Чтобы начать разговор о трассировке лучей необходимо разобраться, как свет «работает» в реальном мире. Если вкратце, то свет выходит из источника, а затем отражается, поглощается или рассеивается в зависимости от текстуры объекта, на который попадает. После серии «прыжков» от одного объекта к другому свет в конце концов достигает наших глаз и преобразуется в визуальную стимуляцию нашего мозга.
Общее количество лучей света, одновременно «прыгающих» с места на место, невозможно сосчитать. И любое изменение в положении объектов в пространстве будет на них влиять. Например, если мы поставим в комнате зеркало, свет будет отражаться от него, делая ее ярче. Поскольку в обычной ситуации имеется множество источников света, объектов и текстур, траектория световых лучей, как правило, бывает невероятно сложной.
Суть трассировки лучей состоит в отслеживании пути, который проходит каждый луч света от человеческого глаза до источника света. Как мы отметили выше, имеется несчетное количество лучей, одновременно «перескакивающих» с одних объектов на другие, и обработка такой информации – гигантская задача для компьютера. Например, расчет реалистичного освещения посредством трассировки лучей в анимационном фильме обычно занимает дни или даже месяцы. Вот почему этот метод нельзя было применять в компьютерных играх, ведь видеокарта должна выдавать в секунду до 60 кадров – и каждый кадр с идеальным освещением!
Благодаря развитию графических процессоров, примером чему является серия NVIDIA RTX, трассировка лучей со временем будет применяться во всем большем количестве игр. До этого момента 3D-рендеринг в основном осуществляется методом растеризации, который является более простым (впрочем, сам процесс рендеринга все равно остается достаточно сложным).
Что такое растеризация?
При растеризации трехмерные объекты создаются с помощью миллионов полигонов и треугольников. Каждый полигон или треугольник содержит информацию о своем положении в пространстве, цвете, текстуре и ориентации. И каждый треугольник, из которого состоит модель, преобразуется в пиксели определенного цвета на плоском экране.
Чтобы добиться более высокого качества изображения, при преобразовании трехмерных объектов в двухмерное изображение на экране применяются дополнительные приемы. Во-первых, это шейдинг, суть которого заключается в изменении цвета треугольника в зависимости от того, как на него падает свет, и как текстура объекта с этим светом взаимодействует. Как будто на трехмерную модель наносится слой краски, соответствующий определенному световому эффекту. Также в специальном буфере хранится информация о глубине, чтобы компьютер мог определить, какие части объектов следует отобразить на экране, а какие скрыты другими поверхностями или объектами и поэтому отображаться не должны.
Все это звучит достаточно сложно, но в целом достаточно просто: растеризация – это процесс определения того, какой цвет лучше всего подходит треугольникам в зависимости от расчета световых эффектов, положения треугольников, их цвета и текстуры. Вся эта информация о треугольниках преобразуется в пиксели на экране. Монитор, в свою очередь, играет роль художника, который использует данные, полученные в результате растеризации, чтобы окрасить те или иные участки экрана в нужный цвет.
Как давно используется трассировка лучей?
Трассировка лучей вот уже много лет используется во множестве областей, включая кино индустрию, архитектуру, дизайн интерьеров. Если вы – геймер, то, вероятно, обратили на нее внимание лишь после выпуска видеокарт NVIDIA серии RTX, в которых реализована поддержка этого метода. С развитием видеокарт мы будем видеть все больше игр, использующих трассировку лучей для создания реалистичного изображения.
Также рекомендую ознакомиться с видео, где показано отличия в игре с включенной трассировкой лучей и выключенной.
Спасибо за прочтение, ваш лайк поможет мне в развитии моего блога.