Kas ir staru izsekošana un kā tas mainīs spēles?

Staru izsekošana ir apgaismojuma paņēmiens, kas spēlēm piešķir papildu reālisma līmeni. Tas atdarina veidu, kā gaisma atstaro un laužas reālajā pasaulē, nodrošinot daudz ticamāku vidi nekā parasti, izmantojot statisko apgaismojumu tradicionālākās spēlēs. Bet kas tieši ir staru izsekošana? Un vēl svarīgāk, kā tas darbojas?

Laba grafiskā karte var izmantot staru izsekošanu, lai uzlabotu iegremdēšanu, taču ne visi GPU var apstrādāt šo paņēmienu. Lasiet tālāk, lai izlemtu, vai staru izsekošana ir būtiska jūsu spēļu pieredzei un vai tā attaisno simtiem dolāru tērēšanu jauninātam GPU.

Virtuālie fotoni

Lai saprastu, kā darbojas staru izsekošanas revolucionārā apgaismojuma sistēma, mums ir jāatkāpjas un saprast, kā spēles iepriekš radīja gaismu, kā arī to, kas ir jāatdarina fotoreālistiskam attēlam pieredze.

Spēles bez staru izsekošanas balstās uz statisku “iestrādātu” apgaismojumu. Izstrādātāji izvieto gaismas avotus vidē, kas vienmērīgi izstaro gaismu jebkurā skatā. Turklāt virtuālie modeļi, piemēram, NPC un objekti, nesatur nekādu informāciju par citiem modeļiem, tāpēc GPU ir jāaprēķina gaismas uzvedība renderēšanas procesa laikā. Virsmas faktūras var atstarot gaismu, lai atdarinātu spīdumu, bet tikai gaismu, ko izstaro statisks avots. Veikt salīdzinājumu pārdomas iekšā GTA Vzemāk kā piemēru.

Kopumā GPU attīstība gadu gaitā ir palīdzējusi šim procesam kļūt reālistiskākam, bet spēles joprojām nav fotoreālistiskas reālās pasaules atspulgu, refrakciju un vispārīgā ziņā apgaismojums. Lai to paveiktu, GPU ir nepieciešama iespēja izsekot virtuālajiem gaismas stariem.

Reālajā pasaulē redzamā gaisma ir neliela daļa no elektromagnētiskā starojuma saimes, ko uztver cilvēka acs. Tajā ir fotoni, kas darbojas gan kā daļiņa, gan kā vilnis. Fotoniem nav reāla izmēra vai formas — tos var tikai izveidot vai iznīcināt.

Tas nozīmē, ka gaismu var identificēt kā fotonu plūsmu. Jo vairāk fotonu jums ir, jo spilgtāka ir uztvertā gaisma. Atspīdums notiek, kad fotoni atlec no virsmas. Refrakcija notiek, kad fotoni, kas pārvietojas taisnā līnijā, iziet cauri caurspīdīgai vielai un līnija tiek novirzīta vai "saliekta". Iznīcinātus fotonus var uztvert kā “absorbētus”.

Staru izsekošana spēlēs mēģina līdzināties tam, kā gaisma darbojas reālajā pasaulē. Tas izseko imitētās gaismas ceļu, izsekojot miljoniem virtuālo fotonu. Jo spilgtāka ir gaisma, jo vairāk virtuālo fotonu GPU ir jāaprēķina, un jo vairāk virsmu tas atspoguļos, lauzīs un izkliedēs un no tās.

Process nav nekas jauns. CGI ir izmantojusi staru izsekošanu gadu desmitiem, lai gan šim procesam sākumā bija nepieciešams datoru fermas, lai izveidotu pilnu filmu, ņemot vērā, ka viena kadra renderēšana var aizņemt stundas vai pat dienas. Tagad mājas datori var atdarināt staru izsekojamo grafiku reāllaikā, izmantojot aparatūras paātrinājumu un gudrus apgaismojuma trikus, lai ierobežotu staru skaitu līdz pārvaldāmam skaitam.

Šis ir īstais acu atvērējs: tāpat kā jebkura filma vai TV pārraide, CGI animācijas ainas parasti tiek “uzņemtas”, izmantojot dažādus leņķus. Katram kadram varat pārvietot kameru, lai tvertu darbību, tuvinātu, tālinātu vai panoramētu visu apgabalu. Un tāpat kā animācija, jums ir jāmanipulē viss kadram pa kadram, lai līdzinātos kustībai. Savienojiet visus uzņemtos materiālus, un jums ir plūstošs stāsts.

Spēlēs jūs vadāt vienu kameru, kas vienmēr ir kustībā un vienmēr maina skatu punktu, it īpaši ātrās spēlēs. Gan CGI, gan staru izsekošanas spēlēs GPU ne tikai jāaprēķina, kā gaisma atspoguļojas un laužas jebkurā konkrētā ainā, bet arī jāaprēķina, kā to uztver objektīvs — jūsu skatījums. Attiecībā uz spēlēm tas ir milzīgs skaitļošanas darba apjoms vienam datoram vai konsolei.

