Co to jest ray tracing i jak zmieni gry?

Ray tracing to technika oświetlenia, która zapewnia dodatkowy poziom realizmu w grach. Naśladuje sposób, w jaki światło odbija się i załamuje w prawdziwym świecie, zapewniając bardziej wiarygodne środowisko niż to, które zwykle obserwuje się przy użyciu statycznego oświetlenia w bardziej tradycyjnych grach. Ale czym dokładnie jest ray tracing? A co ważniejsze, jak to działa?

Dobra karta graficzna może wykorzystywać ray tracing w celu zwiększenia immersji, ale nie wszystkie procesory graficzne obsługują tę technikę. Czytaj dalej, aby zdecydować, czy ray tracing jest niezbędny w grach i czy uzasadnia wydawanie setek na ulepszony procesor graficzny.

Wirtualne fotony

Aby zrozumieć, jak działa rewolucyjny system oświetlenia oparty na ray tracingu, musimy zrobić krok wstecz zrozumieć, w jaki sposób gry renderowały wcześniej światło, a także co należy naśladować, aby uzyskać fotorealizm doświadczenie.

Gry bez ray tracingu opierają się na statycznym „zapieczonym” oświetleniu. Deweloperzy umieszczają źródła światła w środowisku, które emituje światło równomiernie w dowolnym widoku. Co więcej, modele wirtualne, takie jak NPC i obiekty, nie zawierają żadnych informacji o żadnym innym modelu, co wymaga od GPU obliczenia zachowania światła podczas procesu renderowania. Tekstury powierzchni mogą odbijać światło, aby naśladować połysk, ale tylko światło emitowane ze źródła statycznego. Weź porównanie odbicia w GTA Vponiżej jako przykład.

Ogólnie rzecz biorąc, ewolucja GPU pomogła na przestrzeni lat nadać temu procesowi bardziej realistyczny wygląd, ale gry nadal nie są fotorealistyczne pod względem rzeczywistych odbić, załamań i ogólnych oświetlenie. Aby to osiągnąć, GPU potrzebuje możliwości śledzenia wirtualnych promieni światła.

W świecie rzeczywistym światło widzialne stanowi niewielką część rodziny promieniowania elektromagnetycznego postrzeganego przez ludzkie oko. Zawiera fotony, które zachowują się zarówno jak cząstka, jak i fala. Fotony nie mają rzeczywistego rozmiaru ani kształtu — można je jedynie tworzyć lub niszczyć.

To powiedziawszy, światło można zidentyfikować jako strumień fotonów. Im więcej masz fotonów, tym jaśniejsze jest postrzegane światło. Odbicie występuje, gdy fotony odbijają się od powierzchni. Refrakcja zachodzi, gdy fotony — poruszające się po linii prostej — przechodzą przez przezroczystą substancję, a linia zostaje przekierowana lub „zagięta”. Zniszczone fotony można postrzegać jako „wchłonięte”.

Ray tracing w grach próbuje naśladować sposób, w jaki światło działa w prawdziwym świecie. Śledzi ścieżkę symulowanego światła, śledząc miliony wirtualnych fotonów. Im jaśniejsze światło, tym więcej wirtualnych fotonów GPU musi obliczyć i tym więcej powierzchni będzie odbijać, załamywać i rozpraszać.

Proces nie jest niczym nowym. CGI wykorzystywało ray tracing od dziesięcioleci, chociaż na początku proces ten wymagał farm komputerów do wygenerowania pełnego filmu, biorąc pod uwagę, że wyrenderowanie pojedynczej klatki mogło zająć godziny, a nawet dni. Teraz domowe komputery PC mogą emulować grafikę opartą na ray tracingu w czasie rzeczywistym, wykorzystując akcelerację sprzętową i sprytne sztuczki oświetleniowe, aby ograniczyć liczbę promieni do możliwej do opanowania liczby.

Oto prawdziwa ciekawostka: jak każdy film lub program telewizyjny, sceny w animacji CGI są zazwyczaj „kręcone” pod różnymi kątami. Dla każdej klatki możesz przesunąć kamerę, aby uchwycić akcję, powiększyć, pomniejszyć lub przesunąć cały obszar. Podobnie jak w przypadku animacji, musisz manipulować wszystkim klatka po klatce, aby naśladować ruch. Połącz wszystkie nagrania i masz płynną historię.

W grach sterujesz pojedynczą kamerą, która jest zawsze w ruchu i zawsze zmienia punkt widzenia, szczególnie w szybkich grach. Zarówno w grach CGI, jak i grach opartych na ray tracingu, GPU musi nie tylko obliczać, w jaki sposób światło odbija się i załamuje w danej scenie, ale musi również obliczać, w jaki sposób jest ono przechwytywane przez obiektyw — Twój punkt widzenia. W przypadku gier oznacza to ogromną ilość pracy obliczeniowej dla pojedynczego komputera PC lub konsoli.

