레이 트레이싱과 래스터 화 된 렌더링 – 설명

의견

2018 년 Nvidia의 Turing GPU 제품군 출시 이후 게임 세계는 '레이 트레이싱'이라는 기능에 대한 논의가 기하 급수적으로 증가했습니다. 당시 Nvidia의 새로운 'RTX'그래픽 카드 시리즈는 게임에서 '실시간 레이 트레이싱'이라는 기능을 지원했습니다. 대부분의 사람들은이 새로운 기능이 무엇인지, 왜 Nvidia가이 기능을 너무 많이 밀어 붙 였는지 확신하지 못했지만 동시에이 기술에 흥미를 느꼈습니다. Nvidia에 따르면 Ray Tracing은 그들이 출시 한 제품의 이름에 바로 넣어야한다고 생각하는 큰 포인트였습니다. 새로운 GeForce 'RTX'시리즈 카드는 Nvidia가 일반적으로 출시하는 60,70,80 및 -80Ti SKU와 같은 상위 SKU에 대해 이전의 'GTX'품종을 대체했습니다.



Nvidia GeForce RTX 3080은 Ray Tracing을 지원하는 가장 빠른 그래픽 카드 중 하나입니다. – 이미지 : Nvidia

Nvidia의 RTX 2000 시리즈 그래픽 카드는 게임에서 Ray Tracing 지원을 가능하게하는 몇 가지 하드웨어 변경 사항을 가져 왔습니다. 새로운 Turing 기반 그래픽 카드는이 프로세스에 전념하고 RT 코어로 알려진 특수 코어를 포함했습니다. RT 코어의 목적은 게임에서 실시간 레이 트레이싱을 가능하게하는 데 필요한 모든 그래픽 계산을 특별히 처리하는 것이 었습니다. Nvidia는 또한 카드의 원시 성능을 높이기 위해 추가 CUDA 코어로 카드를 보완하고 Tensor Cores로 알려진 새로운 코어 세트를 추가했습니다. 이 코어는 Deep Learning Super Sampling으로 알려진 새로운 형태의 업 스케일링 기술과 같은 딥 러닝 및 AI 애플리케이션을 지원하기위한 것입니다. 이미 Deep Learning Super Sampling 또는 DLSS에 대해 자세히 논의했습니다. 이 기사 에서 AI 기반 업 스케일링 기술에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.



레이 트레이싱은 새로운 것이 아닙니다

언뜻보기에는 레이 트레이싱이 Nvidia가 개척 한 새로운 기술처럼 보일 수 있지만 사실은 사실과 다릅니다. 예, Nvidia는 게임에서 실시간 Ray Tracing 지원을 구현 한 최초의 회사 였지만 이것이 RTX 시리즈 이전에 Ray Tracing이 존재하지 않았 음을 의미하지는 않습니다. CGI 효과를 특징으로하는 최근 영화를 본 적이 있다면 몇 년 동안 모르게 즐기고 있었을 것입니다.



Ray Tracing은 이미 영화와 같은 다른 영역에서 사용되고 있습니다. – 이미지 : Nvidia



영화에서의 구현은 게임 버전과는 조금 다르고 훨씬 더 집약적입니다. 예산이 큰 제작물은 이러한 장면을 렌더링하는 데 많은 돈과 시간을 소비 할 수있는 사치가 있습니다. 인기있는 애니메이션 영화는 한 달 동안 레이 트레이싱 효과로 전체 영화를 렌더링하기 위해 약 1000 대의 슈퍼 컴퓨터를 사용한 것으로보고되었습니다. 이러한 대규모 렌더링 프로세스는 물론 일부 업데이트 된 비주얼로 일부 게임을 플레이하려는 일반 게이머에게는 가능하지 않거나 가능하지 않으므로 현대 게임에 존재하는 Ray Tracing 버전은 응용 프로그램에서 상당히 다릅니다. 그럼에도 불구하고 Ray Tracing은 게임 이외의 많은 프로덕션 영역에 존재하는 기능이며 영화가 더 눈에 띄는 것 중 하나입니다.

