Mitä säteenseuranta on, ja miten se muuttaa pelejä?

Ray Tracing on valaistustekniikka, joka tuo peleihin ylimääräistä realismia. Se jäljittelee tapaa, jolla valo heijastuu ja taittuu todellisessa maailmassa, tarjoten uskottavamman ympäristön kuin mitä tavallisesti nähdään käyttämällä staattista valaistusta perinteisemmissä peleissä. Mutta mitä säteen jäljitys tarkalleen ottaen on? Ja mikä tärkeintä, miten se toimii?

Hyvä näytönohjain voi käyttää säteenseurantaa parantamaan uppoamista, mutta kaikki GPU: t eivät pysty käsittelemään tätä tekniikkaa. Lue eteenpäin ja päätä, onko säteenseuranta olennaista pelikokemuksesi kannalta ja oikeuttaako se kuluttamaan satoja päivitetystä grafiikkasuorittimesta.

Virtuaaliset fotonit

Ymmärtääksemme, kuinka ray Tracingin vallankumouksellinen valaistusjärjestelmä toimii, meidän on astuttava taaksepäin ja ymmärtää, miten pelit aiemmin tuottivat valoa, sekä mitä pitää jäljitellä fotorealistisen kuvan saavuttamiseksi kokea.

Pelit ilman säteenseurantaa perustuvat staattiseen "paistettuun" valaistukseen. Kehittäjät sijoittavat valonlähteet ympäristöön, joka lähettää valoa tasaisesti missä tahansa näkymässä. Lisäksi virtuaalimallit, kuten NPC: t ja objektit, eivät sisällä tietoja mistään muista malleista, mikä edellyttää GPU: n laskevan valokäyttäytymistä renderöintiprosessin aikana. Pintatekstuurit voivat heijastaa valoa jäljitelläkseen kiiltoa, mutta vain staattisen lähteen lähettämää valoa. Ota vertailu heijastuksia sisään GTA Valla esimerkkinä.

Kaiken kaikkiaan GPU: n kehitys on auttanut tätä prosessia näyttämään realistisemmalta vuosien varrella, mutta pelit eivät silti ole fotorealistisia todellisen maailman heijastusten, taittumien ja yleisen suhteen valaistus. Tämän saavuttamiseksi GPU tarvitsee kyvyn jäljittää virtuaalisia valonsäteitä.

Todellisessa maailmassa näkyvä valo on pieni osa ihmissilmän havaitsemaa sähkömagneettista säteilyä. Se sisältää fotoneja, jotka käyttäytyvät sekä hiukkasina että aaltoina. Fotoneilla ei ole todellista kokoa tai muotoa - ne voidaan vain luoda tai tuhota.

Valo voidaan kuitenkin tunnistaa fotonivirraksi. Mitä enemmän fotoneja sinulla on, sitä kirkkaampi on havaittu valo. Heijastus tapahtuu, kun fotonit pomppaavat pois pinnasta. Taittuminen tapahtuu, kun fotonit - jotka kulkevat suorassa linjassa - kulkevat läpinäkyvän aineen läpi ja viiva suunnataan uudelleen tai "taivutetaan". Tuhoutuneita fotoneja voidaan pitää "absorboituneina".

Säteenseuranta peleissä yrittää jäljitellä tapaa, jolla valo toimii todellisessa maailmassa. Se jäljittää simuloidun valon polun seuraamalla miljoonia virtuaalisia fotoneja. Mitä kirkkaampi valo, sitä enemmän virtuaalisia fotoneja GPU: n on laskettava ja sitä enemmän pintoja se heijastaa, taittaa ja siroaa pois ja pois.

Prosessi ei ole mitään uutta. CGI on käyttänyt säteenseurantaa vuosikymmeniä, vaikka prosessi edellytti alkuaikoina tietokoneita koko elokuvan luomiseen, koska yhden ruudun renderöinti voi viedä tunteja tai jopa päiviä. Nyt kotitietokoneet voivat jäljitellä säteen jäljitettyä grafiikkaa reaaliajassa hyödyntäen laitteistokiihdytystä ja älykkäitä valaistustemppuja rajoittaakseen säteiden määrän hallittavaan määrään.

Tässä on todellinen silmien avaaja: Kuten missä tahansa elokuvassa tai TV-ohjelmassa, CGI-animaatiossa kohtaukset "kuvataan" tyypillisesti eri kuvakulmista. Jokaisen ruudun kohdalla voit siirtää kameraa tallentaaksesi toiminnan, lähentää, loitontaa tai panoroida koko alueen. Ja kuten animaatiossa, sinun on manipuloitava kaikkea kehys kehykseltä jäljitelläksesi liikettä. Liitä kaikki materiaalit yhteen, ja sinulla on virtaava tarina.

Pelissä ohjaat yhtä kameraa, joka on aina liikkeessä ja muuttaa aina näkökulmaa, etenkin nopeatempoisissa peleissä. Sekä CGI- että ray-tracked-peleissä GPU: n ei ole ainoastaan ​​laskettava, kuinka valo heijastuu ja taittuu missä tahansa kohtauksessa, vaan sen on myös laskettava, miten linssi vangitsee sen – sinun näkökulmasi. Pelien osalta se on valtava määrä laskennallista työtä yhdelle tietokoneelle tai konsolille.

