Какво е проследяване на лъчи и как ще промени игрите?

Проследяването на лъчи е техника за осветяване, която внася допълнително ниво на реализъм в игрите. Той емулира начина, по който светлината се отразява и пречупва в реалния свят, осигурявайки по-правдоподобна среда от това, което обикновено се вижда при използване на статично осветление в по-традиционните игри. Но какво точно е проследяване на лъчи? И което е по-важно, как работи?

Добрата графична карта може да използва проследяване на лъчи за подобряване на потапянето, но не всички графични процесори могат да се справят с тази техника. Прочетете, за да решите дали проследяването на лъчи е от съществено значение за вашето игрово изживяване и дали оправдава харченето на стотици за надграден GPU.

Виртуални фотони

За да разберем точно как работи революционната система за осветление на проследяването на лъчи, трябва да се отдръпнем и разберете как предишните игри са изобразявали светлина, както и какво трябва да се емулира за фотореалистичен опит.

Игрите без проследяване на лъчи разчитат на статично „запечено“ осветление. Разработчиците поставят източници на светлина в среда, която излъчва светлина равномерно във всеки даден изглед. Освен това виртуални модели като NPC и обекти не съдържат никаква информация за който и да е друг модел, което изисква GPU да изчислява поведението на светлината по време на процеса на изобразяване. Повърхностните текстури могат да отразяват светлината, за да имитират блясък, но само светлина, излъчвана от статичен източник. Вземете сравнението на отражения в GTA Vпо-долу като пример.

Като цяло, еволюцията на GPU помогна този процес да стане по-реалистичен на външен вид през годините, но игрите все още не са фотореалистични по отношение на отраженията в реалния свят, пречупванията и като цяло осветяване. За да постигне това, GPU се нуждае от способността да проследява виртуални лъчи светлина.

В реалния свят видимата светлина е малка част от групата електромагнитни лъчения, възприемани от човешкото око. Той съдържа фотони, които се държат както като частица, така и като вълна. Фотоните нямат реален размер или форма - те могат само да бъдат създадени или унищожени.

Въпреки това светлината може да се идентифицира като поток от фотони. Колкото повече фотони имате, толкова по-ярка е възприеманата светлина. Отражението възниква, когато фотоните отскачат от повърхността. Пречупването се случва, когато фотоните - които се движат по права линия - преминават през прозрачно вещество и линията се пренасочва или „огъва“. Унищожените фотони могат да се възприемат като „погълнати“.

Проследяването на лъчи в игрите се опитва да подражава на начина, по който светлината работи в реалния свят. Той проследява пътя на симулирана светлина чрез проследяване на милиони виртуални фотони. Колкото по-ярка е светлината, толкова повече виртуални фотони трябва да изчисли графичният процесор и толкова повече повърхности ще отразява, пречупва и разсейва и от тях.

Процесът не е нещо ново. CGI използва проследяване на лъчи от десетилетия, въпреки че процесът изискваше ферми от компютри в първите дни, за да генерира пълен филм, като се има предвид, че рендирането на един кадър може да отнеме часове или дори дни. Сега домашните компютри могат да емулират графики с проследяване на лъчи в реално време, като използват хардуерно ускорение и хитри трикове за осветление, за да ограничат броя на лъчите до управляем брой.

Ето какво наистина отваря очите: като всеки филм или телевизионно предаване, сцените в CGI анимацията обикновено се „заснимат“ с различни ъгли. За всеки кадър можете да преместите камера, за да заснемете действието, да увеличите, намалите мащаба или да панорамирате цяла област. И подобно на анимацията, трябва да манипулирате всичко кадър по кадър, за да емулирате движение. Съберете всички кадри заедно и ще имате една плавна история.

В игрите вие ​​управлявате една единствена камера, която е винаги в движение и винаги променя гледната точка, особено в бързи игри. Както в CGI, така и в игрите с проследяване на лъчи, GPU не само трябва да изчисли как светлината се отразява и пречупва във всяка дадена сцена, но също така трябва да изчисли как е уловена от обектива - вашата гледна точка. За игри това е огромно количество изчислителна работа за един компютър или конзола.

