Čo je sledovanie lúčov a ako zmení hry?

Ray tracing je osvetľovacia technika, ktorá prináša do hier ďalšiu úroveň realizmu. Napodobňuje spôsob, akým sa svetlo odráža a láme v skutočnom svete, čím poskytuje vierohodnejšie prostredie, než aké je zvyčajne vidieť pri použití statického osvetlenia v tradičnejších hrách. Ale čo presne je sledovanie lúčov? A čo je dôležitejšie, ako to funguje?

Dobrá grafická karta môže použiť sledovanie lúčov na zlepšenie ponorenia, ale nie všetky GPU túto techniku ​​zvládnu. Čítajte ďalej a rozhodnite sa, či je sledovanie lúčov nevyhnutné pre váš herný zážitok a či ospravedlňuje míňanie stoviek na vylepšený GPU.

Virtuálne fotóny

Aby sme pochopili, ako funguje revolučný systém osvetlenia ray tracing, musíme urobiť krok späť a pochopiť, ako hry predtým vykresľovali svetlo, ako aj to, čo je potrebné napodobniť, aby boli fotorealistické skúsenosti.

Hry bez sledovania lúčov sa spoliehajú na statické „zapečené“ osvetlenie. Vývojári umiestňujú svetelné zdroje do prostredia, ktoré vyžaruje svetlo rovnomerne v akomkoľvek danom pohľade. Okrem toho virtuálne modely, ako sú NPC a objekty, neobsahujú žiadne informácie o žiadnom inom modeli, čo vyžaduje, aby GPU vypočítal svetelné správanie počas procesu vykresľovania. Povrchové textúry môžu odrážať svetlo, aby napodobňovali lesk, ale iba svetlo vyžarované zo statického zdroja. Vezmite si porovnanie odrazy v Gta vnižšie ako príklad.

Celkovo vývoj GPU pomohol tomuto procesu, aby sa v priebehu rokov stal realistickejším vzhľadom, ale hry stále nie sú fotorealistické z hľadiska odrazov, lomov a všeobecne v reálnom svete osvetlenie. Na dosiahnutie tohto cieľa potrebuje GPU schopnosť sledovať virtuálne lúče svetla.

V reálnom svete je viditeľné svetlo malou časťou skupiny elektromagnetického žiarenia vnímaného ľudským okom. Obsahuje fotóny, ktoré sa správajú ako častica aj ako vlna. Fotóny nemajú skutočnú veľkosť ani tvar – môžu byť vytvorené alebo zničené.

To znamená, že svetlo bolo možné identifikovať ako prúd fotónov. Čím viac fotónov máte, tým jasnejšie je vnímané svetlo. Odraz nastáva, keď sa fotóny odrážajú od povrchu. K lomu dochádza, keď fotóny - ktoré sa pohybujú v priamke - prechádzajú cez priehľadnú látku a čiara je presmerovaná alebo "ohnutá". Zničené fotóny možno vnímať ako „absorbované“.

Ray tracing v hrách sa pokúša napodobniť spôsob, akým svetlo funguje v reálnom svete. Sleduje cestu simulovaného svetla sledovaním miliónov virtuálnych fotónov. Čím je svetlo jasnejšie, tým viac virtuálnych fotónov musí GPU vypočítať a tým viac povrchov sa bude odrážať, lámať a rozptyľovať.

Proces nie je ničím novým. CGI používa ray tracing už desaťročia, hoci tento proces si v prvých dňoch vyžadoval farmy počítačov na vytvorenie celého filmu, keďže vykreslenie jednej snímky môže trvať hodiny alebo dokonca dni. Teraz môžu domáce počítače emulovať grafiku so sledovaním lúčov v reálnom čase, využívajúc hardvérovú akceleráciu a chytré triky s osvetlením na obmedzenie počtu lúčov na zvládnuteľný počet.

Tu je to, čo otvára oči: Ako každý film alebo televízna relácia, scény v animácii CGI sú zvyčajne „snímané“ z rôznych uhlov. Pre každú snímku môžete posunúť kameru a zachytiť akciu, priblížiť, oddialiť alebo posunúť celú oblasť. A podobne ako animácia, musíte so všetkým manipulovať po jednotlivých snímkach, aby ste napodobnili pohyb. Poskladajte všetky zábery dohromady a máte plynulý príbeh.

V hrách ovládate jedinú kameru, ktorá je stále v pohybe a neustále mení uhol pohľadu, najmä v rýchlych hrách. V hrách CGI a ray-traced musí GPU nielen vypočítať, ako sa svetlo odráža a láme v danej scéne, ale musí tiež vypočítať, ako je zachytené objektívom – vaším uhlom pohľadu. V prípade hier je to obrovské množstvo výpočtovej práce pre jeden počítač alebo konzolu.

