Path Tracing nedir ve Ray Tracing ile farkı nedir?

Oyun grafikleri, özellikle son beş yıl içinde ciddi ilerlemeler kaydetmiştir. Donanımların sürekli olarak gelişmesiyle birlikte, teknoloji devleri yazılım alanında daha yüksek kalite, performans ve deneyim sunma hedefiyle çaba sarf etmektedir. Bu gelişmeler arasında, ray tracing (ışın izleme) gibi görsel kaliteyi artıran teknolojilere ek olarak, gelecekte sıkça duyacağımız bir diğer önemli yenilik de Path Tracing'dir.NVIDIA, GDC 2022 etkinliği kapsamında görüntü oluşturma tekniklerini bir sonraki seviyeye taşımak amacıyla önemli adımlar atmıştır. "En doğru işleme yöntemi" olarak tanıtılan bu teknoloji, ışın izleme ve grafikler konusunda çıtayı yükseltmeye aday görünmektedir. Bu yeni teknoloji, oyun dünyasında daha gerçekçi ve etkileyici görsellerin kapılarını aralamaya yönelik heyecan verici bir adımdır.Path tracing (yol izleme), görüntü oluşturmak için tek bir pikselin yanı sıra rastgele yönlerde sıçramalar yaparak ışığın izlediği yolu simüle eden daha gelişmiş bir ışın izleme biçimidir. Bu teknik, ışınların doğrusal bir şekilde izlenmek yerine, ışık kaynağından hedef nesneye kadar birçok sıçrama üzerinden izlendiği bir yöntemdir.Grafik Araştırmaları Başkan Yardımcısı Aron Lefohn, RTX 3090 ve bu teknikle yapılan çalışmaları gösteren bir dizi video klip yayınladı. Bu videolardan birinde, 3 milyar örneklenmiş üçgen ve 30 sıçramalık bir metrikle path tracing özelliğine sahip ormanda yürüyen bir kaplan görülebilmektedir. Videoya gitmek için tıklayınız.Ayrıca, Unreal Engine'in bir süredir path tracing desteğine sahip olduğunu ve içerik oluşturucuların bu özellikten nasıl faydalandığını gösteren videoların da bulunduğunu belirtmek önemlidir. BlackOudanArt adlı YouTube kullanıcısı tarafından oluşturulan bir video, aynı GPU'nun neler başarabileceğini göstererek, gölgelerin derinliği, yumuşaklığı, ahşap ve metal dokuların foto-gerçekçi doğasını ve ışığın canlı görüntüsünü sergilemektedir.Path tracing, dinamik ışık ve gölge, yansımalar ve kırılmalar gibi unsurları içeren, etkileşimli ve fotogerçekçi 3D ortamların oluşturulmasında önemli bir rol oynayan bir grafik renderleme tekniğidir. "Yol izleme" olarak adlandırılan bu yöntem, piksellerin rastgele yönlerde ışınlarla sıçramalar yaparak ışığın izlediği yolu simüle etmesini içerir. Bu sayede gerçek zamanlı olarak detaylı ve etkileyici görseller elde edilebilir. Path tracing, özellikle ışık ve gölge efektleri, yansımalar ve kırılmalar gibi optik olayların gerçekçi bir şekilde modellenmesiyle bilinir, bu da fotogerçekçi 3D ortamların oluşturulmasına olanak tanır.Rasterizasyon ve Işın İzleme Arasındaki Fark Nedir?Öncelikle, oyun ve donanım dünyasında karşımıza çıkan bazı terimleri anlayarak, gelişmiş grafikler oluşturmak için bu teknolojilerin nasıl kullanıldığına bir göz atalım.Görseller genellikle oyunlar veya çeşitli yazılımlar tarafından üretilen üç boyutlu içeriklerdir. Bu içerikler, genellikle rasterizasyon (rasterleştirme) adı verilen bir teknik kullanılarak oluşturulur ve sadece tek bir bakış açısına yönlendirilir. Bu teknik, GPU'ların kalbinde yer alarak, modern NVIDIA GPU'ları tarafından saniyede 100 milyardan fazla rasterizasyon işlemi gerçekleştirebilmektedir. Bu durum, rasterleştirmeyi özellikle oyun gibi gerçek zamanlı grafik uygulamaları için ideal hale getirir.Işın izleme (ray tracing), güçlü ve etkileyici görseller sunan tamamen