Oyun grafikleri son on, hatta bilhassa son beş yıl içerisinde hayli önemli ilerlemeler kaydetti. Gerçekçi görsellere yetişmek maksadıyla donanımlar daima gelişmeye devam ediyor. Öte yandan teknoloji devleri daha yüksek kalite, performans ve tecrübe sunmak hedefiyle yazılım alanında her geçen gün üzerine koymaya devam ediyor. Artık tıpkı ray tracing (ışın izleme) üzere, gelecekte ismini sıkça duyacağımız, pek kıymetli bir teknolojiye bakacağız: path tracing.
NVIDIA, GDC 2022 ile birlikte sürece tekniklerini bir daha sonraki noktaya taşımak maksadıyla kimi adımlar attı. Yakın vakitte “en hakikat sürece yöntemi” olarak duyurulan bu teknoloji, ışın izleme ve grafikler kelam konusu olduğunda çıtayı yükseltecek üzere görünüyor.
sıradançe söylemek gerekirse path tracing (yol izleme), manzarayı çoğaltabilmek için tek bir piksel ile birlikte rastgele istikametlerde sıçramalar yaparak ışık yolunu simüle etmeye dayanan daha gelişmiş bir ışın izleme biçimi. Işınlar doğrusal bir biçimde izlenmek yerine, ışık kaynağından amaç objeye kadar birfazlaca sıçrama üzerinden izlenmekte.
Grafik Araştırmaları Lider Yardımcısı Aron Lefohn, RTX 3090 ve bu teknikle bir arada neler yapılabileceğini gösteren biroldukça görüntü klip yayınladı. Ormanda yürüyen bir kaplanı gösteren klipte, 3 milyar örneklenmiş üçgen olduğu bildirilen 30 sıçramalık bir metrikle yol izleme özelliği bulunuyor. Üstteki tweet dizisinden yayınlanan tüm görüntüleri bakılırsabilir, fikir sahibi olabilirsiniz.
aynı vakitte, Unreal Engine bir müddetdir path tracing dayanağına sahipti ve YouTube kullanıcısı BlackOudanArt tarafınca oluşturulan aşağıdaki görüntü, tıpkı GPU’nun neler yapabileceğini gözler önüne seriyor. Gölgelerin derinliğini ve yumuşaklığını, ahşap ve metal dokuların foto-gerçekçi tabiatını ve ışığın canlı imajını burada bakılırsabilirsiniz.
Path tracing gerçek vakitli ilerliyor, dinamik ışık ve gölge, yansımalar ve kırılmalarla dolu etkileşimli, fotogerçekçi 3B ortamların oluşturulması için kapıları aralıyor. Pekala “yol izleme” olarak Türkçeye çevirebileceğimiz path tracing tam olarak nedir?
ilk vakit içinderda, oyun ve donanım dünyasında karşımıza çıkan birtakım tabirleri tanıyalım ve gelişmiş grafikler oluşturmak için tüm bu teknolojilerin nasıl kullanıldığına bakalım.
Oyunlarda yahut çeşitli yazılımlarla üretilen görseller çoklukla 3d. Rasterizasyon (rasterleştirme) ile üretilen manzaralar yalnızca tek bir bakış açısına yönelik. Bu teknik zati en başından beri GPU’ların kalbinde yer aldı. Çağdaş NVIDIA GPU’lar saniyede 100 milyardan fazla rasterizasyona uğramış piksel üretebiliyor. Bu da rasterleştirmeyi oyun üzere gerçek vakitli grafikler için ülkü hale getiriyor.
Işın izleme (ray tracing) ise hayli daha kuvvetli, bizleri cezbeden görseller sunan büsbütün farklı bir teknik. Yani tek bir noktayla hudutlu değiliz ve biroldukça farklı noktadan, biroldukca farklı istikametten bakıldığında görülebilen gerçekçi nesneler/objeler üretilebiliyor. NVIDIA, Turing mimarisinden başlayarak bu kuvvetli iş yüklerinin üstesinden gelebilmek için RT çekirdekleri sunmaya başladı. Bugün tek bir GPU saniyede milyarlarca ışını işleyebiliyor. Öte yandan AMD, RDNA 2 mimarisi ve Radeon RX 6000 serisi ekran kartlarıyla birlikte ışın izleme dünyasına giriş yaptı. Intel tarafınca piyasaya sürülen Xe-HPG tabanlı Arc Alchemist ekran kartları bir daha NVIDIA’dakine emsal biçimde ışın izleme donanımları taşıyor.
Tüm bu ışınları izleyebilme imkanı, ışığın gerçek dünyada nasıl dağıldığını, rasterleştirme ile mümkün olandan fazlaca daha yanlışsız bir biçimde simüle etme imkanı tanıyor. Lakin bu ışığı nasıl simüle edeceğiz ve bu simülasyonu GPU’ya nasıl getireceğiz?
