레이트레이싱이란? 실제와 같은 빛 반사 그래픽 설정 - GI 차이점

레이 트레이싱이란 무엇인가?

레이 트레이싱은 빛이 가상 환경 내에서 물체와 상호작용하는 방식을 시뮬레이션하는 최첨단 기술입니다.

레이트레이싱 원리

기존의 렌더링 방식이 대략적인 계산에 의존해 온 것과 달리, 레이 트레이싱은 빛의 경로를 실제로 추적하여, 빛이 반사되거나 굴절되며 그림자를 형성하는 과정을 모두 계산하기 때문에 매우 사실적인 그래픽 이미지를 얻을 수 있기 때문에 21세기 컴퓨터 그래픽과 게임 산업에서 혁신적인 발전을 이뤄냈습니다.

즉 레이 트레이싱의 개념은 오래전부터 존재해왔는데 초기에는 주로 영화나 애니메이션의 사전 렌더링된 장면에서 사용되었는데, 이때는 렌더링 시간에 대한 부담이 크지 않았기 때문입니다.

그러나 최근 GPU 기술의 발전, 특히 엔비디아의 RTX 시리즈의 등장으로 인해 실시간 레이 트레이싱이 가능해졌습니다. 이로 인해 인터랙티브한 환경에서 이전에는 볼 수 없었던 수준의 시각적 디테일이 구현되고 있습니다.

글로벌 일루미네이션이란?

조명에 의한 빛 반사 효과로 사실적인 효과

글로벌 일루미네이션(Global Illumination, GI)이라고 해서 3D MAX를 하는 분들이라면 흔히 아는 단어인데 과연 GI 또한 포괄적인 조명 계산 기법으로, 직접적인 조명뿐만 아니라 간접적인 조명 효과까지 고려하여 장면을 렌더링합니다.

즉, 빛이 한 물체에 부딪힌 후 반사되어 다른 물체를 비추는 과정을 포함해, 전체 장면의 조명을 계산하는 방식이며 이로 인해 현실적인 조명 효과를 제공하며, 장면의 깊이와 사실감을 높여줍니다.

글로벌 일루미네이션은 색상 번짐(color bleeding), 부드러운 그림자, 그리고 주변광 같은 효과를 구현하는 데 중요한 역할을 합니다.

레이 트레이싱과 글로벌 일루미네이션의 차이점 비교
	구분레이 트레이싱 (Ray Tracing)	글로벌 일루미네이션 (Global Illumination)
정의	빛의 경로를 추적하여 반사, 굴절, 그림자 등의 효과를 정확하게 시뮬레이션하는 렌더링 기술	빛이 물체에 반사되어 주변을 비추는 간접 조명 효과를 계산하여 자연스러운 조명을 구현하는 렌더링 기술
초점	직접 조명과 이에 따른 반사, 굴절, 그림자 등	간접 조명과 주변광, 색상 번짐 등 장면 전체의 조명 환경
주요 효과	반사, 굴절, 그림자, 카우스틱(Caustics) 등의 정밀한 광학 효과 구현	부드러운 그림자, 색상 번짐, 자연스러운 주변광 효과
계산 복잡도	광선 추적에 따른 높은 계산 복잡도 및 자원 소모	간접 조명 계산으로 인해 복잡하지만, 장면 전체의 자연스러운 조명 표현에 중점
사용 사례	정밀한 반사 및 굴절 표현이 중요한 장면, 예: 물체 표면의 정확한 반사 효과	장면 전체의 조명과 색상 표현이 중요한 장면, 예: 실내 장면의 자연스러운 빛 확산
리소스 소모	매우 높음, 특히 실시간 렌더링 시 고성능 하드웨어 필요	상당히 높음, 하지만 간접 조명 표현에 중점을 둠
실시간 적용	실시간 적용이 가능하지만 높은 성능 요구 (예: RTX GPU 사용)	실시간 적용이 가능하나 계산량이 많아 최적화 필요
주요 기술	직접 조명 계산, 경로 추적 (Path Tracing), 반사 및 굴절 계산	간접 조명 계산, 색상 번짐, 라디오시티(Radiosity), 패스 트레이싱(Path Tracing)
영향 받는 요소	빛의 직접적인 경로, 물체의 표면 특성	빛의 다중 반사, 주변 물체의 색상과 반사율
적용 가능 분야	영화, 게임, 광고 등에서의 정밀한 그래픽 표현	건축 시각화, 실내 장면, 자연스럽고 현실감 있는 조명 표현

