Что такое трассировка лучей и как она изменит игры?

Трассировка лучей — это метод освещения, который придает играм дополнительный уровень реализма. Он имитирует то, как свет отражается и преломляется в реальном мире, создавая более правдоподобную среду, чем то, что обычно наблюдается при использовании статического освещения в более традиционных играх. Но что такое трассировка лучей? И что еще более важно, как это работает?

Хорошая видеокарта может использовать трассировку лучей для улучшения эффекта погружения, но не все графические процессоры могут справиться с этой техникой. Читайте дальше, чтобы решить, необходима ли трассировка лучей для вашего игрового процесса и оправдывает ли она трату сотен долларов на модернизированный графический процессор.

Виртуальные фотоны

Чтобы понять, как работает революционная система освещения трассировки лучей, нам нужно сделать шаг назад и понять, как игры раньше отображали свет, а также что нужно эмулировать для фотореалистичной опыт.

Игры без трассировки лучей полагаются на статическое «запеченное» освещение. Разработчики размещают источники света в среде, которая равномерно излучает свет в любом заданном виде. Более того, виртуальные модели, такие как NPC и объекты, не содержат никакой информации о какой-либо другой модели, что требует от графического процессора расчета поведения света в процессе рендеринга. Текстуры поверхности могут отражать свет, имитируя блеск, но только свет, излучаемый статическим источником. Возьмите сравнение с размышления в ГТА 5ниже в качестве примера.

В целом эволюция графического процессора помогла этому процессу с годами выглядеть более реалистично. но игры по-прежнему не фотореалистичны с точки зрения реальных отражений, преломлений и общих освещение. Для этого графическому процессору нужна возможность отслеживать виртуальные лучи света.

В реальном мире видимый свет — это небольшая часть семейства электромагнитных излучений, воспринимаемых человеческим глазом. Он содержит фотоны, которые ведут себя и как частица, и как волна. Фотоны не имеют реального размера или формы — их можно только создавать или уничтожать.

Тем не менее, свет можно идентифицировать как поток фотонов. Чем больше у вас фотонов, тем ярче воспринимаемый свет. Отражение происходит, когда фотоны отскакивают от поверхности. Преломление происходит, когда фотоны, движущиеся по прямой линии, проходят через прозрачное вещество, и линия перенаправляется или «изогибается». Разрушенные фотоны можно воспринимать как «поглощенные».

Трассировка лучей в играх пытается имитировать работу света в реальном мире. Он отслеживает путь симулированного света, отслеживая миллионы виртуальных фотонов. Чем ярче свет, тем больше виртуальных фотонов должен вычислить графический процессор и тем больше поверхностей он будет отражать, преломлять и рассеивать.

В этом процессе нет ничего нового. CGI использовала трассировку лучей на протяжении десятилетий, хотя в первые дни этот процесс требовал ферм компьютеров для создания полного фильма, учитывая, что рендеринг одного кадра мог занять часы или даже дни. Теперь домашние ПК могут эмулировать графику с трассировкой лучей в режиме реального времени, используя аппаратное ускорение и хитрые трюки с освещением, чтобы ограничить количество лучей до управляемого числа.

Вот настоящее откровение: как и в любом фильме или телешоу, сцены в CGI-анимации обычно «снимаются» под разными углами. Для каждого кадра вы можете перемещать камеру, чтобы запечатлеть действие, увеличить или уменьшить масштаб или панорамировать всю область. Как и в случае с анимацией, вы должны манипулировать всем кадр за кадром, чтобы имитировать движение. Соедините все кадры вместе, и у вас получится плавная история.

В играх вы управляете одной камерой, которая всегда находится в движении и постоянно меняет точку обзора, особенно в динамичных играх. И в играх с компьютерной графикой, и в играх с трассировкой лучей графический процессор должен не только вычислять, как свет отражается и преломляется в любой заданной сцене, но также должен вычислять, как он захватывается объективом — вашей точкой зрения. Для игр это огромный объем вычислительной работы для одного ПК или консоли.

