レイトレーシングとは何ですか？

Nvidiaが2018年に20シリーズRTXグラフィックスカードを発表して以来、そのキラー機能である「レイトレーシング」はビデオゲーム界で人気のある用語です。しかし、レイトレーシングとは何か、それがどのように機能するのか、そしてなぜそれが以前の手法よりも良く見えるのかを理解するのは難しいかもしれません。

レイトレーシングとは何ですか？どのように機能しますか？

現実の世界で何かを見るとき、あなたが見ているのは光源からの光子です。あなたに向かう途中で、そのフォトンは1つまたは複数のサーフェスによって反射された可能性があります。反射するたびに、目に届く光の特性が変化します。

太陽はさまざまな色の光を発し、各表面は一部の光を吸収し、他の光を反射します。葉のように緑色の表面として見えるものは、ほとんどが緑色の光を反射するため、そのように見えます。葉で反射した光が白い壁などの別の表面に当たると、その表面は、真っ白な光が当たっている場合とは少し異なって見えます。各反射は、光が相互作用する将来のすべての表面に影響を与え、その強度と可視色を変更します。

レイトレーシングは、同じ原則に従うグラフィカルな手法です。光線が投影され、色などの反射光と屈折光の特性が計算され、光線は進行し続けます。

現実の世界では、電球や太陽などのすべての光源がすべての方向に光子を放出しますが、その大部分は目に届きません。これをシミュレートすることは、ほとんど無駄な結果を生み出すめちゃくちゃ集中的なプロセスになります。作業負荷を軽減するために、レイトレーシングは逆に機能し、カメラから光線を投影します。各光線は、計算が実行されてピクセル値が設定される前に、反射せずに特定の距離を移動したり、特定の回数反射したりすることができます。

たとえば、光線は視聴者の視点から投影されます。光線が白い壁に当たると、アルゴリズムが再帰的に反射光線を生成し、それが青いガラスのペインを通過します。最後に、反射された光線は白い光源に当たって吸収されます。青いガラスは、壁に青い光を当てる青い光を除くすべてを吸収し、ピクセルが青い色になります。

レイトレーシングの見栄えが非常に良いのはなぜですか？

シーンをリアルタイムでレンダリングする標準的な方法には、事前に計算されたライトマップとシーン全体のライティングを使用することが含まれます。一部のゲームでは、限られたボリュームライトを使用して、移動する光源を含め、動的なシャドウを許可します。この手法は、プロセッサにかなりの負荷がかかるため、控えめに使用されます。

ゲームデザインの段階で追加の作業を行うと、レイトレーシングで写実的な結果を得ることができます。すべての表面に反射率、透明度、光がそれらを通してどのように屈折するかなどの詳細が含まれている場合、全体的な結果はより自然に見える可能性があります。このアプローチでは、ゲームデザインの段階でより多くの作業が必要になることは明らかですが、コンクリート、金属、木、ガラスなどで反射したときに光が本来の方法で反応することで、結果をフォトリアリスティックに見せることができます。

レイトレーシングを使用すると、レンダリングプロセスの一部として正確な反射と影を投影できます。従来のレンダリング方法では、これらの効果は両方とも完全にオプションであり、パフォーマンスに重大な影響を与える可能性があります。

レイトレーシング自体には、パフォーマンスが大幅に低下します。NvidiaのRTXグラフィックスカードがレイトレーシング用のハードウェアアクセラレーションで発表されるまで、ソフトウェアでリアルタイムにレイトレーシングを実行するために必要な処理能力は10年以上先にあると考えられていました。ハードウェアアクセラレーションを使用しても、レイトレーシングはフレームのレンダリングで最も遅い部分であるため、パフォーマンスが大幅に低下します。