farklı bir tekniktir. Bu teknik, tek bir noktayla sınırlı değildir ve birçok farklı noktadan, birçok farklı yönden bakıldığında görülebilen gerçekçi nesneler ve objeler üretebilme yeteneğine sahiptir. NVIDIA, Turing mimarisinden başlayarak bu zorlu iş yüklerini aşabilmek için RT çekirdekleri sunmaya başlamıştır. Günümüzde tek bir GPU, saniyede milyarlarca ışını işleyebilme kapasitesine sahiptir. AMD, RDNA 2 mimarisi ve Radeon RX 6000 serisi ekran kartlarıyla ışın izleme teknolojisine adım atmıştır. Aynı şekilde, Intel'in Xe-HPG tabanlı Arc Alchemist ekran kartları, ışın izleme donanımlarıyla donatılmıştır, bu da NVIDIA'nın teknolojisiyle benzer bir yetenek sunar.Işın izleme, ışığın gerçek dünyada nasıl dağıldığını rasterizasyon tekniğinden daha doğru bir şekilde simüle etme olanağı tanır. Ancak, bu ışığı nasıl simüle edeceğimiz ve bu simülasyonu GPU'ya nasıl taşıyacağımız sorularıyla karşılaşırız.Ray Tracing (Işın İzleme) Nedir?NVIDIA Grafik Araştırmaları Başkan Yardımcısı David Luebke, 16. yüzyılın Kuzey Avrupa Rönesansının önemli isimlerinden biri olan Albrecht Dürer'in hikayesini anlatarak ilginç bir tanımlama yapmaktadır. Ünlü ressam, 3 boyutlu bir görüntüyü 2 boyutlu bir yüzeyde çoğaltmak için ip ve ağırlıklar kullanmıştır. Dürer, klasik ve çağdaş matematiği sanatla birleştirme amacı güderek, ifade ve gerçekçilikte önemli atılımlar yapmayı hedeflemiştir.Albrecht Dürer, 1525 yılında "Treatise on Measurement" adlı eseri ile ışın izleme kavramını ilk tanımlayan kişi olmuştur. Dürer'in bu fikri nasıl tanımladığını görmek, ışın izleme konseptini anlamanın en basit yollarından biridir. Düşünün ki ışık, etrafımızdaki dünyayı nasıl aydınlattığınızı. Şimdi, ışınları Dürer'in kullandığı gibi bir ip parçasıyla gözden geriye doğru takip ettiğinizi hayal edin, bu ışın izleme olarak adlandırılır.Bilgisayar Grafikleri ile Işın İzlemeIBM'den Arthur Appel, Albrecht Dürer'in ölümünden 400 yıl sonra, ışın izleme fikrini bilgisayar grafiklerine nasıl taşıyabileceğini, hesaplama işlemleri ve gölgelere uygulama yöntemleriyle gösterdi. On yıl sonra Turner Whitted, bu konseptin yansımaları, gölgeleri ve kırılmayı nasıl yakalayabileceğini gösteren ilk kişi oldu. Görünüşte basit olan bu fikir, çok daha karmaşık bilgisayar grafiklerini mümkün kıldığını açıkladı ve ilerlemenin daha da hızlandığını gösterdi.Film yapım şirketi Lucasfilm'den Robert Cook, Thomas Porter ve Loren Carpenter, 1984 yılında bilgisayar grafiklerinde ulaşılamayan hareket bulanıklığı, alan derinliği, yarı gölgeler, yarı saydamlık ve bulanık yansımalar dahil olmak üzere birçok yaygın film yapım tekniğini nasıl birleştirebileceklerini detaylı bir şekilde anlattı.CalTech profesörü Jim Kajiya ise iki yıl sonra, 1986'da "The Rendering Equation" adında yedi sayfalık bir makale yayınladı. Jim Kajiya, bilgisayar grafiklerini ışın izleme yoluyla fizikle birleştirerek, ışığın bir sahne boyunca nasıl dağıldığını doğru bir şekilde temsil etmeyi mümkün kılan path tracing algoritmasını tanıttı.Path Tracing DoğuyorPath tracing tekniği geliştirilirken, Jim Kajiya'nın bilgileri beklenmedik bir ilham kaynağı haline geldi ve ışınımsal ısı transferi veya ısının bir ortama nasıl yayıldığı üzerine çalışmalar yapıldı. Bu çalışmalar, ışığın havadan nasıl geçtiğini ve yüzeylerden nasıl saçıldığını açıklayan işleme denkleminin ortaya çıkmasına vesile oldu.Bu denklem, oluşturulması oldukça kısa olmasına rağmen, dijital