أجهزة تتبع الأشعة

أجهزة تتبع الأشعة هي أجهزة حاسوب مصممة خصيصًا لتطبيقات محددة، بهدف تسريع حسابات تتبع الأشعة ، وخاصة تتبع الأشعة في الوقت الحقيقي للرسومات للتطبيقات التفاعلية .

يمكن تقديم مشكلة عرض الرسومات ثلاثية الأبعاد بشكل مفاهيمي على أنها إيجاد جميع التقاطعات بين مجموعة من " الأشكال الأولية " (عادةً المثلثات أو المضلعات ) ومجموعة من "الأشعة" (عادةً شعاع واحد أو أكثر لكل بكسل). ^{[ 1 ]}

حتى العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، كانت بطاقات تسريع الرسومات المتاحة في السوق ، والتي تُسمى وحدات معالجة الرسومات (GPUs)، تستخدم خوارزميات التنميط النقطي . أما خوارزمية تتبع الأشعة، فتحل مشكلة العرض بطريقة مختلفة. ففي كل خطوة، تجد جميع نقاط تقاطع الشعاع مع مجموعة من العناصر الأولية ذات الصلة في المشهد.

لكلتا الطريقتين مزاياها وعيوبها. يمكن إجراء عملية التحويل إلى صورة نقطية باستخدام أجهزة تعتمد على نموذج الحوسبة المتدفقة ، مثلثًا واحدًا في كل مرة، ولا يلزم الوصول إلى المشهد الكامل إلا مرة واحدة. ^{[ أ ]} أما عيب التحويل إلى صورة نقطية فهو صعوبة حساب التأثيرات غير الموضعية، اللازمة لمحاكاة دقيقة للمشهد، مثل الانعكاسات والظلال ؛ واستحالة حساب الانكسارات ^{[ 2 ] تقريبًا.}

تُعدّ خوارزمية تتبع الأشعة مناسبة بطبيعتها للتوسع من خلال المعالجة المتوازية لعمليات عرض الأشعة الفردية. ^{[ 3 ]} مع ذلك، فإن أي شيء آخر غير إسقاط الأشعة يتطلب تكرار خوارزمية تتبع الأشعة (والوصول العشوائي إلى مخطط المشهد ) لإكمال تحليلها، ^{[ 4 ]} نظرًا لأن الأشعة المنعكسة والمنكسرة والمتناثرة تتطلب إعادة الوصول إلى أجزاء مختلفة من المشهد بطريقة يصعب التنبؤ بها. لكنها تستطيع بسهولة حساب أنواع مختلفة من التأثيرات الصحيحة فيزيائيًا ، مما يوفر انطباعًا أكثر واقعية بكثير من التنميط النقطي. ^{[ ب ]}

تتناسب تعقيدات خوارزمية تتبع الأشعة المُنفذة جيدًا تناسبًا لوغاريتميًا؛ ^{[ ج ]} ويعود ذلك إلى وضع الكائنات (المثلثات ومجموعات المثلثات) في أشجار تقسيم الفضاء الثنائي أو هياكل مشابهة، ولا يتم تحليلها إلا إذا تقاطع شعاع مع الحجم المحيط بتقسيم الفضاء الثنائي. ^{[ 5 ] [ د ]}

تم ابتكار تطبيقات متنوعة لأجهزة تتبع الأشعة، سواء التجريبية أو التجارية:

• (1995) تأسست شركة Advanced Rendering Technology (ART) في كامبريدج، المملكة المتحدة، استنادًا إلى أطروحة دكتوراه من عام 1994، ^{[ 6 ]} لإنتاج رقائق سيليكون مخصصة لتتبع الأشعة (في البداية شريحة "AR250"، التي سرّعت تقاطع الأشعة مع المثلثات، واجتياز صندوق الإحاطة، والتظليل)، باستخدام مُسرِّع شبكي "RenderDrive" للعرض غير المتصل بالإنترنت. ^{[ 7 ]} تم شحن المنتجات لأول مرة إلى العملاء في عام 1998. ^{[ 8 ]} وفر البرنامج التكامل مع تنسيقات بيانات Autodesk Maya و Max ، واستخدم لغة وصف المشهد Renderman لإرسال البيانات إلى المعالجات (تنسيق ملف .RIB أو Renderman Interface Bytestream). ^{[ 9 ]} وُصفت شريحة AR250 الأصلية بأنها "المرة الأولى التي يتم فيها اختزال تتبع الأشعة إلى تصميم شريحة واحدة"، محققةً أداءً في تتبع الأشعة "بسرعة تفوق 15 مرة سرعة معالج Pentium II بسرعة 266 ميجاهرتز". ^{[ 10 ]} واجهت شركة ART صعوبات في مطلع القرن، واستحوذت عليها شركة "ART VPS" التي شارك في تأسيسها أحد مؤسسي ART. ^{[ 6 ] : 43} اعتبارًا من عام 2010، توقفت ART-VPS عن إنتاج أجهزة تتبع الأشعة، لكنها استمرت في إنتاج برامج العرض. ^{[ 11 ]}
• (1996) اقترح باحثون في جامعة برينستون استخدام معالجات الإشارات الرقمية لبناء وحدة أجهزة لتسريع تتبع الأشعة، أطلق عليها اسم "TigerSHARK". ^{[ 12 ]}
• (1999-2002) تم تنفيذ عمليات عرض الحجم باستخدام خوارزميات تتبع الأشعة على أجهزة مخصصة في عام 1999 بواسطة هانسبتر فايستر ^{[ 13 ]} والباحثين في مختبرات أبحاث ميتسوبيشي إلكتريك ^{[ 14 ]} باستخدام نظام vg500 / VolumePro ASIC وفي عام 2002 باستخدام FPGAs بواسطة الباحثين في جامعة توبنغن مع VIZARD II ^{[ 15 ].}
• (2002) قام مختبر رسومات الحاسوب في جامعة سارلاند برئاسة الدكتور المهندس فيليب سلوساليك بإنتاج نموذج أولي لأجهزة تتبع الأشعة بما في ذلك شريحة SaarCOR (متتبع الأشعة المحسن للتماسك من ساربروكن) القائمة على FPGA ذات الوظيفة الثابتة والمدفوعة بالبيانات ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} ومعالج قابل للبرمجة أكثر تقدمًا (2005)، وهو وحدة معالجة الأشعة (RPU) ^{[ 19 ].}
• (2009–2010) عرضت شركة Intel ^{[ 20 ]} نموذجها الأولي "Larrabee" GPU وKnights Ferry MIC، وكلاهما مبني حول معالجات x86 متعددة النوى للأغراض العامة ، في منتدى مطوري Intel في عام 2009 مع عرض توضيحي لتتبع الأشعة في الوقت الحقيقي.
• في عام 2009، أنتجت شركة Caustic Graphics ^{[ 21 ]} بطاقة إضافية تُسمى "CausticOne" ^{[ 22 ]} ، تعمل على تسريع عمليات الإضاءة الشاملة وغيرها من عمليات العرض القائمة على الأشعة عند توصيلها بوحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات في جهاز الكمبيوتر. صُممت هذه البطاقة لتنظيم الأشعة المتناثرة (التي تنتج عادةً عن مشاكل الإضاءة الشاملة) في مجموعات أكثر تماسكًا (ذات انتشار مكاني أو زاوي أقل) لمعالجتها لاحقًا بواسطة معالج خارجي. ^{[ 23 ]}
• (2010-2011) طورت شركة سيليكون آرتس ^{[ 24 ]} جهازًا مخصصًا لتتبع الأشعة في الوقت الحقيقي (2010). وفي عام 2011، تم الإعلان عن RayCore، وهو أول ملكية فكرية لأشباه الموصلات في العالم لتتبع الأشعة في الوقت الحقيقي.