블렌더와 같이 그래픽 집약적 인 장면에서 작업하기 위해 전문가가 사용하는 생산성 소프트웨어도 Ray Tracing 기능을 지원합니다. 이러한 컴퓨터 그래픽 및 렌더링 소프트웨어는 다양한 수준의 레이 트레이싱 응용 프로그램을 사용하여 스틸 렌더 및 3D 애니메이션에서 사실적인 비주얼을 생성합니다.

래스터 화란 무엇입니까?

그렇다면 엔비디아는 왜 그런 복잡한 프로세스를 전통적인 게임에 구현해야한다고 생각했을까요? 게임에서 레이 트레이싱 프로세스를 워크로드에 맞게 최적화하는 데 차이가 있습니까? Ray Tracing의 메커니즘을 이해하려면 먼저 게임이 전통적으로 렌더링되는 메커니즘을 이해해야합니다. 이를 통해 Ray Tracing이 그래픽 충실도의 향상과 큰 도약으로 간주되는 이유를 이해하는 데 도움이 될 것입니다.



현재 렌더링에 사용되는 기술을 '래스터 화'라고합니다. 이 기술에서 게임 코드는 GPU가 다각형을 사용하여 3D 장면을 그리도록 지시합니다. 이러한 2D 모양 (대부분 삼각형)은 화면에 표시되는 시각적 요소의 대부분을 구성합니다. 장면이 그려진 후에는 개별 픽셀로 변환되거나 '래스터 화'된 다음 전용 셰이더에 의해 처리됩니다. 셰이더는 픽셀 단위로 색상, 텍스처 및 조명 효과를 추가하여 완전히 렌더링 된 프레임을 생성합니다. 이 기술은 게임에서 30FPS 또는 60FPS 비주얼을 생성하기 위해 초당 약 30-60 번 반복되어야합니다.

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래스터 화 메커니즘의 세부 사항 – 이미지 : Medium.com

래스터 화의 한계

래스터 화는 현재 게임에서 기본 렌더링 모드 였지만 래스터 화의 기본 프로세스에는 몇 가지 제한이 있습니다. 래스터 화의 주된 문제는이 기술이 장면의 빛이 어떻게 이동하고 장면의 다른 요소와 상호 작용해야하는지 정확히 추적하는 데 어려움이 있다는 것입니다. 래스터 화 된 렌더링은 특정 장면의 조명 효과 및 전체 조명과 관련하여 광선 추적 렌더링과 동일한 결과를 생성하지 않습니다. 래스터 화 된 렌더링은 때때로 조명과 관련하여 다소 부정확 한 비주얼을 생성하여 특정 게임의 몰입도를 실제로 손상시킬 수 있습니다. 이것이 레이 트레이싱이 특히 조명과 관련하여 그래픽 충실도 측면에서 우수한 렌더링 형식으로 간주되는 이유입니다.

Ray Tracing은 정확히 무엇입니까?

이제 래스터 화 된 렌더링의 전통적인 형태에 대해 논의 했으므로 이제 최신 게임에서 실시간 레이 트레이싱의 새로운 응용 프로그램에 대해 살펴 보겠습니다. Ray Tracing은 가상 조명을 기반으로 이미지를 만들고 해당 광원이 가상 장면 내의 모든 개체와 상호 작용하는 방식을 만드는 렌더링 기술입니다. 레이트 레이싱은 장면 내부의 물체와 빛의 상호 작용을 활용하여 현실감있는 느낌을주는 훨씬 더 실제와 같은 장면 묘사를 만들 수 있습니다. 간단히 말해서, Ray Tracing은 실제 생활 에서처럼 비디오 게임에서도 빛이 작동하도록하는 기술입니다.