NVIDIA grafik araştırmaları lider yardımcısı David Luebke, 16. yüzyılda, Kuzey Avrupa Rönesansının en kıymetli isimlerinden biri olan Albrecht Dürer’in kıssasını anlatarak bir tanımlama yapıyor. Ünlü ressam, 3 boyutlu bir imgeyi 2 boyutlu bir yüzeyde çoğaltmak için ip ve tartılar kullanırdı. Dürer, klasik ve çağdaş matematiği sanatla bir ortaya getirmeyi, söz ve gerçekçilikte atılımlar gerçekleştirmeyi bir gaye haline getirdi.
Albrecht Dürer, 2B yüzeyler üzerinde 3B objelerin gerçek temsillerini oluşturmaya yönelik bir teknik olan, şu anda “ışın izleme” olarak bilinen şeyi birinci tanımlayan kişiydi.
Dürer, 1525’te Treatise on Measurement ile ışın izleme fikrini birinci tanımlayan kişi oldu. Dürer’in fikri nasıl tanımladığını görmek, konsepti anlamanın en kolay yoludur. Yalnızca ışığın etrafımızda gördüğümüz dünyayı nasıl aydınlattığını bir düşünün. Artık ışınları Dürer’in kullandığı üzere bir ip kesimiyle gözden geriye hakikat, ışığın etkileştiği objelere kadar takip ettiğinizi hayal edin. Işın izleme budur.
IBM’den Arthur Appel, Dürer’in vefatından 400 yıl daha sonra ışın izleme fikrinin bilgisayar grafiklerine nasıl getirilebileceğini, hesaplama süreçleri ve gölgelere uygulama yoluyla gösterdi. On yıl daha sonra Turner Whitted, bu fikrin yansımayı, gölgeleri ve kırılmayı nasıl yakalayabildiğini gösteren birinci kişi oldu ve görünüşte sıradan olan konseptin epeyce daha karmaşık bilgisayar grafiklerini nasıl mümkün kıldığını deklare etti. daha sonrasında ilerleme daha da hızlandı.
Turner Whitted’in 1979 tarihindeki “Gölgeli ekran için geliştirilmiş bir aydınlatma modeli” başlıklı makalesi, ışın izleme inovasyonunu süratli bir biçimde hayata geçirdi.
Film üretim şirketi Lucasfilm’den Robert Cook, Thomas Porter ve Loren Carpenter, 1984 yılında bilgisayar grafiklerinde erişilemeyen hareket bulanıklığı, alan derinliği, yarı gölgeler, yarı saydamlık ve bulanık yansımalar dahil olmak üzere biroldukca yaygın sinema üretim tekniğini nasıl birleştirebileceğini detaylı olarak anlattı.
Jim Kajiya’nın 1986 tarihindeki makalesi “The Rendering Equation”, ışığın bir sahnede nasıl hareket ettiğini açıklamak için sadece şık, fizik temelli bir denklemi özetlemekle kalmadı, bununla birlikte bunu uygulamak için tesirli sistemler için bir özet niteliğindeydi.
CalTech profesörü Jim Kajiya ise iki yıl daha sonrasında “The Rendering Equation” isminde yedi sayfalık bir makale yayınladı. Jim Kajiya, bilgisayar grafiklerini ışın izleme yoluyla fizikle birleştirdi ve ışığın bir sahne boyunca dağılma formunu gerçek bir biçimde temsil etmeyi mümkün kılan yol izleme algoritmasını tanıttı.
Path Tracing Nedir?
Path tracing tekniği geliştirilirken Jakiya’nın ayrıntıları beklenmedik bir ilham kaynağına döndü, radyasyonsal ısı transferi yahut ısının bir ortama nasıl yayıldığı üzerine çalışmalar yapıldı. Bu alandaki fikirler, ışığın havadan nasıl geçtiğini ve yüzeylerden saçıldığını açıklayan sürece denkleminin ortaya çıkmasına vesile oldu.
Tekniği oluşturmak için gereken denklem pek kısa, lakin çözülmesi o kadar kolay değil. Dijital ortamdaki sahneler hayli karmaşıktır. Oluşturma denklemini direkt çözmenin bir yolu yok, bu da Kajiya’nın ikinci kıymetli yeniliğine yol açtı.
Kajiya, denklemi çözmek için istatistiksel tekniklerin kullanılabileceğini gösterdi: direkt çözülmese bile, tek tek ışınların yolları boyunca çözmek mümkün. Işın yolunun uzunluğu sahnedeki aydınlatmayı gerçek bir biçimde yaklaştıracak kadar çözülürse, fotogerçekçi imgeler oluşturmak mümkün.
Peki bir ışın yolu boyunca sürece denklemi nasıl çözülür? Kajiya’nın uyguladığı istatistiksel teknikler Monte Carlo entegrasyonu olarak bilinir ve 1940’larda bilgisayarların birinci günlerine kadar uzanır. Path tracing için geliştirilmiş Monte Carlo algoritmaları geliştirmek, bugüne kadar açık bir araştırma sorunu olmaya devam ediyor; NVIDIA araştırmacıları, tertipli olarak path tracing’in verimliliğini artıran teknikler geliştirerek bu işe öncülük ediyor.
