레이 트레이싱: 컴퓨터 그래픽스에서의 사실적인 조명 시뮬레이션

레이 트레이싱은 이미지 평면의 픽셀로서 빛의 경로를 추적하고 가상 객체와의 만남을 시뮬레이션하여 이미지를 생성하는 렌더링 기술입니다. 이는 빛의 이동 물리학을 정확하게 시뮬레이션함으로써 래스터화와 같은 전통적인 렌더링 방법보다 훨씬 높은 수준의 사실감을 만들어낼 수 있습니다. 이 글은 레이 트레이싱의 기본 원리, 응용, 장점, 과제 및 미래 동향을 탐구하며 포괄적인 개요를 제공합니다.

레이 트레이싱이란 무엇인가?

핵심적으로 레이 트레이싱은 일반적인 카메라 모델을 뒤집는 방식으로 작동합니다. 삼각형을 화면에 투영하는 대신, 레이 트레이싱은 카메라(또는 눈)에서 이미지 평면의 각 픽셀을 통해 장면 속으로 광선을 쏩니다. 이 광선들은 장면의 객체와 교차하고, 교차점에서의 셰이딩은 객체의 재질 속성과 조명 조건에 따라 계산됩니다. 픽셀의 색상은 이 셰이딩 계산의 결과에 의해 결정됩니다.

조명 효과를 근사치로 계산하는 래스터화와 달리, 레이 트레이싱은 빛이 실제 세계에서 어떻게 행동하는지를 정확하게 시뮬레이션하려고 시도합니다. 여기에는 반사, 굴절, 그림자, 글로벌 일루미네이션과 같은 효과가 포함됩니다. 픽셀당 여러 개의 광선을 추적하고 장면 주위로 반사시킴으로써, 레이 트레이싱은 복잡한 조명 효과를 가진 믿을 수 없을 정도로 사실적인 이미지를 만들어낼 수 있습니다.

레이 트레이싱의 작동 원리

레이 트레이싱 과정은 다음과 같은 주요 단계로 나눌 수 있습니다:

1. 광선 생성

이미지의 각 픽셀에 대해, 카메라 위치에서 해당 픽셀을 통과하여 장면 속으로 기본 광선(primary ray)이 생성됩니다.

2. 광선-객체 교차

광선이 장면의 모든 객체와 교차하는지 테스트합니다. 가장 가까운 교차점이 결정됩니다.

3. 셰이딩

교차점에서 셰이딩 계산이 픽셀의 색상을 결정합니다. 이 과정에는 다음이 포함됩니다:

• 직접 조명: 광원에서 표면 지점으로 직접 이동하는 빛.
• 반사: 표면이 반사성이면 교차점에서 반사 광선이 생성됩니다.
• 굴절: 표면이 투명하면 교차점에서 굴절 광선이 생성됩니다.
• 그림자: 해당 지점이 그림자 안에 있는지 확인하기 위해 교차점에서 각 광원 방향으로 그림자 광선을 쏩니다.

4. 재귀적 레이 트레이싱

반사 및 굴절된 광선은 광원에 도달하거나 최대 재귀 깊이에 도달할 때까지 재귀적으로 추적됩니다. 이를 통해 반사 속의 반사와 같은 복잡한 조명 효과를 시뮬레이션할 수 있습니다.

5. 색상 누적

재귀적 레이 트레이싱 과정에서 반환된 색상들이 결합되어 픽셀의 최종 색상을 결정합니다.

레이 트레이싱의 핵심 개념

레이 트레이싱의 복잡성을 이해하려면 다음 핵심 개념을 파악하는 것이 중요합니다:

글로벌 일루미네이션

글로벌 일루미네이션은 색상 번짐(color bleeding)이나 부드러운 그림자(soft shadows)와 같은 간접 조명 효과의 시뮬레이션을 의미합니다. 레이 트레이싱은 직접 조명원 너머까지 광선을 추적함으로써 글로벌 일루미네이션 시뮬레이션에 탁월합니다. 이는 더욱 사실적이고 몰입감 있는 시각적 경험을 만들어냅니다. 레이 트레이싱과 함께 사용되는 글로벌 일루미네이션 알고리즘의 예는 다음과 같습니다:

• 패스 트레이싱: 장면을 통과하는 빛의 무작위 경로를 추적하는 몬테카를로 방법.
• 포톤 맵핑: 먼저 광원에서 광자를 추적하여 포톤 맵을 구축한 다음, 카메라에서 광선을 추적하여 각 픽셀의 조명을 추정하는 2단계 알고리즘.
• 양방향 패스 트레이싱: 효율성을 높이기 위해 카메라에서의 패스 트레이싱과 광원에서의 패스 트레이싱을 결합합니다.

