Ray Tracing คืออะไร? ฉบับเข้าใจง่าย ใน 10 นาที

Ray Tracing คืออะไร

Ray Tracing คือเทคนิคในคอมพิวเตอร์กราฟิกที่ใช้ในการจำลองแสงและเงา เพื่อสร้างภาพที่สมจริง โดยการติดตามเส้นทางของแสง (หรือ “รังสี”) ตั้งแต่แหล่งกำเนิดแสงไปยังวัตถุในฉาก และสะท้อนหรือหักเหไปจนถึงกล้องหรือผู้สังเกต เทคนิคนี้สามารถจำลองปรากฏการณ์ทางแสง เช่น การสะท้อน (Reflection) การหักเห (Refraction) และการกระเจิงของแสง (Scattering) ได้อย่างแม่นยำ ทำให้ภาพที่สร้างด้วย Ray Tracing มีความสมจริงกว่าการใช้วิธีเรนเดอร์ทั่วไป เช่น Rasterization

ก่อนจะมาเป็น Ray Tracing 

ยุคเริ่มต้น (1960s-1980s)

แนวคิดของ Ray Tracing เริ่มต้นจากการศึกษาด้านแสงและการสร้างภาพในปี 1968 โดย Arthur Appel ผู้ริเริ่มแนวคิด Ray Casting เพื่อคำนวณการชนกันของรังสีกับวัตถุในฉาก แนวคิดนี้ถือเป็นรากฐานที่นำไปสู่การพัฒนา Ray Tracing ในยุคต่อมา

ในยุค 1980s James Kajiya ได้นำเสนอ The Rendering Equation ซึ่งเป็นการรวมปรากฏการณ์แสงต่างๆ เช่น การสะท้อน (Reflection) การหักเห (Refraction) และการกระเจิง (Scattering) เข้าไว้ในกรอบคณิตศาสตร์เดียว ทำให้ Ray Tracing กลายเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสำหรับการจำลองแสงที่สมจริง แต่ในยุคนั้น การคำนวณยังคงใช้เวลานานและมีข้อจำกัดด้านพลังการประมวลผลของฮาร์ดแวร์

ยุคคอมพิวเตอร์กราฟิก (1990s-2000s)

ในช่วงปี 1990s Ray Tracing เริ่มถูกนำไปใช้ในงานด้านแอนิเมชันและภาพยนตร์เพื่อสร้างภาพที่มีความสมจริงสูง ตัวอย่างที่สำคัญได้แก่:

• Toy Story (1995) ภาพยนตร์แอนิเมชันเรื่องแรกที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์กราฟิกทั้งหมด โดยใช้เทคนิคการเรนเดอร์แบบ Ray Tracing ในบางส่วน
• The Matrix (1999) มีการใช้ Ray Tracing ในฉากที่ต้องการแสงและเงาที่ซับซ้อน

อย่างไรก็ตาม การคำนวณในยุคนี้ยังคงเป็นปัญหาใหญ่ ต้องใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์หรือฟาร์มเรนเดอร์ที่ใช้เวลาหลายชั่วโมงหรือหลายวันต่อเฟรม การคำนวณการสะท้อน การหักเห และการกระเจิงยังมีความซับซ้อนเกินกว่าที่ฮาร์ดแวร์ทั่วไปจะรองรับได้

ยุคที่มีการ์ดจอ  (2010s-ปัจจุบัน)

ความก้าวหน้าของฮาร์ดแวร์ในยุค 2010s โดยเฉพาะการพัฒนาของ GPU (Graphics Processing Unit) ได้ทำให้ Ray Tracing ก้าวไปสู่การใช้งานแบบเรียลไทม์

• ปี 2018 บริษัท NVIDIA ได้เปิดตัว RTX GPUs ซึ่งเป็น GPU ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับรองรับ Ray Tracing โดยใช้เทคโนโลยีใหม่ที่ชื่อว่า RT Cores เพื่อเร่งความเร็วในการคำนวณ
• API สนับสนุน Ray Tracing เช่น Microsoft DirectX Raytracing (DXR) และ Vulkan API ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อช่วยนักพัฒนาซอฟต์แวร์ในการสร้างกราฟิกที่มีแสงเงาสมจริง

การใช้งาน Ray Tracing ในปัจจุบันได้แพร่หลายไปยัง:

• เกม เช่น Cyberpunk 2077 และ Minecraft (เวอร์ชัน RTX)
• งานแอนิเมชัน และ ภาพยนตร์ ที่ต้องการภาพสมจริงสูง
• สถาปัตยกรรม และ การออกแบบผลิตภัณฑ์ ที่ใช้เพื่อแสดงภาพจำลองที่ใกล้เคียงความเป็นจริง

