Co je sledování paprsků a jak změní hry?

Ray tracing je osvětlovací technika, která do her vnáší další úroveň realismu. Napodobuje způsob, jakým se světlo odráží a láme v reálném světě, a poskytuje věrohodnější prostředí, než jaké je obvykle vidět při použití statického osvětlení v tradičnějších hrách. Ale co přesně je sledování paprsků? A co je důležitější, jak to funguje?

Dobrá grafická karta může využít ray tracing ke zlepšení ponoření, ale ne všechny GPU tuto techniku ​​zvládnou. Čtěte dále a rozhodněte se, zda je sledování paprsků nezbytné pro váš herní zážitek a zda vás opravňuje utrácet stovky za vylepšený GPU.

Virtuální fotony

Abychom pochopili, jak revoluční systém osvětlení ray tracing funguje, musíme udělat krok zpět a porozumět tomu, jak hry dříve vykreslovaly světlo, a také to, co je třeba napodobit pro fotorealismus Zkušenosti.

Hry bez sledování paprsků spoléhají na statické „zapečené“ osvětlení. Vývojáři umísťují světelné zdroje do prostředí, které vyzařuje světlo rovnoměrně v jakémkoli daném pohledu. Navíc virtuální modely, jako jsou NPC a objekty, neobsahují žádné informace o žádném jiném modelu, což vyžaduje, aby GPU během procesu vykreslování vypočítal světelné chování. Povrchové textury mohou odrážet světlo a napodobovat lesk, ale pouze světlo vyzařované ze statického zdroje. Vezměte si srovnání odrazy v GTA Vníže jako příklad.

Celkově vývoj GPU pomohl tomuto procesu, aby se v průběhu let stal realističtějším vzhledem, ale hry stále nejsou fotorealistické, pokud jde o odrazy, lomy a obecně v reálném světě osvětlení. K tomu potřebuje GPU schopnost sledovat virtuální paprsky světla.

V reálném světě je viditelné světlo malou částí skupiny elektromagnetického záření vnímané lidským okem. Obsahuje fotony, které se chovají jako částice i jako vlna. Fotony nemají žádnou skutečnou velikost ani tvar – lze je pouze vytvořit nebo zničit.

To znamená, že světlo lze identifikovat jako proud fotonů. Čím více fotonů máte, tím jasnější je vnímané světlo. K odrazu dochází, když se fotony odrazí od povrchu. K lomu dochází, když fotony - které se pohybují v přímce - procházejí průhlednou látkou a čára je přesměrována nebo "ohnuta". Zničené fotony lze vnímat jako „absorbované“.

Ray tracing ve hrách se pokouší napodobit způsob, jakým světlo funguje v reálném světě. Sleduje cestu simulovaného světla sledováním milionů virtuálních fotonů. Čím jasnější světlo, tím více virtuálních fotonů musí GPU vypočítat a tím více povrchů se bude odrážet, lámat a rozptylovat.

Proces není nic nového. CGI používá ray tracing po celá desetiletí, ačkoli tento proces v prvních dnech vyžadoval farmy počítačů k vytvoření celého filmu, protože vykreslení jednoho snímku mohlo trvat hodiny nebo dokonce dny. Nyní mohou domácí počítače emulovat ray-tracovanou grafiku v reálném čase s využitím hardwarové akcelerace a chytrých triků s osvětlením k omezení počtu paprsků na zvládnutelný počet.

Tady je to pravé, co otevírá oči: Jako každý film nebo televizní pořad jsou scény v animaci CGI obvykle „natočeny“ z různých úhlů. U každého snímku můžete posunout kameru a zachytit akci, přiblížit, oddálit nebo posouvat celou oblast. A stejně jako animace musíte se vším manipulovat snímek po snímku, abyste napodobili pohyb. Spojte všechny záběry dohromady a máte plynulý příběh.

Ve hrách ovládáte jedinou kameru, která je stále v pohybu a neustále mění úhel pohledu, zejména v rychlých hrách. Ve hrách CGI i ray-traced musí GPU nejen vypočítat, jak se světlo odráží a láme v dané scéně, ale musí také vypočítat, jak je zachyceno čočkou – vaším úhlem pohledu. U her je to obrovské množství výpočetní práce pro jeden počítač nebo konzoli.