Jim Kajiya aslında grafik alanındaki izleme tekniklerinin ana çizgilerini çizdi ve fitili ateşledi. bu biçimdelikle bilgisayar tarafınca fotogerçekçi imajlar oluşturmak mümkün hale geldi. Bilgisayar grafikleri için öncü isimlerden olan mühendisin bu yaklaşımı, ışığın gerçek dünyada hareket etme biçimini ayrıntılandırırken işin fizik kısmını yansıtıyordu. Nihayetinde günden güne çeşitli farklı sürece teknikleri ortaya çıkmaya başladı ve günümüzde çarpıcı gerçekçilik düzeylerine sahip görsel efektler her alanda kullanılıyor.
Yol izleme yaklaşımı, 1987’de birinci sefer benimsendikten daha sonra başarılı bir teknik olarak görüldü, lakin gereğince pratik değildi. Kajiya’nın yepyeni makalesindeki imajlar sadece 256×256 pikseldi ve oluşturulması epey değerli bir bilgisayarda bile 7 saatten çok sürdü.
Moore Yasası’nda açıklandıği üzere, mikroişlemcilerdeki verimlilik ve transistör sayıları katlanarak artmaya devam ederken bilgi süreç gücü kestirim edilemeyecek düzeylere ulaştı. bu biçimdelikle grafik teknolojilerinin yanı sıra biroldukça alanda ilerlemeler kaydedildi.
1998 yılında yayınlanan A Bug’s Life’dan başlayarak, ışın izleme tekniği her geçen gün daha fazla sinemada kullanıldı. 2006 yılında gösterime giren Monster House ise iz bırakan sinemalar içinde yerini aldı. Monster House, Solid Angle SL (Autodesk tarafınca satın alındı) ve Sony Pictures Imageworks ile ortaklaşa geliştirilen Arnod yazılımı kullanılarak meydana getirildi.
Dünya çapında 140 milyon dolardan fazla hasılat elde eden sinema aslında bilgisayar animasyonlarının gelecekte neler sunabileceğini gösteren bir fragman üzereydi. Bilgi süreç gücü ve donanımlar geliştikçe her şey daha da hızlandı ve daha fazla sinema bu çeşit teknikleri kullanmaya başladı. Bu günlerde karşımıza çıkan birtakım klipleri kamera tarafınca çekilen imajlardan ayırt etmek sahiden güç.
Donanımlar gelişti gelişmesine, fakat hala birtakım sıkıntılar var. Tek bir imgeyi işlemek hala saatler alıyor. Hatta eksiksiz bir sinema yapmak, imajları işlemek için “render farms (işleme çiftlikleri)” ismi verilen geniş sunucu sistemleri inşa ediliyor ve bunlar aylarca daima çalışıyor.
Oyunlarda path tracing fikri kısa vakit öncesine kadar hayal bile edilemezdi. Birfazlaca oyun geliştiricisi, gereksinim duyduğu performansa sahip oldukları takdirde gerçek vakitli grafikler için “yol izleme” tekniğini kullanmak istediğini açıkça belirtmişti. Lakin geçmişte donanımlarla sunulan performans fazlaca yetersizdi ve bu fikir ulaşılamaz görünüyordu.
daha sonrasında GPU’lar gelişmeye devam etti ve artık ışın izleme takviyeli donanımlara ulaşmak o kadar da güç olmasa gerek. Tıpkı sinemalarda olduğu üzere, bu teknolojileri oyunlarda birinci vakit içinderda sonlu bir biçimde gördük. Lakin artık tanıklık ettiğiniz üzere ray tracing dayanaklı oyunların sayısı süratle artıyor. Ayrıyeten belli ışın izlemeli oyunlar, klâsik rasterizasyon tabanlı sürece tekniklerini kimi ışın izleme efektleriyle birleştiriyor.
Geliştiriciler isterlerse tekniklerin oyunlarında bir karışımını kullanabilirler. Oyun geliştiricileri, birincil ışınlar üzerinde rasterizasyon yapabilir ve akabinde sahnenin aydınlatılması için ışın yolunu izleyebilir.
Rasterizasyon, sıradan tabirle tek bir noktadan bir dizi ışığı yayma sürecidir. Işın izleme bunu daha da ileri gdolayır ve ışınları birfazlaca noktadan rastgele bir tarafa gönderebilir. Yol izleme (path tracing) ise ışın izlemeyi daha büyük ışık simülasyon sisteminin bir bileşeni olarak kullanan gerçek ışık fiziğini simüle eder. Bu, bir sahnedeki tüm ışıkların (Monte Carlo yahut öteki teknikler kullanılarak) odalara yahut ortamlara stokastik olarak örneklendiği manasına gelmekte.
