레이 트레이싱 기술

레이 트레이싱(ray tracing)은 그래픽스 렌더링 기술 중 하나로, 빛의 경로를 추적하여 고품질의 사실적인 이미지를 생성하는 방법이다. 이 기술은 3D 장면의 각 픽셀에 대해 빛의 경로를 시뮬레이션하여 반사, 굴절, 그림자 등의 물리적 현상을 정확하게 표현한다. 최신 GPU에서 레이 트레이싱 기술은 하드웨어 가속을 통해 실시간 렌더링이 가능해졌다.

레이 트레이싱의 기본 원리

레이 트레이싱은 기본적으로 다음과 같은 단계로 이루어진다:

1. 레이 생성: 카메라 또는 시각적 관점에서 출발하는 레이를 각 픽셀마다 생성한다.
2. 장면 교차 테스트: 레이가 가상 장면 내의 객체들과 교차하는 지점을 계산한다.
3. 광선 계산: 교차 지점에서 반사, 굴절, 산란 등의 물리 현상을 기반으로 새로운 레이를 생성하여 추적한다.
4. 조명 계산: 표면 색상, 반사광, 굴절광을 계산하여 최종 픽셀 값을 결정한다.

1. 레이 생성

각 픽셀에 대해 카메라에서 출발하는 레이를 생성한다. 이 레이는 화면 좌표계에서 시작하여 3D 공간 속으로 투영된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다:

여기서, - $\mathbf{P}(t)$는 레이의 경로 상의 점 - $\mathbf{O}$는 레이의 원점 (카메라 위치) - $\mathbf{D}$는 레이의 방향 벡터 - $t$는 거리 파라미터

2. 장면 교차 테스트

생성된 레이가 3D 장면 내에 있는 객체들과 교차하는지를 테스트한다. 예를 들면, 삼각형 메쉬와의 교차를 위한 수식을 다음과 같이 정의할 수 있다:

교차 지점을 찾기 위한 벡터 방정식은 다음과 같다:

또한, 교차 검사를 위해 아래의 조건을 만족해야 한다:

여기서, $t$, $u$, $v$는 레이 파라미터와 베리 중심 좌표이다. 삼각형의 각 점과 법선 벡터 간의 교차를 통해 $t$, $u$, $v$ 값을 구할 수 있다.

3. 광선 계산

교차 지점에서 표면의 물리적 특성을 기반으로 광선을 반사, 굴절, 산란 시킨다. 반사광, 굴절광, 산란광 등을 다음과 같은 물리 법칙에 따라 계산한다:

스넬의 법칙 (굴절): 굴절광의 경로는 다음과 같은 스넬의 법칙으로 결정된다:

여기서 $n_1$과 $n_2$는 매질의 굴절률이며, $\theta_1$과 $\theta_2$는 입사각과 굴절각이다.

반사 법칙: 반사광의 경로는 다음과 같은 반사 법칙으로 계산된다:

여기서 $\mathbf{R}$은 반사 광선의 방향, $\mathbf{I}$는 입사 광선의 방향, $\mathbf{N}$은 교차 지점의 표면 법선 벡터이다.

4. 조명 계산

교차 지점에서 반사, 굴절, 산란한 광선을 기반으로 조명 계산을 수행한다. 이 과정에서는 다음과 같은 광원 모델을 사용한다:

• 직접 조명(direct illumination): 점 광원, 무한 광원, 방향성 광원 등 입사광을 직접 추적하여 표면 색상과 밝기를 계산한다.
• 간접 조명(indirect illumination): 표면에서 반사된 광선이 다른 객체에 닿는 경우 간접 조명 효과를 계산한다. 이는 주로 전역 조명(global illumination) 모델을 사용하여 실현된다.

최신 GPU에 적용된 레이 트레이싱 기술

현대 GPU는 레이 트레이싱 기술을 지원하는 내장형 하드웨어 가속기를 포함하고 있어, 실시간 레이 트레이싱이 가능해졌다. 대표적인 예로는 NVIDIA의 RTX 시리즈와 AMD의 RDNA2 아키텍처가 있다.

NVIDIA의 RTX 시리즈

NVIDIA의 RTX GPU는 RT 코어(ray tracing core)를 포함하고 있어 레이 트레이싱 계산을 효율적으로 가속화한다. RT 코어는 특히 BVH(Bounding Volume Hierarchies) 트래버설과 레이-삼각형 교차 검사 과정을 하드웨어 수준에서 빠르게 처리한다. 뿐만 아니라 상호작용 성능을 극대화하기 위해 딥 러닝 기반의 AI 업스케일링 기술인 DLSS(Deep Learning Super Sampling)도 함께 제공하여 고해상도 이미지를 실시간으로 렌더링한다.

• RT 코어:
• BVH 트래버설 가속화

• 레이-삼각형 교차 검사 가속화

• DLSS:

• 딥 러닝 네트워크를 활용한 이미지 업스케일링
• 높은 프레임 레이트 유지

AMD의 RDNA2 아키텍처

AMD의 RDNA2 아키텍처는 레이 트레이싱 가속을 위한 전용 레이 가속기(ray accelerator) 유닛을 포함한다. 이 유닛은 레이-박스(ray-box) 및 레이-삼각형 교차 검사를 하드웨어 수준에서 가속화하여 성능을 향상시킨다.

• 레이 가속기:
• 레이-박스 교차 검사 가속화
• 레이-삼각형 교차 검사 가속화

또한, RDNA2 GPU는 Microsoft의 DirectX Raytracing(DXR) API와 Vulkan Ray Tracing 확장을 지원하여 다양한 게임과 애플리케이션에서의 레이 트레이싱 적용을 용이하게 한다.

실시간 레이 트레이싱의 응용

실시간 레이 트레이싱 기술은 게임, 영화, 시각화, VR/AR 등 다양한 분야에서 응용되고 있다. 특히, 게임 분야에서는 현실감 높은 그래픽을 실현하기 위해 많이 사용되며, 레이 트레이싱을 통해 사실적인 그림자, 반사, 렌즈 플레어 및 기타 광학 효과를 나타낼 수 있다.

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레이 트레이싱 기술은 그래픽스의 표현력을 획기적으로 향상시키는 중요한 기술이다. 최신 GPU는 하드웨어 가속 메커니즘을 통해 실시간 레이 트레이싱을 지원하며, NVIDIA의 RTX 시리즈와 AMD의 RDNA2 아키텍처는 그 대표적인 예시이다. 이 기술이 발전함에 따라 더 많은 응용 분야에서 활용될 것으로 기대된다.