Ray Tracing nedir, nasıl çalışır?

Düzenli olarak video oyunları oynuyorsanız veya Pixar’ın veya Disney’in son birkaç yıldır animasyon filmlerinden herhangi birini izlediyseniz, farkına varmadan ışın izlemeyi (Ray Tracing) çalışır halde görmüşsünüzdür.

Temelde, ışın izlemenin vaat ettiği şey, maksimum keyif için yüksek kaliteli bir görsel deneyimdir. Video oyunlarında ışın izleme hala erken aşamalarında, ancak pazara girişi milyar dolarlık endüstri için umut verici bir geleceğe işaret ediyor.

Terim, son iki yılda oyun endüstrisinde önemli bir yankı yarattı ve oyunda grafiklerin geleceği olarak lanse edildi. Peki Ray Tracing nedir, nasıl çalışır ve neden bu kadar önemlidir?

Ray Tracing Nedir?

Ray Tracing, video oyunlarında ışık ve gölgelerin nerede olması gerektiğini hesaplamak için algoritmalar kullanan bir grafik oluşturma yöntemidir.

İşte ilkokul biliminin işe yaradığı yer: bir bardağa bakın. Kupaya baktığınızda, ışık bardaktan doğrudan gözünüze yansır ve beyniniz önünüzde oturan nesnenin bir kupa olduğunu anlar. Şimdi, odanızdaki ışık kaynağını bulmak için kupadan gözlerinizi hareket ettirin. Bu ışın izlemedir.

Şu anda sahip olduğumuz 3D video oyunlarında, ışın izleme algoritması oyuncunun bakış açısıyla başlar ve bir ekrandaki birden çok nesnenin ışığını, rengini ve gölgelerini ‘izlemeye’, tanımlamaya ve haritalamaya başlar. Sonuç olarak, ışın izleme yoluyla üretilen grafikler daha pürüzsüz ve daha gerçekçidir.

Işın İzlemeden Önce

Işın izlemeden önce hareketli görüntülerin neye benzediğini bilmek istiyorsanız, sadece 2000’lerin başında yapılan video oyunlarına bir göz atın ve bunları şu anda piyasadaki AAA video oyunlarıyla karşılaştırın.

Geleneksel bilgisayar grafikleri, 3B ışık kaynaklarının konseptinin ve çiziminin 2B yüzeye dönüştürüldüğü rasterleştirme adı verilen bir yöntem kullanır. 3B çokgenler 2B piksellere çevrilir ve bu her zaman iyi gitmez çünkü aslında birçok yüzeyi olan karmaşık bir nesneyi düz bir yüzeye zorluyorsunuz.

Bunun da ötesinde, geleneksel bilgisayarlar video oyunlarının yoğunluğuna ayak uyduracak kadar hızlı değildi. Rasterleştirme konusunda birçok iyileştirme yapılmış olsa da, örneğin yoğun bir birinci şahıs nişancı oyunu sunma söz konusu olduğunda, ışın izleme ile karşılaştırıldığında yetersiz kalıyor.

Ray Tracing Nasıl Çalışır?

Işın izleme, bir konsept olarak basit ve heyecan verici görünse de, kolay bir teknik değildir. Peki ışın izleme nasıl çalışır?

Işın izleme, kameradan (sizin bakış açınızdan) başlayan algoritmasının ışık ve gölgelerin en önemli gölgelerini izlediği ve saptadığı “denoising” adı verilen bir işlem gerçekleştirir. Makine öğrenimini kullanarak, fotogerçekçi bir görüntü oluşturmak için “boşlukları doldurur”.

Dolayısıyla, bir video oyunundaki sahne ne kadar parlaksa, grafik kalitesi o kadar yüksek ve kalite ne kadar yüksek olursa o kadar pahalıdır. Bu da bizi ışın izlemenin video oyun sektörüne geç gelmesinin ardındaki nedene getiriyor.

Işın İzleme Neden Bu Kadar Geç Geldi?

Işın izlemenin de yeni bir teknik olmadığını bilmelisiniz. Hollywood, bu teknoloji video oyun endüstrisine girmeden çok önceden beri ışın izlemeyi kullanıyor. Pixar’ın 2013 filmi Sevimli Canavarlar Üniversitesi, aslında tamamen aydınlatma ve gölgelendirme için ışın izleme teknolojisini kullanan ilk animasyon filmiydi. Peki ışın izleme neden video oyunlarına bu kadar geç girdi?

Birincisi, mekanik açısından ışın izlemenin kendisi hesaplama açısından zahmetlidir. Işın izleme teknolojisini saniyede 24 kare ile standart 90 dakikalık bir aksiyon filmine uygulamak zaten son derece zaman alıcıdır. Animatörler sadece bir sahnede günler veya haftalar geçirebilirler, bu yüzden saniyede 60 kare hızında çalışan standart bir video oyununda ışın izlemenin ne kadar yoğun olduğunu bir düşünün.

Sonra, yukarıda belirtildiği gibi ışın izleme maliyetlidir. Zaman alıcı olmasının yanı sıra, pahalı bütçe, Hollywood’da her zaman ışın izlemeyi karşılayabilecek mega film yapım şirketleri olmasının nedenidir. Pixar’ın Sevimli Canavarlar Üniversitesi, 2019’da piyasaya sürülen Toy Story 4 gibi 200 milyon dolara mal oldu.

Oysa gerçek zamanlı ışın izleme desteğine sahip modern grafik kartları 400 $ ile 3.000 $ arasında değişmektedir. Bunları edinmek halihazırda çok maliyetlidir.

Işın İzlemenin Oyunlarda Kullanımı

Işın izleme, bir video oyununun hemen hemen her yerinde kullanılır, ancak özellikle kesilmiş sahnelerde. Video oyunu sahneleri sırasında karakterinizin neden daha gerçekçi ve sofistike göründüğünü hiç fark ettiniz mi? Bu, hareket halindeki ışın izlemedir. 2019’un hit AAA oyunu Control, bir video oyununda başarılı ışın izlemenin en iyi örneğidir.

Video oyunlarının dışında ışın izleme birçok sektörde de kullanılmaktadır. Mimaride ışın izleme, bir binanın 3B modellemesi için yazılım uygulamalarına yerleştirilmiştir. Bu, bir mimarın bir bina tasarımı hayalini elle çizilmiş konsept eskizlerinden daha gerçekçi kılar ve modelleme ışığı daha doğrudur. Mühendislikte ışın izleme de benzer bir amaç için kullanılır.

Oyun Geliştiricileri ve Ray Tracing

Ray Tracing şirketi RayScale’i 2008’de satın aldıktan sonra Nvidia, piyasada ışın izlemeyi başlatan ilk şirket oldu. 2018 yılında GeForce RTX serisi grafik kartlarını tüketicilere tanıttı. O zamandan beri, ünlü oyun geliştiricileri ışın izleme oyununa birer birer katıldılar.

2019’da Epic Games ve Utility Technologies, donanım motorlarının artık ışın izleme için yerel destek sunduğunu duyurdu. 2018’de Microsoft, ışın izlemeyi Xbox One için anahtar multimedya ve oyun programlama yazılımı olan DirectX 12’ye entegre etti. 2020’nin başlarında, teknoloji devi DirectX 12’ye yükseltme olan DirectX 12 Ultimate’i duyurdu.