ゲームのビジュアルではパス トレーシングがレイ トレーシングよりも優れている理由

Nvidia が 2018 年に RTX 20 シリーズ カードを発売して以来、ゲームにおけるリアルタイム レイ トレーシングは波紋を呼んでいます。当初は単なるギミックにすぎなかったものは、徐々にゲーマーがお気に入りのゲームに一貫して求める機能に進化しました。最近では、パス トレーシングとレイ トレーシングの議論が波紋を呼んでおり、前者は後者よりも高度でリアルなビジュアルを示しています。あと数年と GPU の世代が経てば、ついにパス トレーシングが主流になるかもしれません。

ラスタライゼーション、レイ トレーシング、パス トレーシング

パス トレーシングとレイ トレーシングを分けて、ゲーム グラフィックスにパス トレーシングが必要な理由を見てみましょう。

従来、開発者はラスタライゼーションと呼ばれる技術を使用してゲームのビジュアルをレンダリングしてきました。ラスタライズとは、数学的なベクトル形状をピクセルに変換し、コンピューターのモニターやその他のピクセルベースのディスプレイ (古い CRT ディスプレイとは異なります) で表示できるようにすることです。

確かに、ラスタライゼーションは、静的光源を使用した「プリレンダリング」照明を使用することで、現実世界の光の動作を近似するのに非常に効果的です。しかし、フォトリアリスティックなゲーム ビジュアルに対する需要が高まり、それを実現するテクノロジーとともに、ついにゲーマーがリアルタイム レイ トレーシングを利用できるようになりました。

ラスタライズとは異なり、レイ トレーシングは、ゲームやアプリケーションのすべてのフレームで現実世界の光の動作をシミュレートしようとします。実際には光は複数のオブジェクトと相互作用した後に反射、屈折、または吸収される可能性があるため、光線の同じ動作がフレームの単一ピクセルごとに計算されます。これは、たった 1 フレームに対して数百万ものシミュレートされた光線の動作を計算することになります。これが、レイ トレーシングの計算負荷が非常に高い理由です。

レイ トレーシング自体は何も新しいものではありません。 1969 年に開発されたレイ トレーシングは、1970 年代から程度の差こそあれ映画スタジオで使用されてきました。しかし、ハリウッドには、単一のレイ トレーシング シーンをレンダリングするのに数週間かかることがある「レンダー ファーム」を使用して、映画のすべてのフレームを「プリレンダリング」するという贅沢があります。

ゲームのリアルタイム レイ トレーシングは、動的に変化する環境でフレームごとにこの複雑な計算を実行する必要があるため、これとは異なります。これは、ほとんどのレイ トレーシング ゲームが、最新の GPU のハードウェア アクセラレーションを使用している場合でも、レイ トレーシングの要素を 1 つまたは 2 つだけ組み合わせて使用​​する理由でもあります。レイトレースされた反射やシャドウなどのラスタライゼーション。

さて、パストレースの話に入ります。本質的に、パス トレーシングはレイ トレーシングの修正バージョンにすぎません。パス トレーシングでは、一次光線であれ反射された (2 次) 光線であれ、すべての光線のパスをトレースするのではなく、シーンを通過するときに光がたどる可能性が最も高いパスのみを計算します。

1980 年代に考案されたパス トレーシングは、単一ピクセルごとに複数のレイを含むより複雑な数学を必要としますが、最終的にはレンダリング ハードウェア、つまり GPU のオーバーヘッドの削減につながります。パス トレーシングは、モンテカルロ シミュレーションを使用したレイ トレーシングの近似です。これは、正確な予測が不可能な状況で最も可能性の高い結果を予測するのに役立つ確率モデルです。

レイ トレーシングには他にも、2 段階のグローバル イルミネーション技術であるフォトン マッピング (2001 年に開発) などのバリエーションがあります。最初のステップでは、シーン全体で光線を使用して、色と照明データを含むフォトン マップを作成し、2 番目のステップでは、前処理されたフォトン マップを使用してシーンをリアルタイムでレンダリングします。フォトン マッピングは技術的にはレンダリングのオーバーヘッドをさらに削減できますが、非常に複雑であり、強力でないハードウェアを使用している場合にはアーティファクトが発生する傾向があります。

パス トレーシングはレイ トレーシングよりも優れているように見えます

パス トレーシングがレイ トレーシングの効果に近似しているだけなら、なぜそれがより優れているのでしょうか?レイトレーシングよりも劣る結果になるのではないか？

いいえ。パス トレーシングとレイ トレーシングの議論はもう少し微妙です。パス トレーシング (フル レイ トレーシングとも呼ばれます) は、実際にゲームでよりリアルなライティングを生成することが示されています。 Cyber​​punk 2077 や Alan Wake 2 などの最近のゲームは、(パス トレーシングの助けを借りた) 本格的なレイ トレーシングがどのようなものかを示しています。

