Differentiable Voronoi Ray Tracing Beyond Rasterization Speeds

في عالم رسومات الحاسوب، لطالما كان هناك مقايضة جوهرية بين السرعة والمرونة. لعقود من الزمن، كانت أسرع طريقة لإنشاء صور واقعية على الشاشة هي تقنية تُسمى "التظليل بالبكسل" (rasterization). تخيل رساماً ينظر إلى مشهد ثلاثي الأبعاد ويقوم ببساطة بإسقاطه على لوحة مسطحة، ويملأ البكسلات واحداً تلو الآخر. هذه الطريقة سريعة للغاية وهي التي تشغل ألعاب الفيديو والأفلام التي نراها كل يوم، لكنها تعاني مع التأثيرات البصرية المعقدة مثل ضبابية عدسة الكاميرا أو تشوه المنظور واسع الزاوية. وللحصول على تلك التأثيرات، يجب على البرنامج إضافة قواعد خاصة ومعقدة إلى عملية الرسم، مما يؤدي غالباً إلى إبطائها أو إدخال أخطاء. البديل هو "تتبع الأشعة" (ray tracing)، وهي طريقة تحاكي كيفية انتقال الضوء في الواقع. فبدلاً من إسقاط صورة مسطحة، يطلق الحاسوب حزماً ضوئية غير مرئية من الكاميرا إلى داخل المشهد ليرى ما تصطدم به. هذا النهج يتعامل بشكل طبيعي مع جميع التأثيرات البصرية الصعبة دون الحاجة إلى قواعد إضافية، ولكنه تاريخياً كان بطيئاً جداً للاستخدام في الوقت الفعلي، حيث يتطلب قدرة حوسبة هائلة لحساب بضع إطارات فقط في الثانية.

لقد تحدى فريق من الباحثين من السويد الآن الفكرة القائلة بأنه يجب عليك الاختيار بين سرعة "الرسام" ومرونة "مطلق حزم الضوء". فقد طوروا نظاماً جديداً يسمى "VoroTracing" يستخدم نهج حزم الضوء ولكنه يعمل بسرعة كافية لاستخدامه في الوقت الفعلي. يركز عملهم على طريقة محددة لتنظيم الفضاء ثلاثي الأبعاد، عبر تقسيمه إلى رقعة من الفقاعات غير المنتظمة، تشبه إلى حد كبير الخلايا في قرص العسل ولكن بأشكال تناسب الأجسام الموجودة في المشهد. ومن خلال التنقل عبر هذه الفقاعات بطريقة ذكية ومنظمة، يمكن لنظامهم تتبع حزم الضوء عبر بيئة معقدة بسرعة تضاهي، وفي بعض الحالات تتفوق على، أسرع الطرق التقليدية.

بدأ الباحثون بالبحث في سبب بقاء تتبع الأشعة بطيئاً حتى الآن. وجدوا أن العقبة الرئيسية لم تكن فقط في الرياضيات المتعلقة بتحديد مكان اصطدام حزمة الضوء بجسم ما، بل في كمية البيانات الهائلة التي يتعين على الحاسوب تحميلها ومعالجتها في كل خطوة من الرحلة. في المحاولات السابقة لتسريع ذلك، كان الحاسوب غالباً ما يعلق في تحميل الكثير من المعلومات لكل خطوة صغيرة، أو يتجول في الفضاء الفارغ لفترة طويلة جداً قبل أن يجد جسماً صلباً. أدرك الفريق أنه لجعل هذا الأمر ناجحاً، كانوا بحاجة إلى إعادة تصميم رحلة حزمة الضوء بالكامل، بدءاً من كيفية بناء المشهد وصولاً إلى كيفية تعامل شريحة الحاسوب مع البيانات.