Simüle etme sürecinde bir ışını tek bir sekmeden geriye hakikat izlemek yerine, ışınlar ışık kaynaklarına kadar, fazlacalu sekmeler üzerinden izleniyor. Birkaç oyun bunu aslına bakarsanız yapıyor ve sonuçlar çok etkileyici. Hatırlarsanız Microsoft, Minecraft’ta path tracing’i çalıştıran bir eklenti yayınlamıştı. Öte yandan Quake II yeni bir eklenti yardımıyla bu tekniği kullanabiliyor.
Doğrusu hala yapılacak epey şey var. Öte yandan tüketicilerin bu çeşit tecrübeleri yaşaması için yüksek bilgi süreç gücü sunabilen, kuvvetli donanımlara sahip olması gerekiyor. Oyun geliştiricileri ise teknoloji dünyasındaki gelişmişlik düzeyine göre daha kaliteli, bununla birlikte daha fazla güç gerektiren oyunlar tasarlıyor. Ek olarak, görsel hesaplama kelam konusu olduğunda en kuvvetli projelerin oyunlar olduğunu belirtelim.
Path tracing bir daha bir ışın izleme biçimi, lakin iki imaj oluşturma tekniğinin ortalarında kimi nüanslar var. Ray tracing (ışın izleme) izleme tekniği aslında ismiyle her şeyi açıklıyor. Bu bağlamda ışınlar simüle ediliyor ve köklerinden son noktasına kadar izleniyor.
Buna karşılık path tracing, başlangıç noktası ile gaye içinde rastgele istikametlerde ayrılmak üzere yayılan farklı ışınlar üretiyor. Yansıyan ışık, ışın izlemedeki üzere doğrusal biçimde değil, yüzeylere ulaştığında vereceği farklı yansılarla bir arada gerçekçi tasvirlerle sonuçlanıyor. Nihayetinde path tracing epey daha geniş kapsamlı ve gelişmiş bir teknik. Bu niçinle donanımsal olarak daha fazla kaynak gerektirdiğini not düşelim.
GPU’lar güçlenmeye devam ettikçe “path tracing” kullanması daha yaygın hale gelmeye başlayacak. Örneğin Arnold (Autodesk), V-Ray (Chaos Group) ve Renderman (Pixar) üzere araçların yanında kuvvetli ekran kartlarına sahip olan dizayncılar ve mimarlar, fotogerçekçi maketleri saniyeler ortasında oluşturmak için ışın izleme tekniklerini kullanıyor.
Ekran kartları artık her zamankinden daha fazla bilgi süreç gücü sunduğundan, ışın izlemenin akabinde path tracing için bir daha sonraki adım olacak. “Ada Lovelace” mimarisini temel alan RTX 40 serisi ekran kartlarının performans açısından sıçrama yapmasını bekliyoruz. bir daha benzeri atılımlar yüksek ihtimalle RDNA 3 mimarisi ve Radeon RX 7000 serisiyle bir arada AMD tarafında yaşanacak.
2018 yılında NVIDIA oyun geliştiricileri için sinema kalitesinde sürece sağlayan ışın izleme teknolojisini duyurdu. RTX teknolojisi, Ampere ve Turing mimarilerinde donanımsal olarak bir ışın izleme motoruyla birlikte çeşitli arabirimler aracılığıyla ışın izleme takviyesi sunuyor. Yeşil ekip ayrıyeten yeni DirectX Raytracing (DXR) API’si aracılığıyla tam RTX takviyesi sağlamak için Microsoft ile iştirak kurdu.
GPU devi birinci günden beri RTX teknolojisini geliştirmeye devam etti. RTX 30 serisiyle bir arada RT çekirdekleri ikinci jenerasyona geçiş yaptı ve gerçek vakitli ışın izlemeyi destekleyen oyunlar yayılmaya devam ediyor. birebir vakitte, RTX 40 “Ada” kartlarla bir arada sadece CUDA değil, RT ve Tensor çekirdeklerinde gelişmeler bekliyoruz.
AMD ise RDNA 2 mimarisiyle birlikte ekran kartlarına Işın Hızlandırıcılar (Ray Accelerator-RA) entegre etmeye başladı. Kırmızı kadronun kartları bu hususta biraz daha zayıf, lakin yeni RDNA 3 mimarisi ile bir daha ışın izleme alanında önemli geliştirmeler yapmaları kaide.
Harici GPU pazarına birinci adımını bu yıl atan Intel, Xe-HPG mimarisiyle birlikte birinci jenerasyondan itibaren ışın izleme takviyesi sunuyor. bir daha birebir biçimde, Arc ekran kartlarında entegre olarak ışın izleme çekirdekleri yer alacak. Şirket bununla birlikte yazılım tarafında değerli çalışmalar yapıyor.