레이 트레이싱은 게임에서 영상을 완전히 정밀 검사 할 것을 약속합니다 – 이미지 : Nvidia

레이 트레이싱의 메커니즘

게임에서 레이 트레이싱의 메커니즘은 영화와 같은 다른 산업에서 이미 발견 된 다른 형태의 레이 트레이싱과 본질적으로 다릅니다. 각 광원에서 나오는 수백만 개의 광선을 모두 추적하는 대신 소비자 등급의 광선 추적은 사용자의 관점을 나타내는 카메라의 경로를 단일 픽셀을 통해 추적 한 다음 그 뒤에있는 물체까지 추적하여 계산 부하를 줄입니다. 픽셀을 입력 한 다음 마지막으로 해당 장면의 광원으로 돌아갑니다. 이 Ray Tracing 기술은 장면에서 빛과 상호 작용하는 객체에 의해 결정된 빛의 흡수, 반사, 굴절 및 확산과 같은 여러 효과를 생성 할 수도 있습니다. Ray Tracing 알고리즘은 반사 효과 나 그림자가 정확하게 표시되도록 결과 광선을 고려할 수도 있습니다.

Ray Tracing에서 빛은 실제 생활 에서처럼 게임에서 작동합니다. – 이미지 : Nvidia

다양한 형태의 레이 트레이싱

모든 Ray Tracing 구현이 동일하지는 않습니다. Ray Tracing을 지원하는 다양한 게임은 각각 다소 다른 방식으로 기능을 구현합니다. 게임이 성능과 시각적 품질의 완벽한 균형을 제공하도록 게임에서 Ray Tracing의 복잡성을 높이거나 줄이는 것은 게임 개발자에게 달려 있습니다. 2020 년부터 Ray Tracing을 지원하는 대부분의 게임은 일반적으로 Ray Tracing 자체를 사용하여 전체 장면을 렌더링하는 것과 반대로 장면의 한 측면에만 Ray Tracing을 사용합니다. 가능하지만 전체 화면 레이 트레이싱의 계산 비용은 다른 접근 방식에 비해 천문학적이므로 적어도 지금 당장은 노력할 가치가 없습니다. 글을 쓰는 시점에서 현재 게임에서 사용되는 다양한 Ray Tracing 구현은 다음과 같습니다.

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  • 그림자 : 가장 간단하고 덜 집중적 인 Ray Tracing 구현은 틀림없이 그림자와 관련이 있습니다. 여기서 Ray Tracing은 광원에서 나오는 빛의 원점과 오브젝트 자체의 위치를 ​​기반으로 장면의 그림자를 완벽하게 렌더링하는 데 사용됩니다. 이 기술은 'Shadow of the Tomb Raider'에서 가장 두드러지게 사용되어 그림자를 생성하는 개체 주변 환경의 변화에 ​​대응하는보다 자세한 그림자 맵을 생성합니다. 가장 주목할만한 점은 광원의 움직임과 각도가 이제 실제 생활에서 관찰하는 것과 동일한 결과 그림자 변화를 초래할 수 있다는 것입니다.
  • 반사 : 반사는 Ray Tracing을 사용하여 렌더링하는 데 훨씬 계산 집약적이지만 Ray Traced 반사는 현대 게임에서 경이 로워 보이며 아마도 Ray Tracing을 사용하여 얻을 수있는 가장 주목할만한 그래픽 개선 사항 일 것입니다. 반사는 장면의 광원을 사용하여 유리 및 물과 같은 반사 물체의 반사를 정확하게 렌더링합니다. Ray Traced Reflection을 사용하는 가장 인기있는 게임 중 하나는 'Control'입니다.
  • 주변 폐색 : 이것은 또한 그림자와 관련이 있으며 동일한 기본 프로세스에 다소 묶여 있습니다. 앰비언트 오 클루 전은 레이트 레이싱을 사용하여 장면 내 오브젝트의 위치와 배치를 기반으로 그림자의 각도와 강도를 예측합니다. 올바르게 완료되면 Ambient Occlusion은 게임에 놀라운 디테일과 사실감을 더할 수 있습니다.
  • 전역 조명 : 아마도 현대 게임에서 가장 계산 집약적 인 형태의 Ray Tracing 구현 인 Global Illumination은 Ray Tracing을 사용하여 세계 조명을 정확하게 묘사합니다. 이것은 켜졌을 때 훨씬 사실적인 조명 감각을 제공하지만 처리되는 데이터의 양으로 인해 성능에 큰 타격을줍니다. 'Metro Exodus'는 광선 추적을 사용하여 훨씬 더 사실적인 형태의 전역 조명을 제공합니다.
  • 전체 경로 추적 : 마지막으로, 우리는 또한 완전히 경로 추적 된 일부 게임이 나타나는 것을보고 있습니다. 이는 본질적으로 모든 것이 Ray Traced임을 의미합니다. 당연히이 게임은 대기업의 AAA 타이틀이었던 다른 게임보다 다소 단순하고 작지만 인상적이지 않다는 의미는 아닙니다. 실제로 일부는 전체 경로 추적 기능이있는 이러한 게임이 다른 모든 Ray Tracing 구현보다 더 좋아 보인다고 주장 할 수 있습니다. “Minecraft RTX”와“Quake RTX”는 글을 쓰는 시점에서 사용 가능한 완전한 경로 추적이 가능한 두 가지 타이틀입니다.