몬테카를로 적분

많은 레이 트레이싱 알고리즘, 특히 글로벌 일루미네이션에 사용되는 알고리즘은 해석적으로 풀기 어렵거나 불가능한 적분을 추정하기 위해 몬테카를로 적분에 의존합니다. 몬테카를로 적분은 무작위 샘플을 채취하고 그 결과를 평균내어 적분 값을 근사하는 것을 포함합니다. 이는 가능한 많은 빛 경로에 대한 적분을 포함하는 복잡한 조명 효과를 계산하는 데 특히 유용합니다.

가속 구조

각 광선이 장면의 모든 객체와 교차 테스트를 해야 하므로 레이 트레이싱은 계산 비용이 많이 들 수 있습니다. 가속 구조는 필요한 교차 테스트 수를 줄이는 데 사용됩니다. 일반적인 가속 구조는 다음과 같습니다:

• 바운딩 볼륨 계층 구조 (BVH): 객체를 바운딩 볼륨으로 감싸는 계층적 트리 구조.
• k-d 트리: 장면을 더 작은 영역으로 분할하는 공간 분할 데이터 구조.
• 공간 해싱: 해시 함수를 사용하여 공간 영역에서 객체를 신속하게 찾는 기술.

레이 트레이싱의 장점

레이 트레이싱은 전통적인 렌더링 기술에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다:

• 사실성: 조명 효과의 정확한 시뮬레이션은 매우 사실적인 이미지로 이어집니다.
• 글로벌 일루미네이션: 간접 조명을 시뮬레이션하여 더욱 몰입감 있는 장면을 만듭니다.
• 반사 및 굴절: 반사 및 투명 표면의 사실적인 렌더링.
• 그림자: 강하고 부드러운 그림자의 정확한 시뮬레이션.
• 다용성: 다양한 장면과 재질을 렌더링하는 데 사용할 수 있습니다.

레이 트레이싱의 단점

장점에도 불구하고 레이 트레이싱에는 몇 가지 단점도 있습니다:

• 계산 비용: 레이 트레이싱은 특히 복잡한 장면에서 계산 비용이 많이 들 수 있습니다.
• 복잡성: 레이 트레이싱 알고리즘을 구현하는 것은 복잡하고 시간이 많이 걸릴 수 있습니다.
• 노이즈: 몬테카를로 레이 트레이싱 알고리즘은 노이즈가 있는 이미지를 생성할 수 있어 디노이징 기술이 필요합니다.

레이 트레이싱의 응용 분야

레이 트레이싱은 다음을 포함한 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다:

영화 및 애니메이션

레이 트레이싱은 영화 및 애니메이션 산업에서 고품질 시각 효과와 사실적인 이미지를 만드는 데 널리 사용됩니다. Pixar, Disney, DreamWorks와 같은 회사는 애니메이션 영화를 렌더링하는 데 레이 트레이싱을 사용합니다. 예를 들어, Pixar의 "몬스터 주식회사"는 사실적인 털 렌더링을 달성하기 위해 레이 트레이싱을 사용한 초기 선구자 중 하나였습니다. 표면의 반사와 정확한 그림자는 이전에는 달성할 수 없었던 사실감을 더했습니다.

게임 개발

최신 GPU에 전용 레이 트레이싱 하드웨어가 등장함에 따라 실시간 레이 트레이싱이 게임 개발에서 점점 보편화되고 있습니다. "사이버펑크 2077", "컨트롤", "메트로 엑소더스"와 같은 게임은 레이 트레이싱을 활용하여 사실적인 반사, 그림자, 글로벌 일루미네이션으로 시각적 충실도를 향상시킵니다. 이러한 향상된 기능은 시각적 몰입감과 전반적인 게임 경험을 크게 향상시킵니다.

건축 시각화

레이 트레이싱은 건축 디자인의 사실적인 렌더링을 만드는 데 사용되어 건축가와 디자이너가 자신의 창작물이 지어지기 전에 시각화할 수 있도록 합니다. 이는 디자인 결정을 내리고 고객에게 디자인을 전달하는 데 도움이 될 수 있습니다. Lumion 및 Enscape와 같은 소프트웨어는 건축 프로젝트의 거의 사실적인 미리보기를 제공하기 위해 레이 트레이싱에 크게 의존합니다.

제품 디자인

레이 트레이싱은 제품 디자인에서 제품의 사실적인 렌더링을 만드는 데 사용되어 디자이너가 디자인의 외관과 기능을 평가할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 자동차 제조업체는 레이 트레이싱을 사용하여 새 모델의 디자인을 시각화하고 다듬으며 빛이 차량 표면과 상호 작용하는 방식을 정확하게 시뮬레이션합니다.