Sonuç olarak ray tracing, path tracing ve öbür görüntüleme teknikleri önümüzdeki senelerda sanayi tarafınca daha fazla benimsenecek. Oyunlar, sanal gerçeklik ve hatta iş hedefli kullanım alanları fark etmeksin, hayal edemeyeceğimiz sinematik görseller yakında bizimle olabilir.
NVIDIA, GDC 2022 ile birlikte sürece tekniklerini bir daha sonraki noktaya taşımak maksadıyla kimi adımlar attı. Yakın vakitte “en hakikat sürece yöntemi” olarak duyurulan bu teknoloji, ışın izleme ve grafikler kelam konusu olduğunda çıtayı yükseltecek üzere görünüyor.
sıradançe söylemek gerekirse path tracing (yol izleme), manzarayı çoğaltabilmek için tek bir piksel ile birlikte rastgele istikametlerde sıçramalar yaparak ışık yolunu simüle etmeye dayanan daha gelişmiş bir ışın izleme biçimi. Işınlar doğrusal bir biçimde izlenmek yerine, ışık kaynağından amaç objeye kadar birfazlaca sıçrama üzerinden izlenmekte.
Grafik Araştırmaları Lider Yardımcısı Aron Lefohn, RTX 3090 ve bu teknikle bir arada neler yapılabileceğini gösteren biroldukça görüntü klip yayınladı. Ormanda yürüyen bir kaplanı gösteren klipte, 3 milyar örneklenmiş üçgen olduğu bildirilen 30 sıçramalık bir metrikle yol izleme özelliği bulunuyor. Üstteki tweet dizisinden yayınlanan tüm görüntüleri bakılırsabilir, fikir sahibi olabilirsiniz.
aynı vakitte, Unreal Engine bir müddetdir path tracing dayanağına sahipti ve YouTube kullanıcısı BlackOudanArt tarafınca oluşturulan aşağıdaki görüntü, tıpkı GPU’nun neler yapabileceğini gözler önüne seriyor. Gölgelerin derinliğini ve yumuşaklığını, ahşap ve metal dokuların foto-gerçekçi tabiatını ve ışığın canlı imajını burada bakılırsabilirsiniz.
Path tracing gerçek vakitli ilerliyor, dinamik ışık ve gölge, yansımalar ve kırılmalarla dolu etkileşimli, fotogerçekçi 3B ortamların oluşturulması için kapıları aralıyor. Pekala “yol izleme” olarak Türkçeye çevirebileceğimiz path tracing tam olarak nedir?
ilk vakit içinderda, oyun ve donanım dünyasında karşımıza çıkan birtakım tabirleri tanıyalım ve gelişmiş grafikler oluşturmak için tüm bu teknolojilerin nasıl kullanıldığına bakalım.
Oyunlarda yahut çeşitli yazılımlarla üretilen görseller çoklukla 3d. Rasterizasyon (rasterleştirme) ile üretilen manzaralar yalnızca tek bir bakış açısına yönelik. Bu teknik zati en başından beri GPU’ların kalbinde yer aldı. Çağdaş NVIDIA GPU’lar saniyede 100 milyardan fazla rasterizasyona uğramış piksel üretebiliyor. Bu da rasterleştirmeyi oyun üzere gerçek vakitli grafikler için ülkü hale getiriyor.
Işın izleme (ray tracing) ise hayli daha kuvvetli, bizleri cezbeden görseller sunan büsbütün farklı bir teknik. Yani tek bir noktayla hudutlu değiliz ve biroldukça farklı noktadan, biroldukca farklı istikametten bakıldığında görülebilen gerçekçi nesneler/objeler üretilebiliyor. NVIDIA, Turing mimarisinden başlayarak bu kuvvetli iş yüklerinin üstesinden gelebilmek için RT çekirdekleri sunmaya başladı. Bugün tek bir GPU saniyede milyarlarca ışını işleyebiliyor. Öte yandan AMD, RDNA 2 mimarisi ve Radeon RX 6000 serisi ekran kartlarıyla birlikte ışın izleme dünyasına giriş yaptı. Intel tarafınca piyasaya sürülen Xe-HPG tabanlı Arc Alchemist ekran kartları bir daha NVIDIA’dakine emsal biçimde ışın izleme donanımları taşıyor.
Tüm bu ışınları izleyebilme imkanı, ışığın gerçek dünyada nasıl dağıldığını, rasterleştirme ile mümkün olandan fazlaca daha yanlışsız bir biçimde simüle etme imkanı tanıyor. Lakin bu ışığı nasıl simüle edeceğiz ve bu simülasyonu GPU’ya nasıl getireceğiz?
NVIDIA grafik araştırmaları lider yardımcısı David Luebke, 16. yüzyılda, Kuzey Avrupa Rönesansının en kıymetli isimlerinden biri olan Albrecht Dürer’in kıssasını anlatarak bir tanımlama yapıyor. Ünlü ressam, 3 boyutlu bir imgeyi 2 boyutlu bir yüzeyde çoğaltmak için ip ve tartılar kullanırdı. Dürer, klasik ve çağdaş matematiği sanatla bir ortaya getirmeyi, söz ve gerçekçilikte atılımlar gerçekleştirmeyi bir gaye haline getirdi.
