AAA급 대작 게임의 공통점 ‘레이트레이싱’, 네 정체는 무엇이니?

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셀 수 없을 정도로 많은 게임이 출시되고 있습니다. 이 중에는 대형 개발사가 엄청난 금액을 들인 대작 게임이 있고 소규모 개발사가 공들여 개발한 게임도 있습니다. 아무래도 돈을 주고 게임을 구매하는 입장에서는 눈에 띄는 소위 AAA급 게임에 관심이 가게 됩니다. 그런데 최근 출시되는 AAA급 게임 중 공통적으로 노출되는 용어가 있는데 무엇이 떠오르나요? 여러 용어가 있지만, 최신 그래픽 기술을 강조하는 ‘레이트레이싱(Ray-Tracing)’이 대표적이지 않을까 생각됩니다.

레이트레이싱, 광선 추적이라는 의미를 가지고 있는데요. 그 뜻처럼 화면(장면을 보는 시점)의 광원을 자연스럽게 처리하기 위해 적용되는 기술입니다. 본래 광원은 보이는 것 외에도 그 주변 효과에 대한 결과까지 실시간 반영해야 되므로 상당히 높은 난이도를 요구하게 됩니다. 그래서 일부 편법을 이용해 광원을 처리해 왔습니다. 과거 그래픽 처리 능력이 부족한 시점에서 이 기술을 도입하기가 부담스러웠던 것도 있었죠.

그런데 현재는 어느 정도 성능 향상이 이뤄지면서 제한적이나마 이 기술을 도입하는 게임이 하나 둘 늘어나는 추세입니다. 그렇다면 광선 추적이라는 레이트레이싱은 어떻게 구현되고 있으며 그 미래는 밝을까요?

▲ 최근 출시한 게임, 다잉라이트2의 화면 중 하나. 좌측이 레이트레이싱, 우측이 일반 화면입니다. 얼핏 보면 모를 수 있지만, 자세히 보면 빛에 영향을 받는 주변 상태가 조금 다릅니다.

최근 출시된 게임, 다잉라이트(Dying Light) 2의 게임 내 화면입니다. 이 게임도 제한적이나마 레이트레이싱 기술이 접목된 것으로 잘 알려져 있습니다. 비슷해 보이지만 자세히 살펴보면 빛에 따른 그림자의 형상이 다른 것을 알 수 있는데요. 좌측이 레이트레이싱 효과가 적용된 것, 우측이 그렇지 않은 일반 그래픽 효과가 적용된 상태입니다. 어느 부분이 취향인지는 개인에 따라 차이가 있겠으나 좌측의 상황이 조금 더 현실적인 느낌을 주는 듯합니다. 책상 위에 놓인 작은 전구가 보이지 않는 곳 구석구석 밝게 비출 일은 낮을 테니까요.

이처럼 레이트레이싱은 장면에 생동감 혹은 현실감을 부여하는데 큰 도움이 되는 기술입니다. 현실감보다는 그 세계를 최대한 현실적으로 구현하는 데 도움을 준다고 보는 것이 맞겠네요. 일반적으로 우리가 보는 콘텐츠가 실사도 있지만, 3D나 애니메이션과 같은 구성을 가질 때도 있으니까요.

▲ 레이트레이싱 기술의 기본을 보여주는 이미지. 기본적으로 레이트레이싱은 보이는 시점의 빛을 역추적해 표현합니다. (이미지 – 위키피디아)

개요는 이렇습니다. 우선 현실과 보이는 시점을 기준으로 이미지 내 화소(픽셀)마다 빛이 있다고 보고 그 빛을 역추적하는 기술입니다. 화소 하나하나에 대한 빛을 처리하기 때문에 가장 현실적인 효과를 기대할 수 있으며, 제대로 처리가 이뤄지면 다양한 광원 관련 효과를 적용하지 않아도 되기에 제작 과정이 단순해지는 장점도 생깁니다. 아직 몇 가지 해결해야 할 과제들이 있지만, 자연스러운 광원 효과를 위해 필요한 기술임에 틀림없어 보입니다.

문제는 빛에 노출된 화소에 대한 모든 광원을 추적하기에 때에 따라 엄청난 연산 능력을 필요로 한다는 것이죠. 말 그대로 모든 빛을 추적해야 하기 때문입니다. 단순히 아무것도 없는 공간에 작은 물체 하나만 있는 경우라면 부담이 덜하지만, 광원과 그 영향을 받는 물체가 많을수록 연산에 많은 시간을 요구하게 됩니다.