Ray Traced Reflections는 게임에서 Ray Tracing의 가장 눈을 즐겁게하는 응용 프로그램입니다. – Image : Nvidia

Ray Tracing에 무엇이 필요합니까?

앞서 언급했듯이 Ray Tracing은 매우 계산 집약적 인 작업이므로 제대로 작동하려면 확실히 고급 하드웨어가 필요합니다. 작성 시점을 기준으로 하드웨어 가속 레이 트레이싱을 지원하는 AMD와 Nvidia의 그래픽 카드가 여러 개 있습니다. Sony와 Microsoft의 콘솔도이 기능을 지원합니다. 그러면 지원되는 하드웨어 목록이 약간 확장됩니다.

  • Nvidia GeForce RTX 2000 시리즈
  • Nvidia GeForce RTX 3000 시리즈
  • AMD Radeon RX 6000 시리즈
  • Microsoft Xbox 시리즈 X
  • 소니 플레이 스테이션 5

AMD가 Nvidia와 약간 다르게 레이 트레이싱을 처리하는 경우 레이 트레이싱에 AMD 카드를 사용할 때 관찰되는 성능 저하가 다소 더 크다는 점을 명심하십시오. 또한 Deep Learning Super Sampling을 사용하여 향상된 성능을 경험하고 싶다면 Nvidia의 RTX 카드에서만 해당 기능을 사용할 수 있습니다. AMD는 RX 6000 시리즈 카드에 대해 DLSS와 유사한 기능을 개발 중이라고 생각하지만 현재 작성 시점에는 아직 개발 중입니다.

Nvidia는 또한 사용자에게 RTX 그래픽 카드의 상대적인 레이 트레이싱 기능에 대한 아이디어를 제공하기 위해 'Giga Rays'라는 용어를 만들었습니다. Nvidia는 초당 5 기가 레이가 비디오 게임 환경에서 일반적인 방을 완전히 비추는 데 이상적인 가상 조명의 최소량이라고 말합니다. GeForce RTX 2070은 5 Giga Rays / sec를 제공하는 반면 RTX 2080은 8 Giga Rays / sec를 제공합니다. RTX 2080Ti는 무려 10 기가 레이 / 초를 제공합니다. 다소 임의의 단위이므로 일반적으로 상대적인 성능 기대치를 표시하는 데만 사용해야합니다.

성능 손실 및 DLSS

지금까지 분명히 알 수 있듯이 Ray Tracing의 가장 큰 단점은 프로세스에서 수행해야하는 많은 양의 전용 계산으로 인해 성능이 저하된다는 것입니다. 일부 게임에서는 성능 저하가 너무 커서 더 이상 플레이 할 수없는 프레임 속도로 게임을 진행할 수 있습니다. 반사, 전역 조명 또는 전체 경로 추적과 같은보다 복잡한 광선 추적 구현을 ​​사용하는 게임에서는 성능 저하가 훨씬 더 큽니다.

