レイ トレーシング: レイ トレーシングとは何か、またビデオ ゲームをどのように改善するか

Nvidia は 2018 年に大きな打撃を受けました。GeForce RTX グラフィックス カード、メーカーは業界全体への道を示しました。現在サポートされているのは、プレイステーション5などXbox シリーズ X|S、レイトレーシングAMD にも採用されており、必須のテクノロジーとなっています。

のレイトレーシングラップトップまたはグラフィックス カードを購入するときに考慮すべきテクノロジーはありますか?そしてまず第一に、それは何ですかレイトレーシング?これはまさにこの記事で探求しようとしているものです。

レイトレーシングとは何ですか?

詳細に入る前に、できるだけ簡単に言うと、レイトレーシング光の経路と環境との相互作用、言い換えれば、物理現象や物体に対する光の変化をエミュレートすることを可能にする技術です。特に反射と屈折の効果だけでなく、影やその他のより複雑な光学現象も含まれます。

映画とビデオゲーム: 2 つの世界が常に結びつきます

それほど新しい技術ではありませんが、この技術は 1969 年に IBM のエンジニア、アーサー アペルによって開発されました。特にコストがかかるため、落とし穴が散りばめられた長い道のりを経て、ゆっくりと映画館に巣を作り、その後、映画のおかげで一般化されました。ピクサースタジオは2006年にアニメーション映画『カーズ』を制作した。それ以来、映画業界は、よりリアルなシーンや特殊効果を生み出すためにこの技術を採用してきました。それでなぜレイトレーシング私たちのビデオゲームではもっと早くに登場していませんでしたか?このプロセスはコンピューティング能力の点で非常に要求が厳しいためです。これを使用するスタジオには、それを実装するためのかなりのリソースがあります。実際には、各フレームはシーンの作成後に「レンダー ファーム」 (基本的にはスーパーコンピューター) を使用して事前に計算されます。レイトレーシングなどの他のアルゴリズムと依然として関連付けられています。パストレースまたはフォトンマッピング。

当然のことですが、カットシーンを除いて、リアルタイムで実行する必要があるビデオ ゲームにも同じことが当てはまらないことは理解しています。映画のフレームレートがはるかに低いため、この観察はさらに顕著です。映画では 1 秒あたり 24 フレームが放送されますが、ゲームではむしろ 1 秒あたり 60 フレーム、さらには 120 以上を目標とします。したがって、最良の場合、グラフィックス チップは各画像を 16 ミリ秒未満で計算する必要があります。それで、一体どうやってNvidia は実装に成功しましたか?レイトレーシング*そしてその計算はリアルタイムで行われるのでしょうか？

幻想と現実、影と光の間のどこか

レンダリングパイプラインとラスタライゼーション

レイ トレーシングがどのように機能するかを理解するには、まずグラフィック レンダリングと光の以前の動作方法を確認する必要があります。レンダリング パイプライン全体の詳細については説明しませんが、2 次元に制限されている画面上に 3D オブジェクトを表示するために使用されるラスター化について説明する必要があります。そして、はい、私たちのモニター、そして仮想現実ヘッドセットでさえ、2D 画像しか表示しません。

ラスター化アルゴリズムは、3D レンダリングの並行段階で生成された座標を使用して、ベクター イメージをラスター イメージに変換します。つまり、幾何学的プリミティブをピクセルのラインに変換し、フレームバッファ画面に送信される前に。簡単に言えば、このプロセスでは画面上にオブジェクトと色を「描画」できますが、現実的な環境を作成するには多数の調整を並行して行う必要があるからです。まず、アンチエイリアス、マッピング、異方性フィルタリング、そしてもちろんシェーダー、ライト、その他の反射を使用したシャドウの適用があります。

したがって、オブジェクトのテクスチャ、色、方向と空間内の位置、およびその他の特性は、開発者のビジョンに従って作成されます。照明は「架空」であり、オブジェクトの向きと位置に応じて適用される影と光の遊びを決定する理論的な計算のみに基づいています。グラフィックスは長年にわたって進化しており、たとえば反射を模倣できるテクスチャが使用されていますが、光源が静的であるため、フォトリアリスティックなレンダリングに近づくのは依然として困難でした。実際のところ、映画とは対照的に、考慮すべき基本的な要素がもう 1 つあります。それは、プレーヤーがさまざまな視野角からカメラを動かし、ほとんどの場合、環境を変更する必要があることです。その後、幻想はすぐにその「魔法」を失います。

レイトレーシングはどのように機能しますか?

