레이 트레이싱(Ray Tracing)이란?

레이 트레이싱(Ray Tracing)은 개체와 상호 작용할 때 빛의 거동을 표현하는 계산 방법입니다. 레이 트레이싱(Ray Tracing)은 빛의 파장이 빛과 상호 작용하는 개체보다 훨씬 작을 때 빛의 거동을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.

레이 트레이싱(Ray Tracing)은 다양한 광학 및 광자 시스템을 통해 이러한 광선의 경로를 추적하고, 다양한 구조와 물리적으로 상호 작용할 때 굴절, 반사 또는 산란하는 과정을 시뮬레이션합니다. 광선이 통과하고 상호 작용할 수 있는 광학 시스템은 여러 가지가 있으며, 그 중 대부분은 거울, 렌즈 또는 프리즘과 같은 일상적인 개체이며, 이러한 모든 상호 작용을 시뮬레이션할 수 있습니다.

다만, 중요한 차이점이 있습니다. 레이 트레이싱(Ray Tracing)에서 빛의 거동과 관련된 두‍ 가지 측면이 있습니다. 레이 트레이싱(Ray Tracing)이 가장 자주 언급되는 분야는 비디오 게임 분야입니다. 게임 개발자는 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 통해 무생물 개체에서 빛이 반사되는 방식을 결정하여 게임 내에서 사실적인 시각적 효과를 제공할 수 있으며, 이를 통해 셰이더와 전역 조명(3D 장면에 사실적인 조명을 추가하는 알고리즘)을 실시간으로 개발할 수 있습니다. 또한 개발자는 표면 텍스처의 렌더링된 이미지를 제공할 수 있습니다.

 비디오 게임은 실시간 레이 트레이싱(Ray Tracing)이기 때문에 속도, 게임 엔진의 고급 시각 효과 제공 방식, 고화질이 생명이지만 컴퓨팅 성능이 강화되면 게임의 프레임 속도가 저하됩니다. 게임의 레이 트레이싱(Ray Tracing)은 컴퓨터 그래픽 및 렌더링 기법(래스터화 등)에 중점을 둡니다.

반면에 광학 및 Photonics 분야의 레이 트레이싱(Ray Tracing)은 광원이 물리적 개체와 상호 작용하는 방식이므로 시스템의 재료 속성과 적용되는 물리적 상호 작용을 고려합니다. 광학 및 Photonics 분야의 레이 트레이싱(Ray Tracing)은 비주얼 리얼리즘 툴로 작용하기보다는 정확성과 빛의 거동에 중점을 둡니다. 이 문서에서는 광학 및 광자 구성 요소의 설계를 다룰 때 후자에 중점을 둡니다.

레이 트레이싱(Ray Tracing)은 광학 시스템을 통과하는 광선을 모델링하는 데 사용되는 계산 방법입니다. 다양한 입사각의 빛이 구조와 상호 작용하는 방식을 기반으로 성능을 예측하기 위해 렌즈, 센서 및 기타 광학 구성 요소를 설계하는 데 사용됩니다. 빛이 공기를 통해 전파되고 다른 굴절률을 가진 다른 재료와 만나면 광선이 새로운 매개체를 통해 굴절되고 일부는 반사됩니다. 여기서 말하는 굴절률은 밀도가 서로 다른 두 가지 매개체의 계면에서 빛이 굴절되는 정도를 결정하는 속성입니다.

빛이 공기를 통과하면서 다른 굴절률을 가진 물질을 만나면 두 가지 구성 요소로 분할되는데, 한 부분은 새로운 매개체로 들어가면서 굴절(꺽임)되고 다른 부분은 표면에 반사됩니다. 여기서 말하는 굴절률은 재료에 의해 빛이 느려지고 구부러지는 정도를 나타내는 척도입니다. 스넬의 법칙에 따르면 굽힘의 정도는 두 재료의 굴절률 차이에 따라 달라집니다. 예를 들어 빛이 굴절률이 낮은 재료(예: 공기)에서 굴절률이 높은 재료(예: 유리)로 이동하면 법선 방향으로 구부러집니다. 반대로, 굴절률이 높은 재료에서 굴절률이 낮은 재료로 이동하면 법선에서 멀어집니다.

