Vad är ray tracing och hur kommer det att förändra spel?

Ray tracing är en ljusteknik som ger en extra nivå av realism till spel. Den emulerar hur ljus reflekteras och bryts i den verkliga världen, vilket ger en mer trovärdig miljö än vad som vanligtvis ses med statisk belysning i mer traditionella spel. Men vad är ray tracing, exakt? Och ännu viktigare, hur fungerar det?

Ett bra grafikkort kan använda ray tracing för att förbättra nedsänkningen, men inte alla GPU: er kan hantera denna teknik. Läs vidare för att avgöra om ray tracing är avgörande för din spelupplevelse och om det motiverar att spendera hundratals på en uppgraderad GPU.

Virtuella fotoner

För att förstå hur ray tracings revolutionerande belysningssystem fungerar måste vi ta ett steg tillbaka och förstå hur spel tidigare renderade ljus, samt vad som behöver emuleras för en fotorealistisk erfarenhet.

Spel utan ray tracing förlitar sig på statisk "inbakad" belysning. Utvecklare placerar ljuskällor i en miljö som avger ljus jämnt över en given vy. Dessutom innehåller virtuella modeller som NPC: er och objekt ingen information om någon annan modell, vilket kräver att GPU: n beräknar ljusbeteende under renderingsprocessen. Ytstrukturer kan reflektera ljus för att efterlikna glans, men bara ljus som emitteras från en statisk källa. Ta jämförelsen av reflektioner i GTA Vnedan som ett exempel.

Sammantaget har GPU: s utveckling hjälpt denna process att bli mer realistisk i utseende under åren, men spel är fortfarande inte fotorealistiska när det gäller verkliga reflektioner, brytningar och allmänt belysning. För att åstadkomma detta behöver GPU: n förmågan att spåra virtuella ljusstrålar.

I den verkliga världen är synligt ljus en liten del av den elektromagnetiska strålningsfamiljen som uppfattas av det mänskliga ögat. Den innehåller fotoner som beter sig både som en partikel och som en våg. Fotoner har ingen verklig storlek eller form - de kan bara skapas eller förstöras.

Som sagt, ljus kunde identifieras som en ström av fotoner. Ju fler fotoner du har, desto starkare uppfattas ljuset. Reflektion uppstår när fotoner studsar från en yta. Refraktion uppstår när fotoner - som färdas i en rät linje - passerar genom ett transparent ämne och linjen omdirigeras eller "böjs". Förstörda fotoner kan uppfattas som "absorberade".

Strålspårning i spel försöker efterlikna hur ljus fungerar i den verkliga världen. Den spårar det simulerade ljusets väg genom att spåra miljontals virtuella fotoner. Ju starkare ljus, desto fler virtuella fotoner måste GPU: n beräkna, och desto fler ytor kommer den att reflektera, bryta och sprida av och från.

Processen är inget nytt. CGI har använt strålspårning i årtionden, även om processen krävde datorgårdar i början för att generera en hel film, eftersom en enda bildruta kunde ta timmar eller till och med dagar att rendera. Nu kan hemdatorer emulera strålspårad grafik i realtid, genom att utnyttja hårdvaruacceleration och smarta belysningsknep för att begränsa antalet strålar till ett hanterbart antal.

Här är den verkliga ögonöppnaren: Som vilken film eller tv-serie som helst, är scener i CGI-animationer vanligtvis "spelade" med olika vinklar. För varje bildruta kan du flytta en kamera för att fånga händelserna, zooma in, zooma ut eller panorera ett helt område. Och precis som animering måste du manipulera allt bildruta för bildruta för att efterlikna rörelse. Lägg ihop alla bilder och du har en flödande historia.

I spel styr du en enda kamera som alltid är i rörelse och som alltid ändrar synvinkel, särskilt i snabba spel. I både CGI och ray-traced spel måste GPU: n inte bara beräkna hur ljus reflekteras och bryts i en given scen, utan den måste också beräkna hur det fångas av linsen - din synvinkel. För spel är det en enorm mängd beräkningsarbete för en enda PC eller konsol.