즉 레이 트레이싱은 빛이 장면 내에서 어떻게 이동하고 반사, 굴절되는지를 추적하여 매우 정밀한 시각적 효과를 제공하며 이로 인해 반사나 굴절, 그림자 등의 효과를 사실적으로 표현할 수 있지만, 높은 연산 복잡도와 자원 소모를 요구합니다.

반면 글로벌 일루미네이션 기술은 빛이 물체에 반사되어 주변을 비추는 간접 조명 효과를 계산하는 데 중점을 둡니다. 이는 장면 전체의 조명 환경을 자연스럽게 만들어주며, 색상 번짐과 부드러운 그림자 같은 효과를 구현하는 데 탁월합니다. 하지만, 이 역시 계산이 복잡하여 높은 성능이 요구됩니다.

3D 소프트웨어에서의 레이 트레이싱 (3D MAX, VRAY)

3D맥스에서 빛반사 렌더링 설정

3D MAX나 VRAY와 같은 전문 3D 렌더링 소프트웨어에서 레이 트레이싱은 오랫동안 포토리얼리스틱 이미지를 생성하는 데 사용되어 왔습니다.

이러한 소프트웨어를 통해 아티스트는 자연스러운 빛의 흐름을 시뮬레이션하여, 유리, 물, 금속과 같은 다양한 재질이 어떻게 빛과 상호작용하는지를 정확하게 표현할 수 있습니다.

3D렌더링 굴절값 - 재질 유리 스틸 글라스 설정 - Decre Yellow

예를 들어, 나무 테이블 위에 유리 꽃병이 놓여있는 3D 렌더링 장면을 생각해봅시다. 레이 트레이싱은 빛이 유리를 통과하고 굴절되며, 테이블에 그림자를 드리우는 방식까지 계산할 수 있으며 이 때 렌더링에 필요한 재질에 대한 굴절값을 제대로 입력하는것이 중요합니다.

이러한 수준의 디테일과 사실성은 건축과 같은 산업에서 매우 중요합니다. 클라이언트 프레젠테이션이나 마케팅 자료에서 정확한 시각화를 제공해야 하기 때문입니다.

특히 VRAY는 강력한 레이 트레이싱 기능으로 유명합니다.

사용자는 광원의 강도, 반사 깊이, 재질 속성 등 여러 가지 매개변수를 조정하여 원하는 사실감을 얻을 수 있으며 이때 카메라에서 화면의 각 픽셀을 통해 광선을 추적한 후, 그 광선이 장면 내의 물체와 어떻게 상호작용하는지를 계산하여 광선이 흡수되는지, 반사되는지, 혹은 굴절되는지가 포함됩니다.

전통적인 래스터화와 레이 트레이싱의 비교

레이 트레이싱이 등장하기 전에는, 래스터화가 실시간 응용 프로그램, 특히 비디오 게임에서 주된 렌더링 방식이었습니다. 래스터화는 3D 모델을 2D 이미지로 변환하는 과정입니다.

먼저 3D 객체를 화면에 투영한 후, 텍스처와 셰이딩 모델을 기반으로 색상을 채워 넣습니다. 래스터화는 매우 빠르게 처리할 수 있는 장점이 있지만, 사실적인 빛의 반사나 그림자를 정확하게 표현하는 데에는 한계가 있습니다.

반면 레이 트레이싱은 빛의 경로를 직접 추적하여, 물체가 어떻게 빛을 반사하고 굴절시키는지를 정확히 계산합니다.

이로 인해 훨씬 더 자연스럽고 현실적인 그래픽을 구현할 수 있습니다. 하지만 이러한 사실성은 높은 계산량을 요구하기 때문에, 실시간 처리에는 상당한 부담이 따릅니다.