レイ トレーシングは、リアリズムに大きく依存するタイトルや、風変わりな世界や想像力を持ち、現実と同調していない他のゲームの両方において、ビデオ ゲームに大きく欠けていたこのダイナミズムをもたらします。この自然さを画像に反映するには、現実世界で遭遇する物理現象を考慮する必要があります。

波の挙動を忠実に模倣するために、ラスター化では不可能ですが、レイ トレーシング アルゴリズムは、カメラに向かってではなく、カメラから「光線」を「キャスト」します。したがって、光線の軌道は外側に移動し、ビームは環境、物体、その他の表面と相互作用し、必要なだけ跳ね返り、屈折、反射、さらには回折の現象をエミュレートできます。

この技術を使用すると、光子が反対方向に移動するため、不必要なベクトル計算を制限することができます。計算される光線は、観客の視点から始まる光線だけであり、1 つ以上の光源から来る各光線を計算する必要があるモデルと比較すると、ダンテスクな経済性です。

すでに 90 年代の初めから、このテクニックのミニマリスト形式が実装されてきました。レイキャスティング。アイデアはシンプルです。2D 環境から 3D 効果であるモデルを作成するために、カメラからオブジェクトに向かって光線を追跡します。 Wolfenstein 3D や Doom は今日私たちが知っているビデオ ゲームの始まりであり、少し後には Quake、Myst、Alone in the Dark などのより完成された形式につながります。

レイ トレーシングはさらに進化しています。レイ トレーシングは、レイを再帰的にキャストする可能性を提供します。つまり、レイがオブジェクトに当たるたびに、オブジェクトやその表面の性質を考慮して、1 つまたは複数のレイが他の方向に投影されます。 、その質感、その色など。

レイ トレーシングとリアルタイム計算: 革命

Nvidia が 2018 年に発表した Turing アーキテクチャでは、Tensor コアや CUDA コアと並んで新しいタイプのコンピューティング ユニットが導入されました。これらは、レイ トレーシング計算をリアルタイムで高速化および管理することに特化した RT コアです。より優れたパフォーマンス レベルとすでにより成熟したテクノロジーのおかげで、2 年後、Ampere アーキテクチャは見事に成功しました。現在、Nvidia は AMD よりも一歩先を行っており、RDNA 2 アーキテクチャを使用したレイ トレーシングを策定して実装するまでに時間がかかりました。しかし、レッズがすぐに軌道に戻り、数年に渡る接戦が予想されることは疑いの余地がありません。来る。

Nvidia はレイ トレーシングとの関連性も非常に高いため、今日では多くのゲーマーがこのテクノロジを指すのに「RTX」という名前を使用するのを聞くのは珍しいことではありません。これまで見てきたように、レイ トレーシング (RT) はビデオ ゲーム以外の多くの分野で使用できる技術です。 RTX は Nvidia によって登録された商標であり、レイ トレーシングをはじめ、機械学習やラスタライゼーションなど、さまざまなテクノロジーを統合したプラットフォームです。また、API と SDK、レンダリング パイプラインを高速化する機能も統合されています。レイ トレーシングには OptiX、DirectX、Vulkan、オブジェクトと環境の相互作用のモデリングには PhysX、FleX、CUDA が挙げられます。

さて、私たちが興味を持っている問題は、リアルタイム コンピューティングがどのようにして可能になるかということです。次世代のグラフィックス カードは、ハリウッドのスタジオのスーパーコンピューターと同じくらい強力になったのでしょうか?

Turing および Ampere アーキテクチャは、リアルタイム計算テクノロジとチップ彫刻の微細化 (およびサイズの拡大) と相まって、2018 年に初めて、処理に十分なパフォーマンスを備えた主流の GPU の恩恵を受けることが可能になりました。レイトレーシング。それ以来、多くのゲームでレイ トレーシングが使用されるようになり、リソース要件を削減する目的でテクノロジが開発されたため、レイ トレーシングをアクティブ化すると必然的にフレームレートが低下します。

ただし、デモ ビデオとゲーム内のレンダリングの間には、まったくの違いがあります。実際、開発者に提供される可能性は数多くありますが、フレームレートを犠牲にせず、完全に流動的なシーンや環境を作成するために選択を迫られます。ほとんどの場合、レイ トレーシングはシーンをリアルにするのに最も貢献する特定の領域で使用されますが、ラスタライゼーションは既知の効率で動作し続け、何よりも必要な計算能力がはるかに低くなります。

ピクセルごとに使用する光線の数が増えるほど、画像の品質は向上しますが、計算のコストも高くなります。適切な妥協策は、ノイズ除去フィルタを使用することで構成されます。機械学習、Nvidia 用 RT コアを搭載。目標は、高品質のイメージを生成しながら、最も重要な光線のみを選択することでレンダリング時間を節約することです。