Ray Tracing ได้พัฒนาจากแนวคิดการคำนวณแสงพื้นฐานในยุค 1960s ไปสู่เทคนิคที่สามารถสร้างภาพสมจริงในเกมและภาพยนตร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในปัจจุบัน ความก้าวหน้าของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ได้ทำให้ Ray Tracing กลายเป็นมาตรฐานสำคัญในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์กราฟิกและการสร้างภาพเสมือนจริง

หลักการทำงานของ Ray Tracing

Ray Tracing เป็นเทคนิคที่ใช้ในการจำลองการทำงานของแสงเพื่อสร้างภาพที่สมจริงผ่านการคำนวณแสงและเงาอย่างละเอียด โดยมีหลักการทำงานดังนี้:

1. การยิงรังสี (Ray Casting)

ระบบจะเริ่มต้นโดยการ ยิงรังสี (Eye Rays) ออกจากกล้อง (Camera) ผ่านพิกเซลบนหน้าจอเพื่อค้นหาวัตถุที่รังสีชนในฉาก

• รังสีแต่ละเส้นถูกคำนวณเส้นทางและตำแหน่งที่ชนกับวัตถุ
• กระบวนการนี้เป็นการหาจุดตัดระหว่างรังสีกับวัตถุในฉากเพื่อกำหนดว่าสิ่งใดควรถูกแสดงในแต่ละพิกเซล

ตัวอย่าง: หากรังสีชนกับพื้นผิวสีแดง ระบบจะรับรู้ว่าพิกเซลนั้นควรแสดงสีแดง

2. การคำนวณการสะท้อนและหักเห

หลังจากที่รังสีชนกับวัตถุในฉาก ระบบจะคำนวณพฤติกรรมของแสงเมื่อชนกับพื้นผิว ได้แก่:

• การสะท้อน (Reflection Rays): รังสีจะสะท้อนออกจากพื้นผิวตามมุมที่เกิดการชน โดยใช้กฎการสะท้อน (Angle of Incidence = Angle of Reflection) เพื่อคำนวณเส้นทางของรังสี
• การหักเห (Refraction Rays): หากพื้นผิวเป็นวัสดุโปร่งแสง เช่น แก้วหรือน้ำ รังสีจะเปลี่ยนทิศทางเมื่อเข้าสู่พื้นผิวตามกฎการหักเหของแสง (Snell’s Law)

กระบวนการนี้ช่วยสร้างเอฟเฟกต์แสงสะท้อนและการมองทะลุผ่านวัตถุ เช่น การสะท้อนบนกระจกและการหักเหผ่านแก้วน้ำ

3. การคำนวณแสงและเงา

เพื่อให้ได้ภาพที่สมจริง ระบบจะคำนวณแสงและเงาผ่านการส่ง Shadow Rays จากจุดชนของรังสีไปยังแหล่งกำเนิดแสง

• หาก Shadow Rays พบว่ามีวัตถุขวางระหว่างจุดชนและแหล่งกำเนิดแสง จุดนั้นจะเป็นเงา
• หากไม่มีสิ่งขวาง จุดนั้นจะได้รับแสงโดยตรง

ตัวอย่าง: การคำนวณเงาบนพื้นหรือเงาที่ตกบนกำแพงหลังแหล่งกำเนิดแสง

4. การสะท้อนแสงแบบกระจาย (Global Illumination)

Global Illumination (GI) เป็นการคำนวณแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวหนึ่งไปยังอีกพื้นผิวหนึ่ง ทำให้แสงกระจายไปทั่วฉากอย่างสมจริง

• GI จำลองปรากฏการณ์ที่แสงไม่ได้มาจากแหล่งกำเนิดโดยตรง แต่เกิดจากการสะท้อนแสงหลายครั้งระหว่างวัตถุในฉาก
• ตัวอย่างเช่น แสงที่ส่องผ่านหน้าต่างเข้าสู่ห้อง จะกระจายตัวไปตามกำแพง พื้น และเพดาน ทำให้ห้องดูสว่างขึ้นแม้จะไม่มีแสงส่องตรงถึงทุกพื้นที่

5. การคำนวณสีและพื้นผิว

ข้อมูลจากกระบวนการสะท้อน หักเห และการชนกับพื้นผิวถูกนำมาประมวลผลเพื่อกำหนด สีสุดท้ายของพิกเซล

• การคำนวณนี้จะพิจารณาคุณสมบัติของพื้นผิว เช่น สี ความเงา ความโปร่งแสง และพื้นผิวแบบลวดลาย (Texture Mapping)
• หากพื้นผิวมีคุณสมบัติพิเศษ เช่น ความขรุขระหรือความโปร่งแสง สีที่ได้จะสะท้อนคุณสมบัติเหล่านี้

