비디오 게임 역사의 대부분은 더 나은 그래픽과 더 빠른 처리를 위한 끊임없는 노력의 연속이었습니다. 초기 비디오 게임은 실제와 같은 이미지를 렌더링할 수 있는 하드웨어 성능이 소비자 규모에 미치지 못했기 때문에 실제와 같은 사실감을 구현하기 위해 거의 노력하지 않았습니다. 하드웨어가 발전함에 따라 게임 개발자의 야망도 덩달아 커졌습니다. 한때 불가능하다고 여겨졌던 홈 게이밍은 이제 현실이 되었습니다.
영화 스튜디오에서 오랫동안 귀중한 도구로 사용되어 온 이 불가능을 가능케 하는 기술을 레이 트레이싱이라고 합니다. 여러분의 컴퓨터나 콘솔에 레이 트레이싱이 탑재되어 있을지도 모릅니다. 게임에 전례 없는 사실감을 더하는 이 마법 같은 기술은 무엇이며, 그리고 어떤 하이엔드 게이밍 폰에서 사용할 수 있을까요?
레이 트레이싱 요약
레이 트레이싱의 개념은 간단합니다. 빛의 광자는 직선으로 이동하면서 반사 및 굴절을 거쳐 눈에 도달하고 색상과 밝기를 볼 수 있습니다. 레이 트레이싱은 가상 환경에서 빛의 실제 동작을 모방합니다. 레이 트레이싱은 소비자 디바이스에서 실시간으로 구현할 수 있었던 것보다 더 사실적인 조명을 생성합니다. 이것이 간단하게 설명할 수 있는 레이 트레이싱 입니다. 하지만, 정확히 파악하려면 더 자세히 살펴봐야 합니다.
컴퓨터 그래픽 입문서
초기 그래픽은 벡터라고 불리는 선으로 만들어졌으며 소행성, 스타워즈, 템페스트와 같은 80년대 초 인기 아케이드 게임에서 사용되었습니다. 이 게임들은 특수 브라운관 화면에 그려진 2차원 도형으로 만들어졌습니다.
차세대 컴퓨터 게임은 벡터 그래픽을 직접 생성하지 않는 TV에 사용되는 것과 동일한 유형의 화면을 사용했습니다. 벡터 디스플레이는 전자 빔을 사용하여 두 좌표 사이에 선을 그립니다. 텔레비전 디스플레이는 래스터 스캔을 통해 전자 빔을 화면의 위에서 아래로 수평으로 스윕합니다. “래스터”는 전자 빔이 화면을 가로질러 “긁어 모으는” 방식 때문에 “갈퀴”를 뜻하는 라틴어인 라스트럼에서 유래했습니다.
래스터 화면에 벡터 이미지를 표시할 수도 있지만 사각형 배열(픽셀이라고 함)을 사용하는 것이 더 쉽습니다. 초기의 래스터/픽셀 기반 게임은 스프라이트라고 하는 픽셀 오브젝트로 구성된 단순한 2차원 세계에서 진행되었습니다(예: 삽질 기사 및 뱀파이어 서바이버). 게임 디자이너가 3차원을 탐구하기 시작하면서 그래픽 렌더링에 더 많은 연산 비용이 필요하게 되었습니다.
스프라이트 기반 게임은 그래픽 정보를 색상 값 배열로 저장합니다. 3D 게임은 80년대 초에 사용된 것과 동일한 벡터(현재는 2차원이 아닌 3차원)로 가상 오브젝트와 환경을 구축하고 알고리즘을 사용하여 카메라 위치에 따라 표시 방식을 결정합니다. 대부분의 컴퓨터와 텔레비전 디스플레이는 픽셀 그래픽을 기반으로 하기 때문에 게임 디자이너는 3차원 벡터 데이터를 가져와 화면에 표시할 수 있는 래스터 데이터로 변환하는 방법이 필요했습니다. 이 과정을 래스터화라고 합니다.
3D 장면을 래스터화하는 일반적인 방법은 카메라에 어떤 트라이앵글이 보이는지 식별하는 것입니다. 각 삼각형에는 위치 외에도 화면에 표시되는 방식과 빛과 상호 작용하는 방식을 결정하는 색상 및 텍스처에 대한 정보가 있습니다. 실제로는 이보다 더 많은 작업이 진행되지만 대부분의 게임에서는 이러한 방식으로 출력을 렌더링합니다.
트라이앵글 래스터화는 오브젝트를 두 번 렌더링하거나 씬을 여러 번 렌더링하는 등의 핵을 사용하지 않고는 그림자와 반사를 렌더링할 수 없습니다(이는 귀중한 연산 능력을 소비합니다). 동적인 환경에서 그림자와 반사를 정확하게 모델링하려면 빛의 동작과 빛이 세계와 상호 작용하는 방식을 모방하는 기술이 필요합니다.
레이 트레이싱의 장점은 무엇인가요?