بدأوا بتغيير طريقة تمثيل المشهد. فبدلاً من استخدام لون واحد ناعم لكل فقاعة يتغير فقط بناءً على زاوية النظر إليها، منحوا كل فقاعة خريطة ملمس (texture map) دقيقة وتفصيلية. سمح هذا لفقاعة واحدة باحتواء أنماط وتفاصيل معقدة، مما يعني أن الحاسوب لم يكن بحاجة لإنشاء ملايين الفقاعات الصغيرة فقط لإظهار جدار من الطوب أو شجرة ذات أوراق. كما غيروا الطريقة التي يقرر بها الحاسوب متى يتوقف عن البحث. فمن خلال تدريب النظام على جعل الفضاء الموجود بين الأجسام غير مرئي تماماً والأسطح صلبة تماماً، استطاعت حزم الضوء السفر عبر الهواء دون تباطؤ والتوقف فور اصطدامها بسطح ما. منع هذا الحاسوب من إضاعة الوقت في حساب لون الفضاء الفارغ.

ولجعل العملية أسرع، أعاد الباحثون تنظيم كيفية تخزين الذاكرة لهذه الفقاعات. قاموا بترتيب البيانات بحيث تكون الفقاعات الواقعة بالقرب من بعضها البعض في العالم ثلاثي الأبعاد مخزنة أيضاً بالقرب من بعضها البعض في ذاكرة الحاسوب. سمح هذا لبطاقة الرسوميات بجلب جميع المعلومات اللازمة لمجموعة من حزم الضوء في حركة واحدة فعالة، بدلاً من التنقل العشوائي في بنك الذاكرة. كما أضافوا مرشحاً ذكياً يخبر الحاسوب بتجاهل أي فقاعة باهتة جداً لدرجة أنها لن تغير الصورة النهائية، متجاوزاً عملية الحساب بالكامل.

كانت نتائج إعادة التصميم هذه مذهلة. فعند اختبارها على مجموعة قياسية من المشاهد ثلاثية الأبعاد المعقدة، قام النظام بمعالجة الصور بسرعة 623 إطاراً في الثانية على بطاقة رسوميات عالية الأداء. وهذا أكثر من ثلاثة أضعاف أسرع طريقة سابقة استخدمت حزم الضو، وهو أيضاً أسرع بكثير من أسرع الطرق التقليدية القائمة على الرسم المستخدمة حالياً في هذا المجال. كانت الصور الناتجة حادة وواقعية تماماً مثل الطرق الأبطأ، دون أي فقدان في الجودة. ولعل الأهم من ذلك، هو أنه نظراً لاستخدام النظام لحزم الضوء، كان بإمكانه الانتقال فوراً لإنتاج صور بتأثيرات كاميرا مختلفة. فبدون أي تغيير في البرمجيات الأساسية، استطاع الباحثون توليد صور بتشوه عدسة العين السمكة (fisheye lens)، أو ضبابية كاميرا متحركة، أو التركيز الضحل لعدسة البورتريه، وذلك ببساطة عن طريق تغيير مسار حزم الضوء.

يبرهن هذا العمل على أن الاعتقاد القديم بأن تتبع الأشعة بطيء جداً للتطبيقات في الوقت الفعلي قد لا يكون صحيحاً إذا تم تصميم النظام مع مراعاة الأجهزة منذ البداية. فمن خلال التصميم المشترك بعناية لكيفية تخزين المشهد، وكيفية سفر حزم الضوء، وكيفية معالجة الحاسوب للبيانات، أظهر الباحثون أنه من الممكن الحصول على سرعة ألعاب الفيديو الحديثة ومرونة الضوء الحقيقي الطبيعية في آن واحد. لقد أتاحوا الكود الخاص بهم للآخرين لاستخدامه، مما يفتح الباب لتطبيقات مستقبلية في الواقع الافتراضي، والقيادة الذاتية، والأجهزة المحمولة، حيث أظهروا بالفعل عمل النظام بسلاسة على هاتف ذكي. تشير الدراسة إلى أن مستقبل الرسومات الحاسوبية الواقعية قد لا يكمن في الاختيار بين السرعة والواقعية، بل في إيجاد طريقة جديدة لجعلهما يعملان معاً.