パス トレーシングは、『Quake 2』、『Portal』、『ThelderScrollsV:Skyrim』、『Half-Life』などの古いタイトルにも実装されており、それらを時代遅れのグラフィックスから技術デモに変えています。

パス トレースでは、アクセスできるデータ サンプルが大きいため、より現実的なライティングを生成できます。レイ トレーシングとは異なり、パス トレーシングでは、ピクセルごとに複数の光線をシーンに発射し、その一部をサンプリングして最終出力に到達します。これにより、Nvidia の DLSS のおかげでノイズ除去によって支援されたアルゴリズムが、より明確な影、反射、およびグローバル イルミネーションを生成できるようになります。

GPU ではパス トレースが技術的に簡単になります

パス トレースにはより複雑な計算、ノイズ除去、AI のトリックが含まれますが、少なくとも理論上は GPU 上でより簡単になります。

パス トレーシングを使用してゼロから開発されたゲームは、このオーバーヘッドの軽減によって最大限のメリットを得ることができます。このようなことはあまり多くありません。パス トレーシングは、最初のリリースから数年後、アップデートとしてさまざまなゲームに導入されました。

Nvidia が「完全にレイ トレーシングのゲーム」と主張している Alan Wake 2 でさえ、パス トレーシングを普遍的に使用しているわけではありません。それがなくても息を呑むような美しさであり、PS5 の最高のゲームの 1 つでもあります。

現状では、そのようなタイトルをプレイ可能なフレーム レートで実行するのは、たとえ最もハイエンドの GPU であっても、途方もなく困難です。 Nvidia の RTX 40 シリーズは、これらのゲームを低解像度でレンダリングし、許容可能な結果を​​生み出すためにアップスケールするためだけに、一連の AI 機能を使用する必要があります。

しかし、あと数年でゲームの AI がゲーム業界に革命を起こすと、主流の GPU でのパス トレーシングの実装がはるかに簡単になるでしょう。 .

これらの GPU は PS5 と同等またはそれを上回るパフォーマンスを発揮します。

パス トレーシングは新しい技術ではありません

2000 年代以降、パス トレーシングは、ディズニーやソニーなどの映画スタジオで、完全なパス トレーシングを使用してアニメーション映画をレンダリングするために使用されてきました。この理論は 1980 年代から正当なものであり、現在では、法外に重いにもかかわらず、リアルタイム パス トレースが人気のゲームに導入され、人々はそれが目の前で起こるのを確認できるようになりました。

パス トレーシングは、より多くのゲームやより手頃なハードウェアに浸透するまでに長い時間がかかるような根本的に新しい技術ではありません。 Nvidia、AMD、Intel などの企業が GPU の改善と高度な AI アルゴリズムへの投資を競う中、パス トレーシングはゲームやその他のメディアでもさらに普及するでしょう。そして、これは遅かれ早かれ起こるでしょう。

Intel Arc GPU がゲームに適しているかどうかを確認してください。

レイ トレーシング、パス トレーシング、ラスタライゼーションは連携して機能します

パス トレースは高度で優れていますが、それでもすべてを完璧に実行できるわけではありません。より多くのデータにアクセスできるという最大の利点は、最大の欠点でもあります。

レイ トレーシングは、利用可能なデータが小さい場合 (暗いダンジョンなど)、または反射面や屈折面 (水域やガラスなど) の場合には依然として優れています。このため、ゲームでのパス トレーシングの出現によってレイ レーシングが突然シーンから消えることはありません。

いつものように、開発者は、どのような状況でも最も現実的なシーンを生成するために、レンダリング技術を組み合わせて使用​​する可能性があります。したがって、レイ トレーシングとパス トレーシングの両方が、ラスタライゼーションとともに、近い将来ゲームを強化することになります。

数年ごとに、ゲームをこれまで以上にフォトリアルにする新しいテクノロジーがニュースになります。最初はシェーダー、次にテッセレーション、次にレイ トレーシング、そして現在はパス トレーシングです。ただし、これらのテクノロジーはゲームのパフォーマンスにも大きな影響を与えます。現在の PC ではこれらの新時代のテクニックをゲームで活用できていないと思われる場合は、新しい GPU を購入する必要があるかもしれません。 。私は、将来の完全なパス トレース ゲームが登場するのを待ちながら、将来の GPU が平均的なゲーマーにも利用できるようになることを願うばかりです。

画像クレジット: 回路を備えた最新の GPU カードの拡大図 by DepositPhotos