გზების მიდევნება

Path Tracing

        კომპიუტერულ გრაფიკაში გზების მიდევნების მეთოდი არის ალგორითმი, რომელიც ფიზიკური პროცესის სიმულაციით საფუძველზე 3 განზომილებიანი სცენებისთვის ახდენს გლობალური განათების გამოთვლას და იღებს მაქსიმალურად რეალისტურ გამოსახულებას. განსხვავებით ფარტოდ გავრცელებული, პროექციაზე და რასტერიზაციაზე დაფუძნებული მეთოდებისაგან ის ბუნებრივი გზით, მარტივად იღებს ისეთ ვიზუალურ ეფექტებს როგორიცაა: ხედვის სიღრმე(Depth Of Field), რბილი ჩრდილები(Soft Shadow), გადღაბნილი მოძრაობა, როგორც კამერის ასევე ობიექტების(Motion Blur), მწველი სხივები(Caustics) და ბევრი სხვა, რომლებიც სხვა მეთოდებში მიიღება სხვადასხვა, სპეციალურად დამუშავებული ალგორითმებით.
        განსხვავებით სხივების მიდევნების მეთოდისაგან, რომელიც ხშირ შემთხვევაში ითვლის მხოლოდ პირველად სხივებს, გზების მიდევნების ალგორითმი ცდილობს აღადგინოს კამერიდან სინათლემდე მიმავალი ყველა შესაძლო გზები. თავად ალგორითმის აზრი იმაში მდგომარეობს, რომ ობიექტების ზედაპირის კონკრეტული წერტილისათვის დაითვალოს მთელი ის განათება, რომელიც ხვდება ამ წერტილში გარემოდან. მიიჩნევა რომ სცენაში არსებული ნებისმიერი ობიექტი ასხივებს სინათლეს ან თვითონ ასხივებს განათებას, ან ირეკლავს/ატარებს სხვა ობიექტიდან მოსულ სხივებს. სწორედ მუშაობის ამ პრინციპის გამო ალგორითმი რეკურსიული ხასიათისაა.

        ალგორითმის მიზანია იპოვოს ფერი თითოეული  პიქსელისათვის. ამისთვის ის იწყებს მუშაუბას კამერის პოზიციიდან, შესაბამისი პიქსელისათვის აღადგენს ვექტორს და გამოთვლის უახლოეს თანაკვეთას გარემოში არსებულ ობიექტებთან. მას მერე რაც დაადგენს თუ რა ტიპის ზედაპირს მოხვდა სხივი, ორმხრივი არეკვლის განაწილების ფუნქციით(BRDF) გამოთვლის არეკლილ/გატარებულ სხივს და რეკურსიულად განაგრძობს სხივის მიდევნებას, მანამ სანამ არ შესრულდება რაიმე პირობა. მაგალითად: სხივი მოხვდება განათებას, ან მივაღწევთ რაიმე წინასწარ განსაზღვრულ სიღრმეს(ეს შეზღუდვა გამოიწვევს სისტემატიურ შეცდომას და მეთოდს გახდის მიკერძოებულს), ან შევწყვეტთ რაიმე შემთხვევითი ხდომილების საფუძველზე. როგორც ალგორითმიდან ჩანს დიფუზიური ზედაპირებისთვისაც კი, რომლებიც დაცემულ სხივებს აბნევენ ყველა მიმართულებით, ჩვენ არეკვლას მხოლოდ ერთი მიმართულებით ვახდენთ. ამ შემთხვევაში ყოველ წერტილში მოხდება მხოლოდ რომელიმე კონკრეტული მიმართულებიდან მოსული განათების დათვლა. ამიტომ ალგორითმი ამ პროცესს იმეორებს ბევრჯერ რათა დააგროვოს არა რომელიმე ერთი მიმართულებიდან მოსული განათება არამედ ყველა მხრიდან. დაბალი რაოდენობის იტერაციების დროს გამოსახულებაზე ვიღებთ ხმაურს, იტერაციების ზრდასთან ერთად ხმაური მცირდება და ვიღებთ მაქსიმალურად რეალისტურ გამოსახულებას გლობალური განათებით. იმ დროს როდესაც მანათობელი ობიექტი ძალიან მცირეა ან რთულად მიღწევად ადგილას არის მოთავსებული, მაშინ ჩვენს მიერ მიდევნებული სხივები მას შეიძლება დიდი ხნის განმავლობაში არ მოხვდნენ, რაც მეთოდს მკვეთრად შეანელებს და გაზრდის ხმაურს. ეს შემთხვევა ამ მეთოდის მთავარ პრობლემას წარმოადგენს. არსებობს მოდიფიცირებული ვერსიები ალგორითმის რომლებიც წყვეტემ ამ პრობლემას. მაგალითად ორმხრივი გზების მიდევნების ალგორითმი, რომელიც ახდენს მიდევნებას კამერიდან და განათებიდან ერთდროულად. ასევე მეტროპოლისის განათების ტრანსპორტირება(MLT), ახდენს უკვე ნაპოვნი წარმატებული გზების მოდიპიკაციას და იყენებს მეტროპოლისის მეთოდს.
        მეთოდი ფართოდ გამოიყენება მაღალი ქარისხის რენდერში. წარმადობის გასაზრდელად ახდენენ მეთოდის გაპარალელებას, CPU/GPU-ზე. რამოდენიმე წელია რაც GPU-ების წარმადობის მკვეთრმა ზრდამ შესაძლებელი გახადა ამ მეთოდის იმდენად აჩქარება, რომ რეალურ დროში მომუშავე აპლიკაციებში გამოვიყენოთ. დიდი ალბათობით რამოდენიმე წელიწადში უკვე თამაშებში დაიმკვიდრებს თავს. ქვემოთ მოცემულ ვიდეოში ნაჩვენებია გზების მიდევნების მეთოდზე დაპუძნებული თამაშის ძრავი Brigade 2, რომელიც შექმნა Jacco Bikker-მა, დღეს ეს ძრავი ეკუთვნის კომპანია OTOY-ს.