Ray Tracing Gems : High-Quality and Real-Time Rendering with DXR and Other APIs

در دنیای گرافیک کامپیوتری، فناوری ره‌گیری پرتو (Ray Tracing) انقلابی در نحوهٔ خلق تصاویر واقع‌گرایانه ایجاد کرده است. کتاب «Ray Tracing Gems» به ویرایش اریک هینز و توماس آکنین-مولر، یک مجموعهٔ جامع و ارزشمند از تکنیک‌های پیشرفته برای پیاده‌سازی ره‌گیری پرتو در زمان واقعی است و به عنوان یکی از منابع کلیدی برای توسعه‌دهندگان حرفه‌ای در این حوزه شناخته می‌شود. این کتاب که توسط انتشارات Apress در سال ۲۰۱۹ منتشر شده، با بهره‌گیری از تجربیات متخصصان برجستهٔ گرافیک، به تشریح روش‌های پیاده‌سازی این فناوری با استفاده از جدیدترین رابط‌های برنامه‌نویسی مانند دایرکت‌اکس ری‌تریسینگ (DirectX Raytracing) می‌پردازد.

دربارهٔ کتاب «Ray Tracing Gems»

کتاب حاضر که به‌صورت منبع باز (Open Access) منتشر شده، شامل مجموعه‌ای از مقالات و ترفندهای فنی است که توسط متخصصان گرافیک کامپیوتری نوشته شده‌اند. این اثر به‌جای پرداختن به مبانی ابتدایی که در کتاب‌های دیگری پوشش داده شده‌اند، بر روی تکنیک‌های پیشرفته و کاربردی متمرکز است که اغلب در متون مقدماتی یافت نمی‌شوند. محتوای کتاب به هفت بخش اصلی تقسیم شده است که به ترتیب به مبانی ره‌گیری پرتو، برخورد‌ها و کارایی، بازتاب‌ها و شکست‌ها و سایه‌ها، نمونه‌برداری، کاهش نویز و فیلترگذاری، رویکردهای ترکیبی و سیستم‌ها، و در نهایت روش‌های روشنایی سراسری (Global Illumination) می‌پردازد. یکی از نکات برجستهٔ این کتاب، پوشش کامل قابلیت‌های جدید دایرکت‌اکس ری‌تریسینگ (DXR) و سایر رابط‌های برنامه‌نویسی مرتبط است. همچنین فصل‌هایی از کتاب به تکنیک‌های ترکیبی اختصاص یافته که در آن‌ها، رندرینگ مبتنی بر رسترایزیشن (Rasterization) و ره‌گیری پرتو با یکدیگر تلفیق می‌شوند تا بهترین عملکرد و کیفیت بصری حاصل گردد. کتاب با مقدمه‌ای از پیشگامان این حوزه، ترنر ویتد (Turner Whitted) و مارتین استیش (Martin Stich) آغاز شده و سپس بیش از سی فصل تخصصی، دانش مورد نیاز برای تسلط بر قابلیت‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری موجود و آینده را در اختیار خواننده قرار می‌دهد.

دربارهٔ ویراستاران

اریک هینز (Eric Haines) و توماس آکنین-مولر (Tomas Akenine-Möller) هر دو از چهره‌های شاخص و تأثیرگذار در حوزهٔ گرافیک کامپیوتری هستند. اریک هینز که هم‌اکنون در شرکت ان‌ویدیا به عنوان مهندس برجسته مشغول به کار است، سابقه‌ای طولانی در زمینهٔ ره‌گیری پرتو دارد و ویراستار خبرنامهٔ «The Ray Tracing News» بوده است. او همچنین یکی از نویسندگان کتاب مرجع «Real-Time Rendering» و بنیانگذار مجلات علمی معتبر در این زمینه است. توماس آکنین-مولر نیز محقق برجستهٔ ان‌ویدیا و استاد سابق گرافیک کامپیوتری در دانشگاه لوند سوئد است. او علاوه بر تألیف کتاب «Real-Time Rendering»، بیش از صد مقالهٔ پژوهشی در این حوزه منتشر کرده و سابقهٔ همکاری با شرکت‌هایی مانند اینتل و اریکسون را در کارنامهٔ خود دارد.

