NVIDIAは次世代ゲーム向けに高度なReSTIRアルゴリズムを採用し、パストレーシング性能を3倍向上させた。

NVIDIAは、ReSTIRアルゴリズムの画期的な改良版を発表しました。これにより、パストレーシングのパフォーマンスが2～3倍に大幅に向上し、ゲームグラフィックスの未来を切り開きます。

レイトレーシング：NVIDIAによるパストレーシング技術の進歩の先駆け

パストレーシングは、次世代ゲーム体験にふさわしい比類なきビジュアル忠実度を実現するために、PCゲームでますます採用されています。グラフィック技術の最先端を走るNVIDIAは、パストレーシングをPCプラットフォームに導入する先頭に立っています。しかし、レイトレーシングの初期の頃と同様に、パストレーシングは現在、高性能なハードウェアを必要とします。例えば、強力なRTX 5090でさえ、多くのタイトルで30～40 FPSしか出せず、DLSSアップスケーリングやフレーム生成に大きく依存しているため、プレイ可能なフレームレートを実現するのは困難です。

レイトレーシングはPCでその歴史をスタートさせ、現代のハードウェア上で徐々に効率性を高めてきた。コンソール機もレイトレーシングを効果的に取り入れているが、多くの場合、画質設定は依然として60FPSに満たない。

左側に「オリジナル ReSTIR PT (37.1 ms) FLIP: 0.321」、右側に「ReSTIR PT Enhanced (12.6 ms) FLIP: 0.263」を示した比較画像。レンダリング時間と視覚的なノイズ低減の違いが強調されている。 — 画像提供元：NVIDIA

NVIDIAは、「ReSTIR PT Enhanced: Algorithmic Advances for Faster and More Robust ReSTIR Path Tracing」と題した画期的な研究論文の中で、パストレーシングのパフォーマンス向上を目的とした一連のReSTIRアルゴリズムについて概説しています。これらの革新的な技術により、現在のパストレーシングおよびレイトレーシングの出力に見られる視覚的な不整合を最小限に抑えつつ、処理速度を2～3倍向上させることが可能です。

このコラージュでは、「オリジナル ReSTIR PT」と「ReSTIR PT Enhanced」を「水彩画」、「ゼロデイ」、「王冠」の3つのシーンで比較し、レンダリング時間と FLIP 値の違いを強調しています。強化版では、レンダリング時間が短縮され、画質が向上しています。 — 画像提供元：NVIDIA

NVIDIAの強化されたパストレーシングアルゴリズムは、同社が「製品版として使用可能」と考えるレベルに近づいており、空間再利用に伴うコストを半減させています。これらの進歩は、直接照明とグローバル照明を統合する手法によって全体的なパフォーマンスと品質を向上させるとともに、カラーノイズと遮蔽ノイズの低減にも効果的に対処します。このアルゴリズムの進歩には、以下のものが含まれます。

選択的な近隣住民の選定を通じて達成される空間再利用に関連した、シフトマッピングコストの削減。
シーンや素材の変化に応じて調整される、動的なレイフットプリントしきい値。
サンプル重複マップを利用して相関アーチファクトを最小限に抑える。
色ノイズや遮蔽ノイズを抑制することで、安定性とパフォーマンスを向上させるための追加最適化。

「4つのシーンの平均フレームおよびパスコスト（ミリ秒）」と題された表には、「+Unify DI & GI（セクション6.1）」という手法が、13.04ミリ秒という最も低い総フレームコストを達成していることが示されています。 — 画像提供元：NVIDIA

表1は、Linら[2022]の公開ソースコードをベースラインとして、各行に新しい機能/最適化を1つ追加した、我々の手法の性能を示しています。まず、コスト削減手法による高速化を測定しました。テストした4つのシーン全体で平均2.74倍の高速化が実現しました。これらのシーンは、形状と材料の複雑さの範囲を反映するように選択されました。個々のシーンの結果は補足資料に記載されています。

低レベルGPU最適化の効果をさらに詳しく把握するため、NSight Graphicsを使用してOpera Houseのプロファイリングを行いました。プロファイラデータによると、セクション6.2.1～6.2.3の最適化により、スレッドの分岐が低減され、GPUの計算効率が向上しています。具体的には以下のとおりです。

SMワープ占有率が22.4%から31.1%に増加

経糸あたりの有効糸数が15.3から19.9に増加

ワープレイテンシが347kサイクルから241kサイクルに減少

これらはすべて、サンプラーの動作を変更することなく実現されます。ロシアンルーレット（セクション6.2.4）を適用すると、これらの指標はさらに改善され、以下のようになります。

稼働率34.9％

経糸1本あたり20.6本の有効糸

82kサイクルのレイテンシ

ReSTIRの各パスでは、時間的再利用をサポートするために2組のリザーバーが必要となるため、これらの変更により、ピクセルあたりのストレージ容量が、ベースライン実装（ReSTIR DIに16バイトのリザーバーを使用）の2×(88+16)バイトから2×64バイトに削減されます。レンダリング解像度が1920×1080の場合、メモリ消費量は431MBから265MBに減少します。

GPU最適化結果をLinら[2022]と比較

技術職／インターンシップ SMワープ占有率（％） ワープあたりのアクティブスレッド数 ワープ遅延（サイクル） スピードアップ vs.ベースライン 注記

ベースライン（Lin et al.[2022]） 22.4 15.3 347k 1.0倍公開ソースコードのベースライン

低レベルGPU最適化（6.2.1～6.2.3節） 31.1 19.9 241k 2.74倍（4シーンの平均）ねじ山のずれが軽減され、効率が向上しました。

+ ロシアンルーレット（6.2.4項） 34.9 20.6 82k — さらなる効率向上

+ 新しいしきい値（第4、5、6節） — — — — シーンに依存しない再接続基準により、シフトマッピングの品質が向上します。

すべての改善点（装飾、騒音低減） — — — 2.30倍最速バージョンと比較してコストが19%増加するが、それでもより高速である

技術職／インターンシップ	SMワープ占有率（％）	ワープあたりのアクティブスレッド数	ワープ遅延（サイクル）	スピードアップ vs.ベースライン	注記
ベースライン（Lin et al.[2022]）	22.4	15.3	347k	1.0倍	公開ソースコードのベースライン
低レベルGPU最適化（6.2.1～6.2.3節）	31.1	19.9	241k	2.74倍（4シーンの平均）	ねじ山のずれが軽減され、効率が向上しました。
+ ロシアンルーレット（6.2.4項）	34.9	20.6	82k	—	さらなる効率向上
+ 新しいしきい値（第4、5、6節）	—	—	—	—	シーンに依存しない再接続基準により、シフトマッピングの品質が向上します。
すべての改善点（装飾、騒音低減）	—	—	—	2.30倍	最速バージョンと比較してコストが19%増加するが、それでもより高速である

NVIDIAの技術革新は、特にRTX 40およびRTX 50 GPUシリーズのリリース以降、パストレーシング機能の大幅な向上を約束するものです。NVIDIAは今後、ニューラルレンダリング技術とAIアルゴリズムをゲームハードウェアに組み込むことで、次世代のビジュアル機能を劇的に向上させることに意欲を示しています。

出典と画像