Що таке Рейтрейсинг, як працює трасування променів

Рейтрейсинг, або трасування променів, — це метод у комп’ютерній графіці, який намагається відтворити поведінку світла у реальному світі. Уявіть собі промінь сонця, який проходить крізь вікно, відбивається від дзеркала, лягає на підлогу і забарвлює її теплим відтінком. Рейтрейсинг дозволяє комп’ютеру прорахувати всі ці взаємодії світла з об’єктами настільки реалістично, що картинка виглядає як фотографія, а не як комп’ютерна модель.

Чому рейтрейсинг став проривом у графіці

Протягом багатьох років у комп’ютерній графіці використовувалися спрощені методи освітлення. Тіням і відбиттям давали змогу “імітувати” реальність, але ці методи не мали багато спільного з реальною фізикою світла. Рейтрейсинг змінив підхід: він буквально простежує шлях кожного віртуального променя світла від джерела до камери (або в зворотному напрямку), враховуючи відбиття, заломлення, розсіювання і навіть непряме освітлення.

Саме завдяки цьому сцени з рейтрейсингом виглядають об’ємно, живо і максимально близько до того, як ми звикли сприймати навколишній світ.

Як працює трасування променів

Рейтрейсинг можна уявити як експеримент у фізиці. Комп’ютер створює “віртуальні промені”, які відправляються від камери або глядача в сцену. Кожен промінь “стикається” з об’єктами, відбивається від них, змінює напрямок — і навіть частково поглинається чи заломлюється. Алгоритм повторює цей процес знову й знову, доки промінь не досягне джерела світла або не “загине”.

Кожна точка перетину з поверхнею додає нові дані: колір, яскравість, текстуру, вплив навколишнього середовища. У підсумку виходить картинка, де світло і тіні поводяться так, як у реальному житті.

Що враховує рейтрейсинг

• Відбиття: Дзеркальні та матові відбиття.
• Заломлення: Світло, яке проходить крізь прозорі об’єкти, як скло.
• Розсіювання: Світло, що розсіюється всередині матеріалів, наприклад, мармуру.
• М’які тіні: Тіні від численних джерел світла.
• Непряме освітлення: Світло, що відбивається від інших поверхонь.
• Ефект глибини різкості: Фокусна різкість та розмиття руху.

Цей підхід дозволяє створити візуальні ефекти, які важко відрізнити від фотографій, особливо у високоякісних проектах.

Технічні виклики

Рейтрейсинг — це неймовірно ресурсомісткий процес. Щоб обчислити тисячі чи навіть мільйони променів на кожен кадр, потрібна величезна обчислювальна потужність. Ще десять років тому це було можливо лише у професійній кінографіці, де кожен кадр рендерився годинами.

Ситуація змінилася, коли з’явилися графічні процесори (GPU) з апаратною підтримкою рейтрейсингу, такі як NVIDIA RTX. З цими чипами стало можливим використовувати трасування променів у реальному часі — навіть у відеоіграх.

Де використовується рейтрейсинг

Даний метод став частиною не лише кіновиробництва, але й з’явився в ігровій індустрії, архітектурній візуалізації, дизайні, і навіть у VR.

• Кінематографія: Для створення спецефектів і реалістичних сцен, де важливий природний вигляд освітлення.
• Відеоігри: Способом створення живих відбиттів у воді, блискучих поверхонь і натуральних тіней.
• Архітектура: Щоб продемонструвати, як світло змінюється в кімнаті у різний час доби.
• VR та симуляції: Досвід повного занурення поставлено на користь максимальної реалістичності.

Рейтрейсинг у кіно та іграх

Перші великі кінокомпанії почали використовувати рейтрейсинг ще у 80-х роках для анімацій, але через повільний рендер цей процес був надто дорогим. Лише з розвитком апаратних технологій цей метод потрапив у масові проекти. У кіно ми постійно бачимо рейтрейсинг у роботах Pixar, Marvel чи DreamWorks.

У відеоіграх трасування променів стало доступним як додаткова функція для покращення графіки. Нині є проекти, такі як Minecraft RTX або Cyberpunk 2077 з модом Path Tracing, де вся візуалізація реалізована за допомогою рейтрейсингу.

Майбутнє рейтрейсингу

Щороку обчислювальне обладнання стає потужнішим, а алгоритми оптимізованішими. Через кілька років рейтрейсинг може стати стандартом у графіці, витіснивши традиційні методи рендерингу. Це означає, що ігри і фільми стануть ще реалістичнішими, а віртуальні світи — більш переконливими.

Однак навіть тоді залишиться місце для мистецтва його застосування. Бо рейтрейсинг — це не лише про “красиву картинку”. Це про світло, що навчили мислити, і про те, як ми, граючи з ним, створюємо новий світ.