많은 연산량이 필요하기 때문에 게임보다는 영화와 애니메이션 등 사전에 모든 작업이 끝난 프리-렌더링 이미지에 사용되던 기술입니다. 그래픽 프로세서의 성능이 레이트레이싱을 실시간으로 처리하기에 턱없이 부족한 것이 그 이유입니다. 영화나 이미지에서는 결과물을 만들기 위해 여유로운 시간이 필요하므로 연산이 느려도 결과만 좋다면 큰 문제가 없었습니다. 반면, 게임은 플레이어의 행동에 따른 효과를 실시간으로 반영해야 됩니다. 심지어 해상도까지 높으니 부담스러울 수밖에 없죠.

그런데 지금은 최근 출시되는 대작 게임들은 최신 그래픽카드를 사용하면 레이트레이싱 기술을 쓸 수 있게 지원하고 있습니다. 엔비디아는 지포스 RTX 20 시리즈 이상, AMD는 라데온 RX 6000 시리즈 이상에서 레이트레이싱 가속에 필요한 기술을 지원한다고 알려져 있습니다. 이들 그래픽카드는 이 어려운 작업이 실시간 처리할 정도로 성능이 크게 향상된 것일까요?

성능 향상이 이뤄진 것은 분명하지만, 레이트레이싱을 완전히 실시간 처리할 정도의 성능에는 아직 도달하지 못했다는 게 업계의 평입니다. 그 정도로 빛을 처리하는 데에는 많은 연산량이 필요하다는 것이죠. 그래서인가 이 어려움을 해결하기 위한 그래픽 프로세서 업계의 노력도 이어지고 있습니다.

▲ 엔비디아 지포스 RTX 30 시리즈의 그래픽 프로세서의 구조. 여기에 기본적인 그래픽 및 컴퓨팅 연산을 위한 코어 외에도 광원과 인공지능 연산에 필요한 코어도 따로 탑재되어 있습니다.

대표적으로 엔비디아는 실시간 레이트레이싱에 필요한 엄청난 연산을 인공지능으로 해결하고자 했습니다. 지포스 RTX 20 혹은 30 시리즈 그래픽 프로세서에는 RT 코어라는 레이트레이싱 연산 전용 처리 장치와 인공지능 연산을 위한 텐서(Tensor) 코어를 추가했습니다.

▲ 아직 그래픽 프로세서의 처리량은 레이트레이싱 연산을 해상도에 맞춰 실시간 처리하기에 부족합니다. 엔비디아는 이를 사전에 자체 서버를 활용해 처리하고 그 결과를 가지고 연산 부담을 줄이는 형태로 제공하고 있습니다.

그래픽 프로세서에 탑재된 전용 코어를 통해 레이트레이싱 관련 가속은 가능하지만, 중요한 것은 정확도와 시간입니다. 이것을 극복하는 것이 바로 인공지능입니다. 아무리 실시간이라 하더라도 게임 역시 어느 정도는 정해진 틀이 존재합니다. 인공지능은 반복되는 연산을 계속 학습해 처리 속도를 개선하는 데 힘을 보탭니다. 또한 게임 개발 단계에서 관련 데이터를 엔비디아 서버에 전송, 서버 내 인공지능이 최적의 결과를 내도록 학습하는 과정도 거칩니다.

AMD도 엔비디아와 비교하면 레이트레이싱 가속 성능은 다소 뒤처진다는 평이지만, 최적의 성능을 위해 고해상 피델리티FX(FidelityFX Super Resolution) 등 다양한 보조 기술을 제안한 상태입니다. 다이렉트X 레이트레이싱(DXR)을 사용하기 위한 인공지능 기술, 다이렉트머신러닝(DirectML) 등의 사용에도 적극적인 모습입니다.

▲ 게임 사이버펑크 2077의 레이트레이싱은 반사와 그림자, 광원 등에 일부 적용됩니다. 제한적인 적용이지만, 의외로 큰 경험을 제공합니다. (이미지 – 엔비디아 홈페이지)

아직 게임 자체도 레이트레이싱 기술을 100% 구현하지 못하는 점 역시 고려 대상입니다. 한정된 환경 내에서 구현하는 실시간 광원 효과도 엄청난 연산량을 필요로 하는데, 도시를 통째로 구현해 자유롭게 이동하는 오픈월드 방식의 게임이라면 어떨까요? 때문에 대다수 게임은 일부 물체에 적용되는 반사 효과 정도로 제한해 레이트레이싱 기술을 적용하고 있습니다.

요즘 게임에 대한 업계의 관심이 높아지고 있습니다. 메타버스나 블록체인 등 다양한 기술을 접목하고 활용하는데 이만한 콘텐츠도 없다는 판단 때문일 것입니다. 그렇다면 현실감 넘치는 시각적 경험을 제공하기 위해서는 레이트레이싱 기술의 적용은 필요가 아니라 필수가 될 가능성이 적지 않습니다. 게이머의 시각적 경험 향상을 위해서도 레이트레이싱 기술은 필수 요소가 되어가는 모습입니다. 아직 갈 길은 멀지만, 모두가 현실에 가까운 가상세계를 경험할 날이 점점 가까워지고 있습니다.

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