• (2013) بعد استحواذها على شركة Caustic Graphics ، أنتجت شركة Imagination Technologies بطاقات التوصيل R2500 وR2100 الخاصة ببرنامج Caustic Professional، والتي تحتوي على وحدات تتبع الأشعة RT2 (RTUs). وكانت كل وحدة RTU قادرة على حساب ما يصل إلى 50 مليون شعاع غير متماسك في الثانية. ^{[ 25 ]}
• أعلنت شركة Imagination Technologies (عام 2014) عن عائلة معالجات الرسوميات PowerVR Wizard وأول تطبيق لها من طراز GR6500، وهو معالج رسوميات مخصص للاستخدامات المحمولة والمدمجة، مزود بتقنية تتبع الأشعة المُسرّعة بواسطة الأجهزة ووحدة تتبع أشعة مخصصة (RTU). ^{[ 26 ] [ 27 ]}
• (يناير 2018) أعلنت شركة Nvidia ، بالتعاون مع Microsoft DirectX ، عن مكتبة مطوري Nvidia RTX، ^{[ 28 ]} والتي وعدت بحلول سريعة لتتبع الأشعة البرمجية لوحدة معالجة الرسومات في وحدات معالجة الرسومات من جيل Volta . ^{[ 29 ]}
• (سبتمبر 2018) كشفت شركة إنفيديا عن معالجات الرسوميات GeForce RTX وQuadro RTX، المبنية على معمارية تورينج ، والتي تدعم تتبع الأشعة المُسرّع بواسطة وحدة وظيفية منفصلة، ​​تُعرف باسم "نواة RT". تُشابه هذه الوحدة إلى حدٍ ما وحدة معالجة الصور من حيث الحجم وزمن الاستجابة والتوافق مع نواة المعالج. وتتميز هذه الوحدة بقدرتها على اجتياز BVH ، وفك ضغط عقد BVH المضغوطة، واختبار تقاطع الأشعة مع AABB، واختبار تقاطع الأشعة مع المثلثات. ^{[ 30 ]} وأصبحت بطاقتا GeForce RTX 2080 و2080 Ti أول بطاقات رسوميات موجهة للمستهلكين قادرة على تنفيذ تتبع الأشعة في الوقت الفعلي. ^{[ 31 ]}
• أعلنت AMD في عام 2020 عن مزيد من المعلومات حول "تحديث" بنية RDNA الدقيقة. ووفقًا للشركة، تدعم بنية RDNA 2 الدقيقة تتبع الأشعة المُسرّع بالأجهزة في الوقت الفعلي، والذي يتضمن فك تشفير عقدة BVH، واختبار تقاطع الأشعة مع AABB، واختبار تقاطع الأشعة مع المثلثات. ^{[ 32 ] [ 33 ]}
• (2021) أعلنت شركة Imagination Technologies عن معالج الرسوميات IMG CXT المزود بتقنية تتبع الأشعة المُسرّعة بواسطة الأجهزة. ^{[ 34 ] [ 35 ]}
• (يناير 2022) أعلنت سامسونج عن معالج Exynos 2200 AP SoC الخاص بها مع تقنية تتبع الأشعة المُسرّعة بواسطة الأجهزة والمبنية على معمارية AMD RDNA2 GPU. ^{[ 36 ]}
• (يونيو 2022) أعلنت شركة Arm عن معالجها Immortalis-G715 المزود بتقنية تتبع الأشعة المُسرّعة بواسطة الأجهزة. ^{[ 37 ]}
• (نوفمبر 2022) أعلنت شركة كوالكوم عن معالج سنابدراغون 8 من الجيل الثاني بتقنية تتبع الأشعة المُسرّعة بواسطة الأجهزة. ^{[ 38 ] [ 39 ]}
• (ديسمبر 2022) أصدرت شركة إنتل وحدة معالجة الرسومات Arc Alchemist ، ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} والتي تتميز بنوى تسريع تتبع الأشعة والتي تعمل بشكل مشابه لوحدة معالجة الرسومات متوسطة المدى من سلسلة RTX 3000. ^{[ 43 ]}
• (2023) أعلنت آبل عن معالجها Apple A17 المزود بتقنية تتبع الأشعة المُسرّعة بواسطة الأجهزة. ^{[ 44 ]} وبعد شهر، أعلنت آبل عن عائلة معالجات M3 لأجهزة ماك، والتي تدعم تقنية تتبع الأشعة المُسرّعة بواسطة الأجهزة. ^{[ 45 ]}

• وحدة المعالجة العصبية (NPU) - تُستخدم أحيانًا لزيادة تسريع مخرجات أجهزة تتبع الأشعة (في الوقت الحقيقي).

• أحدث التقنيات في تتبع الأشعة التفاعلي، إنجو والد وفيليب سلوساليك، مجموعة رسومات الحاسوب، جامعة سارلاند، مقال استعراضي حتى عام 2001