چرا باید «Ray Tracing Gems» را بخوانید؟

این کتاب برای هر کسی که به دنبال درک عمیق و پیاده‌سازی ره‌گیری پرتو در زمان واقعی است، منبعی بی‌نظیر محسوب می‌شود. از جمله دستاوردهای مطالعهٔ این کتاب عبارت‌اند از:

• تسلط بر جدیدترین تکنیک‌ها: آشنایی با آخرین روش‌های ره‌گیری پرتو برای توسعهٔ برنامه‌های زمان واقعی در حوزه‌های مختلف مانند بازی‌های ویدیویی، شبیه‌سازی و تجسم‌سازی علمی.
• بهترین روش‌های پیاده‌سازی DXR: دریافت راهنمایی‌های عملی و بهترین شیوه‌ها برای پیاده‌سازی برنامه‌های رندرینگ با استفاده از دایرکت‌اکس ری‌تریسینگ (DirectX Raytracing).
• مدیریت کارایی و کیفیت: یادگیری تکنیک‌های نمونه‌برداری (Sampling)، کاهش نویز (Denoising)، و فیلترگذاری (Filtering) برای دستیابی به تصاویر با کیفیت بالا و نرخ فریم مناسب.
• پیاده‌سازی روشنایی سراسری: کسب دانش لازم برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های پیشرفتهٔ روشنایی سراسری مانند نگاشت فوتون (Photon Mapping) و ره‌گیری پرتو در حجم‌های ناهمگن.
• درک سیستم‌های ترکیبی: آشنایی با رویکردهای ترکیبی که از نقاط قوت هر دو روش رسترایزیشن و ره‌گیری پرتو بهره می‌برند.
• دسترسی به کدها و مثال‌ها: بهره‌مندی از مخزن کدهای کتاب که امکان آزمایش عملی مفاهیم را فراهم می‌کند.

این کتاب برای چه کسانی مناسب است؟

این کتاب به‌طور خاص برای توسعه‌دهندگانی طراحی شده است که به دنبال بهره‌گیری از جدیدترین رابط‌های برنامه‌نویسی و فناوری‌های پردازنده‌های گرافیکی در حوزهٔ رندرینگ زمان واقعی و ره‌گیری پرتو هستند. دانشجویانی که به دنبال یادگیری بهترین روش‌ها در این حوزه‌اند، و همچنین علاقه‌مندان و مشتاقانی که می‌خواهند با توانمندی‌های پردازنده‌های گرافیکی جدید خود آزمایش کنند، نیز از مخاطبان اصلی این کتاب محسوب می‌شوند. با توجه به سطح پیشرفتهٔ مطالب، برای بهره‌مندی کامل از این کتاب، داشتن دانش پایه‌ای از گرافیک کامپیوتری و مفاهیم رندرینگ ضروری است.

سوالات متداول

آیا برای استفاده از این کتاب باید با DirectX Raytracing آشنایی داشته باشم؟

کتاب شامل فصلی با عنوان «مقدمه‌ای بر دایرکت‌اکس ری‌تریسینگ» است که مبانی این رابط برنامه‌نویسی را پوشش می‌دهد. با این حال، عمدهٔ مطالب کتاب بر روی تکنیک‌های پیشرفته‌تری متمرکز است که برای بهره‌مندی کامل، دانش اولیهٔ مرتبط مفید خواهد بود.

آیا این کتاب به مبانی ره‌گیری پرتو نیز می‌پردازد؟

بله، بخش اول کتاب به مبانی اختصاص دارد و شامل مطالبی مانند اصطلاحات ره‌گیری پرتو، مفهوم پرتو و مبانی دایرکت‌اکس ری‌تریسینگ است. اما هدف اصلی کتاب، ارائهٔ تکنیک‌های پیشرفته‌تر و تخصصی‌تر است.