이 때문에 대부분의 게임은 여전히 래스터화 방식을 사용하고 있지만, 특정 장면이나 효과에서는 레이 트레이싱을 활용하여 더욱 생동감 있는 이미지를 구현하고 있습니다.

예를 들어, 사이버펑크 2077 같은 게임에서는 네온사인의 반사가 젖은 도로에 비치며, 태양의 움직임에 따라 그림자가 실시간으로 변하는 장면을 구현하는 데 레이 트레이싱이 사용됩니다. 이로 인해 게임 속 세계가 더 생생하게 느껴지며, 플레이어의 몰입감을 한층 더 높여줍니다.

NVIDIA RTX 시리즈와 RT 코어

엔비디아의 RTX 시리즈는 이러한 레이 트레이싱 기술을 실시간으로 구현할 수 있도록 설계된 최신 그래픽 카드입니다.

이 시리즈의 핵심은 RT 코어라고 불리는 전용 하드웨어입니다. RT 코어는 레이 트레이싱 연산을 가속화하여, 기존 그래픽 카드로는 불가능했던 복잡한 빛의 상호작용을 실시간으로 처리할 수 있게 합니다.

RTX 시리즈가 이전 세대와 차별화되는 또 다른 이유는 AI 텐서 코어의 탑재이며 이 코어는 딥러닝 기반의 업스케일링 기술인 DLSS(Deep Learning Super Sampling)를 지원하여, 성능 저하 없이 높은 해상도의 그래픽을 구현할 수 있도록 도와줍니다. 예를 들어, DLSS는 낮은 해상도로 렌더링된 이미지를 AI를 통해 고해상도로 업스케일링하여, 레이 트레이싱과 함께 사용할 때 더욱 부드럽고 선명한 이미지를 제공합니다.

게임에서 실시간 레이 트레이싱의 활용

레이 트레이싱이 게임에 적용되면서, 플레이어는 더욱 몰입감 있는 그래픽을 경험할 수 있게 되었습니다.

배틀필드 V나 마인크래프트 RTX와 같은 게임에서 레이 트레이싱을 활성화하면, 이전에 비해 훨씬 더 사실적인 조명, 그림자, 반사 효과를 감상할 수 있습니다.

예를 들어, 배틀필드 V에서 레이 트레이싱을 켰을 때, 캐릭터의 헬멧에 비치는 불꽃이나 물 웅덩이에 반사되는 하늘의 모습 등이 훨씬 생동감 있게 표현됩니다.

레이 트레이싱은 GPU에 큰 부하를 주기 때문에, 이를 제대로 즐기기 위해서는 강력한 하드웨어가 필요합니다.

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하지만 엔비디아의 DLSS 기술 덕분에, 많은 게임에서 레이 트레이싱을 활성화하면서도 높은 프레임 속도를 유지할 수 있게 되었습니다. DLSS는 AI를 활용해 이미지를 업스케일링하여, 성능 저하를 최소화하면서도 고품질의 그래픽을 제공하기 때문입니다.

레이 트레이싱의 미래

레이 트레이싱은 앞으로 게임과 그래픽 산업에서 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.

비록 현재는 높은 하드웨어 요구사항으로 인해 일부 제한이 있지만, 기술의 발전에 따라 더 많은 게임과 애플리케이션에서 레이 트레이싱을 활용하게 될 것이며 이로 인해 우리는 더욱 현실감 넘치는 가상 세계를 경험할 수 있을 것이며, 게임 디자인 또한 새로운 차원으로 발전할 것입니다.

예시로 생각해볼 점: 만약 레이 트레이싱이 일상적으로 사용된다면, 우리는 영화와 게임의 경계가 점점 더 모호해지는 시대를 맞이할 것입니다. 또한, 건축, 자동차 디자인, 가상 현실 등 다양한 분야에서 레이 트레이싱이 적용되어 더욱 정교한 시뮬레이션과 시각화가 가능해질 것입니다.