Рейтрейсинг - это мощный метод визуализации, который генерирует фотореалистичные изображения, моделируя прохождение света в виртуальных сценах. При этом алгоритмы рейтрейсинга требуют огромного количества вычислений, что традиционно приводит к медленным рендерам. Особенно если использовать языки программирования вроде Rust без дополнительных средств параллелизации. Однако современный фреймворк JAX дает уникальную возможность значительно ускорить процесс рендера при сохранении чистоты и читаемости кода. JAX разработан для численных вычислений с акцентом на функциональное программирование и автоматическое дифференцирование.
Его ключевые особенности - "jit"-компиляция, векторизация и управление случайными числами через явные ключи. Эти свойства делают JAX почти идеальным для реализации рейтрейсера. Одной из главных проблем традиционных реализации рейтрейсинга является необходимость проверять пересечения лучей с объектами сцены и зачастую делать это последовательно, что замедляет процесс. JAX же позволяет векторизовать эти операции, обработав сотни тысяч лучей одновременно. Фактически, каждый пиксель рендерится независимо, и вместо циклов по пикселям можно одновременно запускать вычисления для всех из них.
При использовании JAX для рейтрейсинга важно придерживаться функционального стиля без "ранних выходов" из функций и без изменяемого состояния. Например, при расчетах пересечения луча со сферой, вместо возврата результата по первому обнаруженному попаданию, вычисляются все потенциальные решения и затем с помощью условных операций (jnp.where) выбирается актуальный ответ. Таким образом, компилятор JAX формирует оптимальный граф вычислений, который эффективно выполняется на GPU или CPU. Для определения луча в JAX используют два массива - точку происхождения и направляющий вектор, избегая классов и методов, которые затрудняют оптимизации.
Функция расчета точки на луче по параметру t реализуется просто: origin + t * direction. Генерация камеры также требует чистого функционального подхода: параметры камеры каждый раз пересчитываются в функции, однако благодаря JIT-компиляции повторяющиеся операции не влияют на производительность. На основе исходных параметров, таких как ширина и высота изображения, создается виртуальный экран, из которого стреляются лучи. В процессе рендеринга цвет пикселя получается через алгоритм трассировки луча, который учитывает попадания лучей на сферу и задает цвет в зависимости от нормали поверхности, или же отображает градиентное небо, чтобы имитировать освещение. Переход от одной сферы к сложной сцене с множеством объектов дался изменением логики: теперь все сферы проверяются одновременно через векторизацию функции пересечения.
После этого выбирается ближайшая точка попадания, что значительно сокращает время вычисления, особенно для сцен со множеством сфер. Одним из вызовов в реализации рейтрейсера на JAX является работа с генерацией случайных чисел. JAX отходит от традиционного подхода с глобальным состоянием и требует явной передачи ключей - специальных объектов, из которых при помощи функции split образуются детерминированные независимые ключи, позволяющие избежать конфликтов и гарантировать воспроизводимость. Использование случайных векторов необходимо для моделирования диффузного отражения. При попадании луча на матовую поверхность происходит рассеивание в случайном направлении, что позволяет смоделировать реалистичное освещение и мягкие тени.
Рекурсивное трассирование лучей с ограничением глубины создает эффект непрямого освещения. Для создания более реалистичной камеры в JAX вводится понятие перемещаемого положения и ориентации камеры с плавным изменением поля зрения. Это позволяет снимать сцену с любых ракурсов. Дополнительно реализуется эффект дефокусировки, или глубины резкости, который достигается за счет случайных смещений начала луча в диске апертуры - такой прием сглаживает края и размывает объекты вне фокусного расстояния. Антиалиасинг существенно улучшает качество изображения, убирая ступенчатость на границах объектов путем использования нескольких случайных проб лучей внутри каждого пикселя и усреднения полученных значений цвета.
Хотя количество лучей при этом возрастает многократно, преимущества JAX в параллелизации позволяют справляться с нагрузкой эффективно. Для создания более сложных эффектов добавляются металлы и диэлектрики, материалы, отличающиеся характером взаимодействия с лучами. Металлы зеркально отражают лучи, с возможной "шероховатостью" поверхности, которая моделируется параметром размытости отражения. Диэлектрики, такие как стекло, позволяют лучу преломляться. Реализуются физические модели отражения, преломления и коэффициент отражательной способности по закону Френеля.
Сложности здесь связаны с множественными условиями и случайными решениями, которые реализуются через условные операции без нарушения детерминизма. Модель материалов реализована коллективной структурой, где каждому объекту сцены присваивается идентификатор материала, а материалы содержат тип, базовый цвет (альбедо), степень размытости металла и показатель преломления. Такой подход позволяет легко расширять сцены и экспериментировать с новыми эффектами. Итоговые результаты демонстрируют впечатляющие показатели производительности. Рендеринг сложных сцен размером 600 на 600 пикселей с десятками или сотнями сфер с применением сложных материалов и антиалиасинга достигаются за секунды или минуты, что в несколько раз превосходит классические реализации на Rust без параллелизации.
JAX эффективно комбинирует уровни параллелизма: векторизация по пикселям и по дополнительным сэмплам для антиалиасинга. JIT-компиляция оптимизирует граф вычислений, включая операторы для управления случайностью, условия и математику векторных операций. Все это работает как на CPU, так и на GPU, при этом код остается компактным и читабельным. Для разработчиков и исследователей это открывает новые горизонты - теперь становится возможным экспериментировать с методами инверсного рендеринга, машинного обучения в рейтрейсинге и нейронными лучевыми полями, поскольку JAX поддерживает автоматическую дифференциацию и интеграцию с ML-фреймворками. В заключение, переход от традиционного, циклического рейтрейсера в Rust к функциональному, векторизованному на JAX не только приносит значительное ускорение, но и облегчает развитие и расширение сложных рендеринговых систем.
Инструментарий JAX и его особенности по оптимизации вычислений делают его одним из лучших выборов для современных задач графики и моделирования освещения. .