ortamdaki karmaşık sahnelerde doğrudan çözülmesi zor bir görevdi. Bu durum, Kajiya'nın ikinci önemli yeniliğine yol açtı. Kajiya, denklemi doğrudan çözmek yerine istatistiksel teknikleri kullanabileceğini gösterdi. Her ne kadar doğrudan çözülemese de, tek tek ışınların yolları boyunca çözme yöntemiyle fotogerçekçi görüntüler oluşturmak mümkün oldu. Işın yolunun boyu, sahnedeki aydınlatmayı doğru bir şekilde yaklaştıracak kadar çözülürse, gerçekçi görüntüler elde edilebilir.Peki, bir ışın yolunun boyunca işleme denklemi nasıl çözülür? Kajiya'nın uyguladığı istatistiksel teknikler, Monte Carlo entegrasyonu olarak bilinir ve 1940'lara kadar uzanır. Path tracing için geliştirilmiş Monte Carlo algoritmaları, verimliliği artırmak amacıyla düzenli olarak geliştirilmektedir. Jim Kajiya'nın grafik alanındaki izleme tekniklerini çizmesi, bilgisayar tarafından fotogerçekçi görüntülerin oluşturulmasını mümkün kılmış ve günümüzde çeşitli işleme teknikleriyle çarpıcı gerçekçilik seviyelerine ulaşılmıştır.Path Tracing ve Film SektörüYol izleme yaklaşımı, 1987'de ilk kez benimsendiğinde başarılı bir teknik olarak görüldü, ancak o zamanlar yeterince pratik değildi. Jim Kajiya'nın orijinal makalesindeki görüntüler sadece 256×256 piksel boyutundaydı ve o dönemde dahi oluşturulması çok pahalı bir bilgisayarda 7 saatten fazla sürebiliyordu.Mikroişlemcilerdeki verimlilik ve transistör sayılarındaki artış, Moore Yasası çerçevesinde hızla devam etti, bu da bilgi işlem gücünün tahmin edilemez seviyelere ulaşmasına olanak tanıdı. Bu gelişmeler, grafik teknolojileri başta olmak üzere birçok alanda önemli ilerlemelere yol açtı.1998'de yayınlanan "A Bug’s Life" filminden itibaren, ışın izleme tekniği giderek daha fazla filmde kullanılmaya başlandı. 2006'da gösterime giren "Monster House", Solid Angle SL (Autodesk tarafından satın alındı) ve Sony Pictures Imageworks ile ortaklaşa geliştirilen Arnold yazılımı kullanılarak hazırlandı.Dünya çapında 140 milyon dolardan fazla hasılat elde eden "Monster House", bilgisayar animasyonlarının gelecekte neler sunabileceğini gösteren bir fragman gibiydi. Bilgi işlem gücü ve donanımlar geliştikçe, film endüstrisi bu tür teknikleri daha yaygın bir şekilde benimsemeye başladı. Ancak, günümüzde bile tek bir görüntüyü işlemek saatler alabiliyor ve eksiksiz bir film yapmak için geniş sunucu sistemlerini içeren render çiftlikleri inşa ediliyor ve aylarca sürekli çalışıyorlar.Oyunlarda Path TracingOyunlarda path tracing kullanımı, kısa bir süre öncesine kadar hayal bile edilemezdi. Birçok oyun geliştiricisi, gerçek zamanlı grafikler için "yol izleme" tekniğini kullanmayı arzuluyordu, ancak geçmişte donanımların sunabildiği performans çok yetersizdi ve bu fikir ulaşılamaz görünüyordu.Daha sonra GPU'lar gelişmeye devam etti ve artık ışın izleme destekli donanımlara ulaşmak çok daha erişilebilir hale geldi. Filmlerde olduğu gibi, bu teknolojileri oyunlarda ilk olarak sınırlı bir şekilde görmeye başladık. Ancak, ray tracing destekli oyunların sayısı hızla artıyor, hatta belirli oyunlar geleneksel rasterizasyon tabanlı işleme teknikleriyle birleştirilmiş ışın izleme efektlerini sunuyor.Geliştiriciler, istedikleri takdirde bu teknikleri oyunlarında bir karışım olarak kullanabilirler. Oyun geliştiricileri, birincil ışınlar üzerinde rasterizasyon yapabilir ve ardından sahnenin aydınlatılması için ışığın yolunu izleyebilir.Rasterizasyon, temelde