ตัวอย่าง: การคำนวณสีที่สะท้อนจากกระเบื้องเงามันและเงาบนพื้นไม้ที่มีลวดลายชัดเจน

Ray Tracing ใช้การคำนวณที่ซับซ้อนเพื่อจำลองพฤติกรรมของแสงในโลกจริง โดยเริ่มจากการยิงรังสีไปยังฉากเพื่อค้นหาวัตถุที่ชน และนำผลลัพธ์จากการสะท้อน หักเห แสง และเงามาคำนวณสีสุดท้ายของภาพ กระบวนการนี้ทำให้ภาพที่สร้างด้วย Ray Tracing มีความสมจริงทั้งในด้านแสง เงา และพื้นผิวของวัตถุ

อุปกรณ์ที่รองรับ Ray Tracing

Ray Tracing เป็นเทคโนโลยีที่ต้องการฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่รองรับเพื่อให้สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งในงานสร้างภาพกราฟิก เกม และการพัฒนาแอปพลิเคชัน โดยแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ดังนี้:

1. GPU ที่รองรับโดยตรง

การเรนเดอร์ Ray Tracing ต้องการ GPU ที่มีความสามารถเฉพาะสำหรับการประมวลผลนี้ GPU ที่รองรับโดยตรงมีดังนี้:

• NVIDIA RTX Series
  GPU รุ่นที่ออกแบบมาเพื่อ Ray Tracing โดยเฉพาะ ด้วย RT Cores ที่ช่วยเร่งการคำนวณ เช่น:
  • RTX 20 Series (เช่น RTX 2060, 2070, 2080)
  • RTX 30 Series (เช่น RTX 3060, 3070, 3080, 3090)
  • RTX 40 Series (เช่น RTX 4060, 4070, 4080, 4090)
• AMD Radeon RX 6000 Series ขึ้นไป
  GPU รุ่นใหม่จาก AMD ที่รองรับ Ray Tracing โดยใช้ RDNA 2 และ RDNA 3 architecture:
  • RX 6000 Series (เช่น RX 6700 XT, RX 6800, RX 6900 XT)
  • RX 7000 Series (เช่น RX 7600, RX 7900 XT, RX 7900 XTX)

2. คอนโซลเกม

คอนโซลเกมยุคใหม่มีฮาร์ดแวร์ที่รองรับ Ray Tracing โดยตรง ทำให้สามารถสร้างภาพกราฟิกที่สมจริงในเกม:

• PlayStation 5 (PS5)
  รองรับ Ray Tracing โดยใช้ GPU RDNA 2 จาก AMD
• Xbox Series X|S
  • Xbox Series X รองรับ Ray Tracing ด้วย GPU RDNA 2 และมีความสามารถสูงในการเรนเดอร์ภาพแบบเรียลไทม์
  • Xbox Series S รองรับ Ray Tracing ในระดับความละเอียดต่ำกว่า แต่ยังคงแสดงผลที่สมจริง

3. API และซอฟต์แวร์ที่รองรับ

API และซอฟต์แวร์ที่ช่วยนักพัฒนาในการใช้งานและพัฒนา Ray Tracing ได้แก่:

• DirectX 12 Ultimate
  รองรับ DirectX Raytracing (DXR) ที่ช่วยให้การประมวลผล Ray Tracing เป็นมาตรฐานสำหรับระบบ Windows
• Vulkan Ray Tracing Extensions
  ชุดคำสั่งเพิ่มเติมสำหรับ Vulkan API ที่รองรับ Ray Tracing บนแพลตฟอร์มต่างๆ รวมถึง Linux และ Android

4. แพลตฟอร์มสำหรับการพัฒนา

สำหรับนักพัฒนาเกมและกราฟิก 3D มีแพลตฟอร์มที่สนับสนุน Ray Tracing ดังนี้:

• Unreal Engine 5
  Engine สำหรับการพัฒนาเกมและกราฟิกที่รองรับ Ray Tracing และ Lumen สำหรับแสงแบบไดนามิก
• Unity 2021.2 ขึ้นไป
  Unity Engine รุ่นใหม่ที่รองรับ Ray Tracing พร้อมฟีเจอร์สำหรับการสร้างแสงเงาที่สมจริงในฉาก 3D

ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่รองรับ Ray Tracing ได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้การสร้างภาพที่สมจริงเป็นไปได้ทั้งในเกมและงานกราฟิกอื่นๆ ตั้งแต่ GPU สมัยใหม่อย่าง NVIDIA RTX และ AMD Radeon RX ไปจนถึงแพลตฟอร์มพัฒนาเกมยอดนิยม เช่น Unreal Engine และ Unity ทำให้ Ray Tracing กลายเป็นเทคโนโลยีที่เข้าถึงได้สำหรับอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท

