새롭진 않지만 혁신적인 렌더링 기술, 레이 트레이싱 - 1

오늘부터는 레이트레이싱에 대해서 알아보자.

현재 영화, 광고, 각종 영상물 및 게임의 프리 렌더링 CGI 대부분 이 기술 기반이다.

1980년 Turner Whitted가 An improved illumination model for shaded display 논문에서 발표한 기법으로 
이미지의 픽셀 하나하나를 통과하는 광선들이 있다 가정하고 
그 광선(Ray)을 역추적(Trace)하는 방식이다. 
당연히 현실에 가장 가까우며 셰이더의 필요성이 위 방식에 비해 현저히 낮다. 
그러나 광원이 아닌 시점으로부터 추적하는 방식은 터미네이터 등의 문제를 가져 왔다. 
(IEEE Computer Graphics and Applications 1999년 9월 21페이지) 
셰이더 자체가 Path Tracing을 할 수 없는 로컬 일루미네이션에 
현실감을 주기 위해 많이 쓰이기 때문. 
대신 픽셀 하나하나를 통과하는 광선이 있다 생각하기 때문에, 
요구 연산량이 하늘을 찌른다. 
게다가 광선의 산란이나 반사를 추적하기 위해서는 한 픽셀에 여러 번 연산을 해야 하는데 
실시간 연산은 아주 간단한 렌더링이 아닌 이상 엄청난 연산이 요구되어 
실시간 렌더링이 필요하지 않는 프리 렌더링 영상(영화, 광고, 드라마 등에서 쓰이는 CGI 등)에서는 
이미 90년대 부터 쓰였으나 2010년대 후반까지만 해도 실시간 렌더링은 
몇몇 실험적이거나 간단한 렌더링이 아니라면 실현되지 않았다.

이 정도의 연산은 80년대에 비해서 GPU가 엄청난 발전을 거듭했음에도 
성능 문제로 인해 2018년부터 일부 게임에서 사용하기 시작했다. 
한 때 1080p의 해상도는 아득히 높고 540p에 지포스 GTX 1080을 4개 SLI해도 
노이즈 없이 60FPS을 달성할 수 없었다. 
그러나 튜링 마이크로아키텍처를 기반으로 한 지포스 RTX 20 시리즈가 등장함으로서 
어느 정도까지는 구현이 가능할 수 있게 되었다. 
RTX 2080 Ti로 돌릴 경우 1080p 60FPS, 
RTX 최적화를 거치면 RTX 2080으로 1440p 60FPS까지 뽑을 수 있다.

레이 트레이싱을 이용한 게임 엔진이 개발중이다. 
해당 영상은 GTX TITAN 2개 SLI로 찍은 것이며 그럼에도 불구하고 이동중에는 
노이즈가 엄청나게 많이 생긴다. 
정지 화면에서는 괜찮지만 게임 엔진 특성상 정지 화면에서만 잘 나오는 것은 큰 문제다. 
대신 저화질과 노이즈 문제가 많은 화면임에도 
화려한 테크니컬 데모 영상들이 보여주던 미묘하게 그래픽스러웠던 느낌이 없어졌다. 
장점이 워낙에 특출나서 치명적인 단점들로도 가려지지 않는다는 소리. 
수 많은 개발사들이 실시간 레이트레이싱에 집착하는 이유가 엿보이는 영상으로도 볼 수 있다. 
현재 제작자에게 문의한 결과, RTX 2080 Ti에서 4K 60FPS로 구동 가능하다고 한다.

언리얼 엔진에서 1080p 24FPS로 실시간 레이 트레이싱을 구현한 영상을 공개했다. 
노이즈는 보이지 않으며, 
연산 장비는 볼타 마이크아키텍처 기반의 테슬라 V100 4개를 사용하였다고 한다.
마이크로소프트의 DirectX Raytracing API를 사용하고, ILMxLAB, NVIDIA와 협력하여 제작하였다고 한다.

설명 영상에 따르면 완전히 레이 트레이싱만으로 화면을 만들어내는 것이 아닌, 
낮은 해상도를 레이 트레이싱으로 렌더링 한 뒤에 AI를 이용해 
화면을 합성해 결과물을 만들어내는 것으로 보인다. 
레이 트레이싱의 무식한 연산량을 우회한 셈.