tek bir noktadan bir dizi ışığı yayma işlemidir. Işın izleme ise bu konsepti ileri götürerek ışınları birçok noktadan herhangi bir yöne gönderebilir. Yol izleme (path tracing), ışın izlemeyi daha büyük bir ışık simülasyon sisteminin bir parçası olarak kullanarak gerçek ışık fiziğini simüle eder. Bu, bir sahnedeki tüm ışıkların (Monte Carlo veya diğer teknikler kullanılarak) odalara veya ortamlara stokastik olarak örneklendiği anlamına gelir.Simülasyon sürecinde, bir ışını tek bir sekmeye geriye doğru izlemek yerine, ışınlar ışık kaynaklarına kadar çoklu sekmeler üzerinden izlenir. Bazı oyunlar zaten bu tekniği kullanıyor ve elde edilen sonuçlar oldukça etkileyici. Örneğin, Microsoft Minecraft için path tracing'i çalıştıran bir eklenti yayınlamıştı. Aynı şekilde, Quake II yeni bir eklenti ile bu tekniği kullanabiliyor.Ancak, hala yapılacak çok iş var. Tüketicilerin bu tür deneyimlere ulaşabilmesi için yüksek bilgi işlem gücüne sahip, güçlü donanımlara ihtiyaçları var. Oyun geliştiricileri de teknolojinin sunduğu gelişmişliğe paralel olarak daha kaliteli ve aynı zamanda daha fazla güç gerektiren oyunlar tasarlıyor. Ayrıca, görsel hesaplama söz konusu olduğunda, oyunların en zorlu projelerden biri olduğunu belirtmek önemlidir.Path Tracing ve Ray Tracing FarkıPath tracing, temelde bir ışın izleme biçimi olup, ray tracing (ışın izleme) ile benzerlik gösterse de, aralarında bazı nüanslar bulunmaktadır. Ray tracing tekniği, adından da anlaşılacağı gibi, ışınları simüle eder ve bu ışınları kökten başlayarak son noktasına kadar izler.Öte yandan, path tracing, başlangıç noktası ile hedef arasında rastgele yönlere doğru yayılan farklı ışınları üretir. Yansıyan ışık, ışın izlemedeki gibi doğrusal bir izleme değil, yüzeylere ulaştığında farklı tepkiler vererek gerçekçi tasvirler ortaya çıkarır. Sonuç olarak, path tracing daha geniş kapsamlı ve gelişmiş bir tekniktir, bu nedenle donanımsal olarak daha fazla kaynağa ihtiyaç duyar.Gelecekte Bizi Neler Bekliyor?GPU'lar güçlenmeye devam ettiğinde, "path tracing" kullanımının daha yaygın hale geleceği öngörülmektedir. Arnold (Autodesk), V-Ray (Chaos Group) ve Renderman (Pixar) gibi araçların yanı sıra güçlü ekran kartlarına sahip tasarımcılar ve mimarlar, ışın izleme tekniklerini kullanarak fotogerçekçi modelleri saniyeler içinde oluşturabilmektedirler.Ekran kartları artık daha fazla bilgi işlem gücü sunuyor, bu da ışın izleme tekniklerinin path tracing gibi daha karmaşık adımlar için kullanılmasını kolaylaştırıyor. NVIDIA'nın RTX 40 serisi ekran kartları ve AMD'nin RDNA 3 mimarisi ve Radeon RX 7000 serisi gibi yeni nesil ürünleriyle birlikte, daha gelişmiş ışın izleme teknolojileri ve performans artışları beklenmektedir.NVIDIA, ışın izleme teknolojisini 2018'de duyurmuş ve RTX teknolojisi ile birlikte donanımsal ışın izleme motorları ve DXR API'si üzerinden ışın izleme desteği sunmaya başlamıştır. AMD, RDNA 2 mimarisiyle birlikte ışın hızlandırıcıları entegre etmeye başlamış ve RDNA 3 mimarisi ile daha fazla ışın izleme geliştirmesi yapması bekleniyor. Intel ise Xe-HPG mimarisiyle birlikte ışın izleme desteği sunarak pazardaki yerini almıştır.Ray tracing, path tracing ve diğer gelişmiş görüntüleme tekniklerinin, oyunlar, sanal gerçeklik ve iş amaçlı kullanım alanlarında daha fazla benimsenmesi beklenmektedir. Bu teknolojilerin ilerlemesiyle sinematik görsellerin daha yaygın hale gelmesi muhtemeldir.