レイ トレーシングとは何ですか? レイ トレーシングの仕組みを学ぶ

テクノロジーの進化は、ビジュアル エクスペリエンスにブレークスルーをもたらしますが、グラフィックスにも命を吹き込みます。nvidia の新しいレイ トレーシングテクノロジーは、同社がグラフィックス カード シリーズを発売する 際のその発展に対する答えです。チューリング アーキテクチャに基づいた新世代グラフィックスです。では、レイ トレーシングとは何でしょうか? なぜこれが未来のテクノロジーだと言えるのでしょうか? この記事でWebTech360について調べてみましょう

レイ トレーシングとは何ですか?

レイトレーシングとは、 光線をたどることで光をレンダリング（レンダリング）する技術です（traceは追いかける、rayは光線を意味します）。このテクニックは、太陽を見上げて、その光線がどこに当たるか、どの物体に当たるか、周囲の物体をどのように照らすかを追跡するのと同じように想像できます。レイ トレーシングはそのプロセスをデジタル環境で再現します。

言い換えれば、レイ トレーシングは、環境内の各オブジェクトによって吸収、反射、散乱、散乱される光を追跡し、太陽からの光線だけでなく、他のあらゆる光源にも適用されます (例: 2 つの電球)。ゲームルームでは、ゲーム内の暖炉の火のちらつき、3D レンダリング時に人工光源が固定されています...)。

現在、レイ トレーシングを備えたチューリング アーキテクチャにはまだ大きな疑問符が付いていますが、GPU 市場の革命的な転換点になると予想されており、そのような製品は将来ほとんどの PC に搭載される可能性があります。所有して使用できる人はほとんどいませんか？

GeForce RTX 2080 FE と GeForce RTX 2080 Ti FE シリーズの 2 つの記事やレビューはありますが、たとえハイテクをサポートするゲームであっても、まだ待たなければならないため、答えるのは難しいです。追跡中。さらに、Quadro プロフェッショナル グラフィックス カードにもこの新しいテクノロジーが搭載されています: Quadro RXT 8000、Quadro RXT 6000、Quadro RXT 5000、Quadro RXT 4000。

レイ トレーシングの仕組み

レイ トレーシングの目標は、より現実的なライティングとより自然なシェーディングを作成することであり、NVIDIAのRTXシリーズは、少なくとも発売デモでは印象的な結果を達成しました。従来の照明を使用すると、窓が開いた木造の部屋はほぼ部屋全体が明るくなり、レイ トレーシングがオンになっていると、部屋の暗い隅よりも直接光が当たっている場所が明るくなります。NVIDIA はまた、「Battlefield V」の炎がゲーム内のキャラクターに取り憑き、車のドアを焦がす様子を非常にリアルに示しました。

光は照明に影響を与えるだけでなく、色、深さ、影にも影響します。したがって、照明が現実に近い状態でシミュレートされると、残りの要素もうまくできています。現在のゲームのシェーダーは非常に荒々しく鮮明に見え、明るいパッチと暗いパッチの間のわずかな移行が欠けており、レイ トレーシングはこれを可能にする部分です。

レイ トレーシング アルゴリズム 

現実世界のシミュレーションの作成は非常に複雑な作業です。それには、重力や物理的相互作用は言うまでもなく、各物体の分子特性に基づいた、無数の光線、反射面、物体を通過するなど、多くの要素が含まれます。現在のコンピューターの有限なリソースのみを使用して、そのような「無限」のものをシミュレートすることは完全に不釣り合いであり、不可能です。

上記の問題の解決策を「ラスタライゼーション」と呼びます。無限の数のフォトンを扱う代わりに、処理はポリゴンから始まります。ポリゴンが多いほど処理速度が速くなります。ラスタライゼーションは、それらの数百万のポリゴンを特定の画像に変換するために使用されます。

つまり、2D プロトタイプを作成し、事前に構築された 3D 世界上でレンダリングします。その中で、ポリゴンで作られた 2D 画像は、近くで見ると画面全体をカバーできますが、遠くから見ると数ピクセルしかカバーしないため、ピクセル、テクスチャ、光の原理が作成されます。もちろん、1 つのテクニックで仕事全体をカバーできるわけではありません。

Z バッファ (各ピクセルの深度を追跡する二次バッファ) などのさまざまなテクニックによりプロセスが高速化され、生成された何百万ものポリゴンを表示、並べ替え可能、可能な限り効率的に処理できるツールが作成されます。これには、フレームごとに数百万、さらには数十億の計算が必要になる可能性があり、テラフロップスの処理速度を持つ最新の GPU のみが処理できます。

レイ トレーシングは、Rアスタライゼーションとは異なる方法で上記の問題にアプローチします。歴史的には、約 50 年前から存在しています。Turner Whitted は現在NVIDIAで働いており、過去には再帰的トラッキングを計算する方法をスケッチし、影や反射などを含む印象的なビジュアルを実現しました。もちろん、ラスター化よりもはるかに複雑になります。

レイ トレーシングには、光線 (通常は光線) を 3D 世界に投影する際の方向の検出が含まれます。オブジェクトを構築するとします。まず、オブジェクトを構成するポリゴンに従う光線を決定し、次に考えられる光源、材質、平面または曲面などのポリゴンのプロパティを考慮します。 、つまり、光線を追加または削除します。

このプロセスは、シーン内のオブジェクトからの反射光など、他の光源に対しても繰り返されます。非常に複雑なので、ガラスや水などの透明、半透明の表面であっても、レイ トレーシングを可能にするには多くの公式が必要です。光線ですら無限の数の光子をすべて検出することはできないため、すべてのものには人為的な反射の限界が必要です。

