Ray tracing je renderovacia technika v počítačovej grafike, ktorá simuluje správanie svetelných lúčov pri interakcii s objektmi v trojrozmernej scéne. Názov doslova znamená „sledovanie lúčov“, pretože algoritmus počíta trajektóriu virtuálnych lúčov svetla, ktoré sa odrážajú, lámu alebo absorbujú na povrchoch materiálov. Vďaka tomu dokáže táto metóda vytvárať realistické odrazy, presné tiene, lom svetla v transparentných materiáloch a prirodzené správanie svetla v prostredí. Ray tracing sa preto považuje za jeden z najdôležitejších krokov smerom k fotorealistickému renderovaniu v modernej 3D grafike.

Koncept sledovania lúčov sa objavil už v 60. rokoch 20. storočia, no praktické využitie sa začalo rozvíjať až v 80. rokoch, keď výskumníci hľadali realistickejšie metódy zobrazovania scén. Jedným z priekopníkov bol Turner Whitted, ktorý v roku 1979 predstavil algoritmus umožňujúci realistické odrazy, tiene a transparentné materiály.

V nasledujúcich desaťročiach sa ray tracing stal základom filmových vizuálnych efektov, architektonických vizualizácií a produktového renderingu. V hernom priemysle sa však dlho nepoužíval v reálnom čase, pretože jeho výpočtová náročnosť bola príliš vysoká pre vtedajší hardware.

Princíp fungovania ray tracingu

Základný princíp spočíva v generovaní lúčov z virtuálnej kamery cez jednotlivé pixely obrazu do scény. Keď lúč narazí na objekt, renderer vypočíta presný bod priesečníka a následne vyhodnotí vlastnosti materiálu, aby určil, ako sa svetlo správa. Lúč sa môže odraziť od povrchu, prejsť cez transparentný materiál alebo sa rozptýliť v rôznych smeroch.

Algoritmus potom sleduje ďalšie sekundárne lúče, ktoré môžu opäť interagovať s objektmi alebo zasiahnuť zdroj svetla. Výsledná farba pixelu je kombináciou všetkých týchto interakcií.

Jednou z najdôležitejších častí ray tracingu je výpočet priesečníkov medzi lúčmi a geometriou scény. Scéna môže obsahovať tisíce až milióny trojuholníkov, ktoré reprezentujú povrchy objektov. Pre každý lúč je potrebné zistiť, ktorý objekt zasiahne ako prvý a na akom mieste sa to stane.

Aby bol výpočet efektívnejší, používajú sa dátové štruktúry ako Bounding Volume Hierarchy (BVH), ktoré organizujú geometriu do hierarchických skupín a umožňujú rýchlejšie vyhľadávanie potenciálnych priesečníkov.

Efekty, ktoré ray tracing umožňuje

Jednou z hlavných výhod tejto techniky je schopnosť realisticky simulovať rôzne optické javy. Ray tracing dokáže presne vypočítať zrkadlové odrazy, takže lesklé povrchy odrážajú okolie tak, ako by to robili v skutočnom svete. Rovnako umožňuje realistické tiene, ktoré vznikajú blokovaním svetelných lúčov objektmi v scéne.

Transparentné materiály, ako sklo alebo voda, môžu lámať svetlo podľa fyzikálnych zákonov a vytvárať komplexné vizuálne efekty. Vďaka tomu dokáže renderer simulovať množstvo detailov, ktoré by bolo pri tradičných grafických technikách veľmi náročné napodobniť.

Moderné hry začali ray tracing využívať najmä po roku 2018, keď sa objavili grafické karty s hardvérovou akceleráciou pre sledovanie lúčov. Tieto GPU obsahujú špecializované jednotky, ktoré urýchľujú výpočty priesečníkov medzi lúčmi a geometriou. V herných engineoch sa ray tracing často používa selektívne, napríklad iba pre odrazy, tiene alebo globálne osvetlenie. Zvyšok obrazu sa stále generuje pomocou rasterizácie, ktorá je výrazne rýchlejšia. Takéto hybridné riešenie umožňuje dosiahnuť realistickejší obraz bez extrémnych nárokov na výkon.

Rozdiel medzi rasterizáciou a ray tracingom

Tradičná rasterizácia pracuje tak, že 3D objekty sa premietnu na obrazovku a následne sa vyplnia pixely, ktoré tvoria výsledný obraz. Táto metóda je veľmi rýchla a preto sa používa v hrách už desaťročia. Ray tracing naopak simuluje samotnú fyziku svetla, čo znamená, že sa počítajú jednotlivé interakcie lúčov s povrchmi.

Výsledok môže byť realistickejší, no výpočtová náročnosť je výrazne vyššia. Preto sa v moderných hrách často kombinuje rasterizácia s ray tracingom, aby sa dosiahol dobrý pomer medzi kvalitou a výkonom.

Vývoj grafických kariet priniesol špecializované akcelerátory, ktoré dokážu výrazne zrýchliť sledovanie lúčov. Moderné GPU obsahujú jednotky optimalizované na výpočet priesečníkov lúčov s trojuholníkmi a na efektívny prechod dátovou štruktúrou BVH.

Vďaka tomu je možné používať ray tracing aj v reálnom čase, čo bolo ešte pred niekoľkými rokmi prakticky nemožné. Okrem toho sa využívajú technológie ako inteligentné odšumovanie obrazu a upscaling, ktoré pomáhajú znižovať výpočtové nároky bez výraznej straty kvality.

Ray tracing a jeho výhody

• Realistické odrazy a presné správanie svetla na rôznych materiáloch.
• Fyzikálne presné tiene vrátane mäkkých tieňov.
• Lepšia simulácia transparentných a lesklých povrchov.
• Prirodzenejšie globálne osvetlenie v komplexných scénach.

Nevýhody a technické obmedzenia

• Výrazne vyššia výpočtová náročnosť oproti rasterizácii.
• Potreba výkonného grafického hardvéru.
• Pri nízkom počte lúčov môže obraz obsahovať šum alebo artefakty.
• Pri komplexných scénach môže byť optimalizácia renderovania náročná.

Grafické karty RTX a nástup ray tracingu v hrách

Významný zlom v rozšírení ray tracingu nastal s príchodom grafických kariet série NVIDIA RTX, ktoré priniesli špecializovaný hardvér určený priamo na výpočty sledovania lúčov. Tieto GPU obsahujú takzvané RT jadrá, ktoré urýchľujú výpočty priesečníkov medzi lúčmi a geometriou scény, najmä pri prechode dátovou štruktúrou BVH.

Vďaka tomu sa ray tracing stal použiteľným aj v reálnom čase, čo umožnilo jeho integráciu do moderných herných enginov. Grafické karty RTX zároveň využívajú aj tensor jadrá na technológie ako inteligentné odšumovanie a upscaling obrazu, napríklad DLSS, ktoré pomáhajú kompenzovať vysoké výpočtové nároky tejto techniky. Kombinácia týchto hardvérových akcelerátorov umožnila realistickejšie odrazy, presnejšie tiene a pokročilé globálne osvetlenie v hrách bez dramatického poklesu výkonu.