Ray tracing یا رهگیری پرتو چیست؟

رهگیری  پرتو که در طراحی گرافیک استفاده می شود، عمل استفاده از مسیری است که نور از پیکسل ها برای ایجاد تصاویر طی می کند. رهگیری  پرتو اثراتی را که پرتوهای نور بر روی اشیایی که با آنها مواجه می شوند را شبیه سازی می کند. تصاویر ایجاد شده با رهگیری  پرتو معمولاً کیفیت بهتری دارند و درجه واقعی گرایی بالاتری دارند، اما برای تکمیل شدن زمان بیشتری می برد و به قدرت محاسباتی بیشتری نیاز دارد. بنابراین، رهگیری  پرتو اغلب برای ایجاد تصاویر ثابت استفاده می شود.

به عنوان مثال، رهگیری  پرتو ممکن است در فیلم استفاده شود، زیرا تصاویر را می توان در پس از تولید، ساخت، بنابراین زمان زیادی دارد. در مقابل، بازی‌های ویدیویی به ارائه سریع‌تر تصویر نیاز دارند. بنابراین رهگیری  پرتو بهترین گزینه نیست.

رهگیری  پرتو چگونه کار می کند؟

نرم افزاری به نام ردیاب پرتو، سفر پرتوهای نور فردی را از یک منبع نور مجازی به یک لنز دوربین مجازی شبیه سازی می کند. پرتو نور مجازی ممکن است از اتمسفرهای حجمی مانند مه یا دود عبور کند و به عنوان مثال با سطوح مواد مانند فلز، شیشه یا آب تعامل داشته باشد. هر یک از این اشیا توسط هنرمندان و مهندسان طراحی و مدل‌سازی شده‌اند تا بر ظاهر صحنه که توسط ردیاب پرتو ارائه می‌شود، تأثیر بگذارند. ردیاب‌های پرتوی پیشرفته ممکن است محاسبات اضافی مانند بازتاب، پرتوزایی و سوزاندن را برای شبیه‌سازی رفتارهای پیچیده نور اعمال کنند.

چقدر طول می کشد؟

رهگیری  پرتو می تواند تصاویر بسیار واقعی ایجاد کند، اما از نظر محاسباتی گران است و بنابراین بسیار کند است. به عنوان مثال، هر فریم ثابت از انیمیشن کامپیوتری دانشگاه هیولاها که توسط پیکسار در سال 2013 منتشر شد، به 29 ساعت زمان نیاز داشت. با سرعت 24 فریم در ثانیه، فیلم 110 دقیقه ای تقریباً 160000 فریم دارد. کمپانی پیکسار از یک مزرعه رندر عظیم برای توزیع محاسبات استفاده کرد و آن را در عرض چند ماه تکمیل کرد. بر روی یک کامپیوتر، فیلم چهار و نیم میلیون ساعت - 524 سال - طول کشید تا رندر کامل شود.

همه رندرها ردیاب پرتو نیستند

از آنجایی که محاسبه زمان زیادی طول می کشد، رهگیری  پرتو اغلب برای رندر نهایی استفاده می شود. رندرهای میانی یا پیش‌نمایش اغلب با رندرهای «ارزان‌تر» انجام می‌شوند که به سرعت تصویری با کیفیت پایین‌تر تولید می‌کنند. به عنوان مثال، Blender از Cycles Renderer برای رهگیری  پرتو یا Blender Internal Renderer برای رندر سریع تصاویر غیرواقعی استفاده می کند.

رهگیری  اشعه در GPU

به طور سنتی، رهگیری  پرتو توسط CPU انجام می شود، نه .GPU سخت‌افزار یک    GPU به گونه‌ای طراحی شده است که تا حد امکان FPS (فریم در ثانیه) را پمپ کند تا برنامه‌های گرافیکی بلادرنگ مانند بازی‌های ویدیویی را بهبود بخشد. در مقابل، رهگیری  پرتو معمولاً یک فرآیند آهسته است و سرعت واقعی را قربانی کیفیت فوتورئالیستی می‌کند. بنابراین نرم افزار ray tracing برای اجرا بر روی سخت افزار GPU و سخت افزار GPU برای انجام ray tracing طراحی نشده است.

با این حال، در 13 آگوست 2018، NVidia معماری پردازش گرافیکی تورینگ جدید خود را معرفی کرد که قادر به انجام رهگیری  پرتو در زمان واقعی است. اولین پردازنده‌های گرافیکی که از معماری تورینگ استفاده می‌کنند، Quadro RTX، بودند که در سال 2018 عرضه شد.

نرم افزار Ray Tracing

در زیر نمونه‌هایی از نرم‌افزارهایی که از تکنیک رهگیری  پرتو استفاده می نمایند آورده شده است.

Autodesk 3ds max - یک برنامه کاربردی مدل سازی، انیمیشن و رندر سه بعدی اختصاصی که عمدتاً کاربران CAD مانند معماران را هدف قرار می دهد.

Autodesk Maya - شبیه به 3ds max، اما با تمرکز بر انیمیشن شخصیت.

Blender - یک برنامه رایگان و منبع باز مدل سازی، انیمیشن و رندر سه بعدی.

برایس - یک مولد منظره فراکتالی که در سال 1994 معرفی شد.

Cinema 4D - یک برنامه مدل‌سازی، انیمیشن و رندر سه بعدی با جلوه‌های رویه‌ای برای فیلمسازان و هنرمندان موشن گرافیک، که به عنوان یادگیری آسان تبلیغ می‌شود.

Houdini - یک برنامه انیمیشن سه بعدی با ویژگی های کامل که شامل فیزیک شبیه سازی شده، دینامیک سیالات و شبیه سازی حجمی است. نسخه محدودی به نام Houdini Apprentice برای دانشجویان و علاقه مندان به صورت رایگان در دسترس است.

Lightwave - یک برنامه 3D CGI که ​​برای ایجاد گرافیک های حرکتی، جلوه های ویژه و بازی های ویدیویی استفاده می شود.

LuxCoreRender - یک رندر رایگان و منبع باز برای ویندوز، macOS و لینوکس.

POV-Ray (The Persistence of Vision Raytracer) - یک رندر رایگان و منبع باز که تصاویر را از SDL (زبان توصیف صحنه)، یک زبان کامل تورینگ با پشتیبانی ماکرو ایجاد می کند.

RenderMan - یک رندر با کیفیت فیلم که توسط پیکسار ساخته شده و در فیلم‌هایی مانند Incredibles 2 و Avengers: Infinity War استفاده می‌شود.

Visionaray - یک کتابخانه رهگیری  پرتوی منبع باز و چند پلتفرمی.

حال اگر می خواهید بدانید که کدام کارت گرافیک ها از این تکنیک جدید استفاده می نمایند در این مقاله بخوانید.