레이 트레이싱(Ray Tracing)은 기본적으로 다양한 재료 및 실물 크기의 광학 부품(예: 렌즈, 회절 격자 등)을 통해 빛의 기본 물리학을 추적합니다. 시스템에서 빛의 경로를 시각화할 수 있는 시뮬레이션 기반 접근 방식입니다. 여기에는 광원 근처의 빛이 어떤지 살펴보고 광선이 다양한 재료와 형상을 통과하면 어떻게 변하는지 조사하는 작업이 포함됩니다. 

전반적으로 레이 트레이싱(Ray Tracing)은 고품질의 광학 구성 요소를 설계할 수 있는 효율적이고 정확한 시뮬레이션 접근 방식입니다.

레이 트레이싱(Ray Tracing)은 광학 시스템 시뮬레이션에 널리 사용되며, 특히 시스템의 크기가 빛의 파장보다 훨씬 큰 경우에 더 많이 사용됩니다. 레이 트레이싱(Ray Tracing)은 이러한 크기 차이를 통해 빛을 광선으로 근사화하고 파동과 같은 속성을 무시할 수 있으므로 계산이 단순화되고 시뮬레이션의 속도와 계산 효율이 높아집니다.

빛의 파장보다 작은 시스템의 경우 회절 및 간섭과 같은 파동 현상이 지배적이기 때문에 레이 트레이싱(Ray Tracing)의 효과가 떨어집니다. 이러한 경우 관련 효과를 설명하는 전체 전자기장 분석(예: FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 또는 RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis))이 더 적합합니다. 이러한 방법은 계산 집약적이지만 광선 기반 근사치에 과도하게 높은 CPU(중앙 처리 장치) 및 GPU(그래픽 처리 장치) 성능을 요구하지 않고 서브 파장 시스템에 필요한 정확도를 제공합니다.

레이 트레이싱(Ray Tracing)은 천문학부터 전자기, 항공 우주, 방위, 통신, 의료 기술 및 가전제품에 이르기까지 빛이 사용되는 모든 응용 분야에 적용될 수 있습니다. 레이 트레이싱(Ray Tracing)의 가장 대표적인 응용 분야는 렌즈와 관련된 분야입니다. 이는 일반 카메라부터 휴대폰 카메라, 헤드업 디스플레이, 망원경, AR/VR 헤드셋, 헤드램프, 내시경 및 조명 시스템(의료 또는 건축)에 이르기까지 다양합니다.

레이 트레이싱(Ray Tracing)은 광학 구성 요소의 성능을 평가하고 엄격한 사양을 충족하도록 설계를 개선하는 데 사용됩니다. 평가 대상 파라미터에는 구성 요소가 빛을 모으는 정도, 광원이 이미지로 전송하는 에너지의 양(디스플레이의 경우), 이미지의 색 심도 및 광학 구성 요소의 대비 품질이 포함됩니다.

구성 요소 관점에서 보면 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 통해 얻은 정보를 사용하여 설계를 최적화할 수 있습니다. 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 통해 다음과 같은 많은 정보를 얻을 수 있습니다.

• 렌즈 설계: 렌즈 곡률 또는 두께의 변화가 광 전파 및 광학 성능에 미치는 영향 평가
• 제조 편차: 렌즈 곡률 또는 기타 생산 공차의 작은 편차가 시스템 성능에 미치는 영향 평가
• 공간 극대화: 광학 소자의 하우징 및 패키징 공간 최적화
• 인식의 변화: 다양한 각도에서 들어오는 빛이 광학 장치를 착용하거나 보는 사용자의 인식에 어떤 영향을 미치는지 확인(차량들의 불빛이 헤드업 디스플레이를 보는 운전자에게 미치는 영향 포함)
• 왜곡 제거: 잘못된 광원의 출처 및 그 영향 식별
• 시스템 정렬: 시스템 성능 향상을 위해 여러 광학 요소의 위치와 방향을 미세 조정
• 이미지 품질: 디스플레이 애플리케이션에서 최종 이미지 품질 평가

