سلسله‌مراتب حجم محدودکننده (BVH): رهگیری پرتو چگونه بدون رستر کردن صحنه، مسیر نور را محاسبه می‌کند؟

محدودیت اصلی رهگیری پرتو (Ray Tracing) این است که شبیه‌سازی نور به بررسی مسیر میلیون‌ها پرتو مجزا در برابر هندسه یک صحنه سه‌بعدی نیاز دارد. اگر محیط یک بازی مدرن شامل ده میلیون چندضلعی باشد و دوربین برای هر پیکسل در یک نمایشگر 4K یک پرتو شلیک کند، بررسی هر پرتو در برابر هر چندضلعی به بیش از ۸۰ تریلیون تست تقاطع در هر فریم نیاز دارد. در نرخ ۶۰ فریم بر ثانیه، این رویکرد پردازش کورکورانه برای هر تراشه‌ای که در یک کنسول یا رایانه شخصی جا می‌شود، از نظر ریاضی غیرممکن است.[1][3]

برای حل این مشکل، مهندسان گرافیک اصلاً سعی نمی‌کنند هر تقاطعی را محاسبه کنند. در عوض، آن‌ها به یک میان‌بر الگوریتمی به نام سلسله‌مراتب حجم محدودکننده (BVH) تکیه می‌کنند. الگوریتم BVH یک ساختار داده درختی است که اشیای هندسی یک صحنه را در جعبه‌های محدودکننده تودرتو و محافظه‌کارانه دسته‌بندی می‌کند. گره ریشه این درخت، یک جعبه عظیم و واحد است که کل دنیای رندر شده را در بر می‌گیرد. این جعبه به جعبه‌های کوچک‌تری تقسیم می‌شود و این تقسیم‌بندی به‌صورت بازگشتی ادامه می‌یابد تا جایی که کوچک‌ترین جعبه‌ها - یعنی گره‌های برگ - تنها شامل چند مثلث مجزا باشند.[1][2]

وقتی یک پردازنده گرافیکی یک پرتو نور را رهگیری می‌کند، آن را مستقیماً با هندسه صحنه آزمایش نمی‌کند. بلکه ابتدا پرتو را در برابر بزرگ‌ترین جعبه‌های محدودکننده می‌سنجد. اگر پرتو به یک جعبه برخورد نکند، سخت‌افزار فوراً می‌فهمد که به هیچ‌یک از اشیای داخل آن جعبه نیز برخورد نکرده است. با نادیده گرفتن شاخه‌های کامل این درخت، BVH پیچیدگی زمانی یافتن یک برخورد را از حالت خطی به لگاریتمی کاهش می‌دهد. به این ترتیب، میلیون‌ها بررسی احتمالی چندضلعی‌ها تنها در یک گام ریاضی دور ریخته می‌شوند.[1][2]

این فرآیند پیمایش آن‌قدر برای رندرینگ مدرن حیاتی است که سازندگان تراشه، سیلیکون‌های اختصاصی برای اجرای آن ساخته‌اند. هسته‌های RT شرکت انویدیا و شتاب‌دهنده‌های پرتو شرکت ای‌ام‌دی، واحدهای سخت‌افزاری تخصصی هستند که دقیقاً برای انجام دو کار طراحی شده‌اند: پیمایش سریع درخت BVH و محاسبه تقاطع نهایی پرتو و مثلث در گره‌های برگ. با واگذاری این بار کاری خاص و سنگین محاسباتی به این واحدها، هسته‌های سایه‌زن استاندارد آزاد می‌شوند تا نگاشت بافت و سایر وظایف سنتی رستر‌سازی را انجام دهند.[2]

معماری خود درخت BVH نیز اکنون در حال تکامل است تا با قابلیت‌های سخت‌افزارهای جدیدتر همگام شود. پیاده‌سازی‌های استاندارد معمولاً از ضریب انشعاب چهار استفاده می‌کنند که به BVH4 معروف است؛ به این معنی که هر جعبه والد تا چهار جعبه فرزند را در خود جای می‌دهد. با این حال، معماری سفارشی AMD RDNA که قدرت‌بخش پلی‌استیشن ۵ پرو سونی است، پشتیبانی سخت‌افزاری از یک سلسله‌مراتب حجم محدودکننده ۸ مسیره یا BVH8 را معرفی می‌کند. ساختار BVH8 با دو برابر کردن تعداد گره‌های فرزند در هر جعبه، درختی کم‌عمق‌تر و پهن‌تر ایجاد می‌کند.[3]

یک درخت کم‌عمق‌تر به مراحل کمتری برای پیمایش از ریشه تا گره‌های برگ نیاز دارد. برای پردازنده گرافیکی، این امر مستقیماً به معنای فراخوانی کمتر از حافظه و پرس‌وجوهای سریع‌تر برای یافتن تقاطع است. زمانی که استودیوی سی‌دی پراجکت رد به‌روزرسانی PS5 Pro بازی سایبرپانک ۲۰۷۷ را منتشر کرد، صراحتاً از پیاده‌سازی جدید BVH8 به عنوان مکانیزمی یاد کرد که به آن‌ها اجازه داد بازتاب‌ها، سایه‌ها و نورپردازی‌های تابشی مبتنی بر رهگیری پرتو را فعال کنند، در حالی که نرخ فریم قابل‌بازی حفظ شود. در واقع، سخت‌افزار زمان کمتری را صرف جستجو در ساختار داده می‌کند.

نتیجه عملی این کارایی الگوریتمی در معیارهای عملکرد جدیدترین عناوین کنسولی قابل مشاهده است. در آزمایش‌های اخیر بازی ولورین مارول روی PS5 Pro، حالت پیشرفته رهگیری پرتو در مقایسه با حالت رندر استاندارد، تنها با افت عملکردی حدود ۳ تا ۴ فریم بر ثانیه همراه بود. این کنسول قادر است محاسبات پیچیده نورپردازی سراسری و بازتاب‌ها را با تأثیری ناچیز بر روانی کلی بازی مدیریت کند.

تلاش برای رسیدن به گرافیک واقع‌گرایانه در رسانه‌های تعاملی، صرفاً به معنای افزودن قدرت پردازشی خام بیشتر نیست؛ بلکه اصلاح مداوم نحوه سازمان‌دهی و پرس‌وجوی داده‌هاست. در شرایطی که توسعه‌دهندگان به بهینه‌سازی ساختارهای BVH خود ادامه می‌دهند و معماران سخت‌افزار مسیرهای پیمایش پهن‌تری می‌سازند، هزینه محاسباتی شبیه‌سازی نور فیزیکی همچنان کاهش می‌یابد و صنعت را از توهمات بصری رستر‌سازی دورتر می‌کند.[3]