Tyvärr har vi fortfarande inte datorer på konsumentnivå som verkligen kan återge strålspårad grafik vid höga bildhastigheter. Istället har vi nu hårdvara som kan fuska effektivt.

Låt oss bli verkliga

Strålspårningens grundläggande likhet med det verkliga livet gör det till en extremt realistisk 3D-renderingsteknik, som till och med gör blockiga spel som Minecraft ser nästan fotorealistisk ut under de rätta förhållandena. Det finns bara ett problem: det är extremt svårt att simulera. Att återskapa hur ljus fungerar i den verkliga världen är komplicerat och resurskrävande och kräver massor av datorkraft.

Det är därför som befintliga ray-tracing-alternativ i spel, som Nvidias RTX-drivna ray-tracing, inte är verklighetstrogna. De är inte äkta strålspårning, varvid varje ljuspunkt simuleras. Istället "fuskar" GPU: n genom att använda flera smarta uppskattningar för att leverera något i närheten av samma visuella effekt men utan att vara lika belastande för hårdvaran.

De flesta ray tracing-spel använder nu en kombination av traditionella ljustekniker, vanligtvis kallade rasterisering, och ray tracing på specifika ytor som reflekterande pölar och metallarbete. Battlefield V är ett bra exempel på det. Du ser reflektion av trupper i vatten, reflektion av terräng på flygplan och reflektion av explosioner över en bils lack. Det är möjligt att visa reflektioner i moderna 3D-motorer, men inte på den detaljnivå som visas i spel som Battlefield V när strålspårning är aktiverad.

Strålspårning kan också utnyttjas för skuggor för att göra dem mer dynamiska och realistiska. Du kommer att se att det används med stor effekt i Shadow of the Tomb Raider.

Strålspårad belysning kan skapa mycket mer realistiska skuggor i mörka och ljusa scener, med mjukare kanter och bättre definition. Att uppnå det utseendet utan strålspårning är utomordentligt svårt. Utvecklare kan bara fejka det genom noggrann, kontrollerad användning av förinställda, statiska ljuskällor. Att placera alla dessa "scenljus" kräver mycket av tid och ansträngning - och även då är resultatet inte riktigt rätt.

Vissa spel går hela vägen och använder strålspårning för global belysning, vilket effektivt spårar en hel scen. Men det är det beräkningsmässigt dyraste alternativet och kräver det kraftfullaste av moderna grafikkort för att fungera effektivt. Metro Exodus använder den här tekniken, även om implementeringen inte är perfekt.

På grund av det är halvmått som bara strålspårande skuggor eller reflekterande ytor populära. Andra spel utnyttjar Nvidia-teknologier som denoising och Deep Learning Super Sampling för att förbättra prestandan och dölja några av de visuella hicka som uppstår av att rendera färre strålar än vad som skulle vara nödvändigt för att skapa en verkligt strålspårad scen. Dessa är fortfarande reserverade för förrenderade skärmdumpar och filmer, där kraftfulla servrar kan spendera dagar med att rendera enstaka bildrutor.

Hårdvaran bakom strålarna

För att hantera även dessa relativt blygsamma implementeringar av strålspårning, introducerade Nvidias grafikkort i RTX 20-serien hårdvara speciellt byggd för strålspårning.

Nu stöder alla RTX-kort ray tracing, och de senaste RTX 40-seriens GPU: er har ännu ett sätt att fuska prestanda. SER, eller Shader Execution Reordering, finns på RTX 4090 och RTX 4080, och Nvidia säger att det kan öka prestandan med 25 % i spel med ray tracing. Det fungerar genom att omordna när strålspårningsinstruktionerna bearbetas av GPU: n, vilket optimerar uppgiften för den tillgängliga beräkningskraften.

Även om de första dagarna av strålspårning var svåra, har Nvidias senaste kort presterat mycket bättre. Med SER i nästa generation, tillsammans med DLSS 3, kan vi se ray tracing som inte tankar din bildfrekvens.