К сожалению, у нас до сих пор нет ПК потребительского уровня, которые действительно могут отображать графику с трассировкой лучей с высокой частотой кадров. Вместо этого у нас теперь есть оборудование, которое может эффективно обманывать.

Давайте по-настоящему

Фундаментальное сходство трассировки лучей с реальной жизнью делает ее чрезвычайно реалистичной техникой 3D-рендеринга, позволяющей создавать даже такие блочные игры, как Шахтерское ремесло выглядеть почти фотореалистично в правильных условиях. Есть только одна проблема: это чрезвычайно сложно смоделировать. Воссоздать то, как свет работает в реальном мире, сложно и ресурсоемко, требуя огромных вычислительных мощностей.

Вот почему существующие варианты трассировки лучей в играх, такие как трассировка лучей Nvidia на основе RTX, не соответствуют действительности. Это не настоящая трассировка лучей, при которой моделируется каждая точка света. Вместо этого графический процессор «обманывает», используя несколько интеллектуальных аппроксимаций, чтобы получить что-то близкое к тому же визуальному эффекту, но без такой нагрузки на аппаратное обеспечение.

В большинстве игр с трассировкой лучей теперь используется комбинация традиционных методов освещения, обычно называемых растеризацией, и трассировки лучей на определенных поверхностях, таких как отражающие лужи и металлические конструкции. Поле битвы V отличный тому пример. Вы видите отражение войск в воде, отражение местности в самолетах и ​​отражение взрывов в краске автомобиля. В современных 3D-движках можно показывать отражения, но не на таком уровне детализации, как в таких играх, как Поле битвы V когда включена трассировка лучей.

Трассировку лучей также можно использовать для теней, чтобы сделать их более динамичными и реалистичными. Вы увидите, что это использовалось для большого эффекта в Тень расхитительницы гробниц.

Освещение с трассировкой лучей может создавать гораздо более реалистичные тени в темных и ярких сценах с более мягкими краями и большей четкостью. Добиться такого эффекта без трассировки лучей чрезвычайно сложно. Разработчики могут только сымитировать его с помощью осторожного, контролируемого использования предустановленных статических источников света. Размещение всех этих «сценических огней» занимает много времени и усилий — и даже тогда результат не совсем правильный.

Некоторые игры идут напролом и используют трассировку лучей для глобального освещения, эффективно трассируя всю сцену. Но это самый затратный с вычислительной точки зрения вариант, и для его эффективной работы требуется самая мощная из современных видеокарт. Метро Исход использует эту технику, хотя реализация не идеальна.

Из-за этого популярны полумеры, такие как только тени с трассировкой лучей или отражающие поверхности. Другие игры используют такие технологии Nvidia, как шумоподавление и Суперсэмплинг для глубокого обучения чтобы улучшить производительность и скрыть некоторые визуальные сбои, возникающие при рендеринге меньшего количества лучей, чем было бы необходимо для создания сцены с настоящей трассировкой лучей. Они по-прежнему зарезервированы для предварительно обработанных скриншотов и фильмов, где мощные серверы могут тратить дни на рендеринг отдельных кадров.

Аппаратное обеспечение за лучами

Чтобы справиться даже с этими относительно скромными реализациями трассировки лучей, видеокарты Nvidia серии RTX 20 представили аппаратное обеспечение, специально созданное для трассировки лучей.

Теперь все карты RTX поддерживают трассировку лучей, а самые последние графические процессоры серии RTX 40 имеют еще один способ обмануть производительность. SER, или изменение порядка выполнения шейдеров, доступен на RTX 4090 и RTX 4080, и Nvidia заявляет, что может повысить производительность на 25% в играх с трассировкой лучей. Он работает путем переупорядочения, когда инструкции трассировки лучей обрабатываются графическим процессором, оптимизируя задачу для доступной вычислительной мощности.

Хотя первые дни трассировки лучей были трудными, последние карты Nvidia показали гораздо лучшие результаты. С SER в следующем поколении, наряду с DLSS 3, мы можем увидеть трассировку лучей, которая не снижает частоту кадров.