Valitettavasti meillä ei vieläkään ole kuluttajatason tietokoneita, jotka voisivat todella renderöidä säteen jäljitettyä grafiikkaa korkeilla kehysnopeuksilla. Sen sijaan meillä on nyt laitteisto, joka voi huijata tehokkaasti.

Ollaan totta

Säteenseurannan perustavanlaatuinen samankaltaisuus todellisen elämän kanssa tekee siitä erittäin realistisen 3D-renderöintitekniikan, joka tekee jopa lohkopeleistä, kuten Minecraft näyttää lähes valokuvarealistiselta oikeissa olosuhteissa. On vain yksi ongelma: sitä on erittäin vaikea simuloida. Valon toimintatavan uudelleen luominen todellisessa maailmassa on monimutkaista ja resursseja vaativaa, ja se vaatii suuria laskentatehoa.

Tästä syystä pelien nykyiset säteenseurantavaihtoehdot, kuten Nvidian RTX-ohjattu säteenseuranta, eivät ole totta. Ne eivät ole todellista säteen jäljitystä, jossa jokaista valopistettä simuloidaan. Sen sijaan grafiikkasuoritin "huijaa" käyttämällä useita älykkäitä approksimaatioita tuottaakseen jotain lähellä samaa visuaalista tehostetta, mutta ilman, että se rasittaisi laitteistoa.

Useimmat säteenseurantapelit käyttävät nykyään yhdistelmää perinteisiä valaistustekniikoita, joita tyypillisesti kutsutaan rasteroinniksi, ja säteen jäljitystä tietyillä pinnoilla, kuten heijastavilla lätäköillä ja metallityöllä. Battlefield V on siitä loistava esimerkki. Näet joukkojen heijastuksen vedessä, maaston heijastuksen lentokoneissa ja räjähdysten heijastuksen auton maalipinnalla. On mahdollista näyttää heijastuksia nykyaikaisissa 3D-moottoreissa, mutta ei niin yksityiskohtaisesti kuin pelit, kuten Battlefield V kun säteenseuranta on käytössä.

Säteenseurantaa voidaan myös hyödyntää varjoissa, jotta niistä tulee dynaamisempia ja realistisempia. Näet, että sillä oli ollut suuri vaikutus Tomb Raiderin varjo.

Säteillä jäljitetty valaistus voi luoda paljon realistisempia varjoja tummissa ja kirkkaissa kohtauksissa, joissa on pehmeämmät reunat ja parempi tarkkuus. Tämän ilmeen saavuttaminen ilman säteen jäljitystä on äärimmäisen vaikeaa. Kehittäjät voivat väärentää sen vain käyttämällä esiasetettuja, staattisia valonlähteitä huolellisesti ja hallitusti. Kaikkien näiden "lavavalojen" sijoittaminen kestää paljon aikaa ja vaivaa – ja silloinkaan tulos ei ole aivan oikea.

Jotkut pelit käyvät läpi ja käyttävät säteenseurantaa maailmanlaajuiseen valaistukseen, joka jäljittää tehokkaasti koko kohtauksen. Mutta se on laskennallisesti kallein vaihtoehto, ja se tarvitsee tehokkaimmat nykyaikaiset näytönohjaimet toimiakseen tehokkaasti. Metro Exodus käyttää tätä tekniikkaa, vaikka toteutus ei ole täydellinen.

Tästä johtuen puolimitat, kuten vain säteitä jäljittävät varjot tai heijastavat pinnat, ovat suosittuja. Muut pelit hyödyntävät Nvidian teknologioita, kuten melunvaimennusta ja Deep Learning Super Sampling parantaa suorituskykyä ja peittää jotkin visuaaliset hikkaukset, jotka aiheutuvat siitä, että renderöidään vähemmän säteitä kuin olisi tarpeen todella säteilyjäljitetyn kohtauksen luomiseksi. Ne on edelleen varattu esihahmonnetuille kuvakaappauksille ja elokuville, joissa tehokkaat palvelimet voivat viettää päiviä yksittäisten ruutujen renderöimiseen.

Säteiden takana oleva laitteisto

Nvidian RTX 20 -sarjan näytönohjainkortit esittelivät laitteiston, joka on suunniteltu erityisesti säteenseurantaan, jotta voidaan käsitellä jopa näitä suhteellisen vaatimattomia säteenseurannan toteutuksia.

Nyt kaikki RTX-kortit tukevat säteenseurantaa, ja uusimmilla RTX 40 -sarjan GPU: illa on vielä yksi tapa huijata suorituskykyä. SER tai Shader Execution Reordering, on saatavilla osoitteessa RTX 4090 ja RTX 4080, ja Nvidian mukaan se voi parantaa suorituskykyä 25 % peleissä, joissa on säteenseuranta. Se toimii järjestämällä uudelleen, kun GPU käsittelee säteenseurantaohjeet, mikä optimoi tehtävän käytettävissä olevan laskentatehon mukaan.