いくつかの例

上で述べたように、レイ トレーシングはビデオ ゲームの「フラグメント」にあります。その使用法は、時には節約的であり、また時には、より完全に使用されます。主に、シーンにリアリズムをもたらす要素、特に次の要素にレイ トレーシングを使用します。

• 単純な影と反射を作成する
• 直接照明をシミュレートする (Direct Illumination)
• 間接照明のシミュレーション (グローバル イルミネーション)
• 直接照明と間接照明を組み合わせて完全なシーンを作成します (フル レイ トレーシング)
• サウンド環境を作成します (オーディオ レイ トレーシングについて話しています)

サイバーパンク 2077 は、レイ トレーシングを最も多く使用するゲームの 1 つであり、このテクノロジーの真のショーケースです。 7 つの違いのゲームに巻き込まれるのは困難ですが、レイ トレーシングはイメージを完全に変えます。

コントロールは、レイ トレーシングの利点を実証するためにも多くの役割を果たします。私たちの比較画像がそれ自体を物語っていて、レイ トレーシングのないシーンはほとんど「空」に見えるほどです。

The Medium ではレイ トレーシングの使用がより厳密に行われており、反射と影に限定されています。しかし、実際には場面を変えることができます。

Doom Eternal はいくつかの反射効果のみを使用しますが、画像に特別な魂をもたらすことを妨げるものではありません。

アップスケーリング (DLSS および FSR) は奇跡の治療法ですか?

計算を節約するもう 1 つのソリューションは、Nvidia の Deep Learning Super Sampling の DLSS と AMD の FidelityFX Super Resolution の FSR と呼ばれるテクノロジーによるものです。これら 2 つのテクノロジーは、ゲームを拡大縮小する前に低解像度でレンダリングすることで構成されます。ディスプレイ。このプロセスは、DLSS のアルゴリズムとニューラル ネットワークを使用して実行され、FSR のより伝統的な空間アップスケーリングで構成されます。

主な目的は、レイ トレーシング専用の計算によって引き起こされるフレームレートの損失を補償することです。アップスケーリングは多かれ少なかれ重要であり、その目的は、ゲームと定義に応じて品質とパフォーマンスの間の適切な妥協点を見つけることです。ただし、アップスケーリングはレイ トレーシングのないゲームにも多くのメリットをもたらします。少なくともこれは Nvidia の願いであり、現在では自社の DLSS をさまざまなタイトルに実装できるようになりましたが、これは民主化する必要がある善良なアプローチです。 FSR はオープンソースであり、開発者による実装は論理的にそれほど複雑ではありません。カメレオンは、空間スケーリングに基づく方法、Nvidia Image Scaling も提供します。 DLSS よりも効率は劣りますが、この機能がグラフィックス ドライバーに直接統合されているため、ほとんどのゲームと互換性があるという利点があります。

オーディオ レイ トレーシング: 正確には何ですか?

光と同様、音も空間を伝わる波です。では、レイ トレーシング技術をオーディオに適用してみませんか?この問題はゲームの光の問題に似ているため、これはより一貫しているように見えます。現実の世界では、音は私たちの位置、音が跳ね返る表面、または衝突するオブジェクトの性質に応じて異なります。相互作用します。

したがって、オーディオ レイ トレーシングの背後にある優れたアイデアは、同じアルゴリズムを使用することで構成されていますが、今回は 3 次元サウンドに近づけ、没入感を強化することを目的として、空間内の音波の移動をエミュレートすることにあります。もう一度言いますが、ここで問題となるのは、さらなるリアリズムをもたらすことです。

オーディオ レイ トレーシングの既知の最初の実装は、Playground Games スタジオによって Xbox Series X 上の Forza Horizo​​n 5 で実行されました。その後、エンジンの轟音がプレーヤーの環境にリアルタイムで適応します。これを行うために、開発者は多くの要素の物理的特性を定義する必要がありました。たとえば、振動はトンネル、街路、高速道路で同じように伝播するわけではありません。また、すべての材料が同じように音を吸収したり返したりするわけではありません。最後に、波の軌道全体を計算する必要はなく、リスナーに影響を与える軌道だけを計算する必要があります。

このコンセプトは、プレーヤーのエクスペリエンスを向上させるという理論上は魅力的に見えますが、他のサラウンド ソフトウェア ソリューションと同様、プレーヤーが使用するハードウェアに関しては依然として課題が残っています。リスナーはエントリーレベルのヘッドフォンやテレビのスピーカーを通して違いを本当に感知できるのでしょうか?

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