레이트레이싱이란? 게임 및 3D MAX 렌더링 빛 반사 효과 및 굴절

레이트레이싱(Ray Tracing)이란?

레이 트레이싱은 빛의 경로를 시뮬레이션하여 현실 세계에서의 빛과 그림자, 반사 등을 컴퓨터 그래픽으로 표현하는 기술로 이 기술은 빛이 물체에 닿고 반사되거나 투과되며 발생하는 다양한 시각적 효과를 사실적으로 재현할 수 있으며 이 과정에서 컴퓨터는 광선이 카메라(또는 시청자의 눈)에서 출발하여 씬(Scene)의 각 물체에 닿을 때까지의 경로를 추적합니다.

• 광원에서 시작되는 빛 추적: 레이 트레이싱은 먼저 광원에서 시작된 빛을 추적합니다. 이 빛은 여러 물체에 부딪히고 반사되며, 이 과정을 통해 빛이 어떻게 다른 물체에 도달하는지를 계산합니다.
• 반사와 굴절의 시뮬레이션: 빛이 특정 물체에 부딪힐 때 그 물체의 특성에 따라 빛이 반사되거나 굴절됩니다. 이러한 과정을 시뮬레이션하여 매우 사실적인 반사와 투명 효과를 구현할 수 있습니다.
• 그림자 생성: 레이 트레이싱은 빛이 물체에 닿지 않는 부분에서 그림자를 생성합니다. 이로 인해 매우 자연스러운 그림자 효과가 만들어집니다.

3D MAX나 VRAY에서의 레이트레이싱

3D 그래픽 소프트웨어, 특히 3D MAX와 같은 도구에서 레이트레이싱은 고품질 렌더링을 위해 주로 사용됩니다.

• 반사와 굴절 표현: 유리, 물, 금속 등의 표면에서의 반사와 굴절 효과를 구현할 때.
• 사실적인 조명: 실내 조명이나 태양광 같은 복잡한 조명 환경을 시뮬레이션할 때.
• 고급 그림자 효과: 그림자가 물체의 형태와 조명에 따라 자연스럽게 변하는 것을 표현할 때.

렌더링 프로그램인 VRAY나 키샷과 같은 렌더링 엔진은 복잡한 씬에서 빛이 물체와 어떻게 상호작용하는지 정확하게 계산하여 매우 사실적인 이미지를 만들어냅니다.

예를 들어, 레이트레이싱을 통해 유리나 물과 같은 투명한 재질의 물체에서 빛이 굴절되거나 반사되는 효과를 세밀하게 표현할 수 있습니다.

이 과정은 컴퓨팅 자원이 많이 소모되며, 렌더링 시간이 길어질 수 있지만, 그 결과물은 매우 사실적이고 높은 퀄리티를 자랑합니다.

게임에서의 레이트레이싱

게임에서는 레이트레이싱 기술이 보다 즉각적인 시각적 피드백을 제공하기 위해 최적화됩니다.

• 실시간 반사: 물이나 유리 표면에 반사되는 주변 환경을 실시간으로 렌더링합니다.
• 사실적인 그림자: 빛의 위치와 각도에 따라 변화하는 매우 사실적인 그림자를 생성합니다.
• 광원의 색 변화: 특정 환경에서 광원의 색이 주변 물체에 어떻게 영향을 미치는지 시뮬레이션합니다.

게임에서 레이트레이싱은 주로 실시간으로 빛의 반사, 그림자, 그리고 투명한 물체의 굴절을 계산하는 데 사용됩니다. 이 기술은 기존의 래스터화(Rasterization) 기법이 가진 한계를 극복하여 더욱 현실적인 그래픽을 제공합니다.

엔비디아 RTX 시리즈와 RT 코어

엔비디아의 RTX 시리즈 그래픽카드는 레이트레이싱을 실시간으로 처리하기 위해 특별히 설계된 RT 코어를 탑재하고 있습니다.

RT 코어는 광선 추적을 효율적으로 계산하여 실시간으로 게임에서 적용할 수 있게 해줍니다. 이전 세대의 GPU는 이러한 작업을 할 수 있었지만, 매우 비효율적이고 느렸기 때문에 게임에서 실시간으로 적용하기 어려웠습니다.

특징	DLSS (Deep Learning Super Sampling)	레이 트레이싱 (Ray Tracing)
기능	저해상도 이미지를 고해상도로 업스케일링	빛의 경로를 추적하여 사실적인 조명, 그림자, 반사 효과 구현
주요 목적	성능 향상 및 해상도 개선	현실감 있는 조명, 반사, 그림자 표현
작동 방식	인공지능과 딥러닝을 활용한 프레임 업스케일링	빛의 경로를 추적하여 각 픽셀의 색상을 계산
GPU 부담	GPU 부담을 줄이고 성능을 향상시킴	GPU에 매우 높은 부담을 줌
지원 그래픽카드	엔비디아 RTX 시리즈	엔비디아 RTX 시리즈 및 일부 최신 GPU
적용 사례	게임의 프레임레이트 향상과 고해상도 그래픽 구현	게임에서의 실시간 반사, 그림자, 조명 효과
장점	성능 유지하면서 시각적 품질 개선	매우 현실감 있는 그래픽 표현 가능
단점	인공지능 학습 데이터에 의존, 일부 장면에서 부자연스러움 발생 가능	GPU 성능을 크게 요구하여 프레임 저하 가능
활용 기술	딥러닝, 텐서 코어 (NVIDIA GPU)	RT 코어 (NVIDIA GPU), 물리 기반 렌더링

DLSS (Deep Learning Super Sampling)와 같은 기술은 RTX GPU가 레이트레이싱을 적용하면서도 성능 저하를 최소화하도록 도와줍니다. DLSS는 낮은 해상도로 렌더링된 이미지를 AI가 업스케일링하여 고해상도 이미지로 만드는 기술로, 레이트레이싱으로 인한 성능 손실을 줄이고, 프레임 속도를 유지하는 데 큰 역할을 합니다.

게임에서 레이트레이싱의 효과

게임에서 레이트레이싱을 켜면 빛의 반사와 굴절, 그림자 표현이 더욱 사실적으로 변합니다.

예를 들어, 배틀필드 V에서 레이트레이싱을 켰을 때와 껐을 때의 차이를 보면, 물 표면이나 유리 창문에서의 빛 반사가 더욱 자연스럽고 현실적입니다. 이러한 효과는 게임의 몰입감을 크게 높여줍니다.

그러나 레이트레이싱을 활성화하면 GPU에 큰 부담이 가해지므로, 프레임 속도가 저하될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 DLSS와 같은 기술이 사용되며, 이를 통해 보다 부드러운 게임 플레이를 유지하면서도 레이트레이싱의 시각적 이점을 누릴 수 있습니다.