레이 트레이싱은 3D 장면에서 조명과 컬러 데이터를 생성하기 위해 빛이 통과하는 경로를 모델링합니다. 개념은 단순하지만 구현은 복잡하고 오랜 시간이 걸렸습니다(레이 트레이싱에 관한 최초의 학술 논문은 1968년에 발표되었습니다). 문제는 단순한 전구가 초당 수십억 또는 수조 개의 광자를 생성하는 것이 아니라 200경 개 이상의 광자를 생성한다는 것입니다. 이러한 광자를 모델링하면 가장 정확한 이미지를 생성할 수 있지만, 실시간으로 그 숫자를 계산하는 것은 불가능합니다.
레이 트레이싱은 광선을 카메라에서 역방향으로 따라가 표시할 각 픽셀을 거쳐 광원까지 추적합니다. 따라서 인터랙티브한 경험이 가능한 수준까지 계산 횟수가 제한됩니다. 실시간 소비자 광선 추적은 여전히 계산 부담이 크기 때문에 사용 방법이 제한적입니다.
레이 트레이싱이 가장 널리 사용되는 용도는 전체 장면을 렌더링하는 것이 아닙니다(현재 어떤 비디오 게임도 그렇게 하지 않습니다). 레이 트레이싱은 기존 렌더링 기술과 함께 사실적인 빛, 그림자, 반사를 만드는 데 사용됩니다. 기본 광선 추적은 광선을 따라 오브젝트에 도달한 다음 광원을 따라갑니다. 광원으로 가는 경로가 막히면 오브젝트는 그림자에 가려집니다. 그렇지 않으면 거리와 각도에 따라 조명이 결정됩니다. 광선이 반사 또는 굴절되는 물체에 부딪히면 광선은 반사 표면에 렌더링되는 다른 물체를 만날 때까지 반사되거나 구부러집니다.
패스 트레이싱으로 알려진 레이 트레이싱의 확장된 버전은 장면에서 자연스러운 조명을 만드는 데 사용됩니다. 광선 추적은 한두 번의 바운스에 국한되는 경향이 있는 반면, 패스 트레이싱은 광선을 따라 여러 번의 반사를 거치며 그 과정에서 조명 데이터를 수집합니다. 이를 통해 게임플레이에서 간과하기 쉬운 간접광, 확산광, 전역 조명을 구현할 수 있으며, 이는 게임의 몰입감을 높여주는 사실감을 더해줍니다.
레이 트레이싱의 다음 단계는 무엇인가요?
레이 트레이싱은 비디오 게임에서 비교적 새로운 기술이기 때문에(20년 이상 영화에 사용되어 왔습니다) 성장의 여지가 있습니다. 암호화폐 열풍이 지나간 지금, 레이 트레이싱이 가능한 그래픽카드는 약 200달러부터 (보통 GTX 4시리즈 이상) 구입할 수 있습니다. 더 많은 사람들이 이 기술을 접하게 되면 레이 트레이싱을 활용한 게임도 더 많이 만들어질 것입니다. 개발자가 레이 트레이싱에 더 많은 시간을 투자할수록 레이 트레이싱을 최적화하는 방법을 더 많이 찾을 수 있습니다.
최근의 한 가지 최적화는 엔비디아 기반 하드웨어에서 실행되는 게임의 프레임 속도를 두 배 이상 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이를 딥 러닝 슈퍼 샘플링이라고 합니다. 딥 러닝 슈퍼 샘플링은 엔비디아의 AI 전문성을 활용하고 레이 트레이싱 전문성과 결합합니다. 거기에 더해 DLSS는 몇 가지 기능을 수행합니다.
- AI를 사용하여 저해상도 프레임 렌더링을 업스케일링합니다.
- 두 개의 프레임 렌더링을 살펴보고 AI를 사용하여 그 사이에 새 프레임을 생성합니다.
- AI를 사용하여 레이 트레이싱 데이터를 보강하여 더 세밀한 조명과 리플렉션을 추가합니다.
게임에서 실시간 레이 트레이싱을 체험하려면 엔비디아의 GeForce RTX 그래픽 카드 제품군이나 AMD Radeon RX 6000 이상의 하이엔드 GPU가 필요합니다. 가성비 좋은 제품을 찾는다면 인텔의 Arc 카드를 사용해 보세요. 엔비디아의 RTX 카드 라인은 PC 게이머들 사이에서 가장 인기 있지만, AMD는 플레이스테이션 5와 엑스박스 시리즈 X에서 레이 트레이싱 작업을 지원합니다. 또한 엔비디아 및 AMD 기반 게이밍 노트북을 찾을 수 있습니다.
이동 중에도 게임을 즐기고 레이 트레이싱을 지원하는 휴대폰을 원한다면 선택의 폭은 제한적이지만 사용 가능한 핸드폰이 있습니다. 안드로이드를 사용하는 경우 삼성의 갤럭시 S23 시리즈 휴대폰에서 레이 트레이싱을 찾을 수 있습니다. 애플 제품을 사용한다면 아이폰 15 시리즈에서 레이 트레이싱을 사용할 수 있습니다.
레이 트레이싱을 사용해보세요!
레이 트레이싱은 널리 알려지지 않은 기술이지만 오래 가지 않을 것입니다. 레이 트레이싱을 사용할 수 있는 기기가 너무 비싸다면 엔비디아의 GeForce Now 또는 Microsoft의 Xbox 클라우드 게임 서비스를 통해 레이 트레이싱을 체험해 보세요.