과학적 시각화

레이 트레이싱은 의료 영상 및 물리 현상 시뮬레이션과 같은 복잡한 데이터 세트를 렌더링하기 위해 과학적 시각화에 사용됩니다. 이를 통해 과학자들은 데이터를 더 잘 이해하고 분석할 수 있습니다. 예를 들어, 레이 트레이싱으로 MRI 데이터를 시각화하면 내부 장기의 더 명확하고 상세한 이미지를 제공할 수 있습니다.

레이 트레이싱 하드웨어 및 소프트웨어

레이 트레이싱을 지원하는 GPU

NVIDIA(RTX 시리즈) 및 AMD(Radeon RX 6000 시리즈 이상)의 최신 GPU는 레이 트레이싱을 위한 전용 하드웨어를 갖추고 있어 렌더링 프로세스를 크게 가속화합니다. 이러한 GPU에는 광선-객체 교차 테스트를 효율적으로 수행하도록 설계된 특수 코어(NVIDIA GPU의 RT 코어 및 AMD GPU의 Ray Accelerator)가 포함되어 있습니다.

레이 트레이싱 API

여러 API가 레이 트레이싱을 지원하며, 다음을 포함합니다:

• DirectX Raytracing (DXR): Microsoft의 레이 트레이싱 API로, Windows 10 이상에서 사용 가능합니다.
• Vulkan Ray Tracing: Vulkan에서 지원하는 크로스플랫폼 레이 트레이싱 API.
• OptiX: NVIDIA GPU에서 고성능 레이 트레이싱을 위해 설계된 NVIDIA의 레이 트레이싱 엔진.

레이 트레이싱 소프트웨어

수많은 소프트웨어 패키지가 레이 트레이싱을 지원하며, 다음을 포함합니다:

• Blender: Cycles 렌더링 엔진을 통해 레이 트레이싱을 지원하는 무료 오픈소스 3D 제작 제품군.
• Autodesk Maya: Arnold 렌더러를 통해 레이 트레이싱을 지원하는 전문 3D 모델링 및 애니메이션 소프트웨어 패키지.
• Cinema 4D: 내장 렌더링 엔진을 통해 레이 트레이싱을 지원하는 3D 모델링, 애니메이션 및 렌더링 소프트웨어 패키지.
• Unreal Engine: 실시간 레이 트레이싱을 지원하는 인기 있는 게임 엔진.
• Unity: 실시간 레이 트레이싱을 지원하는 또 다른 인기 있는 게임 엔진.

실시간 레이 트레이싱

실시간 레이 트레이싱은 일반적으로 초당 30프레임 이상으로 레이 트레이싱된 이미지를 대화형 프레임 속도로 렌더링하는 기능을 의미합니다. 이는 GPU 기술의 발전과 효율적인 레이 트레이싱 알고리즘의 개발 덕분에 가능해졌습니다.

실시간 레이 트레이싱은 주로 게임 개발에서 성능을 희생하지 않으면서 시각적 충실도를 향상시키는 데 사용됩니다. 그러나 가상 현실 및 증강 현실과 같은 다른 분야에서도 응용되고 있습니다.

실시간 레이 트레이싱을 최적화하기 위해 여러 기술이 사용됩니다:

• 디노이징: 시각적 품질을 향상시키기 위해 레이 트레이싱된 이미지에서 노이즈를 제거합니다.
• 적응형 샘플링: 장면의 복잡성에 따라 픽셀당 추적되는 광선 수를 조정합니다.
• 하이브리드 렌더링: 시각적 품질과 성능 간의 균형을 맞추기 위해 레이 트레이싱과 전통적인 래스터화 기술을 결합합니다.

레이 트레이싱의 미래

레이 트레이싱은 성능, 효율성 및 사실성을 개선하는 데 중점을 둔 지속적인 연구 개발 노력이 진행 중인 진화하는 분야입니다. 레이 트레이싱의 미래 동향 중 일부는 다음과 같습니다:

AI 가속 레이 트레이싱

인공 지능(AI)을 사용하여 레이 트레이싱을 가속화하는 것은 유망한 연구 분야입니다. AI는 다음에 사용될 수 있습니다:

• 이미지 디노이징: AI 기반 디노이저는 기존 디노이저보다 레이 트레이싱된 이미지에서 노이즈를 더 효과적으로 제거할 수 있습니다.
• 조명 예측: AI는 장면의 조명을 예측하도록 훈련될 수 있어 추적해야 하는 광선 수를 줄일 수 있습니다.
• 가속 구조 최적화: AI는 가속 구조의 구성 및 순회를 최적화하는 데 사용될 수 있습니다.