Albrecht Dürer, 2B yüzeyler üzerinde 3B objelerin gerçek temsillerini oluşturmaya yönelik bir teknik olan, şu anda “ışın izleme” olarak bilinen şeyi birinci tanımlayan kişiydi.
Dürer, 1525’te Treatise on Measurement ile ışın izleme fikrini birinci tanımlayan kişi oldu. Dürer’in fikri nasıl tanımladığını görmek, konsepti anlamanın en kolay yoludur. Yalnızca ışığın etrafımızda gördüğümüz dünyayı nasıl aydınlattığını bir düşünün. Artık ışınları Dürer’in kullandığı üzere bir ip kesimiyle gözden geriye hakikat, ışığın etkileştiği objelere kadar takip ettiğinizi hayal edin. Işın izleme budur.
IBM’den Arthur Appel, Dürer’in vefatından 400 yıl daha sonra ışın izleme fikrinin bilgisayar grafiklerine nasıl getirilebileceğini, hesaplama süreçleri ve gölgelere uygulama yoluyla gösterdi. On yıl daha sonra Turner Whitted, bu fikrin yansımayı, gölgeleri ve kırılmayı nasıl yakalayabildiğini gösteren birinci kişi oldu ve görünüşte sıradan olan konseptin epeyce daha karmaşık bilgisayar grafiklerini nasıl mümkün kıldığını deklare etti. daha sonrasında ilerleme daha da hızlandı.
Turner Whitted’in 1979 tarihindeki “Gölgeli ekran için geliştirilmiş bir aydınlatma modeli” başlıklı makalesi, ışın izleme inovasyonunu süratli bir biçimde hayata geçirdi.
Film üretim şirketi Lucasfilm’den Robert Cook, Thomas Porter ve Loren Carpenter, 1984 yılında bilgisayar grafiklerinde erişilemeyen hareket bulanıklığı, alan derinliği, yarı gölgeler, yarı saydamlık ve bulanık yansımalar dahil olmak üzere biroldukca yaygın sinema üretim tekniğini nasıl birleştirebileceğini detaylı olarak anlattı.
Jim Kajiya’nın 1986 tarihindeki makalesi “The Rendering Equation”, ışığın bir sahnede nasıl hareket ettiğini açıklamak için sadece şık, fizik temelli bir denklemi özetlemekle kalmadı, bununla birlikte bunu uygulamak için tesirli sistemler için bir özet niteliğindeydi.
CalTech profesörü Jim Kajiya ise iki yıl daha sonrasında “The Rendering Equation” isminde yedi sayfalık bir makale yayınladı. Jim Kajiya, bilgisayar grafiklerini ışın izleme yoluyla fizikle birleştirdi ve ışığın bir sahne boyunca dağılma formunu gerçek bir biçimde temsil etmeyi mümkün kılan yol izleme algoritmasını tanıttı.
Path Tracing Nedir?
Path tracing tekniği geliştirilirken Jakiya’nın ayrıntıları beklenmedik bir ilham kaynağına döndü, radyasyonsal ısı transferi yahut ısının bir ortama nasıl yayıldığı üzerine çalışmalar yapıldı. Bu alandaki fikirler, ışığın havadan nasıl geçtiğini ve yüzeylerden saçıldığını açıklayan sürece denkleminin ortaya çıkmasına vesile oldu.
Tekniği oluşturmak için gereken denklem pek kısa, lakin çözülmesi o kadar kolay değil. Dijital ortamdaki sahneler hayli karmaşıktır. Oluşturma denklemini direkt çözmenin bir yolu yok, bu da Kajiya’nın ikinci kıymetli yeniliğine yol açtı.
Kajiya, denklemi çözmek için istatistiksel tekniklerin kullanılabileceğini gösterdi: direkt çözülmese bile, tek tek ışınların yolları boyunca çözmek mümkün. Işın yolunun uzunluğu sahnedeki aydınlatmayı gerçek bir biçimde yaklaştıracak kadar çözülürse, fotogerçekçi imgeler oluşturmak mümkün.
Peki bir ışın yolu boyunca sürece denklemi nasıl çözülür? Kajiya’nın uyguladığı istatistiksel teknikler Monte Carlo entegrasyonu olarak bilinir ve 1940’larda bilgisayarların birinci günlerine kadar uzanır. Path tracing için geliştirilmiş Monte Carlo algoritmaları geliştirmek, bugüne kadar açık bir araştırma sorunu olmaya devam ediyor; NVIDIA araştırmacıları, tertipli olarak path tracing’in verimliliğini artıran teknikler geliştirerek bu işe öncülük ediyor.