Žiaľ, stále nemáme počítače na spotrebiteľskej úrovni, ktoré dokážu skutočne vykresliť grafiku so sledovaním lúčov pri vysokých snímkových frekvenciách. Namiesto toho teraz máme hardvér, ktorý dokáže efektívne podvádzať.

Poďme do reality

Základná podobnosť sledovania lúčov so skutočným životom z neho robí mimoriadne realistickú techniku ​​3D vykresľovania, dokonca aj hranaté hry ako Minecraft vyzerať takmer fotorealisticky v správnych podmienkach. Je tu len jeden problém: Je veľmi ťažké simulovať. Obnovenie spôsobu, akým svetlo funguje v reálnom svete, je komplikované a náročné na zdroje, čo si vyžaduje obrovské množstvo výpočtového výkonu.

To je dôvod, prečo existujúce možnosti sledovania lúčov v hrách, ako napríklad sledovanie lúčov RTX od Nvidie, nie sú pravdivé. Nejde o skutočné sledovanie lúčov, pri ktorom je simulovaný každý bod svetla. Namiesto toho GPU „podvádza“ pomocou niekoľkých inteligentných aproximácií na dosiahnutie niečoho blízkeho rovnakému vizuálnemu efektu, ale bez toho, aby bol taký náročný na hardvér.

Väčšina hier na sledovanie lúčov teraz používa kombináciu tradičných techník osvetlenia, ktoré sa zvyčajne nazývajú rasterizácia, a sledovanie lúčov na špecifických povrchoch, ako sú reflexné kaluže a kovové výrobky. Battlefield V je toho skvelým príkladom. Vidíte odraz jednotiek vo vode, odraz terénu na lietadlách a odraz výbuchov cez lak auta. Je možné zobraziť odrazy v moderných 3D motoroch, ale nie na takej úrovni detailov, ako sú napríklad hry Battlefield V keď je povolené sledovanie lúčov.

Sledovanie lúčov možno využiť aj pre tiene, aby vyzerali dynamickejšie a realistickejšie. Uvidíte, že sa to používa s veľkým efektom Shadow of the Tomb Raider.

Osvetlenie pomocou lúčov dokáže vytvoriť oveľa realistickejšie tiene v tmavých a svetlých scénach s jemnejšími okrajmi a vyššou ostrosťou. Dosiahnutie tohto vzhľadu bez sledovania lúčov je mimoriadne ťažké. Vývojári ho môžu predstierať iba starostlivým a kontrolovaným používaním prednastavených statických svetelných zdrojov. Umiestnenie všetkých týchto „pódiových svetiel“ trvá veľa času a úsilia – a aj tak výsledok nie je celkom správny.

Niektoré hry sú sviňa a využívajú sledovanie lúčov na globálne osvetlenie, čím efektívne sledujú celú scénu. Je to však výpočtovo najnákladnejšia možnosť a na efektívne fungovanie potrebuje najvýkonnejšiu z moderných grafických kariet. Metro Exodus používa túto techniku, hoci implementácia nie je dokonalá.

Z tohto dôvodu sú populárne polovičné opatrenia, ako sú len tiene na sledovanie lúča alebo reflexné povrchy. Iné hry využívajú technológie Nvidia, ako je potlačenie šumu a Deep Learning Super Sampling na zlepšenie výkonu a zakrytie niektorých vizuálnych škytaviek, ktoré vznikajú pri vykresľovaní menšieho počtu lúčov, ako by bolo potrebné na vytvorenie skutočnej scény s lúčmi. Tie sú stále vyhradené pre vopred vykreslené snímky obrazovky a filmy, kde výkonné servery môžu stráviť celé dni vykresľovaním jednotlivých snímok.

Hardvér za lúčmi

Aby bolo možné zvládnuť aj tieto relatívne skromné ​​implementácie sledovania lúčov, grafické karty radu Nvidia RTX 20 predstavili hardvér špeciálne vytvorený pre sledovanie lúčov.

Teraz všetky karty RTX podporujú sledovanie lúčov a najnovšie GPU série RTX 40 majú ďalší spôsob, ako podvádzať výkon. SER alebo Shader Execution Reording, je k dispozícii na RTX 4090 a RTX 4080 a Nvidia hovorí, že dokáže zvýšiť výkon o 25 % v hrách s ray tracingom. Funguje tak, že pri spracovaní pokynov na sledovanie lúčov GPU zmení poradie, čím optimalizuje úlohu pre dostupný výpočtový výkon.

