Синтез реалистичного изображения трёхмерной сцены за доли секунды — одна из центральных задач компьютерной графики. Исторически эта задача решалась методом растеризации: геометрия сцены проецируется на плоскость экрана, а видимость и освещение вычисляются приближённо, без точного моделирования распространения света [1, с. 23]. Альтернативный подход — трассировка лучей, при которой для каждого пикселя моделируется путь света от камеры до источников освещения через отражения и преломления [2]. Долгое время трассировка лучей считалась слишком ресурсоёмкой для интерактивных приложений, однако появление аппаратного ускорения изменило это соотношение. Целью статьи является сравнение принципов работы обоих методов, их сильных и слабых сторон, а также анализ современных гибридных решений.

Принцип работы растеризации

Растеризация преобразует трёхмерные примитивы (треугольники) в набор пикселей экрана [3, с. 67]. Каждый треугольник проецируется через матрицы вида и проекции, после чего для каждого покрытого пикселя вычисляется цвет с использованием информации о материале, нормалях и источниках света. Видимость объектов определяется буфером глубины (z-buffer), который хранит расстояние до ближайшей поверхности для каждого пикселя [4].

Главное преимущество растеризации — производительность: алгоритм линейно зависит от числа примитивов и пикселей, а не от сложности светового переноса в сцене, что делает его пригодным для GPU с массовым параллелизмом [5]. Однако растеризация плохо приспособлена для эффектов, требующих глобальной информации о сцене — точных отражений, преломлений и мягких теней, поскольку каждый примитив обрабатывается независимо от остальных.

Принцип работы трассировки лучей

Базовый алгоритм трассировки лучей выпускает из камеры луч через каждый пиксель и находит его пересечение с ближайшей поверхностью сцены [6, с. 41]. В точке пересечения вычисляется освещение, а при необходимости запускаются дополнительные лучи — отражённые, преломлённые или теневые, что позволяет физически корректно моделировать многократные отражения света [2]. Поиск пересечений ускоряется иерархическими структурами данных, такими как BVH (Bounding Volume Hierarchy), которые позволяют избежать перебора всех примитивов сцены [7].

Главное преимущество трассировки лучей — физическая корректность: метод естественно воспроизводит зеркальные отражения, мягкие тени и глобальное освещение без дополнительных приёмов [8, с. 112]. Недостаток — высокая вычислительная стоимость, поскольку для каждого пикселя требуется обход сложной структуры данных, а итоговый рендеринг часто требует множества лучей на пиксель для подавления шума.

Гибридный рендеринг и аппаратное ускорение

Современные игровые движки используют гибридный рендеринг , в котором основная геометрия и прямое освещение обрабатываются растеризацией, а трассировка лучей применяется выборочно — для отражений, контактных теней и глобального освещения [9]. Это позволяет сохранить высокую частоту кадров, добавляя физически корректные эффекты только там, где они визуально наиболее заметны.

Аппаратное ускорение трассировки лучей реализуется через специализированные блоки GPU, выполняющие обход BVH и проверку пересечений луч-треугольник напрямую в кремнии [10]. Это существенно снижает нагрузку на универсальные вычислительные блоки и делает трассировку лучей применимой в реальном времени даже для сложных сцен. Дополнительно используется денойзинг на основе нейронных сетей, который восстанавливает чистое изображение из результата трассировки с малым числом лучей на пиксель, заметно снижая требуемую вычислительную мощность [11, с. 88].

Сравнение рассмотренных подходов представлено в таблице 1.

Таблица 1

Сравнение методов рендеринга

Заключение

Растеризация и трассировка лучей решают одну задачу — синтез изображения сцены — принципиально разными способами: первая ориентирована на скорость и предсказуемую нагрузку на GPU, вторая — на физическую корректность светового переноса. Современные системы рендеринга реального времени не выбирают один из подходов, а комбинируют их, применяя трассировку лучей только для эффектов, критичных для восприятия глубины и материала. Развитие аппаратного ускорения и нейросетевого денойзинга продолжает снижать порог вхождения трассировки лучей в массовые интерактивные приложения, что делает гибридный рендеринг основным направлением развития отрасли.

Литература:

1. Akenine-Möller T., Haines E., Hoffman N. Real-Time Rendering. — 4th ed. — CRC Press, 2018. — 1200 с.
2. Whitted T. An improved illumination model for shaded display // Communications of the ACM. — 1980. — Vol. 23, No. 6.
3. Shirley P., Marschner S. Fundamentals of Computer Graphics. — 4th ed. — CRC Press, 2015.
4. Akeley K., Hanrahan P. The Graphics Pipeline [Электронный ресурс] // Stanford CS248 Course Notes. URL: https://graphics.stanford.edu (дата обращения: 10.11.2025).
5. Blinn J. F. Jim Blinn's Corner: A Trip Down the Graphics Pipeline. — Morgan Kaufmann, 1996.
6. Glassner A. An Introduction to Ray Tracing. — Academic Press, 1989.
7. Wald I., Boulos S., Shirley P. Ray Tracing Deformable Scenes Using Dynamic Bounding Volume Hierarchies // ACM Transactions on Graphics. — 2007.
8. Pharr M., Jakob W., Humphreys G. Physically Based Rendering: From Theory to Implementation. — 3rd ed. — Morgan Kaufmann, 2016.
9. NVIDIA. RTX Hybrid Rendering Pipeline [Электронный ресурс] // NVIDIA Developer. URL: https://developer.nvidia.com (дата обращения: 11.11.2025).
10. NVIDIA. RT Cores and Hardware-Accelerated Ray Tracing [Электронный ресурс] // NVIDIA Turing Architecture Whitepaper. URL: https://www.nvidia.com (дата обращения: 11.11.2025).
11. Chaitanya C. R. A. et al. Interactive Reconstruction of Monte Carlo Image Sequences using a Recurrent Denoising Autoencoder // ACM SIGGRAPH. — 2017.