Niestety nadal nie mamy komputerów klasy konsumenckiej, które naprawdę potrafią renderować grafikę opartą na ray tracingu przy dużej liczbie klatek na sekundę. Zamiast tego mamy teraz sprzęt, który może skutecznie oszukiwać.

Bądźmy prawdziwi

Podstawowe podobieństwo ray tracingu do prawdziwego życia sprawia, że ​​jest to niezwykle realistyczna technika renderowania 3D, nawet w grach z blokami, takich jak Minecraft wyglądać niemal fotorealistycznie w odpowiednich warunkach. Jest tylko jeden problem: niezwykle trudno jest to symulować. Odtworzenie sposobu, w jaki światło działa w prawdziwym świecie, jest skomplikowane i wymaga dużej ilości zasobów, co wymaga ogromnej mocy obliczeniowej.

Dlatego istniejące opcje ray tracingu w grach, takie jak ray tracing oparty na RTX firmy Nvidia, nie są wierne rzeczywistości. To nie jest prawdziwy ray tracing, w którym symulowany jest każdy punkt światła. Zamiast tego GPU „oszukuje”, używając kilku inteligentnych przybliżeń, aby zapewnić coś zbliżonego do tego samego efektu wizualnego, ale bez obciążania sprzętu.

Większość gier wykorzystujących ray tracing wykorzystuje obecnie kombinację tradycyjnych technik oświetleniowych, zwykle nazywanych rasteryzacją, oraz ray tracingu na określonych powierzchniach, takich jak odbijające światło kałuże i elementy metalowe. Pole bitwy V jest tego świetnym przykładem. Widzisz odbicie żołnierzy w wodzie, odbicie terenu na samolotach i odbicie eksplozji na lakierze samochodu. Możliwe jest pokazanie odbić w nowoczesnych silnikach 3D, ale nie na poziomie szczegółowości pokazanym w grach typu Pole bitwy V gdy śledzenie promieni jest włączone.

Ray tracing można również wykorzystać do cieni, aby nadać im bardziej dynamiczny i realistyczny wygląd. Zobaczysz, że przyniosło to świetny efekt w Cień Tomb Raidera.

Oświetlenie oparte na ray tracingu może tworzyć znacznie bardziej realistyczne cienie w ciemnych i jasnych scenach, z bardziej miękkimi krawędziami i lepszą ostrością. Osiągnięcie tego wyglądu bez ray tracingu jest niezwykle trudne. Deweloperzy mogą to sfałszować tylko poprzez ostrożne, kontrolowane użycie wstępnie ustawionych, statycznych źródeł światła. Umieszczenie tych wszystkich „świateł scenicznych” trwa bardzo czasu i wysiłku — a nawet wtedy wynik nie jest całkiem właściwy.

Niektóre gry idą na całość i wykorzystują ray tracing do globalnego oświetlenia, skutecznie śledząc całą scenę. Jest to jednak opcja najbardziej kosztowna obliczeniowo i do efektywnego działania wymaga najpotężniejszej z nowoczesnych kart graficznych. Metro Exodus wykorzystuje tę technikę, chociaż implementacja nie jest idealna.

Z tego powodu popularne są półśrodki, takie jak tylko ray tracingowe cienie czy odbijające światło powierzchnie. Inne gry wykorzystują technologie Nvidii, takie jak odszumianie i Superpróbkowanie głębokiego uczenia się aby poprawić wydajność i zatuszować niektóre problemy wizualne, które pojawiają się przy renderowaniu mniejszej liczby promieni, niż byłoby to konieczne do stworzenia prawdziwie ray tracingowej sceny. Są one nadal zarezerwowane dla wstępnie renderowanych zrzutów ekranu i filmów, na których serwery o dużej mocy mogą spędzać całe dnie na renderowaniu pojedynczych klatek.

Sprzęt za promieniami

Aby obsłużyć nawet te stosunkowo skromne implementacje ray tracingu, karty graficzne z serii RTX 20 firmy Nvidia wprowadziły sprzęt zbudowany specjalnie do ray tracingu.

Teraz wszystkie karty RTX obsługują ray tracing, a najnowsze procesory graficzne z serii RTX 40 mają jeszcze jeden sposób na oszukiwanie wydajności. SER lub zmiana kolejności wykonywania modułu cieniującego, jest dostępny na RTX4090 i RTX 4080, a Nvidia twierdzi, że może zwiększyć wydajność o 25% w grach z ray tracingiem. Działa poprzez zmianę kolejności, gdy instrukcje ray tracingu są przetwarzane przez GPU, optymalizując zadanie pod kątem dostępnej mocy obliczeniowej.