Hoci začiatky sledovania lúčov boli drsné, nedávne karty Nvidie boli oveľa lepšie. S SER v ďalšej generácii spolu s DLSS 3 môžeme vidieť sledovanie lúčov, ktoré neznižuje vašu snímkovú frekvenciu.

ray tracing od Nvidie metóda však nie je jedinou dostupnou možnosťou. K dispozícii sú aj efekty následného spracovania Reshade „trasovanie cesty“, ktoré poskytujú porovnateľné vizuálne efekty bez toho, aby sa dosiahol rovnaký výkon.

AMD má teraz aj možnosti sledovania lúčov, ku ktorým sa dostaneme ďalej.

Stále budete chcieť a výkonná grafická karta pre sledovanie lúčov bez ohľadu na implementáciu, ale ako sa táto technika uchytila ​​u vývojárov hier, môžeme vidieť širšiu škálu podporného hardvéru za oveľa dostupnejšie ceny.

A čo AMD?

AMD mala v posledných rokoch problémy s poskytovaním hardvérovo akcelerovaného sledovania lúčov, ale to sa zmenilo uvedením modelov RX 6800, 6800 XT a 6900 XT. Tieto nové karty obsahujú podporu DirectX 12 ray tracing a poskytujú vynikajúci výkon, aj keď AMD nie je úplne na úrovni Nvidie v oddelení ray-tracing (prečítajte si naše RX 6800 XT verzus RTX 3080 a RX 6900 XT verzus RTX 3090 porovnania pre viac).

Sotva to prekvapuje, vzhľadom na Architektúra Big Navi napájanie kariet AMD RX 6000 je do značnej miery prvou generáciou zrýchlenia sledovania lúča. Je to rovnaká architektúra, ktorá poháňa vizuály v PlayStation 5 a Xbox Series X, ktorý zabezpečuje celkovo nižšiu úroveň výkonu ako vlajkové karty Nvidie. Keďže je však sledovanie lúčov výnimočnou funkciou na konzolách novej generácie, očakávame lepšiu podporu a optimalizáciu. V blízkej budúcnosti sa dočkáme debutu o AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) pre herné počítače a tiež najnovšie verzie Microsoft Xbox.

Ako môžete vidieť sledovanie lúčov doma?

Ak chcete vidieť sledovanie lúčov doma, budete potrebovať najnovšiu – a drahú – grafickú kartu. Hardvérovo akcelerované sledovanie lúčov je k dispozícii iba na GPU Nvidia RTX alebo na GPU AMD radu RX 6000. Karty radu GTX 10 a 16 podporujú sledovanie lúčov, ale chýbajú im jadrá RT, aby to bolo pohodlné hrateľné.

Ak očakávate, že budete hrať s rozlíšením vyšším ako 1080p a so snímkovou frekvenciou 60 snímok za sekundu alebo viac, najlepšie urobíte, ak si zaobstaráte špičkovú grafickú kartu. V rozlíšení 4K sú RTX 3080 a RX 6800 XT výnimočnými kartami, ale vystačíte si s RTX 3070 alebo RX 6800 ak ste ochotní prejsť na 1440p v niektorých tituloch.

Existuje obmedzený výber hier s podporou sledovania lúčov, ale ich počet rastie. Najlepšie príklady sledovania lúčov zahŕňajú skoré ukážky RTX, napr Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider, a Metro Exodus. Novšie hry ako napr Kontrola a MechWarrior 5: Žoldnieri tiež vyzerať presvedčivo. Zostaňte vo Svetle je nezávislá hororová hra postavená pomocou lúčmi sledovaných tieňov a odrazov. Remastrovaný Quake II s RTX ray tracingom je ďalší fantastický príklad.

Na trhu je menej hier na sledovanie lúčov, no toto odvetvie rastie. Ako PlayStation 5 a Xbox Series X začať s reklamou sledovania lúčov, konkurenti budú čoskoro nasledovať. Multiplatformová hra Watch Dogs 2 sa líši od nového Watch Dogs: Legion, keďže nová hra spustila sledovanie lúčov, aby fungovalo na konzolách a počítačoch.

Skúste použiť Sledovanie lúčov Port Royal spoločnosti UL Benchmark aby ste zistili, či váš počítač bude fungovať s ray tracingom.

Odporúčania redaktorov

• Dokonca ani partneri Nvidie neveria v nový RTX 4060 Ti
• Nvidia RTX 4060 nakoniec nemusí byť takým sklamaním
• Ako previesť vaše kazety VHS na DVD, Blu-ray alebo digitálne
• AMD môže rozdrviť Nvidiu svojimi grafickými procesormi pre notebooky – ale na prednej strane stolného počítača je tichá
• Nvidia RTX 4060 Ti vs. RTX 4070: porovnanie GPU strednej triedy Nvidia