Diemžēl mums joprojām nav patērētāju līmeņa datoru, kas patiesi varētu renderēt staru izsekojamo grafiku ar lielu kadru nomaiņas ātrumu. Tā vietā mums tagad ir aparatūra, kas var efektīvi krāpties.

Kļūsim reāli

Staru izsekošanas būtiskā līdzība ar reālo dzīvi padara to par ārkārtīgi reālistisku 3D renderēšanas paņēmienu, pat veidojot tādas bloku spēles kā Minecraft izskatās tuvu fotoreālistiskam pareizos apstākļos. Ir tikai viena problēma: to ir ļoti grūti simulēt. Gaismas darbības veida atjaunošana reālajā pasaulē ir sarežģīta un resursietilpīga, un tai ir vajadzīgas lielas skaitļošanas jaudas.

Tāpēc esošās staru izsekošanas iespējas spēlēs, piemēram, Nvidia RTX vadītā staru izsekošana, nav īstas. Tie nav patiesi staru izsekošana, ar kuru tiek simulēts katrs gaismas punkts. Tā vietā GPU “krāpjas”, izmantojot vairākus viedus tuvinājumus, lai nodrošinātu kaut ko tuvu tam pašam vizuālajam efektam, taču neapgrūtinot aparatūru.

Lielākā daļa staru izsekošanas spēļu tagad izmanto tradicionālo apgaismojuma metožu kombināciju, ko parasti sauc par rasterizāciju, un staru izsekošanu uz noteiktām virsmām, piemēram, atstarojošām peļķēm un metāla izstrādājumiem. Kaujas lauks V ir lielisks piemērs tam. Jūs redzat karaspēka atspulgu ūdenī, reljefa atspulgu lidmašīnās un sprādzienu atspulgu pāri automašīnas krāsojumam. Ir iespējams parādīt atspulgus mūsdienu 3D dzinējos, bet ne tādā detalizācijas līmenī, kāds parādīts tādās spēlēs kā Kaujas lauks V kad ir iespējota staru izsekošana.

Staru izsekošanu var izmantot arī ēnām, lai tās izskatītos dinamiskākas un reālistiskākas. Jūs redzēsiet, ka agrāk tas bija lieliski Tomb Raider ēna.

Staru izsekojuma apgaismojums var radīt daudz reālistiskākas ēnas tumšās un gaišās ainās ar maigākām malām un lielāku izšķirtspēju. Iegūt šo izskatu bez staru izsekošanas ir ārkārtīgi grūti. Izstrādātāji to var viltot, tikai rūpīgi un kontrolēti izmantojot iepriekš iestatītus statiskus gaismas avotus. Visu šo "skatuves gaismu" novietošana aizņem daudz laika un pūļu — un pat tad rezultāts nav īsti pareizs.

Dažas spēles darbojas pilnībā un izmanto staru izsekošanu globālajam apgaismojumam, efektīvi izsekojot visu ainu. Taču tā ir skaitļošanas ziņā dārgākā iespēja, un, lai tā darbotos efektīvi, ir nepieciešama jaudīgākā no mūsdienu grafikas kartēm. Metro Exodus izmanto šo tehniku, lai gan ieviešana nav perfekta.

Tāpēc populāri ir tādi pusmēri kā tikai staru izsekošanas ēnas vai atstarojošas virsmas. Citas spēles izmanto Nvidia tehnoloģijas, piemēram, trokšņa slāpēšanu un Deep Learning Super Sampling lai uzlabotu veiktspēju un noslēptu dažas vizuālās žagas, kas rodas, renderējot mazāk staru, nekā tas būtu nepieciešams, lai izveidotu patiesi staru izsekojamu ainu. Tie joprojām ir rezervēti iepriekš renderētiem ekrānuzņēmumiem un filmām, kur jaudīgi serveri var pavadīt dienas, renderējot atsevišķus kadrus.

Aparatūra aiz stariem

Lai apstrādātu pat šīs salīdzinoši pieticīgās staru izsekošanas iespējas, Nvidia RTX 20 sērijas grafiskās kartes ieviesa aparatūru, kas īpaši izstrādāta staru izsekošanas vajadzībām.

Tagad visas RTX kartes atbalsta staru izsekošanu, un jaunākajiem RTX 40 sērijas GPU ir vēl viens veids, kā apkrāpt veiktspēju. SER vai Shader Execution Reordering, ir pieejams vietnē RTX 4090 un RTX 4080, un Nvidia saka, ka tas var uzlabot veiktspēju par 25% spēlēs ar staru izsekošanu. Tas darbojas, pārkārtojot, kad GPU apstrādā staru izsekošanas instrukcijas, optimizējot uzdevumu atbilstoši pieejamajai skaitļošanas jaudai.