Chociaż początki ray tracingu były trudne, ostatnie karty Nvidii były znacznie lepsze. Wraz z SER w następnej generacji, wraz z DLSS 3, możemy zobaczyć ray tracing, który nie obciąża twojej liczby klatek na sekundę.

ray tracing Nvidii Metoda nie jest jednak jedyną dostępną opcją. Istnieją również efekty przetwarzania końcowego „śledzenia ścieżki” Reshade, które zapewniają porównywalne efekty wizualne bez takiego samego uderzenia w wydajność.

AMD ma teraz również opcje śledzenia promieni, które przejdziemy dalej.

Nadal będziesz chciał wydajna karta graficzna do ray tracingu bez względu na implementację, ale gdy technika ta zostanie przyjęta przez twórców gier, możemy zobaczyć szerszą gamę sprzętu obsługującego w znacznie bardziej przystępnych cenach.

A co z AMD?

W ciągu ostatnich kilku lat firma AMD walczyła o zapewnienie akcelerowanego sprzętowo ray tracingu, ale zmieniło się to wraz z wprowadzeniem RX 6800, 6800 XT i 6900 XT. Te nowe karty obsługują ray tracing DirectX 12 i zapewniają doskonałą wydajność, nawet jeśli AMD nie dorównuje Nvidii w dziale ray tracingu (przeczytaj nasze RX 6800 XT kontra RTX 3080 I RX 6900 XT kontra RTX 3090 więcej porównań).

Trudno się temu dziwić, biorąc pod uwagę tzw Duża architektura Navi zasilanie kart AMD RX 6000 to w dużej mierze akceleracja ray tracingu pierwszej generacji. To ta sama architektura, która napędza efekty wizualne w grze PlayStation 5 i Xbox Series X, zapewniając ogólnie niższy poziom wydajności niż flagowe karty Nvidii. Ponieważ jednak ray tracing jest wyróżniającą się funkcją na konsolach nowej generacji, spodziewamy się lepszego wsparcia i optymalizacji w przyszłości. W niedalekiej przyszłości zobaczymy debiut m.in AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) dla komputerów do gier, a także najnowsze wersje Microsoft Xbox.

Jak zobaczyć ray tracing w domu?

Będziesz potrzebować najnowszej — i drogiej — karty graficznej, aby zobaczyć ray tracing w domu. Śledzenie promieni z akceleracją sprzętową jest dostępne tylko na procesorach graficznych Nvidia RTX lub procesorach graficznych AMD z serii RX 6000. Karty z serii GTX 10 i 16 obsługują ray tracing, ale brakuje im rdzeni RT, aby zapewnić wygodę grywalne.

Jeśli spodziewasz się grać w rozdzielczości powyżej 1080p i szybkości klatek 60 klatek na sekundę lub więcej, najlepiej jest wydać pieniądze na kartę graficzną z najwyższej półki. W rozdzielczości 4K wyróżniają się karty RTX 3080 i RX 6800 XT, ale możesz sobie poradzić z RTX 3070 lub RX 6800 jeśli chcesz przejść na 1440p w niektórych tytułach.

Jest ograniczony wybór gier obsługujących ray tracing, ale liczba ta rośnie. Najlepsze przykłady ray tracingu obejmują wczesne wersje demonstracyjne RTX, takie jak Pole bitwy V, Cień Tomb Raidera, I Metro Exodus. Nowsze gry, np Kontrola I MechWarrior 5: Najemnicy również wyglądać przekonująco. Pozostań w Świetle to niezależna gra typu horror zbudowana przy użyciu cieni i odbić opartych na ray tracingu. Zremasterowany Trzęsienie II ze śledzeniem promieni RTX to kolejny fantastyczny przykład.

Na rynku jest mniej gier wykorzystujących ray tracing, ale branża się rozwija. Jak PlayStation 5 I Xbox Series X zacznie reklamować ray tracing, konkurenci wkrótce pójdą w jego ślady. Wieloplatformowa gra Oglądaj psy 2 różni się od nowego Watch Dogs: Legion, ponieważ nowa gra zainicjowała ray tracing do pracy na konsolach i komputerach.

Spróbuj użyć Śledzenie promieni w Port Royal firmy UL Benchmark aby określić, czy Twój komputer będzie działał z obsługą ray tracingu.

Zalecenia redaktorów

• Nawet partnerzy Nvidii nie wierzą w nowy RTX 4060 Ti
• RTX 4060 Nvidii może wcale nie być takim rozczarowaniem
• Jak konwertować taśmy VHS na DVD, Blu-ray lub cyfrowe
• AMD może zmiażdżyć Nvidię swoimi procesorami graficznymi do laptopów – ale milczy na froncie komputera stacjonarnego
• Porównanie Nvidii RTX 4060 Ti RTX 4070: porównanie średniej klasy procesorów graficznych Nvidii