Hvad er ray tracing, og hvordan vil det ændre spil?

Strålesporing er en lysteknik, der bringer et ekstra niveau af realisme til spil. Det emulerer den måde, lyset reflekterer og brydes på i den virkelige verden, og giver et mere troværdigt miljø end det, der typisk ses ved brug af statisk belysning i mere traditionelle spil. Men hvad er ray tracing, præcist? Og endnu vigtigere, hvordan fungerer det?

Et godt grafikkort kan bruge ray tracing til at forbedre fordybelsen, men ikke alle GPU'er kan håndtere denne teknik. Læs videre for at afgøre, om ray-tracing er afgørende for din spiloplevelse, og om det retfærdiggør at bruge hundredvis på en opgraderet GPU.

Virtuelle fotoner

For at forstå, hvordan ray tracings revolutionerende belysningssystem fungerer, er vi nødt til at træde tilbage og forstå, hvordan spil tidligere blev gengivet lys, samt hvad der skal efterlignes for en fotorealistisk erfaring.

Spil uden ray tracing er afhængige af statisk "indbygget" belysning. Udviklere placerer lyskilder i et miljø, der udsender lys jævnt på tværs af en given visning. Desuden indeholder virtuelle modeller som NPC'er og objekter ingen information om nogen anden model, hvilket kræver, at GPU'en beregner lysadfærd under gengivelsesprocessen. Overfladeteksturer kan reflektere lys for at efterligne glans, men kun lys udsendt fra en statisk kilde. Tag sammenligningen af refleksioner i GTA Vnedenfor som et eksempel.

Samlet set har GPU'ens udvikling hjulpet denne proces med at blive mere realistisk i udseende gennem årene, men spil er stadig ikke fotorealistiske med hensyn til refleksioner, brydninger og generelt i den virkelige verden belysning. For at opnå dette har GPU'en brug for evnen til at spore virtuelle lysstråler.

I den virkelige verden er synligt lys en lille del af den elektromagnetiske strålingsfamilie, som det menneskelige øje opfatter. Den indeholder fotoner, der både opfører sig som en partikel og som en bølge. Fotoner har ingen reel størrelse eller form - de kan kun skabes eller ødelægges.

Når det er sagt, kunne lys identificeres som en strøm af fotoner. Jo flere fotoner du har, jo stærkere bliver det opfattede lys. Refleksion opstår, når fotoner hopper af en overflade. Brydning opstår, når fotoner - som bevæger sig i en lige linje - passerer gennem et gennemsigtigt stof, og linjen omdirigeres eller "bøjes". Ødelagte fotoner kan opfattes som "absorberede".

Strålesporing i spil forsøger at efterligne den måde, lys fungerer på i den virkelige verden. Den sporer simuleret lyss vej ved at spore millioner af virtuelle fotoner. Jo stærkere lyset er, jo flere virtuelle fotoner skal GPU'en beregne, og jo flere overflader vil den reflektere, bryde og sprede af og fra.

Processen er ikke noget nyt. CGI har brugt ray tracing i årtier, selvom processen krævede farme af computere i de tidlige dage for at generere en fuld film, givet et enkelt billede kunne tage timer eller endda dage at gengive. Nu kan hjemme-pc'er efterligne strålesporet grafik i realtid ved at udnytte hardwareacceleration og smarte lystricks for at begrænse antallet af stråler til et overskueligt antal.

Her er den rigtige øjenåbner: Som enhver film eller tv-serie bliver scener i CGI-animation typisk "skudt" ved hjælp af forskellige vinkler. For hvert billede kan du flytte et kamera for at fange handlingen, zoome ind, zoome ud eller panorere et helt område. Og ligesom animation skal du manipulere alt billede for billede for at efterligne bevægelse. Slå alle optagelserne sammen, og du har en flydende historie.

I spil styrer du et enkelt kamera, der altid er i bevægelse og altid ændrer synspunktet, især i hurtige spil. I både CGI og ray-traced spil skal GPU'en ikke kun beregne, hvordan lys reflekteres og brydes i en given scene, men den skal også beregne, hvordan det fanges af linsen - dit synspunkt. For spil er det en enorm mængde beregningsarbejde for en enkelt pc eller konsol.

