광선 추적에 충분한 이유는 무엇입니까? 그것은 AI와 자체 학습입니다. 즉, 게임이 AA 없이 더 낮은 해상도로 렌더링할 수 있게 해주는 딥 러닝 슈퍼 샘플링 기능입니다. 그런 다음 Tensor 코어가 프레임을 상속하고 영향을 미치며 더 높은 해상도를 위해 앤티앨리어싱을 적용합니다.

결론적으로 Epic, UE, Unity 3D, EA Frostbite와 같은 렌더링 업계의 거물들이 레이 트레이싱에 뛰어들었습니다. Microsoft는 광선 추적을 위해 특별히 DirectX Ray를 만들었습니다. RTX와 함께 이것은 컴퓨터 그래픽 산업에서 정말 큰 도약이며 물론 아직 완성되지 않았으며 향후 10년 이내에 주류로 RTX 2080 Ti를 시장에 내놓을 수 있을 것입니다.

NVIDIA 최신 그래픽 카드의 레이 트레이싱 기술

NVIDIA와 사실상 전체 업계의 현재 그래픽 기술은 주어진 장면에서 빛과 빛의 동작을 래스터화라고 하는 더 간단한 방법으로 시뮬레이션하는 것입니다. 화가가 그림을 그리는 것처럼 개체는 레이어별로 뒤에서 앞으로 렌더링되므로 전경의 개체가 배경의 개체를 가리게 됩니다.

기존 래스터(왼쪽)와 광선 추적(오른쪽) 간의 차이를 표시합니다.

그러나 래스터 기술은 빛을 추적하고 렌더링할 수 없기 때문에 반사를 렌더링할 때 이 접근 방식은 어려울 것입니다. 현재 하드웨어로는 비디오 게임이나 3D 애니메이션과 같은 복잡한 장면의 동작을 시뮬레이션하기에 충분하지 않기 때문에 실시간 장면에서 자주 사용됩니다.

한편 레이 트레이싱은 빛이 표면, 재료 및 움직이는 물체에 닿을 때 빛의 동작을 재구성합니다.

빛이 장면을 통과할 때 더 복잡하게 렌더링 및 렌더링할 수 있습니다. 광선 추적을 사용하면 광선이 개체와 상호 작용하는 방식을 시뮬레이션하여 실시간으로 사실적인 반사, 굴절 및 분산 효과를 생성할 수 있습니다. 레이 트레이싱은 굴절기, 반사경을 감지 및 표시하고 장면의 광원을 시각화하며 피사체를 통과한 후 빛의 색상까지 표시할 수 있습니다.

실제로 이 기술은 Pixar의 Monsters University, Marvel의 Iron Man과 같은 영화에서 실제로 사용되었습니다. 하지만 그때는 전문 사용자들이 사용하던 것이었는데 지금은 일반 사용자들에게도 이전에는 불가능했던 일이 되었습니다.

레이 트레이싱은 엄청난 컴퓨팅 파워를 필요로 하기 때문에 엔비디아의 위업이라고 할 만합니다. NVIDIA CEO Jensen Huang은 "우리가 한 세대(GPU 카드)에서 이룬 가장 큰 도약"이라고 말했습니다.

NVIDIA가 문제를 해결하는 방법은 새로 출시된 GPU에서 새로운 Turing 아키텍처를 사용하는 것입니다. 이 아키텍처는 처리 문제를 해결하도록 설계되었습니다. 전용 레이 트레이싱 코어에는 AI를 사용하여 이미지의 "실시간" 부분을 추론할 수 있는 Tensor 코어도 장착되어 있습니다. 이 기술의 가장 계산 집약적인 문제입니다. 따라서 GPU는 이전 Pascal 플랫폼(GTX 1080Ti)보다 6배 빠르게 에뮬레이션할 수 있습니다.

이것은 그래픽 기술의 진정한 도약이며 이제 스튜디오와 개인이 이 레이 트레이싱 기술의 사용을 애니메이션, 과학 게임 및 시뮬레이션의 응용 프로그램으로 확장할 수 있다고 생각하는 것은 흥미진진합니다.

바라건대 Ray Tracing 기술이 점점 더 발전하여 훨씬 더 아름다운 화질을 경험하게 되기를 바라지만 현재로서는 엄청난 소프트웨어가 필요하기 때문에 다른 사용자를 위해 Ray Tracing을 경험하는 것은 정말 어렵습니다. Ray Tracing 게임 구성에 대한 조언이 필요한 경우 WebTech360 에 문의하십시오 .

합성 출처: Genk.vn