آیا کتاب صرفاً بر روی بازی‌های ویدیویی متمرکز است یا کاربردهای دیگری را نیز پوشش می‌دهد؟

خیر، این کتاب کاربردهای گسترده‌تری را شامل می‌شود و به موضوعاتی مانند تجسم‌سازی علمی، برنامه‌های معماری و سایر حوزه‌های تعاملی نیز می‌پردازد.

This book is a must-have for anyone serious about rendering in real time. With the announcement of new ray tracing APIs and hardware to support them, developers can easily create real-time applications with ray tracing as a core component. As ray tracing on the GPU becomes faster, it will play a more central role in real-time rendering. __Ray Tracing Gems__ provides key building blocks for developers of games, architectural applications, visualizations, and more. Experts in rendering share their knowledge by explaining everything from nitty-gritty techniques that will improve any ray tracer to mastery of the new capabilities of current and future hardware.What you'll learn: * The latest ray tracing techniques for developing real-time applications in multiple domains * Guidance, advice, and best practices for rendering applications with Microsoft DirectX Raytracing (DXR) * How to implement high-performance graphics for interactive visualizations, games, simulations, and more Who this book is for:* Developers who are looking to leverage the latest APIs and GPU technology for real-time rendering and ray tracing * Students looking to learn about best practices in these areas * Enthusiasts who want to understand and experiment with their new GPUs Front Matter ....Pages i-xliv Front Matter ....Pages 2-6 Ray Tracing Terminology (Eric Haines, Peter Shirley)....Pages 7-14 What is a Ray? (Peter Shirley, Ingo Wald, Tomas Akenine-Möller, Eric Haines)....Pages 15-19 Introduction to DirectX Raytracing (Chris Wyman, Adam Marrs)....Pages 21-47 A Planetarium Dome Master Camera (John E. Stone)....Pages 49-60 Computing Minima and Maxima of Subarrays (Ingo Wald)....Pages 61-70 Front Matter ....Pages 72-76 A Fast and Robust Method for Avoiding Self-Intersection (Carsten Wächter, Nikolaus Binder)....Pages 77-85 Precision Improvements for Ray/Sphere Intersection (Eric Haines, Johannes Günther, Tomas Akenine-Möller)....Pages 87-94 Cool Patches: A Geometric Approach to Ray/Bilinear Patch Intersections (Alexander Reshetov)....Pages 95-109 Multi-Hit Ray Tracing in DXR (Christiaan Gribble)....Pages 111-125 A Simple Load-Balancing Scheme with High Scaling Efficiency (Dietger van Antwerpen, Daniel Seibert, Alexander Keller)....Pages 127-133 Front Matter ....Pages 134-138 Automatic Handling of Materials in Nested Volumes (Carsten Wächter, Matthias Raab)....Pages 139-147 A Microfacet-Based Shadowing Function to Solve the Bump Terminator Problem (Alejandro Conty Estevez, Pascal Lecocq, Clifford Stein)....Pages 149-158 Ray Traced Shadows: Maintaining Real-Time Frame Rates (Jakub Boksansky, Michael Wimmer, Jiri Bittner)....Pages 159-182 Ray-Guided Volumetric Water Caustics in Single Scattering Media with DXR (Holger Gruen)....Pages 183-201 Front Matter ....Pages 202-205 On the Importance of Sampling (Matt Pharr)....Pages 207-222 Sampling Transformations Zoo (Peter Shirley, Samuli Laine, David Hart, Matt Pharr, Petrik Clarberg, Eric Haines et al.)....Pages 223-246 Ignoring the Inconvenient When Tracing Rays (Matt Pharr)....Pages 247-253 Importance Sampling of Many Lights on the GPU (Pierre Moreau, Petrik Clarberg)....Pages 255-283 Front Matter ....Pages 284-288 Cinematic Rendering in UE4 with Real-Time Ray Tracing and Denoising (Edward Liu, Ignacio Llamas, Juan Cañada, Patrick Kelly)....Pages 289-319 Texture Level of Detail Strategies for Real-Time Ray Tracing (Tomas Akenine-Möller, Jim Nilsson, Magnus Andersson, Colin Barré-Brisebois, Robert Toth, Tero Karras)....Pages 321-345 Simple Environment Map Filtering Using Ray Cones and Ray Differentials (Tomas Akenine-Möller, Jim Nilsson)....Pages 347-351 