Desværre har vi stadig ikke pc'er på forbrugerniveau, der virkelig kan gengive ray-traced grafik ved høje billedhastigheder. I stedet har vi nu hardware, der kan snyde effektivt.

Lad os blive rigtige

Ray tracing's grundlæggende lighed med det virkelige liv gør det til en ekstremt realistisk 3D-gengivelsesteknik, der endda gør blokfyldte spil som Minecraft se næsten fotorealistisk ud under de rigtige forhold. Der er kun et problem: Det er ekstremt svært at simulere. Det er kompliceret og ressourcekrævende at genskabe den måde, lys fungerer på i den virkelige verden, og det kræver masser af computerkraft.

Det er grunden til, at eksisterende ray-tracing-muligheder i spil, som Nvidias RTX-drevne ray-tracing, ikke er virkelighedstro. De er ikke ægte strålesporing, hvorved hvert lyspunkt simuleres. I stedet "snyder" GPU'en ved at bruge flere smarte tilnærmelser til at levere noget tæt på den samme visuelle effekt, men uden at være ret belastende for hardwaren.

De fleste ray tracing spil bruger nu en kombination af traditionelle belysningsteknikker, typisk kaldet rasterisering, og ray tracing på specifikke overflader såsom reflekterende vandpytter og metalarbejde. Battlefield V er et godt eksempel på det. Du ser reflektionen af ​​tropper i vand, reflektionen af ​​terræn på fly og reflektionen af ​​eksplosioner på tværs af en bils maling. Det er muligt at vise refleksioner i moderne 3D-motorer, men ikke på det detaljeringsniveau, der vises i spil som f.eks Battlefield V når ray tracing er aktiveret.

Strålesporing kan også udnyttes til skygger for at gøre dem mere dynamiske og realistiske. Du vil se, at det bruges med stor effekt i Shadow of the Tomb Raider.

Strålesporet belysning kan skabe meget mere realistiske skygger i mørke og lyse scener med blødere kanter og større definition. Det er ekstraordinært svært at opnå det look uden strålesporing. Udviklere kan kun forfalske det gennem omhyggelig, kontrolleret brug af forudindstillede, statiske lyskilder. Det kræver at placere alle disse "scenelys". en masse af tid og kræfter - og selv da er resultatet ikke helt rigtigt.

Nogle spil går hele vejen og bruger ray-tracing til global belysning, hvilket effektivt ray-tracer en hel scene. Men det er den mest beregningsmæssigt dyre mulighed og kræver det mest kraftfulde af moderne grafikkort for at køre effektivt. Metro Exodus bruger denne teknik, selvom implementeringen ikke er perfekt.

På grund af det er halve foranstaltninger som kun strålesporende skygger eller reflekterende overflader populære. Andre spil udnytter Nvidia-teknologier som denoising og Deep Learning Super Sampling at forbedre ydeevnen og dække over nogle af de visuelle hikke, der opstår ved at gengive færre stråler, end det ville være nødvendigt for at skabe en virkelig strålesporet scene. Disse er stadig reserveret til præ-renderede skærmbilleder og film, hvor højtydende servere kan bruge dage på at gengive enkelte frames.

Hardwaren bag strålerne

For at håndtere selv disse relativt beskedne implementeringer af ray-tracing, introducerede Nvidias RTX 20-series grafikkort hardware, der er specielt bygget til ray-tracing.

Nu understøtter alle RTX-kort ray-tracing, og de seneste GPU'er i RTX 40-serien har endnu en måde at snyde ydeevnen på. SER, eller Shader Execution Reordering, er tilgængelig på RTX 4090 og RTX 4080, og Nvidia siger, at det kan øge ydeevnen med 25 % i spil med ray-tracing. Det fungerer ved at omarrangere, når strålesporingsinstruktionerne behandles af GPU'en, hvilket optimerer opgaven for den tilgængelige beregningskraft.

