Трассировка лучей — термин, ставший популярным в 2020 году в связи с запуском нового поколения видеокарт Nvidia: линейки RTX. Многие думают, что Ray Tracing — это новая технология, созданная для карт (что не совсем ошибочно), но на самом деле это не совсем так. В этой статье вы увидите, как и когда появился этот термин, а также как работает эта технология.
Появление трассировки лучей
Понятие трассировки лучей начало обсуждаться в 60-х годах, и первым о нем заговорил Артур Аппель, опубликовавший в 1968 году в своей статье «Некоторые методы затенения машинной визуализации твердых тел». Там он описал первоначальные методы лучевой визуализации. трассировка для рендеринга изображений.
«Некоторые методы затенения машинной визуализации твердых тел», Артур Аппель.
Но именно в 1980 году трассировку лучей начали внедрять на более мощных компьютерах. Работа Джима Блинна «Расчет отражения света от поверхностей в компьютерной графике» сыграла фундаментальную роль в развитии этой техники.
«Модели отражения света для компьютерно синтезированных изображений» Джеймс Ф. Блинн
Что такое трассировка лучей?
Если довести это до буквального перевода, то мы получим «трассировку лучей», которая представляет собой не что иное, как технику рендеринга, используемую в компьютерной графике с целью создания чрезвычайно реалистичных изображений.
Эта техника имитирует поведение света в реальности, позволяя создавать высокоточные и естественные световые эффекты, тени, отражения и преломления.
Трассировка лучей работает с учетом следующих элементов:
Затенение: Он рассчитывает, как свет блокируется объектами, и создает реалистичные области теней.
Размышления: Моделирует отражение света на отражающих поверхностях, создавая точные отражения окружающих объектов и сцен.
Преломления: Имитирует преломление света при прохождении через прозрачные материалы, такие как стекло или вода.
Глобальные световые эффекты: Он учитывает непрямое освещение, при котором свет, отраженный от освещенных поверхностей, освещает близлежащие области, создавая более реалистичный вид.
Текстуры и материалы: Позволяет отображать сложные материалы, такие как металлы, пластмассы и ткани, на основе их взаимодействия со светом.
Прозрачность: Точно обрабатывает прозрачные и полупрозрачные материалы, такие как окна.
Скриншоты игры «Battlefield V»
Трассировка лучей известна тем, что создает очень реалистичные изображения, но требует чрезвычайно больших вычислительных ресурсов. По этой причине исторически он больше использовался в кинопроизводстве и анимации, созданной на компьютерах, где время рендеринга не является срочным. Однако благодаря технологическим достижениям в области аппаратного обеспечения, такого как графические процессоры, предназначенные для трассировки лучей, этот метод все чаще востребован в режиме реального времени, используется в играх и других интерактивных приложениях для обеспечения более реалистичного визуального восприятия.
Как работает трассировка лучей?
Трассировка лучей проходит определенные этапы для создания реалистичного визуального представления. Вот краткое описание этого процесса:
Рэй-кастинг: Процесс начинается с запуска луча света от виртуальной камеры в сторону виртуальной сцены. Каждый пиксель на экране соответствует лучу света, направленному на виртуальный объект.
Пересечение с объектами: Здесь лучи проверяются, чтобы увидеть, попадают ли они на какие-либо объекты в сцене. Это предполагает проверку того, пересекается ли луч или сталкивается с геометрией таких объектов, как треугольники, сферы, кубы и т. д.
Расчет освещения: Как только луч попадает на объект, трассировка лучей вычисляет, как свет взаимодействует с этим объектом (о чем упоминалось ранее), включая затенение, отражения, преломления, текстуру и материалы.
Расчет цвета:Для каждого луча, который попадает на объект и взаимодействует с ним, трассировка лучей вычисляет результирующий цвет в этой точке изображения. Это включает в себя расчет вклада окружающего света, прямого света (идущего от источников света), отражений, преломлений и других эффектов.
Рекурсия: Процесс расчета отражений и преломлений может быть рекурсивным. Например, когда луч попадает на зеркальную поверхность, он может генерировать новый отраженный луч, который необходимо отслеживать. Это позволяет моделировать множественные отражения и преломления, создавая более реалистичные изображения.
Композиция изображения: Результаты расчета для каждого луча объединяются для формирования окончательного изображения, которое будет отображаться на экране. Это предполагает назначение цветов пикселям на основе информации об освещении и материалах объектов.
Повторение: Этот процесс создания лучей, расчета пересечений и освещения повторяется для каждого пикселя на экране, пока не будет создано полное изображение.
Портрет процесса трассировки лучей
Насколько важна трассировка лучей?
Что ж, главное значение трассировки лучей заключается в ее способности создавать визуально реалистичные изображения, в результате чего изображения напоминают реальность гораздо больше, чем традиционные методы рендеринга.
В видеоиграх трассировка лучей становится все более востребованной. Это позволяет играм иметь более впечатляющую графику, что увеличивает погружение и качество игрового процесса. Весь этот реализм делает игровую среду более захватывающей.
В кино- и анимационном производстве трассировка лучей широко используется для создания реалистичных спецэффектов и виртуальной среды. Это экономит время и ресурсы по сравнению со съемками в реальном мире и позволяет кинематографистам создавать невероятные вымышленные миры.
Сцена из фильма «Аватар»
Трассировку лучей также можно использовать в промышленном дизайне и архитектуре для создания точной визуализации продуктов и зданий еще до их постройки. Это позволяет дизайнерам и архитекторам более эффективно оценивать и корректировать свои проекты.
3D-модель проекта с использованием трассировки лучей
В учебных симуляциях, таких как обучение пилотов авиакомпаний или врачей, трассировка лучей используется для создания реалистичной виртуальной среды, воспроизводящей реальные ситуации. Это повышает эффективность обучения и безопасность специалистов.
В медицине трассировка лучей используется в медицинских визуализациях, таких как МРТ и компьютерная томография, для создания детальных и точных изображений человеческого тела. Кроме того, он используется в научном моделировании для изучения сложных явлений, таких как поведение субатомных частиц.
Иллюстративное изображение томографии
В разработке игр и компьютерной анимации трассировка лучей является ценным инструментом для создания реалистичных сцен и персонажей, позволяющего сэкономить время и ресурсы на рендеринге и улучшить качество изображения.
Сравнение персонажей «Вуди» в «Истории игрушек»
Трассировка лучей — это активная область исследований в области компьютерной графики, обеспечивающая постоянное улучшение качества и эффективности рендеринга. Это приводит к постоянным улучшениям в различных приложениях.
Короче говоря, трассировка лучей важна, потому что она позволяет технологиям генерировать изображения и виртуальные среды, которые гораздо больше напоминают реальность, что важно во многих областях: от развлечений до обучения, дизайна, медицины и науки. Поскольку технологии продолжают развиваться, мы можем ожидать, что трассировка лучей будет играть еще большую роль в создании реалистичного визуального опыта и улучшении различных приложений.