Improving Temporal Antialiasing with Adaptive Ray Tracing (Adam Marrs, Josef Spjut, Holger Gruen, Rahul Sathe, Morgan McGuire)....Pages 353-370 Front Matter ....Pages 372-376 Interactive Light Map and Irradiance Volume Preview in Frostbite (Diede Apers, Petter Edblom, Charles de Rousiers, Sébastien Hillaire)....Pages 377-407 Real-Time Global Illumination with Photon Mapping (Niklas Smal, Maksim Aizenshtein)....Pages 409-436 Hybrid Rendering for Real-Time Ray Tracing (Colin Barré-Brisebois, Henrik Halén, Graham Wihlidal, Andrew Lauritzen, Jasper Bekkers, Tomasz Stachowiak et al.)....Pages 437-473 Deferred Hybrid Path Tracing (Thomas Willberger, Clemens Musterle, Stephan Bergmann)....Pages 475-492 Interactive Ray Tracing Techniques for High-Fidelity Scientific Visualization (John E. Stone)....Pages 493-515 Front Matter ....Pages 516-520 Ray Tracing Inhomogeneous Volumes (Matthias Raab)....Pages 521-531 Efficient Particle Volume Splatting in a Ray Tracer (Aaron Knoll, R. Keith Morley, Ingo Wald, Nick Leaf, Peter Messmer)....Pages 533-541 Caustics Using Screen-Space Photon Mapping (Hyuk Kim)....Pages 543-555 Variance Reduction via Footprint Estimation in the Presence of Path Reuse (Johannes Jendersie)....Pages 557-569 Accurate Real-Time Specular Reflections with Radiance Caching (Antti Hirvonen, Atte Seppälä, Maksim Aizenshtein, Niklas Smal)....Pages 571-607 This book is a must-have for anyone serious about rendering in real time. With the announcement of new ray tracing APIs and hardware to support them, developers can easily create real-time applications with ray tracing as a core component. As ray tracing on the GPU becomes faster, it will play a more central role in real-time rendering. Ray Tracing Gems provides key building blocks for developers of games, architectural applications, visualizations, and more. Experts in rendering share their knowledge by explaining everything from nitty-gritty techniques that will improve any ray tracer to mastery of the new capabilities of current and future hardware. What you'll learn: The latest ray tracing techniques for developing real-time applications in multiple domains Guidance, advice, and best practices for rendering applications with Microsoft DirectX Raytracing (DXR) How to implement high-performance graphics for interactive visualizations, games, simulations, and more Who this book is for: Developers who are looking to leverage the latest APIs and GPU technology for real-time rendering and ray tracing Students looking to learn about best practices in these areas Enthusiasts who want to understand and experiment with their new GPUs This book is a must-have for anyone serious about rendering in real time. With the announcement of new ray tracing APIs and hardware to support them, developers can easily create real-time applications with ray tracing as a core component. As ray tracing on the GPU becomes faster, it will play a more central role in real-time rendering. Ray Tracing Gems provides key building blocks for developers of games, architectural applications, visualizations, and more. Experts in rendering share their knowledge by explaining everything from nitty-gritty techniques that will improve any ray tracer to mastery of the new capabilities of current and future hardware. What you'll learn: The latest ray tracing techniques for developing real-time applications in multiple domains Guidance, advice, and best practices for rendering applications with Microsoft DirectX Raytracing (DXR) How to implement high-performance graphics for interactive visualizations, games, simulations, and more Who is this book for: Developers who are looking to leverage the latest APIs and GPU technology for real-time rendering and ray tracing Students looking to learn about best practices in these areas Enthusiasts who want to understand and experiment with their new GPUs