Ray Tracing เปิดดีไหม

เทคโนโลยี Ray Tracing ได้กลายเป็นหนึ่งในมาตรฐานสำคัญสำหรับการสร้างภาพที่สมจริงในอุตสาหกรรมเกมและภาพยนตร์ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับเทคโนโลยีอื่นๆ ก็มีทั้งข้อดีและข้อเสียที่ควรพิจารณาอย่างรอบคอบ

Ray Tracing ข้อดี

1. ความสมจริงสูง

Ray Tracing สามารถจำลองแสงเงาและการสะท้อนที่ใกล้เคียงกับความเป็นจริงได้มากที่สุด

• การสะท้อน: เงาและภาพสะท้อนจากพื้นผิว เช่น กระจก น้ำ หรือโลหะดูสมจริง
• การกระเจิงแสง: Ray Tracing จำลองการกระเจิงแสงในห้องหรือการหักเหผ่านวัตถุโปร่งแสง เช่น แก้วน้ำ ทำให้ได้ภาพที่สมจริงมากขึ้น
• เงาที่นุ่มนวล: แสงและเงามีการเปลี่ยนแปลงตามตำแหน่งแหล่งกำเนิดแสงในแบบธรรมชาติ

2. รองรับการเรนเดอร์แบบเรียลไทม์

ด้วยการพัฒนาฮาร์ดแวร์อย่าง RTX GPUs และ API ที่ทันสมัย เช่น DirectX Raytracing (DXR) และ Vulkan Ray Tracing ทำให้ Ray Tracing สามารถใช้งานแบบเรียลไทม์ในเกมและแอปพลิเคชัน

• เกมที่ใช้ Ray Tracing แบบเรียลไทม์ เช่น Cyberpunk 2077, Control และ Minecraft RTX
• การปรับแสงเงาในฉากแบบไดนามิก (Dynamic Lighting) ได้ทันที

3. ประสิทธิภาพในงานภาพยนตร์และแอนิเมชัน

Ray Tracing ช่วยลดเวลาและขั้นตอนในการปรับแต่งแสงเงาในงานโปรดักชัน เช่น:

• การจำลองแสงและเงาในฉากที่ซับซ้อนได้โดยอัตโนมัติ
• ภาพยนตร์ที่ต้องการความสมจริงสูง เช่น Avatar, The Lion King (2019) และ Toy Story 4 ใช้ Ray Tracing เพื่อให้ได้ภาพที่มีคุณภาพสูงสุด

Ray Tracing ข้อเสีย

1. ความต้องการทรัพยากรสูง

Ray Tracing ต้องการพลังประมวลผลที่มากกว่าวิธีการเรนเดอร์แบบเดิม:

• ต้องใช้ฮาร์ดแวร์ประสิทธิภาพสูง เช่น NVIDIA RTX Series หรือ AMD Radeon RX Series
• การอัปเกรด GPU หรือฮาร์ดแวร์ที่รองรับอาจมีต้นทุนสูงสำหรับผู้ใช้งานทั่วไป

2. ความซับซ้อนในการพัฒนา

นักพัฒนาซอฟต์แวร์และเกมต้องปรับโครงสร้างของโปรแกรมเพื่อรองรับ Ray Tracing:

• ต้องปรับแต่งโค้ดเพื่อใช้ API อย่าง DirectX Raytracing (DXR) หรือ Vulkan Ray Tracing Extensions
• อาจต้องออกแบบการจัดการแสงในเกมใหม่ทั้งหมดเพื่อให้เหมาะสมกับ Ray Tracing ซึ่งเพิ่มเวลาและค่าใช้จ่ายในการพัฒนา

3. เฟรมเรตที่ลดลง

การเรนเดอร์ Ray Tracing แบบเรียลไทม์อาจทำให้เฟรมเรตต่ำลงในกรณีที่ฮาร์ดแวร์ไม่ทรงพลังพอ:

• ในเกมที่มีกราฟิกซับซ้อน การเปิดใช้งาน Ray Tracing มักทำให้ประสิทธิภาพลดลง
• ผู้ใช้อาจต้องลดความละเอียดหรือลดรายละเอียดของกราฟิกเพื่อรักษาเฟรมเรตให้อยู่ในระดับที่เล่นได้อย่างราบรื่น

Ray Tracing เป็นเทคโนโลยีที่ทรงพลังสำหรับการสร้างภาพสมจริง โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเกมและภาพยนตร์ ความสามารถในการเรนเดอร์แสงเงาอย่างแม่นยำช่วยยกระดับคุณภาพของภาพได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม ข้อเสีย เช่น การใช้ทรัพยากรสูง ความซับซ้อนในการพัฒนา และเฟรมเรตที่ลดลง เป็นข้อจำกัดที่ต้องพิจารณาเพื่อหาสมดุลระหว่างคุณภาพของภาพและประสิทธิภาพ

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Ray Tracing