"태초에 빛이 있으라" 최신 조명 효과 레이 트레이싱의 모든 것

레이 트레이싱(ray tracing)은 영화 업계에서는 오래 전부터 사용되었지만 특히 게임에서는 아직 이해하기 다소 어려운 용어다. 레이 트레이싱은 빛의 움직임을 현실적으로 만드는 기법으로 게임에 현실감과 몰입을 부여한다. 빛이 물체에 자연스럽게 반사되는 모습에 매혹되지 않을 수 있을까? 현실과 환상의 경계가 모호해지면 언제나 감탄사가 나오기 마련이다.

레이트레이싱, 그리고 게임과 컴퓨터 시스템에 미치는 영향을 어려운 기술 용어를 빼고 이해해보자.
 

가령 그래픽 설정을 최대로 높인 PC 게임을 한다고 치자. 사물과 질감이 밀도 있게 표현되는 사이버펑크 2077 같은 오픈 월드 게임의 한 장면을 상상해 보자. 적을 피해 숨어든 골목길에서 한숨 돌리는 순간, 핑크 빛 도는 네온 사인 불빛이 물에 젖은 길바닥에 반사된다. 그것이 바로 레이 트레이싱이다. 그래픽 카드가 렌더링한 초현실적인 효과가 더욱 역동적인 주변 환경을 만들어낸다. 그림자가 태양에 따라 움직이고 사물이 더욱 부드럽게 보인다는 뜻이다. 좀 더 깊이 살펴보자. 

레이 트레이싱은 광선을 추적하는 알고리즘으로 작동한다. 빛이 물체나 표면에 닿을 때 해당 물체나 표면, 또는 다른 광선의 표면과 상호 작용하는 방식이 알고리즘으로 계산된다. 이때 사람의 눈이 빛과 그림자를 실시간으로 처리하는 방식을 모방하므로 매우 실감나게 보인다.

레이 트레이싱은 인상적인 결과를 만들어내지만 GPU에 상당한 부담을 준다. 모든 광선을 추적하려면 막대한 전력과 비용이 소모된다. 따라서 대다수 게임은 레이 트레이싱 대신 전통적인 래스터화(rasterization) 방식을 사용한다. 래스터화는 속도가 훨씬 빠르고 자원 소비량은 적다. 레이 트레이싱을 지원하는 게임조차 시각효과는 대부분 래스터화에 의존하고 최첨단 조명 효과를 몇 개의 핵심 특징에만 활용한다.
 

래스터화 기법

래스터화(rasterization)는 비디오 게임 대부분의 전통적인 렌더링 방식이다. 간단히 말하면 GPU가 3D 장면을 조립하는 프로세스다. GPU는 조각가, 다각형은 점토에 비유할 수 있다. 장면이 설정되면 다각형이 2D 픽셀로 변형된 후 음영, 조명, 색상, 질감 등으로 다듬어진다. 래스터화 기법은 조명 효과가 부정확하다는 한계가 있다. 레이 트레이싱처럼 빛을 추적하여 빛이 가상 물체에 어떻게 도달해야 하는지 계산하지 못한다. 이를 보완하기 위해 개발사는 조명과 그 관련 효과를 ‘가장’하는 데 많은 노력을 들이는 수밖에 없다.

이 지점에서 레이 트레이싱 기능이 활약한다. 단, 레이 트레이싱 기능이 조금만 실행되어도 프레임 속도가 여전히 급락한다. 그래픽 카드의 하중을 줄여 성능을 다시 개선하는 이미지 업샘플링 신기술이 레이 트레이싱의 등장과 연관이 깊은 이유다.
 

DLSS와 FSR의 차이

DLSS는 엔비디아의 딥러닝 수퍼 샘플링(Deep Learning Super Sampling) 기법의 머리글자이다. 이 기술은 게임을 저해상도에서 렌더링한 후 해당 프레임을 사용자가 선택한 해상도로 업스케일한다. 이때 빈 곳을 채우기 위해 인공지능과 여러 프레임의 시간 데이터를 활용한다. 게임 성능을 희생하지 않고 화질을 최대한 선명하게 만든다. 이 과정에서 레이 트레이싱의 작동 속도를 높인다. 레이 트레이싱은 GPU에 부담을 많이 주기 때문에 대부분의 게임은 적정 속도인 초당 60프레임 이하로 떨어진다. DLSS는 GPU의 부담을 일부 더는 방식으로 레이 트레이싱의 성능 향상을 돕는다.

FSR은 피델리티에프엑스 수퍼 레졸루션(FidelityFX Super Resolution)의 약자이며 AMD의 업스케일링 솔루션이다. 엔비디아의 DLSS와 비슷한 FSR은 게임의 해상도를 낮춘 뒤 공간 업스케일 기법을 활용해 게임을 사용자가 선택한 전체 해상도로 보여준다. 즉, 게임이 실제보다 높은 해상도에서 실행되는 것처럼 보인다. 그러나 FSR은 DLSS과 약간의 차이가 있다. 

먼저, 엔비디아의 지포스 카드를 비롯한 여러 세대의 GPU에서도 작동한다는 것이 장점이다. 소스 코드가 무료라는 매우 근사한 장점도 있다. FSR의 공간 업스케일은 성능 옵션을 올릴 수록 DLSS보다 시각적 품질이 눈에 띄게 높아진다. 그러나 특히 픽셀로 꽉 찬 1,440p 또는 4K 디스플레이에서 설정을 고급이나 최고급로 미리 설정해 두면 FSR과 DLSS 모두 잘 작동한다.
 

백문이 불 여일견

레이 트레이싱의 본격적인 활약상은 동영상에서 확인할 수 있다. PCWorld가 레이 트레이싱을 실행한 상태로 마인크래프트(Minecraft)를 즐기는 모습이다. 영상 품질에서 큰 차이를 확인할 수 있다. 수면은 마치 유리처럼 빛이 반사되고 통나무집은 실감나는 그림자를 땅에 드리운다. PCWorld 게임 전문 기자 아담 패트릭 머레이가 물 속에서 하늘을 올려다보는 44분 28초 장면은 물 속에 환한 한낮의 태양빛이 그대로 비쳐 눈을 찡그릴 정도다. 이처럼 몰입감을 제공하는 멋진 기술이지만 당연히 대가가 따른다.

레이 트레이싱은 시스템의 처리 능력을 더 많이 요구하기 때문에 성능에 막대한 영향을 미친다. 프레임 속도가 눈에 띄게 급락하는 점은 실망스럽다. 최고 성능의 GPU도 마찬가지다. 레이 트레이싱을 지원하는 게임이 많지도 않다. 지원하더라도 반사된 상이나 그림자 같은 몇몇 효과에만 한정되고 위의 마인크래프트 동영상에서처럼 전체 경로가 추적되지 않는다. 그러나 미적인 감각을 중시하고 적절한 그래픽 카드가 있는 사람이라면 레이 트레이싱을 경험해 보아야 한다. 조건이 받쳐준다면 환상적인 시각 효과를 감상할 수 있다.
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