물론 Nvidia는 이러한 성능 저하 상황을 생각하고 Deep Learning Super Sampling이라는 새로운 보상 기술을 개발했습니다. DLSS라고하는이 기술은 2018 년 Nvidia의 RTX 2000 시리즈와 함께 출시되었습니다. 이미 DLSS에 대해 자세히 살펴 보았습니다. 이 기사 하지만이 기술의 핵심은 이미지를 더 낮은 해상도로 렌더링 한 다음 출력 해상도와 일치하도록 이미지를 현명하고 체계적으로 업 스케일하여 네이티브 렌더링보다 훨씬 우수한 성능을 제공한다는 것입니다. DLSS는 레이 트레이싱의 성능 손실에 대한 탁월한 보상 메커니즘이지만 레이 트레이싱 없이도 사용하여 더 높은 프레임 속도와 훨씬 더 나은 경험을 제공 할 수 있습니다.

DLSS가 켜져있을 때 제어 성능이 크게 향상됨 – 이미지 : Nvidia

DLSS의 가장 큰 장점은 딥 러닝과 AI를 사용하여 이미지를 업 스케일링하여 네이티브 이미지와 업 스케일 된 이미지간에 시각적 선명도 차이가 거의 또는 전혀 없다는 것입니다. Nvidia는 RTX 시리즈 카드의 Tensor 코어를 사용하여 DLSS 프로세스를 가속화하므로이 업 스케일링 계산이 렌더링되는 게임 속도에 따라 수행 될 수 있습니다. 이것은 우리가 지금보다 더 발전하고 더 나아지기를 바라는 진정으로 흥미로운 기술입니다.

레이 트레이싱의 미래

게임의 레이 트레이싱은 이제 막 시작되었으며 우리는 이것이 계속 유지 될 것이라고 확신 할 수 있습니다. AMD는 방금 출시 한 RX 6000 시리즈로 완전한 실시간 레이 트레이싱을 지원하는 첫 번째 카드 라인업 , PlayStation 5 및 Xbox Series X도 Ray Tracing을 지원합니다. 극복해야 할 현재 장애물에는 성능 손실과이를 지원하는 게임 수가 적습니다. 작성 당시 Ray Tracing을 지원하는 현재 게임은 다음과 같습니다.

  • 악 가운데
  • Battlefield V
  • 밝은 메모리
  • 콜 오브 듀티 : 모던 워 페어 (2019)
  • 콜 오브 듀티 : 블랙 옵스 냉전
  • 제어
  • 크라이시스 리마스터
  • 달을 보내주세요
  • 포트 나이트
  • 고스트 러너
  • 정의
  • Mechwarrior V : 용병
  • 메트로 엑소더스
  • 마인 크래프트
  • 문라이트 블레이드
  • 호박 잭
  • Quake II RTX
  • Shadow of the Tomb Raider
  • 빛 속에 머물러 라
  • 감시견 군단
  • Wolfenstein : Youngblood

한편, Nvidia는 다음 타이틀이 출시되면 Ray Tracing도 지원할 것이라고 확인했습니다.

  • 원자 심장
  • Cyberpunk 2077 (출시)
  • 죽어가는 빛 2
  • 둠 이터널
  • 입대 (11 월 클로즈 베타)
  • JX3
  • Mortal Shell (11 월)
  • 관찰자 : System Redux
  • 준비 여부 (얼리 액세스 출시)
  • Ring Of Elysium (출시)
  • 동기화 됨 : 오프 플래닛
  • 더 위쳐 III
  • Vampire : The Masquerade – Bloodlines 2
  • 월드 오브 워크래프트 : 어둠 땅 (11 월)
  • Xuan-Yuan Sword VII (출시)

RTX 및 DLSS를 모두 지원하는 예정된 게임 – 이미지 : Nvidia

이것이 많은 게임처럼 보이지는 않지만, 렌더링의 주된 형태가 Ray Tracing이 될 수있는 방향을 향한 시작을 나타냅니다. 이제 성능에 관한 한, Ray Tracing의 성능 적중이 약간 낮아질 지 여부를 예측하기가 정말 어렵습니다. 예상 할 수있는 합리적인 것은 DLSS가 더 나아지고 Ray Tracing을 켜서 발생하는 성능 손실에 대해 충분한 보상을 제공하는 것입니다. 글을 쓰는 시점에서 DLSS를 지원하는 게임 목록은 결코 방대하지 않지만 Nvidia가 곧 출시 될 여러 게임에 대한 DLSS 지원을 발표했다는 점을 명심하는 것이 좋습니다. 현재 Deep Learning Super Sampling을 지원하는 모든 게임은 다음과 같습니다.

