게임 비주얼에 대해 경로 추적이 광선 추적보다 나은 이유

게임의 실시간 레이 트레이싱은 Nvidia가 2018년에 RTX 20 시리즈 카드를 출시한 이후 큰 파장을 불러일으켰습니다. 처음에는 단순한 속임수에 불과했던 것이 점차 게이머들이 좋아하는 게임에서 지속적으로 찾는 기능으로 발전했습니다. 최근에는 경로 추적과 광선 추적에 대한 논쟁이 큰 파도를 일으키고 있으며, 전자는 후자보다 더 발전되고 사실적인 시각적 효과를 보여줍니다. 몇 년이 더 걸리고 GPU 세대가 지나면 경로 추적이 마침내 주류가 될 수 있습니다.

래스터화, 광선 추적 및 경로 추적

경로 추적과 레이 추적을 나누어 게임 그래픽에 왜 필요한지 살펴보겠습니다.

전통적으로 개발자들은 게임 비주얼을 렌더링하기 위해 래스터화라는 기술을 사용해 왔습니다. 래스터화는 수학적 벡터 모양을 픽셀로 변환하여 컴퓨터 모니터 및 기타 픽셀 기반 디스플레이(이전 CRT 디스플레이와 다름)에서 볼 수 있도록 하는 것입니다.

물론 래스터화는 정적 광원과 함께 “사전 렌더링된” 조명을 사용하여 빛의 실제 동작을 근사화하는 데 매우 효과적이었습니다. 그러나 사실적인 게임 비주얼에 대한 수요가 증가하면서 이를 지원하는 기술과 함께 마침내 게이머가 실시간 레이 트레이싱을 사용할 수 있게 되었습니다.

래스터화와 달리 광선 추적은 게임이나 응용 프로그램의 모든 프레임에서 빛의 실제 동작을 시뮬레이션하려고 시도합니다. 빛은 실제로 여러 물체와 상호 작용한 후 반사, 굴절 또는 흡수될 수 있으므로 프레임의 모든 단일 픽셀에 대해 동일한 광선 동작이 계산됩니다. 이는 단 하나의 프레임에 대해 수백만 개의 시뮬레이션된 광선의 동작을 계산하는 것과 같습니다. 이것이 바로 Ray Tracing이 계산적으로 너무 무거운 이유입니다.

레이 트레이싱 자체는 새로운 것이 아닙니다. 1969년에 개발된 레이 트레이싱은 1970년대부터 영화 스튜디오에서 다양한 수준으로 사용되었습니다. 그러나 할리우드는 단일 레이 트레이싱 장면을 렌더링하는 데 때때로 몇 주가 걸릴 수 있는 “렌더 팜”을 사용하여 영화의 모든 프레임을 “사전 렌더링”하는 사치를 누리고 있습니다.

게임의 실시간 Ray Tracing은 매 프레임마다 동적으로 변화하는 환경에서 복잡한 계산을 수행해야 하기 때문에 다릅니다. 이는 또한 대부분의 레이 트레이싱 게임이 최신 GPU의 하드웨어 가속을 사용하는 경우에도 1~2개의 레이 트레이싱 요소만 조합하여 사용하는 이유이기도 합니다. 광선 추적 반사 또는 그림자와 같은 래스터화.

이제 경로 추적에 들어갑니다. 기본적으로 경로 추적은 광선 추적의 수정된 버전일 뿐입니다. 기본 광선이든 반사된(보조 광선이든) 모든 단일 광선의 경로를 추적하는 대신 경로 추적은 장면을 통과할 때 빛이 취할 가능성이 가장 높은 경로만 계산합니다.

1980년대에 고안된 경로 추적에는 모든 단일 픽셀에 대해 여러 광선을 포함하는 보다 복잡한 수학이 필요하지만 결국 렌더링 하드웨어, 즉 GPU에 대한 오버헤드가 낮아집니다. 경로 추적은 정확한 예측이 불가능할 정도로 어려운 상황에서 가장 가능성 있는 결과를 예측하는 데 도움이 되는 확률 모델인 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한 광선 추적의 근사치입니다.

2단계 전역 조명 기술인 광자 매핑(2001년 개발)과 같은 광선 추적의 다른 변형이 있습니다. 첫 번째 단계에서는 장면 전체에서 광선을 사용하여 색상 및 조명 데이터가 포함된 광자 맵을 생성하고, 두 번째 단계에서는 전처리된 광자 맵을 사용하여 장면을 실시간으로 렌더링합니다. 광자 매핑은 기술적으로 렌더링 오버헤드를 훨씬 더 줄일 수 있지만, 성능이 떨어지는 하드웨어가 있는 경우 매우 복잡하고 일부 아티팩트가 발생하기 쉽습니다.

경로 추적이 광선 추적보다 좋아 보입니다.

경로 추적이 광선 추적의 효과와 비슷하다면 왜 더 나은가요? 결과가 Ray Tracing보다 열등해야 하는 것 아닌가요?

아니요. 경로 추적과 광선 추적에 대한 논쟁은 좀 더 미묘합니다. 풀 레이 트레이싱이라고도 불리는 경로 추적은 실제로 게임에서 더욱 사실적인 조명을 생성하는 것으로 나타났습니다. Cyberpunk 2077 및 Alan Wake 2와 같은 최근 게임은 경로 추적의 도움을 받아 완전한 레이 트레이싱이 어떤 모습일 수 있는지 보여주었습니다.