Jim Kajiya aslında grafik alanındaki izleme tekniklerinin ana çizgilerini çizdi ve fitili ateşledi. bu biçimdelikle bilgisayar tarafınca fotogerçekçi imajlar oluşturmak mümkün hale geldi. Bilgisayar grafikleri için öncü isimlerden olan mühendisin bu yaklaşımı, ışığın gerçek dünyada hareket etme biçimini ayrıntılandırırken işin fizik kısmını yansıtıyordu. Nihayetinde günden güne çeşitli farklı sürece teknikleri ortaya çıkmaya başladı ve günümüzde çarpıcı gerçekçilik düzeylerine sahip görsel efektler her alanda kullanılıyor.
Yol izleme yaklaşımı, 1987’de birinci sefer benimsendikten daha sonra başarılı bir teknik olarak görüldü, lakin gereğince pratik değildi. Kajiya’nın yepyeni makalesindeki imajlar sadece 256×256 pikseldi ve oluşturulması epey değerli bir bilgisayarda bile 7 saatten çok sürdü.
Moore Yasası’nda açıklandıği üzere, mikroişlemcilerdeki verimlilik ve transistör sayıları katlanarak artmaya devam ederken bilgi süreç gücü kestirim edilemeyecek düzeylere ulaştı. bu biçimdelikle grafik teknolojilerinin yanı sıra biroldukça alanda ilerlemeler kaydedildi.
1998 yılında yayınlanan A Bug’s Life’dan başlayarak, ışın izleme tekniği her geçen gün daha fazla sinemada kullanıldı. 2006 yılında gösterime giren Monster House ise iz bırakan sinemalar içinde yerini aldı. Monster House, Solid Angle SL (Autodesk tarafınca satın alındı) ve Sony Pictures Imageworks ile ortaklaşa geliştirilen Arnod yazılımı kullanılarak meydana getirildi.
Dünya çapında 140 milyon dolardan fazla hasılat elde eden sinema aslında bilgisayar animasyonlarının gelecekte neler sunabileceğini gösteren bir fragman üzereydi. Bilgi süreç gücü ve donanımlar geliştikçe her şey daha da hızlandı ve daha fazla sinema bu çeşit teknikleri kullanmaya başladı. Bu günlerde karşımıza çıkan birtakım klipleri kamera tarafınca çekilen imajlardan ayırt etmek sahiden güç.
Donanımlar gelişti gelişmesine, fakat hala birtakım sıkıntılar var. Tek bir imgeyi işlemek hala saatler alıyor. Hatta eksiksiz bir sinema yapmak, imajları işlemek için “render farms (işleme çiftlikleri)” ismi verilen geniş sunucu sistemleri inşa ediliyor ve bunlar aylarca daima çalışıyor.
Oyunlarda path tracing fikri kısa vakit öncesine kadar hayal bile edilemezdi. Birfazlaca oyun geliştiricisi, gereksinim duyduğu performansa sahip oldukları takdirde gerçek vakitli grafikler için “yol izleme” tekniğini kullanmak istediğini açıkça belirtmişti. Lakin geçmişte donanımlarla sunulan performans fazlaca yetersizdi ve bu fikir ulaşılamaz görünüyordu.
daha sonrasında GPU’lar gelişmeye devam etti ve artık ışın izleme takviyeli donanımlara ulaşmak o kadar da güç olmasa gerek. Tıpkı sinemalarda olduğu üzere, bu teknolojileri oyunlarda birinci vakit içinderda sonlu bir biçimde gördük. Lakin artık tanıklık ettiğiniz üzere ray tracing dayanaklı oyunların sayısı süratle artıyor. Ayrıyeten belli ışın izlemeli oyunlar, klâsik rasterizasyon tabanlı sürece tekniklerini kimi ışın izleme efektleriyle birleştiriyor.
Geliştiriciler isterlerse tekniklerin oyunlarında bir karışımını kullanabilirler. Oyun geliştiricileri, birincil ışınlar üzerinde rasterizasyon yapabilir ve akabinde sahnenin aydınlatılması için ışın yolunu izleyebilir.
Rasterizasyon, sıradan tabirle tek bir noktadan bir dizi ışığı yayma sürecidir. Işın izleme bunu daha da ileri gdolayır ve ışınları birfazlaca noktadan rastgele bir tarafa gönderebilir. Yol izleme (path tracing) ise ışın izlemeyi daha büyük ışık simülasyon sisteminin bir bileşeni olarak kullanan gerçek ışık fiziğini simüle eder. Bu, bir sahnedeki tüm ışıkların (Monte Carlo yahut öteki teknikler kullanılarak) odalara yahut ortamlara stokastik olarak örneklendiği manasına gelmekte.