  • 축가
  • Battlefield V
  • 밝은 메모리
  • 콜 오브 듀티 : 블랙 옵스 냉전
  • 제어
  • 죽음의 좌초
  • 달을 보내주세요
  • F1 2020
  • 파이널 판타지 XV
  • 포트 나이트
  • 고스트 러너
  • 정의
  • 마블 어벤져 스
  • Mechwarrior V : 용병
  • 메트로 엑소더스
  • 마인 크래프트
  • 몬스터 헌터 : 월드
  • Shadow of the Tomb Raider
  • 감시견 군단
  • Wolfenstein Youngblood

아시다시피, DLSS를 지원하는 대부분의 게임은 어떤 형태의 Ray Tracing도 지원하는 타이틀입니다. 이는 DLSS가 주로 Ray Tracing에서 성능의 막대한 손실을 완화하기위한 보상 기술로 개발 및 출시되었다는 이론에 대한 추가 확인을 제공합니다. Nvidia는 Nvidia GPU 내부의 Tensor 코어가 따르는 알고리즘을 훈련시키는 복잡한 계산을 수행하기 위해 슈퍼 컴퓨터를 사용한다고 설명했듯이 DLSS는 매우 인상적인 기술입니다. Ray Tracing과 마찬가지로 DLSS도 더 많은 게임에 적용될 것으로 예상됩니다.

  • 악 가운데
  • 원자 심장
  • 경계
  • Cyberpunk 2077 (출시)
  • Edge Of Eternity (11 월)
  • JX3
  • Mortal Shell (11 월)
  • Mount & Blade II Bannerlord (11 월)
  • 준비 여부 (얼리 액세스 출시)
  • 청소부
  • Vampire : The Masquerade – Bloodlines 2
  • Xuan-Yuan Sword VII (출시)

Ray Tracing과 결합 된 DLSS는 2020 년 현재 게임 산업의 미래로 보입니다.

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DLSS 2.0을 지원하는 게임 목록은 계속 증가하고 있습니다. – 이미지 : Nvidia

결론

래스터 화는 오랫동안 게임에서 다각형의 2D 평면을 화면의 3D 이미지로 변환하는 데 사용 된 기술입니다. 2018 년 Nvidia는 게임에서 실시간 레이 트레이싱을 완벽하게 지원하는 RTX 2000 시리즈 그래픽 카드를 출시했습니다.이 기술은 복잡한 계산을 사용하여 장면에서 빛의 광선을 추적하여 빛이 상호 작용하는 방식을 정확하게 묘사하는 기술입니다. 장면의 개체. 이것은 예상치 못한 폭풍으로 게임 세계를 차지했으며 전체 산업은 Ray Tracing을 앞으로의 주요 초점으로 삼았습니다.

글을 쓰는 시점에서 Nvidia는 Ray Tracing 성능을 더욱 향상시키는 또 다른 세대의 그래픽 카드를 출시했으며 AMD와 콘솔은이 기능에 대한 완전한 지원을 발표했습니다. Nvidia는 또한 Ray Tracing으로 인한 성능 손실을 보상하기 위해 AI와 Deep Learning을 사용하여 낮은 해상도로 렌더링 된 이미지를 스마트하게 업 스케일링하는 Deep Learning Super Sampling 기술을 개선했습니다.

Ray Tracing이 남아있는 것처럼 보이며이 기능을 지원하는 초기 타이틀 수는 광범위하지 않지만 앞으로 실시간 Ray Tracing을 완벽하게 지원하는 타이틀이 점점 더 많이 발표되고 있습니다. 이제 곧 출시 될 게임에서 Ray Tracing 기능을 미세 조정하고이 기능을 지원하는 타이틀의 수를 늘리는 것은 개발자의 몫입니다. Nvidia와 AMD는 또한 게이머가 레이 트레이싱을 켜고 싶을 때마다 엄청난 성능 손실을 경험할 필요가 없도록 하드웨어를이 기능에 최적화 할 책임이 있습니다.