복잡한 광학 시스템에서 여러 렌즈 간의 다양한 잠재적 조명 변경 효과와 상호 작용을 모두 평가하여 광학 시스템의 최종 성능을 살펴볼 수 있습니다. 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 사용하면 엔지니어가 실제로 부품을 설계하기 전에 이를 시각적으로 확인할 수 있도록 “이미지”를 생성하는 데 활용되며, 이를 통해 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.

레이 트레이싱(Ray Tracing) 시뮬레이션에서는 다양한 형상의 빛의 궤적이 계산됩니다. 광학 시스템에서는 수십억 개까지는 아니더라도 수백만 개의 광선이 시뮬레이션 대상 구성 요소와 상호 작용합니다. 이러한 각 광선이 구성 요소를 통과하는 경로를 정확하게 계산하려면 수백~수천 개의 연산이 필요하므로 컴퓨팅 성능이 뛰어난 컴퓨팅 시스템이 필요합니다. 

최신 CPU에는 각 광선을 독립적으로 처리하는 다중 코어(최상위 CPU의 경우 최대 128개 코어)가 있습니다. 그러나 GPU(그래픽 카드라고도 함)의 아키텍처는 다릅니다. 내부에 더 작지만 더 많은 컴퓨팅 장치가 있습니다. 따라서, 더 성능이 뛰어난 GPU를 사용하면 레이 트레이싱(Ray Tracing) 기능을 개선할 수 있습니다.

NVIDIA가 2018년에 RTX 기술을 출시한 이후 GPU의 기능은 크게 향상되었습니다. 이러한 GPU에는 광선 전파 최적화 전용 컴퓨팅 장치인 레이 트레이싱(Ray Tracing) 코어(RT 코어)가 포함되어 있습니다. 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 위한 전용 컴퓨팅 장치가 있으면 더 높은 성능을 달성할 수 있습니다. Ansys는 수년 동안 최첨단 GPU를 사용하여 최상의 성능을 제공하고 NVIDIA RTX GPU를 사용하여 가능한 최상의 레이 트레이싱(Ray Tracing) 시뮬레이션을 제공해 왔습니다.

Ansys는 다양한 광학 구성 요소와 다양한 수준에서 레이 트레이싱(Ray Tracing)을 수행하는 데 사용할 수 있는 다양한 소프트웨어 솔루션을 제공합니다. 주요 소프트웨어 솔루션으로는 Ansys Zemax OpticStudio 소프트웨어와 Ansys Speos 애플리케이션이 있습니다.

OpticStudio 소프트웨어는 광선이 렌즈, 거울 및 프리즘과 같은 개별 광학 구성 요소와 어떻게 상호 작용하는지 살펴보는 데 사용됩니다. 이미징된 개별 광학 구성 요소는 빛이 더 큰 시스템의 모든 다른 구성 요소와 어떻게 상호 작용하는지 확인하기 위해 Speos 소프트웨어를 사용하여 전체 시스템 시뮬레이션(예: 자동차 내부)에 입력됩니다.

Speos 소프트웨어는 다양한 조건(예: 주간, 야간, 흐린 날 또는 눈 오는 조건)에서 광학 소자가 인간에게 어떻게 보이는지 조사하는 데 사용할 수 있으며, 해당 시스템의 모든 재료에 대해 사실적인 표면 렌더링을 제공합니다. 예를 들어 크롬 재료가 윈드실드에 반사되면 운전자의 주의력에 어떤 영향을 미치는지 예측할 수 있습니다.

레이 트레이싱(Ray Tracing)을 통해 광학 시스템에 대한 이해를 높이는 방법을 알아보십시오. 지금 바로 당사 기술 팀에 문의하여 설계에 가장 적합한 시뮬레이션 접근 방식에 대한 지침을 확인하십시오.

관련 리소스