Vaikka säteen jäljityksen alkuajat olivat karkeita, Nvidian viimeaikaiset kortit ovat menestyneet paljon paremmin. Seuraavan sukupolven SER: n ja DLSS 3:n kanssa saatamme nähdä säteenseurantaa, joka ei tallenna kuvanopeuttasi.

Nvidian säteenseuranta menetelmä ei kuitenkaan ole ainoa käytettävissä oleva vaihtoehto. Mukana on myös Reshade "polun jäljitys" -jälkikäsittelytehosteita, jotka tarjoavat vertailukelpoisia visuaalisia kuvia ilman samanlaista suorituskykyä.

AMD: llä on nyt myös säteenseurantavaihtoehtoja, joihin palaamme seuraavaksi.

Haluat silti a tehokas näytönohjain Säteenseurantaan toteutuksesta riippumatta, mutta kun tekniikka ottaa pelinkehittäjien suosion, saatamme nähdä laajemman valikoiman tukilaitteita paljon edullisemmilla hinnoilla.

Entä AMD?

AMD: llä on ollut vaikeuksia viime vuosina tarjota laitteistokiihdytettyä säteenseurantaa, mutta tilanne muuttui RX 6800:n, 6800 XT: n ja 6900 XT: n julkaisun myötä. Näissä uusissa korteissa on DirectX 12 -säteenseurantatuki ja ne tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn, vaikka AMD ei olisikaan aivan Nvidian tasolla säteenseurantaosastolla (lue meidän RX 6800 XT vs. RTX 3080 ja RX 6900 XT vs. RTX 3090 vertailut lisää).

Se tuskin tulee yllätyksenä, kun otetaan huomioon Big Navi -arkkitehtuuri AMD: n RX 6000 -korttien virransyöttö on hyvinkin ensimmäisen sukupolven säteenseurantakiihdytystä. Se on sama arkkitehtuuri, joka käyttää visuaalisuutta PlayStation 5 ja Xbox Series X, joka palvelee Nvidian lippulaivakortteja alhaisemmalla suoritustasolla. Koska säteenseuranta on erottuva ominaisuus seuraavan sukupolven konsoleissa, odotamme parempaa tukea ja optimointia eteenpäin. Lähitulevaisuudessa näemme debyytti AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) pelitietokoneille ja myös Microsoft Xboxin uusimmat versiot.

Kuinka voit nähdä säteenjäljityksen kotona?

Tarvitset tuoreen ja kalliin näytönohjaimen nähdäksesi säteenseurannan kotona. Laitteistokiihdytetty säteenseuranta on saatavilla vain Nvidia RTX -grafiikkasuorittimissa tai AMD: n RX 6000 -sarjan GPU: issa. GTX 10- ja 16-sarjan kortit tukevat säteenseurantaa, mutta niistä puuttuu RT-ytimet, jotta se olisi mukava pelattavissa.

Jos aiot pelata yli 1080p-resoluutiolla ja 60 fps: n tai suuremmalla kuvanopeudella, paras vaihtoehto on hankkia huippuluokan näytönohjain. 4K-tarkkuudella RTX 3080 ja RX 6800 XT ovat erottuvia kortteja, mutta voit pärjätä RTX 3070 tai RX 6800 jos olet valmis siirtymään 1440p-tarkkuuteen tietyissä nimikkeissä.

Valikoima on rajoitettu säteenseurantaa tukevista peleistä, mutta määrä kasvaa. Säteenseurannan parhaita esimerkkejä ovat varhaiset RTX-demot, kuten Battlefield V, Tomb Raiderin varjo, ja Metro Exodus. Tuoreempia pelejä mm Ohjaus ja MechWarrior 5: palkkasoturit näyttävät myös houkuttelevilta. Pysy Valossa on indie-kauhupeli, joka on rakennettu käyttämällä säteen jäljitettyjä varjoja ja heijastuksia. Remasteroitu Quake II RTX-säteenseurannalla on toinen fantastinen esimerkki.

Markkinoilla on vähemmän säteenseurantapelejä, mutta ala kasvaa. Kuten PlayStation 5 ja Xbox Series X aloittaa mainonnan säteenseurannan, kilpailijat seuraavat pian perässä. Monen alustan peli Watch Dogs 2 on erilainen kuin uusi Watch Dogs: Legion, koska uusi peli on käynnistänyt säteenseurannan toimimaan konsoleissa ja tietokoneissa.

Kokeile käyttää UL Benchmarkin Port Royal -säteilynseuranta määrittääksesi, toimiiko tietokoneesi säteenseurannan kanssa.

Toimittajien suositukset

• Edes Nvidian kumppanit eivät usko uuteen RTX 4060 Ti: hen
• Nvidian RTX 4060 ei ehkä ole niin suuri pettymys
• Kuinka muuntaa VHS-nauhat DVD-, Blu-ray- tai digitaalisiksi
• AMD saattaa murskata Nvidian kannettavan tietokoneen grafiikkasuorittimillaan - mutta se on hiljainen työpöydän edessä
• Nvidia RTX 4060 Ti vs. RTX 4070: Nvidian keskitason näytönohjainten vertailu