Bohužel stále nemáme počítače na spotřebitelské úrovni, které by skutečně dokázaly vykreslit ray-tracovanou grafiku při vysokých snímkových frekvencích. Místo toho nyní máme hardware, který dokáže efektivně podvádět.

Pojďme doopravdy

Zásadní podobnost sledování paprsků se skutečným životem z něj dělá extrémně realistickou techniku ​​3D vykreslování, a dokonce i hranaté hry jako Minecraft vypadat téměř fotorealisticky ve správných podmínkách. Je tu jen jeden problém: Je extrémně těžké to simulovat. Obnovení způsobu, jakým světlo funguje v reálném světě, je komplikované a náročné na zdroje a vyžaduje obrovské množství výpočetního výkonu.

To je důvod, proč stávající možnosti sledování paprsků ve hrách, jako je sledování paprsků řízený RTX od Nvidie, neodpovídají skutečnosti. Nejedná se o skutečné sledování paprsků, kdy je simulován každý bod světla. Místo toho GPU „podvádí“ pomocí několika chytrých aproximací, aby poskytly něco blízkého stejnému vizuálnímu efektu, ale bez velkého zatížení hardwaru.

Většina her ray tracing nyní používá kombinaci tradičních osvětlovacích technik, typicky nazývaných rasterizace, a ray tracing na specifických površích, jako jsou reflexní louže a kovové výrobky. Battlefield V je toho skvělým příkladem. Vidíte odraz vojáků ve vodě, odraz terénu na letadlech a odraz výbuchů na laku auta. Je možné zobrazit odrazy v moderních 3D enginech, ale ne na úrovni detailů, jako jsou hry jako Battlefield V když je povoleno sledování paprsků.

Ray tracing lze také využít pro stíny, aby byly dynamičtější a realističtější. Uvidíte, že se to používá s velkým efektem Shadow of the Tomb Raider.

Ray-tracing osvětlení může vytvořit mnohem realističtější stíny v tmavých a jasných scénách, s měkčími okraji a lepším rozlišením. Dosažení tohoto vzhledu bez sledování paprsků je mimořádně obtížné. Vývojáři jej mohou předstírat pouze pečlivým, kontrolovaným používáním přednastavených statických světelných zdrojů. Umístění všech těchto „jevištních světel“ trvá mnoho času a úsilí – a ani pak není výsledek úplně správný.

Některé hry jdou na plné pecky a využívají ray tracing pro globální osvětlení, čímž efektivně ray-tracing celou scénu. Ale to je výpočetně nejnákladnější možnost a k efektivnímu fungování potřebuje nejvýkonnější z moderních grafických karet. Metro Exodus používá tuto techniku, i když implementace není dokonalá.

Z tohoto důvodu jsou populární poloviční opatření, jako jsou pouze stíny pro sledování paprsku nebo reflexní povrchy. Jiné hry využívají technologie Nvidia, jako je potlačení šumu a Hluboké učení Super vzorkování ke zlepšení výkonu a zakrytí některých vizuálních škytavek, ke kterým dochází při vykreslování menšího množství paprsků, než by bylo nutné k vytvoření skutečně paprskově sledované scény. Ty jsou stále vyhrazeny pro předem vykreslené snímky obrazovky a filmy, kde výkonné servery mohou strávit celé dny vykreslováním jednotlivých snímků.

Hardware za paprsky

Aby bylo možné zvládnout i tyto relativně skromné ​​implementace sledování paprsků, představily grafické karty řady Nvidia RTX 20 hardware speciálně vytvořený pro sledování paprsků.

Nyní všechny karty RTX podporují ray tracing a nejnovější GPU řady RTX 40 mají další způsob, jak ošidit výkon. SER nebo Shader Execution Reording, je k dispozici na RTX 4090 a RTX 4080 a Nvidia říká, že dokáže zvýšit výkon o 25 % ve hrách s ray tracingem. Funguje tak, že při zpracování instrukcí ray tracingu GPU mění pořadí, čímž optimalizuje úlohu pro dostupný výpočetní výkon.