За съжаление, все още нямаме персонални компютри на потребителско ниво, които наистина могат да рендират графики с проследяване на лъчи при висока честота на кадрите. Вместо това сега имаме хардуер, който може да мами ефективно.

Нека бъдем реални

Фундаменталното сходство на проследяването на лъчи с реалния живот го прави изключително реалистична техника за 3D изобразяване, дори правейки блокови игри като Minecraft изглеждат почти фотореалистични при правилните условия. Има само един проблем: изключително трудно е да се симулира. Пресъздаването на начина, по който светлината работи в реалния свят, е сложно и ресурсоемко, което изисква масивна изчислителна мощност.

Ето защо съществуващите опции за проследяване на лъчи в игрите, като проследяването на лъчи, управлявано от RTX на Nvidia, не са реални. Те не са истинско проследяване на лъчи, при което се симулира всяка светлинна точка. Вместо това графичният процесор „мами“, като използва няколко интелигентни приближения, за да достави нещо близко до същия визуален ефект, но без да натоварва хардуера.

Повечето игри за проследяване на лъчи сега използват комбинация от традиционни техники за осветление, обикновено наричани растеризация, и проследяване на лъчи върху специфични повърхности, като отразяващи локви и метални конструкции. Бойно поле V е чудесен пример за това. Виждате отражението на войските във водата, отражението на терена върху самолетите и отражението на експлозиите върху боята на автомобила. Възможно е да се показват отражения в съвременните 3D двигатели, но не на нивото на детайлност, показано в игри като Бойно поле V когато трасирането на лъчи е активирано.

Проследяването на лъчи може да се използва и за сенките, за да ги направи по-динамични и реалистични. Ще видите, че това е имало голям ефект в Shadow of the Tomb Raider.

Осветлението с проследяване на лъчи може да създаде много по-реалистични сенки в тъмни и ярки сцени, с по-меки ръбове и по-голяма дефиниция. Постигането на този вид без проследяване на лъчи е изключително трудно. Разработчиците могат да го фалшифицират само чрез внимателно, контролирано използване на предварително зададени, статични източници на светлина. Поставянето на всички тези „светлини на сцената“ отнема много време и усилия - и дори тогава резултатът не е съвсем правилен.

Някои игри правят всичко и използват проследяване на лъчи за глобално осветяване, ефективно проследяване на лъчи на цяла сцена. Но това е най-скъпата от изчислителна гледна точка опция и се нуждае от най-мощната от съвременните графични карти, за да работи ефективно. Метро Изход използва тази техника, въпреки че изпълнението не е перфектно.

Поради това полумерките, като само сенки за проследяване на лъчи или отразяващи повърхности, са популярни. Други игри използват технологии на Nvidia като премахване на шума и Супер семплиране на дълбоко обучение за подобряване на производителността и прикриване на някои от визуалните пропуски, които се появяват при рендиране на по-малко лъчи, отколкото би било необходимо за създаване на сцена с наистина проследяване на лъчи. Те все още са запазени за предварително изобразени екранни снимки и филми, където мощните сървъри могат да прекарват дни в изобразяване на единични кадри.

Хардуерът зад лъчите

За да се справят дори с тези сравнително скромни реализации на проследяване на лъчи, графичните карти от серията RTX 20 на Nvidia представиха хардуер, специално създаден за проследяване на лъчи.

Сега всички RTX карти поддържат проследяване на лъчи, а най-новите графични процесори от серия RTX 40 имат още един начин за измама на производителността. SER или пренареждане на изпълнението на шейдъра, се предлага на RTX 4090 и RTX 4080, а Nvidia казва, че може да увеличи производителността с 25% в игри с проследяване на лъчи. Работи чрез пренареждане, когато инструкциите за проследяване на лъчи се обработват от GPU, оптимизирайки задачата за наличната изчислителна мощност.

Въпреки че първите дни на проследяването на лъчи бяха груби, последните карти на Nvidia бяха много по-добри. Със SER в следващото поколение, заедно с DLSS 3, може да видим проследяване на лъчи, което не поддържа вашата кадрова честота.