Трассировка лучей Nvidia Однако метод — не единственный доступный вариант. Существуют также эффекты постобработки Reshade «трассировка пути», которые обеспечивают сопоставимые визуальные эффекты без какого-либо такого же снижения производительности.

Теперь у AMD есть варианты трассировки лучей, о которых мы поговорим далее.

Вы все еще хотите мощная видеокарта для трассировки лучей, независимо от реализации, но по мере того, как эта техника набирает популярность у разработчиков игр, мы можем увидеть более широкий спектр вспомогательного оборудования по гораздо более доступным ценам.

А АМД?

В течение последних нескольких лет AMD изо всех сил пыталась обеспечить трассировку лучей с аппаратным ускорением, но с выпуском RX 6800, 6800 XT и 6900 XT ситуация изменилась. Эти новые карты поддерживают трассировку лучей DirectX 12 и обеспечивают отличную производительность, даже если AMD не совсем на уровне Nvidia в отделе трассировки лучей (см. RX 6800 XT против RTX 3080 и RX 6900 XT против RTX 3090 сравнения для большего).

В этом нет ничего удивительного, учитывая Архитектура Большой Нави питание карт AMD RX 6000 — это ускорение трассировки лучей первого поколения. Это та же архитектура, которая обеспечивает визуальные эффекты в PlayStation 5 и Xbox Series X, обеспечивающий в целом более низкий уровень производительности, чем флагманские карты Nvidia. Однако, поскольку трассировка лучей — выдающаяся функция на консолях следующего поколения, мы ожидаем улучшения поддержки и оптимизации в будущем. В ближайшее время мы увидим дебют Суперразрешение AMD FidelityFX (FSR) для игровых ПК, а также последние версии Microsoft Xbox.

Как вы можете увидеть трассировку лучей дома?

Вам понадобится новая — и дорогая — видеокарта, чтобы увидеть трассировку лучей дома. Трассировка лучей с аппаратным ускорением доступна только на графических процессорах Nvidia RTX или на графических процессорах AMD серии RX 6000. Карты GTX 10-й и 16-й серий поддерживают трассировку лучей, но не имеют ядер RT, чтобы сделать это удобно. играбельный.

Если вы планируете играть с разрешением выше 1080p и частотой кадров 60 кадров в секунду или выше, лучше всего потратиться на первоклассную видеокарту. В 4K RTX 3080 и RX 6800 XT — выдающиеся карты, но вы можете обойтись RTX 3070 или RX 6800 если вы хотите перейти на 1440p в некоторых играх.

Там ограниченный выбор игр с поддержкой трассировки лучей, но их число растет. Лучшие примеры трассировки лучей включают ранние демонстрации RTX, такие как Поле битвы V, Тень расхитительницы гробниц, и Метро Исход. Более свежие игры, такие как Контроль и МехВоин 5: Наемники также выглядят убедительно. Оставайся в свете — это инди-игра ужасов, созданная с использованием теней и отражений с трассировкой лучей. Обновленный Землетрясение 2 с трассировкой лучей RTX еще один фантастический пример.

На рынке меньше игр с трассировкой лучей, но индустрия растет. Как приставка 5 и Xbox Series X начните рекламировать трассировку лучей, скоро последуют конкуренты. Мультиплатформенная игра сторожевые псы 2 отличается от нового Сторожевые псы: Легион, так как в новой игре реализована трассировка лучей для работы на консолях и компьютерах.

Попробуйте использовать Трассировка лучей Port Royal от UL Benchmark чтобы определить, будет ли ваш компьютер работать с трассировкой лучей.

Рекомендации редакции

• Даже партнеры Nvidia не верят в новую RTX 4060 Ti
• В конце концов, RTX 4060 от Nvidia может не разочаровать.
• Как конвертировать ваши кассеты VHS в DVD, Blu-ray или цифровой формат
• AMD может сокрушить Nvidia своими графическими процессорами для ноутбуков, но ничего не говорит о настольных компьютерах.
• Nvidia RTX 4060 Ti против. RTX 4070: сравнение графических процессоров Nvidia среднего уровня