Ray Tracing คืออะไร?

นับตั้งแต่การประกาศเปิดตัวกราฟิกการ์ด RTX ซีรีส์ 20 ซีรีส์ 20 ของ Nvidia ในปี 2018 ฟีเจอร์นักฆ่า "ray tracing" กลายเป็นคำที่ได้รับความนิยมในวงการวิดีโอเกม แต่อาจเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจว่าการติดตามรังสีคืออะไร มันทำงานอย่างไร และเหตุใดจึงดูดีกว่าเทคนิคก่อนหน้านี้

ray tracing คืออะไรและทำงานอย่างไร?

ในโลกแห่งความเป็นจริง เมื่อคุณเห็นบางสิ่ง สิ่งที่คุณเห็นคือโฟตอนจากแหล่งกำเนิดแสง ระหว่างทางที่ส่งถึงคุณ โฟตอนนั้นอาจถูกสะท้อนโดยพื้นผิวหนึ่งหรือหลายพื้นผิว การสะท้อนแต่ละครั้งจะเปลี่ยนลักษณะของแสงที่เข้าตา

ดวงอาทิตย์เปล่งแสงสีต่างๆ มากมาย แต่ละพื้นผิวดูดซับแสงบางส่วนและสะท้อนแสงสีอื่นๆ ที่เราเห็นเป็นพื้นผิวสีเขียว เช่น ใบไม้ ก็ปรากฏเป็นอย่างนั้น เพราะสะท้อนแสงสีเขียวเป็นส่วนใหญ่ หากแสงที่สะท้อนจากใบไม้ไปกระทบพื้นผิวอื่น เช่น ผนังสีขาว พื้นผิวนั้นจะดูแตกต่างไปจากเดิมเล็กน้อยหากเป็นแสงสีขาวบริสุทธิ์ที่ส่องลงมา การสะท้อนแต่ละครั้งจะส่งผลต่อทุกพื้นผิวในอนาคตที่แสงโต้ตอบด้วย โดยจะเปลี่ยนความเข้มและสีที่มองเห็นได้

Ray Tracing เป็นเทคนิคกราฟิกที่ใช้หลักการเดียวกัน มีการฉายรังสีของแสง คุณสมบัติของแสงสะท้อนและแสงหักเห เช่น สีจะถูกคำนวณ และรังสีจะเดินทางต่อไป

ในโลกแห่งความจริง แหล่งกำเนิดแสงทุกแห่ง เช่น หลอดไฟหรือดวงอาทิตย์ ปล่อยโฟตอนในทุกทิศทาง ซึ่งส่วนใหญ่ไม่เข้าตาคุณ การจำลองนี้จะเป็นกระบวนการที่เข้มข้นอย่างบ้าคลั่งซึ่งให้ผลลัพธ์ที่สูญเปล่าเป็นส่วนใหญ่ เพื่อลดภาระงาน การติดตามรังสีจะทำงานย้อนกลับ โดยฉายรังสีออกจากกล้อง แต่ละรังสีได้รับอนุญาตให้เดินทางในระยะทางที่กำหนดโดยไม่มีการสะท้อนกลับหรือสะท้อนจำนวนครั้งก่อนที่จะทำการคำนวณและตั้งค่าพิกเซล

ตัวอย่างเช่น รังสีถูกโยนจากมุมมองของผู้ชม เมื่อกระทบกับผนังสีขาว อัลกอริธึมจะสร้างรังสีสะท้อนซ้ำซึ่งจะเคลื่อนที่ผ่านบานกระจกสีฟ้า ในที่สุด รังสีสะท้อนกระทบแหล่งกำเนิดแสงสีขาวและถูกดูดกลืน กระจกสีน้ำเงินดูดซับแสงสีน้ำเงินทั้งหมดยกเว้นซึ่งปล่อยแสงสีน้ำเงินบนผนัง ส่งผลให้พิกเซลกลายเป็นสีน้ำเงิน

ทำไม Ray Tracing ถึงดูดีขึ้นมาก?

วิธีการมาตรฐานในการเรนเดอร์ฉากในแบบเรียลไทม์นั้นเกี่ยวข้องกับการใช้ lightmap ที่คำนวณไว้ล่วงหน้าและการจัดแสงทั้งฉาก เกมบางเกมใช้การจัดแสงตามปริมาตรที่จำกัดเพื่อรวมแหล่งกำเนิดแสงที่เคลื่อนไหวและเพื่อให้เกิดเงาแบบไดนามิก เทคนิคนี้จึงใช้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น เนื่องจากใช้โปรเซสเซอร์ค่อนข้างมาก

การติดตามด้วยรังสีสามารถให้ผลลัพธ์ที่เหมือนจริงได้หากมีการทำงานพิเศษในขั้นตอนการออกแบบเกม หากพื้นผิวทั้งหมดมีรายละเอียด เช่น การสะท้อนแสง ความโปร่งใส และการหักเหของแสงผ่านพื้นผิวเหล่านั้น ผลลัพธ์โดยรวมก็จะดูเป็นธรรมชาติมากขึ้น แม้ว่าแนวทางนี้จะเกี่ยวข้องกับการทำงานมากขึ้นในขั้นตอนการออกแบบเกม แต่ก็ช่วยให้ผลลัพธ์ปรากฏเหมือนภาพถ่ายด้วยแสงที่ทำปฏิกิริยาตามที่ควรเมื่อสะท้อนจากคอนกรีต โลหะ ไม้ และแก้ว เป็นต้น

การติดตามด้วยรังสีช่วยให้การสะท้อนและเงาที่แม่นยำเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการเรนเดอร์ ในวิธีการเรนเดอร์แบบดั้งเดิม เอฟเฟกต์ทั้งสองนี้เป็นทางเลือกทั้งหมดและอาจทำให้เกิดประสิทธิภาพการทำงานที่สำคัญได้

การติดตามด้วยรังสีนั้นมาพร้อมกับประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม จนกว่าจะมีการประกาศการ์ดกราฟิก RTX ของ Nvidia พร้อมการเร่งด้วยฮาร์ดแวร์สำหรับการติดตามรังสี ถือว่าพลังการประมวลผลที่จำเป็นในการดำเนินการติดตามเรย์ในแบบเรียลไทม์ในซอฟต์แวร์นั้นอยู่ห่างออกไปมากกว่าหนึ่งทศวรรษ แม้จะมีการเร่งด้วยฮาร์ดแวร์ การติดตามรังสียังคงทำให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างมาก เนื่องจากยังคงเป็นส่วนที่ช้าที่สุดในการแสดงเฟรม