Проследяване на лъчи на Nvidia методът обаче не е единствената налична опция. Има също и ефекти за последваща обработка на Reshade „проследяване на пътя“, които предоставят сравними визуални ефекти без нищо подобно на същото постижение на производителността.

AMD вече има и опции за проследяване на лъчи, които ще разгледаме по-нататък.

Все още ще искате a мощна графична карта за проследяване на лъчи, независимо от изпълнението, но тъй като техниката се налага сред разработчиците на игри, може да видим по-широк набор от поддържащ хардуер на много по-достъпни цени.

Какво ще кажете за AMD?

AMD се бори през последните няколко години да достави хардуерно ускорено проследяване на лъчи, но това се промени с пускането на пазара на RX 6800, 6800 XT и 6900 XT. Тези нови карти разполагат с DirectX 12 поддръжка за проследяване на лъчи и осигуряват отлична производителност, дори ако AMD не е съвсем на нивото на Nvidia в отдела за проследяване на лъчи (прочетете нашия RX 6800 XT срещу RTX 3080 и RX 6900 XT срещу RTX 3090 сравнения за повече).

Това едва ли е изненада, като се има предвид Голяма Navi архитектура захранването на картите RX 6000 на AMD е до голяма степен първо поколение ускорение за проследяване на лъчи. Това е същата архитектура, която захранва визуалните ефекти в PlayStation 5 и Xbox Series X, осигурявайки по-ниско ниво на производителност като цяло от водещите карти на Nvidia. Въпреки това, тъй като проследяването на лъчи е забележителна функция на конзолите от следващо поколение, очакваме по-добра поддръжка и оптимизации напред. В близко бъдеще ще видим дебюта на AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) за компютри за игри и също най-новите версии на Microsoft Xbox.

Как можете да видите проследяване на лъчи у дома?

Ще ви трябва скорошна — и скъпа — графична карта, за да видите проследяване на лъчи у дома. Хардуерно ускореното проследяване на лъчи е налично само на графични процесори Nvidia RTX или графични процесори от серия RX 6000 на AMD. Картите от серия GTX 10 и серия 16 поддържат проследяване на лъчи, но им липсват RT ядра, за да е удобно годни за игра.

Ако очаквате да играете с разделителна способност над 1080p и с честота на кадрите от 60 кадъра в секунда или повече, най-добрият ви залог е да се похарчите за най-добрата графична карта. При 4K RTX 3080 и RX 6800 XT са открояващите се карти, но можете да минете с RTX 3070 или RX 6800 ако желаете да преминете към 1440p в определени заглавия.

Има ограничен избор на игри с активирано проследяване на лъчи, но броят им расте. Топ примери за проследяване на лъчи включват ранни RTX демонстрации, като Бойно поле V, Shadow of the Tomb Raider, и Метро Изход. По-нови игри като контрол и MechWarrior 5: Наемници също изглеждат завладяващи. Останете в Светлината е независима игра на ужасите, създадена с помощта на проследени от лъчи сенки и отражения. Ремастерираният Quake II с RTX проследяване на лъчи е друг фантастичен пример.

Има по-малко игри за проследяване на лъчи на пазара, но индустрията расте. Като PlayStation 5 и Xbox Series X започнете да рекламирате проследяване на лъчи, конкурентите скоро ще го последват. Мултиплатформената игра Watch Dogs 2 е различен от новия Watch Dogs: Legion, тъй като новата игра инициира проследяване на лъчи за работа на конзоли и компютри.

Опитайте да използвате Проследяване на лъчи Port Royal на UL Benchmark за да определите дали компютърът ви ще работи с проследяване на лъчи.

Препоръки на редакторите

• Дори партньорите на Nvidia не вярват в новата RTX 4060 Ti
• RTX 4060 на Nvidia все пак може да не е такова разочарование
• Как да конвертирате вашите VHS касети в DVD, Blu-ray или цифрови
• AMD може да смаже Nvidia със своите графични процесори за лаптопи – но е безшумен на предната част на работния плот
• Nvidia RTX 4060 Ti срещу. RTX 4070: сравняване на GPU от среден клас на Nvidia