Nvidias strålspårning Metoden är dock inte det enda tillgängliga alternativet. Det finns också Reshade "path tracing" efterbehandlingseffekter som levererar jämförbara bilder utan något liknande prestandaträff.

AMD har alternativ för strålspårning nu också, vilket vi kommer till härnäst.

Du vill fortfarande ha en kraftfullt grafikkort för ray tracing oavsett implementering, men när tekniken fångar spelutvecklare kan vi se ett bredare utbud av stödjande hårdvara till mycket mer överkomliga priser.

Hur är det med AMD?

AMD har under de senaste åren kämpat för att leverera hårdvaruaccelererad strålspårning, men det förändrades med lanseringen av RX 6800, 6800 XT och 6900 XT. Dessa nya kort har DirectX 12 ray tracing-stöd och levererar utmärkt prestanda, även om AMD inte är riktigt på Nvidias nivå inom ray-tracing-avdelningen (läs vår RX 6800 XT kontra RTX 3080 och RX 6900 XT kontra RTX 3090 jämförelser för mer).

Det kommer knappast som en överraskning med tanke på Stor Navi-arkitektur Att driva AMD: s RX 6000-kort är i hög grad en första generationens ray-tracing acceleration. Det är samma arkitektur som driver det visuella i PlayStation 5 och Xbox Series X, vilket ger en lägre prestandanivå totalt sett än Nvidias flaggskeppskort. Men eftersom strålspårning är en framstående funktion på nästa generations konsoler förväntar vi oss bättre support och optimeringar framåt. Inom en snar framtid kommer vi att se debuten av AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) för speldatorer och även de senaste versionerna av Microsoft Xbox.

Hur kan du se strålspårning hemma?

Du behöver ett nytt – och dyrt – grafikkort för att se strålspårning hemma. Hårdvaruaccelererad strålspårning är endast tillgänglig på Nvidia RTX GPU: er eller på AMD: s RX 6000-serie GPU: er. GTX 10- och 16-seriekort stöder ray tracing men saknar RT-kärnorna för att göra det bekvämt spelbar.

Om du förväntar dig att spela med upplösningar över 1080p och med bildhastigheter på 60 fps eller mer, är din bästa insats att satsa på ett förstklassigt grafikkort. På 4K är RTX 3080 och RX 6800 XT de enastående korten, men du kan klara dig med en RTX 3070 eller RX 6800 om du är villig att gå över till 1440p i vissa titlar.

Det finns ett begränsat urval av ray tracing-aktiverade spel, men antalet växer. De bästa exemplen på strålspårning inkluderar tidiga RTX-demos, som Battlefield V, Shadow of the Tomb Raider, och Metro Exodus. Nyare spel som Kontrollera och MechWarrior 5: legosoldater ser också övertygande ut. Stanna i Ljuset är ett indie-skräckspel byggt med hjälp av strålspårade skuggor och reflektioner. Den remastrade Quake II med RTX ray tracing är ett annat fantastiskt exempel.

Det finns färre ray tracing-spel på marknaden, men branschen växer. Som PlayStation 5 och Xbox Series X börja reklam ray tracing, konkurrenter kommer snart att följa. Multiplattformsspelet Watch Dogs 2 är annorlunda än det nya Watch Dogs: Legion, eftersom det nya spelet har initierat strålspårning för att fungera på konsoler och datorer.

Prova att använda UL Benchmarks Port Royal strålspårning för att avgöra om din dator kommer att fungera med strålspårning.

Redaktörens rekommendationer

• Inte ens Nvidias partners tror på den nya RTX 4060 Ti
• Nvidias RTX 4060 kanske inte är en sådan besvikelse trots allt
• Hur du konverterar dina VHS-band till DVD, Blu-ray eller digitala
• AMD kan krossa Nvidia med sina bärbara GPU: er - men det är tyst på skrivbordet
• Nvidia RTX 4060 Ti vs. RTX 4070: jämför Nvidias mellanregister GPU: er