Ray Tracing Nedir?
Ray Tracing (Işın İzleme), grafiklerde gerçekçi ışıklandırma ve gölgeleme efektleri oluşturmak için kullanılan bir görüntü işleme yöntemidir. Işığın bir sahnedeki nesnelere çarpmasını ve yansımasını inceler. Bu yöntem, özellikle yansıma, kırılma ve gölge gibi etkilerin yüksek doğrulukla işlenmesini sağlar ve bu sayede görüntüler üretir. Ray Tracing, sinema, animasyon, mimarlık ve oyun gibi birçok sektörde yaygın olarak kullanılmaktadır. Şimdi Ray Tracing’in nasıl çalıştığına, avantajlarını, dezavantajlarını ve kullanım alanlarını inceleyelim.
Ray Tracing’in Çalışma Prensibi
Ray Tracing, temelde sahnedeki her bir piksele ışın göndererek çalışır. Bu ışınlar, sanal kameradan başlayıp sahnedeki nesnelere doğru ilerler. Eğer ışın bir nesneye çarparsa o nesneyle etkileşir. Bu etkileşim, nesnenin özelliklerine göre hesaplanır. Işın yansıyabilir, kırılabilir ya da tamamen emilebilir.
Bu işlemin ardında yatan temel mantık, gözümüze ya da kameraya gelen her ışık ışınının aldığı yolu izlemektir. Işınlar gözden sahneye doğru gönderilir ve bu şekilde sahnede hangi nesnelerin nasıl görüldüğü hesaplanır.
Ray Tracing, sadece bir ışık kaynağından gelen direkt ışığı değil, aynı zamanda yansıyan, kırılan ya da gölgelenen ışığı da hesaplayarak daha kesin görüntüler oluşturur. Örneğin, bir camın arkasında duran bir nesne, camın içinden geçen ışık ışınlarının kırılmasına bağlı olarak gerçekçi bir şekilde görünür.
Yansıma, Kırılma ve Gölgeleme
Ray Tracing’in en güçlü yönlerinden biri, ışığın nesneler üzerinde nasıl davrandığını doğru bir şekilde simüle etmesidir. Bu davranışlar arasında yansıma, kırılma ve gölgeleme bulunur.
- Yansıma: Işık, yansıtıcı bir yüzeye çarptığında, yüzeyin açısına bağlı olarak geri yansır. Ray Tracing, bu yansıyan ışınları izleyerek, nesnelerin özelliklerine göre ışığın nasıl davranacağını hesaplar. Örneğin, bir aynanın yüzeyine çarpan ışınlar, aynadaki yansımayı doğru bir şekilde oluşturur.
- Kırılma: Işık, farklı yoğunlukta bir ortama girdiğinde yönünü değiştirerek yukarı, aşağı gidebilir veya geldiği açıya göre aynı yönde devam edebilir. Bu olaya kırılma denir. Ray Tracing, bu kırılma olayını doğru bir şekilde simüle ederek, cam, su gibi birçok maddenin gerçeğe uygun görünmesini sağlar.
- Gölgeleme: Işık bir nesneye çarptığında, bu nesnenin arkasında gölge oluşur. Ray Tracing, sahnedeki her nesnenin ışık kaynağıyla olan ilişkisini inceleyerek gölgeleri doğru bir şekilde hesaplar. Bu sayede sahnedeki nesnelerin gölgeleri gerçekçi bir şekilde oluşturulur.
Path Tracing (Yol İzleme)
Path Tracing, Ray Tracing gibi ışığın fiziksel davranışlarını simüle eden bir görüntü işleme yöntemidir ancak ışık ışınlarının sahnedeki dağılımını ve etkileşimlerini daha rastgele ve gerçekçi bir şekilde hesaplayarak aydınlatmayı daha doğru bir şekilde simüle eder. Path Tracing, ışığın nesnelerden yansımasını, kırılmasını ve saçılmasını rastgele olasılıkları da işin içine katacak bir şekilde hesaplar ve bu süreçte sadece direkt ışığı değil, aynı zamanda dolaylı ışığı da göz önünde bulundurur. Bu özelliği, sahnelerde daha yumuşak gölgeler, gerçekçi yansımalar ve doğal ışık yayılımı gibi etkiler yaratır.