Simüle etme sürecinde bir ışını tek bir sekmeden geriye hakikat izlemek yerine, ışınlar ışık kaynaklarına kadar, fazlacalu sekmeler üzerinden izleniyor. Birkaç oyun bunu aslına bakarsanız yapıyor ve sonuçlar çok etkileyici. Hatırlarsanız Microsoft, Minecraft’ta path tracing’i çalıştıran bir eklenti yayınlamıştı. Öte yandan Quake II yeni bir eklenti yardımıyla bu tekniği kullanabiliyor.
Doğrusu hala yapılacak epey şey var. Öte yandan tüketicilerin bu çeşit tecrübeleri yaşaması için yüksek bilgi süreç gücü sunabilen, kuvvetli donanımlara sahip olması gerekiyor. Oyun geliştiricileri ise teknoloji dünyasındaki gelişmişlik düzeyine göre daha kaliteli, bununla birlikte daha fazla güç gerektiren oyunlar tasarlıyor. Ek olarak, görsel hesaplama kelam konusu olduğunda en kuvvetli projelerin oyunlar olduğunu belirtelim.
Path tracing bir daha bir ışın izleme biçimi, lakin iki imaj oluşturma tekniğinin ortalarında kimi nüanslar var. Ray tracing (ışın izleme) izleme tekniği aslında ismiyle her şeyi açıklıyor. Bu bağlamda ışınlar simüle ediliyor ve köklerinden son noktasına kadar izleniyor.
Buna karşılık path tracing, başlangıç noktası ile gaye içinde rastgele istikametlerde ayrılmak üzere yayılan farklı ışınlar üretiyor. Yansıyan ışık, ışın izlemedeki üzere doğrusal biçimde değil, yüzeylere ulaştığında vereceği farklı yansılarla bir arada gerçekçi tasvirlerle sonuçlanıyor. Nihayetinde path tracing epey daha geniş kapsamlı ve gelişmiş bir teknik. Bu niçinle donanımsal olarak daha fazla kaynak gerektirdiğini not düşelim.
GPU’lar güçlenmeye devam ettikçe “path tracing” kullanması daha yaygın hale gelmeye başlayacak. Örneğin Arnold (Autodesk), V-Ray (Chaos Group) ve Renderman (Pixar) üzere araçların yanında kuvvetli ekran kartlarına sahip olan dizayncılar ve mimarlar, fotogerçekçi maketleri saniyeler ortasında oluşturmak için ışın izleme tekniklerini kullanıyor.
Ekran kartları artık her zamankinden daha fazla bilgi süreç gücü sunduğundan, ışın izlemenin akabinde path tracing için bir daha sonraki adım olacak. “Ada Lovelace” mimarisini temel alan RTX 40 serisi ekran kartlarının performans açısından sıçrama yapmasını bekliyoruz. bir daha benzeri atılımlar yüksek ihtimalle RDNA 3 mimarisi ve Radeon RX 7000 serisiyle bir arada AMD tarafında yaşanacak.
2018 yılında NVIDIA oyun geliştiricileri için sinema kalitesinde sürece sağlayan ışın izleme teknolojisini duyurdu. RTX teknolojisi, Ampere ve Turing mimarilerinde donanımsal olarak bir ışın izleme motoruyla birlikte çeşitli arabirimler aracılığıyla ışın izleme takviyesi sunuyor. Yeşil ekip ayrıyeten yeni DirectX Raytracing (DXR) API’si aracılığıyla tam RTX takviyesi sağlamak için Microsoft ile iştirak kurdu.
GPU devi birinci günden beri RTX teknolojisini geliştirmeye devam etti. RTX 30 serisiyle bir arada RT çekirdekleri ikinci jenerasyona geçiş yaptı ve gerçek vakitli ışın izlemeyi destekleyen oyunlar yayılmaya devam ediyor. birebir vakitte, RTX 40 “Ada” kartlarla bir arada sadece CUDA değil, RT ve Tensor çekirdeklerinde gelişmeler bekliyoruz.
AMD ise RDNA 2 mimarisiyle birlikte ekran kartlarına Işın Hızlandırıcılar (Ray Accelerator-RA) entegre etmeye başladı. Kırmızı kadronun kartları bu hususta biraz daha zayıf, lakin yeni RDNA 3 mimarisi ile bir daha ışın izleme alanında önemli geliştirmeler yapmaları kaide.
Harici GPU pazarına birinci adımını bu yıl atan Intel, Xe-HPG mimarisiyle birlikte birinci jenerasyondan itibaren ışın izleme takviyesi sunuyor. bir daha birebir biçimde, Arc ekran kartlarında entegre olarak ışın izleme çekirdekleri yer alacak. Şirket bununla birlikte yazılım tarafında değerli çalışmalar yapıyor.
Sonuç olarak ray tracing, path tracing ve öbür görüntüleme teknikleri önümüzdeki senelerda sanayi tarafınca daha fazla benimsenecek. Oyunlar, sanal gerçeklik ve hatta iş hedefli kullanım alanları fark etmeksin, hayal edemeyeceğimiz sinematik görseller yakında bizimle olabilir.