Selvom de tidlige dage med strålesporing var barske, har Nvidias seneste kort været meget bedre. Med SER i næste generation, sammen med DLSS 3, kan vi muligvis se ray tracing, der ikke tanker din billedhastighed.

Nvidias strålesporing metoden er dog ikke den eneste tilgængelige mulighed. Der er også Reshade "path tracing" efterbehandlingseffekter, der leverer sammenlignelige billeder uden noget lignende præstationshit.

AMD har også muligheder for ray-tracing nu, som vi kommer til næste gang.

Du vil stadig have en kraftfuldt grafikkort til ray-tracing uanset implementeringen, men efterhånden som teknikken fanger spiludviklere, kan vi se en bredere vifte af understøttende hardware til meget mere overkommelige priser.

Hvad med AMD?

AMD har gennem de seneste år kæmpet for at levere hardware-accelereret ray-tracing, men det ændrede sig med lanceringen af ​​RX 6800, 6800 XT og 6900 XT. Disse nye kort har DirectX 12 ray-tracing-understøttelse og leverer fremragende ydeevne, selvom AMD ikke er helt på Nvidias niveau i ray-tracing-afdelingen (læs vores RX 6800 XT versus RTX 3080 og RX 6900 XT versus RTX 3090 sammenligninger for mere).

Det kommer næppe som en overraskelse i betragtning af Stor Navi-arkitektur at drive AMD's RX 6000-kort er i høj grad en første generation af ray-tracing-acceleration. Det er den samme arkitektur, der driver det visuelle i PlayStation 5 og Xbox Series X, der dækker et lavere niveau af ydeevne generelt end Nvidias flagskibskort. Men fordi ray tracing er en fremtrædende funktion på næste generations konsoller, forventer vi bedre support og optimeringer fremover. I den nærmeste fremtid vil vi se debut af AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) til gaming pc'er og også de seneste versioner af Microsoft Xbox.

Hvordan kan du se strålesporing derhjemme?

Du skal bruge et nyligt - og dyrt - grafikkort for at se ray tracing derhjemme. Hardware-accelereret ray-tracing er kun tilgængelig på Nvidia RTX GPU'er eller på AMD's RX 6000-serie GPU'er. GTX 10-serien og 16-seriens kort understøtter ray tracing, men mangler RT-kernerne for at gøre det komfortabelt spilbare.

Hvis du forventer at spille ved opløsninger over 1080p og med billedhastigheder på 60 fps eller mere, er dit bedste bud at give dig et top-of-the-line grafikkort. Ved 4K er RTX 3080 og RX 6800 XT de fremragende kort, men du kan klare dig med en RTX 3070 eller RX 6800 hvis du er villig til at flytte til 1440p i visse titler.

Der er et begrænset udvalg af ray-tracing-aktiverede spil, men antallet vokser. Topeksempler på strålesporing inkluderer tidlige RTX-demoer, f.eks Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider, og Metro Exodus. Nyere spil som Styring og MechWarrior 5: Mercenaries ser også overbevisende ud. Bliv i lyset er et indie-gyserspil bygget ved hjælp af strålesporede skygger og refleksioner. Den remasterede Quake II med RTX-strålesporing er endnu et fantastisk eksempel.

Der er færre ray tracing-spil på markedet, men industrien vokser. Som PlayStation 5 og Xbox Series X begynde at annoncere ray tracing, vil konkurrenter snart følge. Multi-platform spil Watch Dogs 2 er anderledes end det nye Watch Dogs: Legion, da det nye spil har indledt ray tracing til at fungere på konsoller og computere.

Prøv at bruge UL Benchmarks Port Royal-strålesporing for at afgøre, om din pc vil fungere med ray tracing.

Redaktørens anbefalinger

• Selv Nvidias partnere tror ikke på den nye RTX 4060 Ti
• Nvidias RTX 4060 er måske alligevel ikke sådan en skuffelse
• Sådan konverterer du dine VHS-bånd til DVD, Blu-ray eller digital
• AMD kan knuse Nvidia med sine bærbare GPU'er - men den er lydløs på skrivebordsfronten
• Nvidia RTX 4060 Ti vs. RTX 4070: sammenligner Nvidias mellemtone-GPU'er