경로 추적은 Quake 2, Portal, The Elder Scrolls V: Skyrim 및 Half-Life와 같은 오래된 타이틀에서도 구현되어 오래된 그래픽에서 기술 데모로 전환되었습니다.

경로 추적은 액세스할 수 있는 데이터 샘플이 더 크기 때문에 더욱 사실적인 조명을 생성할 수 있습니다. 광선 추적과 달리 경로 추적은 모든 픽셀에 대해 여러 광선을 장면에 쏘고 그 중 소수를 샘플링하여 최종 출력에 도달합니다. 이를 통해 Nvidia의 DLSS 덕분에 노이즈 제거의 도움을 받아 알고리즘이 더욱 정의된 그림자, 반사 및 전역 조명을 생성할 수 있습니다.

GPU에서 경로 추적이 기술적으로 더 쉽습니다.

경로 추적과 관련된 더 복잡한 계산, 노이즈 제거 및 AI 속임수에도 불구하고 적어도 이론상으로는 GPU를 사용하는 것이 더 쉽습니다.

경로 추적을 사용하여 처음부터 개발된 게임은 이러한 적은 오버헤드로 인해 가장 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 이런 일이 자주 있었던 것은 아닙니다. 경로 추적은 원래 출시된 지 몇 년 후에 업데이트로 다양한 게임에 도입되었습니다.

Nvidia가 “완전한 레이 트레이싱 게임”이라고 주장하는 Alan Wake 2조차도 경로 추적을 보편적으로 사용하지 않습니다. 그것 없이도 숨이 막힐 정도로 PS5 최고의 게임 중 하나라는 점에서 다릅니다.

현재 상황으로는 이러한 타이틀을 최고 수준의 GPU를 사용하더라도 재생 가능한 프레임 속도로 실행하기가 터무니없을 정도로 어렵습니다. Nvidia의 RTX 40 시리즈는 이러한 게임을 낮은 해상도로 렌더링하고 수용 가능한 결과를 생성하기 위해 확장하기 위해 다양한 AI 기능을 사용해야 합니다.

그러나 몇 년 후에는 게임의 AI가 게임 산업에 혁명을 일으키면서 주류 GPU에서 경로 추적 구현이 훨씬 쉬워질 것입니다. .

이 GPU는 PS5와 일치하거나 그보다 성능이 뛰어납니다.

경로 추적은 새로운 기술이 아닙니다

2000년대부터 디즈니, 소니 등의 영화 스튜디오에서는 전체 경로 추적으로 애니메이션 영화를 렌더링하기 위해 경로 추적을 사용해 왔습니다. 이 이론은 1980년대부터 타당했으며, 이제 실시간 경로 추적은 비록 엄청나게 무겁기는 하지만 사람들이 눈앞에서 일어나는 것을 볼 수 있는 인기 있는 게임에 등장했습니다.

경로 추적은 더 많은 게임과 더 저렴한 하드웨어를 개발하는 데 오랜 시간이 걸리는 근본적으로 새로운 기술이 아닙니다. Nvidia, AMD, Intel과 같은 회사가 GPU를 개선하고 고급 AI 알고리즘에 투자하기 위해 경쟁함에 따라 경로 추적은 게임뿐만 아니라 다른 미디어에서도 더욱 널리 퍼질 것입니다. 그리고 이것은 조만간 일어날 것입니다.

Intel Arc GPU가 게임에 적합한지 알아보세요.

레이 트레이싱, 경로 추적 및 래스터화가 함께 작동합니다.

경로 추적만큼 진보되고 인상적이지만 여전히 모든 것을 완벽하게 수행할 수는 없습니다. 더 많은 데이터에 접근할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이자 가장 큰 단점이기도 합니다.

사용 가능한 데이터가 작은 경우(예: 어두운 던전) 또는 반사 및 굴절 표면(예: 수역 또는 유리)의 경우 광선 추적이 여전히 우수합니다. 이것이 게임에서 경로 추적이 등장하더라도 레이 레이싱이 갑자기 현장에서 사라지지 않는 이유입니다.

언제나 그렇듯이 개발자는 렌더링 기술을 조합하여 어떤 상황에서도 가장 사실적인 장면을 생성할 것입니다. 따라서 레이 트레이싱과 경로 트레이싱은 래스터화와 함께 가까운 미래에 게임에 강력한 힘을 실어줄 것입니다.

몇 년에 한 번씩 새로운 기술이 등장하여 게임을 그 어느 때보다 사실적으로 만들 수 있다는 점에서 뉴스가 됩니다. 먼저 셰이더, 테셀레이션, 레이트레이싱, 그리고 지금은 경로 추적이었습니다. 그러나 이러한 기술은 게임 성능에도 큰 영향을 미칩니다. 현재 PC가 게임에서 이러한 새로운 기술을 활용할 수 없다고 생각되면 새 GPU를 구입해야 할 수도 있습니다. . 나는 미래의 완전한 경로 추적 게임을 기다리는 동안 일반 게이머도 미래의 GPU에 접근할 수 있기를 바랄 뿐입니다.

이미지 출처: 회로가 있는 최신 GPU 카드 클로즈업 보기(DepositPhotos 제작)