Přestože byly rané dny sledování paprsků drsné, nedávné karty Nvidie byly mnohem lepší. S SER v příští generaci spolu s DLSS 3 můžeme vidět sledování paprsků, které nesnižuje vaši snímkovou frekvenci.

ray tracing od Nvidie metoda však není jedinou dostupnou možností. K dispozici jsou také efekty následného zpracování Reshade „trasování cesty“, které poskytují srovnatelné vizuály bez něčeho podobného, ​​jako je stejný výkon.

AMD má nyní také možnosti pro sledování paprsků, ke kterým se dostaneme příště.

Stále budete chtít a výkonná grafická karta pro ray tracing bez ohledu na implementaci, ale jak se tato technika uchytila ​​u herních vývojářů, můžeme vidět širší škálu podpůrného hardwaru za mnohem dostupnější ceny.

A co AMD?

AMD se v posledních několika letech potýkalo s problémy s poskytováním hardwarově akcelerovaného ray tracingu, ale to se změnilo s uvedením RX 6800, 6800 XT a 6900 XT. Tyto nové karty obsahují podporu DirectX 12 ray tracing a poskytují vynikající výkon, i když AMD není v oddělení ray-tracing na úrovni Nvidie (přečtěte si náš RX 6800 XT versus RTX 3080 a RX 6900 XT versus RTX 3090 srovnání pro více).

To sotva přijde jako překvapení, vzhledem k Architektura Big Navi napájení karet AMD RX 6000 je do značné míry první generací akcelerace ray-tracing. Je to stejná architektura, která pohání vizuály v PlayStation 5 a Xbox Series X, které zajišťují celkově nižší úroveň výkonu než vlajkové karty Nvidie. Vzhledem k tomu, že sledování paprsků je vynikající funkcí na konzolích nové generace, očekáváme lepší podporu a optimalizace. V blízké budoucnosti se dočkáme debutu AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) pro herní počítače a také nejnovější verze Microsoft Xbox.

Jak můžete vidět ray tracing doma?

Abyste mohli sledovat paprsky doma, budete potřebovat nedávnou – a drahou – grafickou kartu. Hardwarově akcelerované sledování paprsku je k dispozici pouze na GPU Nvidia RTX nebo na GPU AMD řady RX 6000. Karty řady GTX 10 a 16 podporují sledování paprsku, ale postrádají jádra RT, aby to bylo pohodlné hratelné.

Pokud očekáváte, že budete hrát v rozlišení nad 1080p a se snímkovou frekvencí 60 snímků za sekundu nebo více, nejlepším řešením je utrácet za grafickou kartu nejvyšší řady. Ve 4K jsou RTX 3080 a RX 6800 XT vynikajícími kartami, ale vystačíte si s RTX 3070 nebo RX 6800 pokud jste ochotni přejít u určitých titulů na 1440p.

Je tam omezený výběr her s podporou ray tracingu, ale jejich počet roste. Nejlepší příklady sledování paprsků zahrnují raná ukázky RTX, jako je Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider, a Metro Exodus. Novější hry jako Řízení a MechWarrior 5: Žoldáci také vypadat přesvědčivě. Zůstaňte ve Světle je nezávislá hororová hra postavená pomocí paprskově sledovaných stínů a odrazů. Remasterované Zemětřesení II s RTX ray tracingem je další fantastický příklad.

Na trhu je méně her pro sledování paprsků, ale odvětví roste. Tak jako PlayStation 5 a Xbox Series X začít s reklamou ray tracing, konkurenti budou brzy následovat. Multiplatformní hra Watch Dogs 2 se liší od nového Watch Dogs: Legion, protože nová hra zahájila sledování paprsků, aby fungovalo na konzolích a počítačích.

Zkuste použít Sledování paprsků Port Royal společnosti UL Benchmark zjistit, zda váš počítač bude pracovat s ray tracingem.

Doporučení redakce

• Ani partneři Nvidie nevěří v nový RTX 4060 Ti
• Nvidia RTX 4060 nakonec nemusí být takovým zklamáním
• Jak převést vaše kazety VHS na DVD, Blu-ray nebo digitální
• AMD může rozdrtit Nvidii svými grafickými procesory pro notebooky – ale na přední straně stolního počítače je ticho
• Nvidia RTX 4060 Ti vs. RTX 4070: porovnání GPU střední třídy Nvidia