Lai gan staru izsekošanas sākuma dienas bija aptuvenas, Nvidia jaunākās kartes ir bijušas daudz labākas. Izmantojot nākamās paaudzes SER un DLSS 3, mēs varam redzēt staru izsekošanu, kas nepalielina jūsu kadru ātrumu.

Nvidia staru izsekošana metode nav vienīgā pieejamā iespēja. Ir arī Reshade “ceļa izsekošanas” pēcapstrādes efekti, kas nodrošina salīdzināmus vizuālos attēlus bez tāda paša veiktspējas trāpījuma.

AMD tagad piedāvā arī staru izsekošanas iespējas, un mēs to aplūkosim tālāk.

Jūs joprojām vēlaties a jaudīga grafikas karte staru izsekošana neatkarīgi no ieviešanas, taču, tehnikai kļūstot par spēļu izstrādātājiem, mēs varam redzēt plašāku atbalsta aparatūras klāstu par daudz pieejamākām cenām.

Kā ar AMD?

AMD pēdējos gados ir cīnījies, lai nodrošinātu ar aparatūru paātrinātu staru izsekošanu, taču tas mainījās, izlaižot RX 6800, 6800 XT un 6900 XT. Šīm jaunajām kartēm ir DirectX 12 staru izsekošanas atbalsts un tās nodrošina izcilu veiktspēju, pat ja AMD staru izsekošanas nodaļā nav gluži Nvidia līmenī (lasiet mūsu RX 6800 XT pret RTX 3080 un RX 6900 XT pret RTX 3090 salīdzinājumi, lai uzzinātu vairāk).

Tas diez vai ir pārsteigums, ņemot vērā Big Navi arhitektūra AMD RX 6000 karšu barošana ir pirmās paaudzes staru izsekošanas paātrinājums. Tā ir tā pati arhitektūra, kas nodrošina vizuālos attēlus PlayStation 5 un Xbox Series X, kas nodrošina zemāku veiktspējas līmeni nekā Nvidia vadošās kartes. Tomēr, tā kā staru izsekošana ir izcila funkcija nākamās paaudzes konsolēs, mēs sagaidām labāku atbalstu un optimizāciju. Tuvākajā laikā mēs redzēsim debiju AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) spēļu datoriem un arī jaunākās Microsoft Xbox versijas.

Kā jūs varat redzēt staru izsekošanu mājās?

Lai redzētu staru izsekošanu mājās, jums būs nepieciešama nesena un dārga grafikas karte. Aparatūras paātrinātā staru izsekošana ir pieejama tikai Nvidia RTX GPU vai AMD RX 6000 sērijas GPU. GTX 10. sērijas un 16. sērijas kartes atbalsta staru izsekošanu, taču tām trūkst RT kodolu, lai tas būtu ērti. spēlējama.

Ja plānojat spēlēt ar izšķirtspēju virs 1080p un ar kadru nomaiņas ātrumu 60 kadri/s vai vairāk, vislabāk ir izvēlēties augstākās klases grafisko karti. 4K izšķirtspējā RTX 3080 un RX 6800 XT ir izcilākās kartes, taču jūs varat iztikt ar RTX 3070 vai RX 6800 ja dažos nosaukumos vēlaties pāriet uz 1440p.

Ir ierobežota izvēle spēļu ar staru izsekošanu, taču to skaits pieaug. Labākie staru izsekošanas piemēri ietver agrīnās RTX demonstrācijas, piemēram Kaujas lauks V, Tomb Raider ēna, un Metro Exodus. Jaunākās spēles, piemēram Kontrole un MechWarrior 5: algotņi arī izskatās pārliecinoši. Palieciet Gaismā ir neatkarīga šausmu spēle, kas veidota, izmantojot staru izsekojamās ēnas un atspulgus. Remastered Zemestrīce II ar RTX staru izsekošanu ir vēl viens fantastisks piemērs.

Tirgū ir mazāk staru izsekošanas spēļu, taču nozare aug. Kā PlayStation 5 un Xbox X sērija sākt reklāmas staru izsekošanu, konkurenti drīz sekos. Daudzplatformu spēle Skatīties suņus 2 atšķiras no jaunā Watch Dogs: Legion, jo jaunā spēle ir uzsākusi staru izsekošanu, lai tā darbotos konsolēs un datoros.

Mēģiniet lietot UL Benchmark Port Royal staru izsekošana lai noteiktu, vai jūsu dators darbosies ar staru izsekošanu.

Redaktoru ieteikumi

• Pat Nvidia partneri netic jaunajam RTX 4060 Ti
• Galu galā Nvidia RTX 4060 varētu nebūt tik vilšanās
• Kā pārvērst VHS kasetes uz DVD, Blu-ray vai digitālo
• AMD varētu sagraut Nvidia ar klēpjdatora GPU, taču tas ir kluss galddatora priekšā
• Nvidia RTX 4060 Ti vs. RTX 4070: Nvidia vidējās klases GPU salīdzinājums