NVIDIAによると、最も一般的に使用されるレイ トレーシング アルゴリズムは、BVH Traversal: Bounding Volume Hierarchy Traversalです。これは、処理対象のオブジェクトをゾーニングする、つまり「分割統治」することでプロセスを高速化します。

BVH アルゴリズムを使用する NVIDIA のウサギ モデルを参照してください。BVH アルゴリズムは、各レベルをローカライズし、アルゴリズムの結果としてポリゴンの短いリストが得られるまで、パーツをどんどん小さなブロックに分割し、その後レイ トレーシングのジョブを実行します。

しかし、この作業をCPUやGPU上のソフトウェアで行うと作業量が多すぎます。代替手段は RT コアです。各 RT コアには BVH 構造アルゴリズムが組み込まれており、CUDA コアよりも 10 倍高速に作業を処理できます。

さらに、ピクセル上で検出される光線の数についても言及する必要があり、1 つの光線だけで数十、数百の計算が必要になりますが、より多くの光線を追跡するほど作業が軽くなり、生産性が高くなります。ピクサーなどの企業も、アニメーションの作成にレイ トレーシング テクノロジーを使用しています。

フレーム レート 60 FPS の 90 分の映画には 324,000 枚の画像が必要で、それぞれの画像で各ピクセルを追跡する光線を計算するのに数時間かかります。NVIDIA はどのようにしてこのようなリアルタイム同等の機能を実現するのでしょうか? 上で RT コアの外観について触れましたが、それだけでは十分でない場合、答えは、Tensor コアは Turing アーキテクチャでのみ利用できるということです。簡単な例として、FP16 のワークロードを取ると、Tensor コアは 114 TFLOPS に達しますが、FP32 と CUDA は 14.2 TFLOPS しかありません。

しかし、なぜ Tensor コアがレイ トレーシングに十分なのでしょうか? これは AI と自己学習です。言い換えれば、AA なしでゲームを低解像度でレンダリングできるようにするディープ ラーニング スーパー サンプリング機能です。その後、Tensor コアがフレームを継承して影響を与え、高解像度のアンチエイリアシングを行います。

結論として、Epic、UE、Unity 3D、EA Frostbite など、レンダリング業界の大手企業がレイ トレーシングに参入しています。Microsoft は、レイ トレーシング専用の DirectX Ray も作成しました。RTX の導入は、コンピュータ グラフィックス業界における大きな進歩ですが、もちろんまだ完成していませんし、今後 10 年以内に RTX 2080 Ti を完全に主流として市場に投入できるようになるかもしれません。

NVIDIA の最新グラフィックス カードのレイ トレーシング テクノロジ

NVIDIA と事実上業界全体が提供する現在のグラフィックス テクノロジは、ラスタライゼーションと呼ばれるより単純な方法で、特定のシーンにおける光と光の動作をシミュレートすることを目的としています。画家が絵を描くように、オブジェクトはレイヤーごとに後ろから前にレンダリングされるため、前景のオブジェクトによって背景のオブジェクトが見えにくくなります。

従来のラスター（左）とレイトレーシング（右）の違いを表示します。

ただし、ラスター技術では光を追跡してレンダリングできないため、反射をレンダリングする場合、このアプローチは困難になります。現在のハードウェアではビデオ ゲームや 3D アニメーションなどの複雑なシーンの動きをシミュレートするには不十分であるため、リアルタイム シーンでよく使用されます。

一方、レイ トレーシングは、表面、マテリアル、移動する物体に当たるときの光の動作を再構築します。

シーンを通過する光をレンダリングして、より複雑に表現することができます。レイ トレーシングを使用すると、光線がオブジェクトとどのように相互作用するかをシミュレートし、リアルな反射、屈折、散乱効果をリアルタイムで作成できます。レイ トレーシングでは、屈折体や反射体を検出して表示したり、シーン内の光源や被写体を通過した後の光の色を視覚化することもできます。

実際、このテクニックはピクサーのモンスターズユニバーシティやマーベルのアイアンマンなどの映画で実際に使用されています。しかし、それはプロのユーザーが使用していたときの話ですが、今ではそれが一般のユーザーにも提供されるようになりました。これは以前は不可能でした。

レイ トレーシングには膨大なコンピューティング パワーが必要なので、これは NVIDIA の偉業と呼ぶに値します。NVIDIA CEO の Jensen Huang 氏は、これは「我々がこの世代 (GPU カード) で成し遂げた最大の飛躍」であると述べました。

この問題を解決する NVIDIA の方法は、新しくリリースされた GPU で新しい Turing アーキテクチャを使用することです。このアーキテクチャは、処理の問題を解決するために設計されています。専用のレイ トレーシング コアには Tensor コアも装備されており、AI を使用して画像の「リアルタイム」部分（この技術で最も計算量が多い問題）を推論できます。そのため、GPU は以前の Pascal プラットフォーム (GTX 1080Ti 上) よりも 6 倍高速にエミュレートできます。

これはまさにグラフィックス技術における大きな進歩であり、スタジオや個人がこのレイ トレーシング技術の使用をアニメーション、サイエンス ゲーム、シミュレーションのアプリケーションに拡張できるようになると考えると興奮します。

レイ トレーシング技術がますます開発され、さらに美しい画質が体験できるようになることが期待されますが、現時点では、巨大なソフトウェアが必要なため、他のユーザーがレイ トレーシングを体験することは非常に困難です。レイ トレーシング ゲーム構成に関するアドバイスが必要な場合は、WebTech360にお問い合わせください。

合成元: Genk.vn