클라우드 기반 레이 트레이싱

클라우드 기반 레이 트레이싱은 원격 서버에서 레이 트레이싱된 이미지를 렌더링하고 결과를 사용자 장치로 스트리밍하는 것을 포함합니다. 이를 통해 사용자는 로컬 컴퓨터에 강력한 하드웨어가 없어도 레이 트레이싱을 경험할 수 있습니다. 클라우드 기반 레이 트레이싱은 NVIDIA 및 Google과 같은 회사에서 탐색하고 있습니다.

뉴럴 렌더링

뉴럴 렌더링 기술은 레이 트레이싱과 딥 러닝을 결합하여 새로운 렌더링 방법을 만듭니다. 뉴럴 렌더링은 다음에 사용될 수 있습니다:

• 희소 데이터로부터 사실적인 이미지 생성: 뉴럴 렌더링은 적은 수의 입력 이미지나 몇 개의 데이터 포인트만으로도 사실적인 이미지를 생성할 수 있습니다.
• 장면의 새로운 뷰 생성: 뉴럴 렌더링은 원본 이미지에 캡처되지 않은 장면의 새로운 뷰를 만들 수 있습니다.
• 물리적으로 타당한 방식으로 이미지 편집: 뉴럴 렌더링은 물리적 사실성을 유지하면서 이미지를 편집할 수 있습니다.

다양한 산업에서의 레이 트레이싱: 글로벌 관점

레이 트레이싱의 채택은 기술 인프라, 경제적 요인, 창의적 선호도의 차이를 반영하여 산업 및 지리적 지역에 따라 다릅니다. 다음은 몇 가지 글로벌 관점입니다:

북미

북미, 특히 미국은 특히 영화 및 게임 산업에서 레이 트레이싱 채택의 선두 주자였습니다. Pixar와 같은 주요 애니메이션 스튜디오와 Electronic Arts와 같은 게임 개발사의 존재는 레이 트레이싱 기술에 대한 혁신과 투자를 촉진합니다. 또한 고급 GPU와 강력한 인터넷 인프라의 광범위한 가용성은 실시간 및 클라우드 기반 레이 트레이싱 솔루션의 채택을 용이하게 합니다.

유럽

유럽은 레이 트레이싱 채택에서 다양한 환경을 보여줍니다. 영국, 독일과 같은 국가는 강력한 게임 및 VFX 산업을 보유하고 있어 이들 부문에서 레이 트레이싱 사용을 촉진합니다. 건축 시각화 또한 특히 이탈리아, 프랑스와 같이 풍부한 건축 유산을 가진 국가에서 상세하고 정확한 렌더링이 보존 및 디자인 목적에 중요하기 때문에 레이 트레이싱의 혜택을 크게 받습니다. 또한 유럽 연구 기관들은 레이 트레이싱 알고리즘과 하드웨어 발전에 적극적으로 참여하고 있습니다.

아시아 태평양

아시아 태평양 지역은 중국, 한국, 일본과 같은 국가의 급성장하는 게임 및 엔터테인먼트 산업에 힘입어 레이 트레이싱 채택에서 빠르게 따라잡고 있습니다. 첨단 기술 인프라로 유명한 한국은 게임 개발 및 시각 효과의 허브이며 많은 스튜디오가 향상된 사실감을 위해 레이 트레이싱을 통합하고 있습니다. 중국의 성장하는 게임 시장 또한 레이 트레이싱 가능 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 수요를 촉진하고 있습니다. 일본의 애니메이션 및 만화 산업은 시각적 품질을 높이기 위해 레이 트레이싱을 탐색하고 있습니다. 건축 시각화에서 싱가포르와 홍콩과 같은 국가는 정교한 도시 개발을 위해 레이 트레이싱을 사용합니다.

신흥 시장

인도, 브라질과 같은 신흥 시장에서는 레이 트레이싱 채택이 점차 증가하고 있습니다. 경제적 요인으로 인해 고급 GPU와 소프트웨어에 대한 접근성이 떨어질 수 있지만 게임 및 시각 효과에 대한 관심 증가는 수요를 견인하고 있습니다. 인터넷 인프라가 개선되고 하드웨어 비용이 감소함에 따라 특히 건축 시각화 및 제품 디자인과 같은 부문에서 레이 트레이싱 채택이 증가할 것으로 예상됩니다.

결론

레이 트레이싱은 빛의 물리학을 정확하게 시뮬레이션하여 매우 사실적인 이미지를 생성할 수 있는 강력한 렌더링 기술입니다. 전통적으로 계산 비용이 많이 들었지만 하드웨어와 알고리즘의 발전으로 실시간 레이 트레이싱이 현실이 되었습니다. 기술이 계속 발전함에 따라 레이 트레이싱은 영화 및 애니메이션에서부터 게임 개발 및 과학적 시각화에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다. 사실적인 결과를 생성하는 능력은 시각적으로 놀랍고 몰입감 있는 경험을 만들고자 하는 모든 사람에게 귀중한 도구가 됩니다.