Ancak Path Tracing, Ray Tracing’e göre daha karmaşık bir hesaplama süreci içerir ve bu yüzden genellikle daha uzun sürelerde sonuç verir ve yanıt alabilmek için güçlü bir işlem gücü gerektirir.
Path Tracing Nasıl Çalışır?
Path Tracing, sahnedeki her piksel için bir ışın göndererek başlar. Bu ışın, sahnedeki nesnelere çarpar ve çarpma noktasında rastgele bir yönde yeni bir ışın oluşturulur. Bu yeni ışın, sahnedeki diğer nesnelerle etkileşene kadar ilerler. Süreç, ışınlar ışık kaynağına ulaşana veya belirli bir sınır değerine kadar tekrar eder. Bu sayede, sahnedeki tüm ışık kaynakları ve yansımalar hesaplanarak hem doğrudan hem de dolaylı ışık doğru bir şekilde simüle edilir.
Path Tracing, ışığın hem doğrudan hem de dolaylı etkilerini hesaba kattığı için daha gerçekçi sonuçlar verir. Örneğin, ışık bir yüzeyden yansıyıp başka bir nesneye ulaşabilir ve o nesnenin de aydınlanmasına katkıda bulunabilir. Bu tür olabilecek birçok olasılığı da hesaplayarak sahnelerdeki her bir nesnenin çevresindeki aydınlatma koşulları daha doğru bir şekilde simüle edilmesini sağlar.
Ray Tracing ile Path Tracing Arasındaki Farklar
Ray Tracing ve Path Tracing arasındaki temel fark, ışığın hesaplanma biçiminde yatar. Ray Tracing, ışık ışınlarını doğrudan hesaplar ve sadece belirli türdeki yansıma ve kırılmaları simüle ederken, Path Tracing rastgele olasılıkları da göz önün bulundurarak ışığın sahnedeki dolaylı etkilerini de hesaplar.
Ray Tracing için Gereken Donanımlar
Ray Tracing’in hemen hemen her kartta çalıştırılabileceğini biliyoruz. Fakat her ne kadar sözde çalışsa da gerekli donanımlar bulunmayan GPU’larda ne akıcı ne de doğru hesaplamalar içeren sonuçlara ulaşılmakta. Bunun için GPU’ların kendine özgü donanımlarıyla beraber Ray Tracing düzgün bir şekilde gerçekleştiriliyor.
Tensör Çekirdekleri (Tensor Cores)
NVIDIA’nın Ray Tracing’i destekleyen ekran kartlarında yer alan bir diğer önemli özellik, Tensor Cores adı verilen yapay zeka destekli çekirdeklerdir. Tensör çekirdekleri, yapay zeka ve derin öğrenme tabanlı hesaplamaları gerçekleştirmek için üretilmiştir. Ray Tracing’de bu çekirdekler, özellikle gürültü giderme (denoising) işlemleri için kullanılır .Tensör çekirdekleri, Ray Tracing’in hesaplama yoğunluğu nedeniyle oluşabilecek noise (gürültü) problemini çözmek için kullanılır. Yapay zeka algoritmaları, görüntüdeki gürültüyü azaltarak daha temiz ve gerçekçi sahneler oluşturulmasını sağlar.
AMD tarafında ise Ray Accelerators adı verilen yine benzer şekilde çalışan çekirdekler bulunmaktadır. Fakat AMD Ray Tracing tarafında NVIDIA’nın gerisinde kalmakta. NVIDIA GPU’lar çok daha kesin bir şekilde ışının izleyeceği yolu hesaplayabiliyor.
