Що таке трасування променів і як воно змінить ігри?

Трасування променів — це техніка освітлення, яка надає іграм додатковий рівень реалістичності. Він імітує те, як світло відбивається та заломлюється в реальному світі, забезпечуючи більш правдоподібне середовище, ніж те, що зазвичай можна побачити за допомогою статичного освітлення в більш традиційних іграх. Але що таке трасування променів? І що важливіше, як це працює?

Хороша графічна карта може використовувати трасування променів для покращення занурення, але не всі графічні процесори можуть працювати з цією технікою. Читайте далі, щоб вирішити, чи трасування променів має важливе значення для ваших ігор і чи виправдовує витрати сотень на оновлений графічний процесор.

Віртуальні фотони

Щоб зрозуміти, як працює революційна система освітлення трасування променів, нам потрібно зробити крок назад і зрозуміти, як ігри раніше відтворювали світло, а також що потрібно імітувати для фотореалістичності досвід.

Ігри без трасування променів покладаються на статичне «запечене» освітлення. Розробники розміщують джерела світла в середовищі, яке рівномірно випромінює світло в будь-якому певному вигляді. Крім того, віртуальні моделі, як-от NPC та об’єкти, не містять жодної інформації про будь-яку іншу модель, що вимагає від графічного процесора обчислення поведінки світла під час процесу візуалізації. Текстури поверхні можуть відбивати світло, щоб імітувати блиск, але лише світло, випромінюване від статичного джерела. Візьміть порівняння роздуми в GTA Vнижче як приклад.

Загалом, еволюція GPU допомогла цьому процесу стати більш реалістичним протягом багатьох років, але ігри все ще не є фотореалістичними з точки зору реальних відображень, заломлень тощо освітлення. Для цього графічному процесору потрібна здатність відстежувати віртуальні промені світла.

У реальному світі видиме світло є невеликою частиною електромагнітного випромінювання, яке сприймає людське око. Він містить фотони, які поводяться і як частинки, і як хвилі. Фотони не мають реального розміру чи форми — їх можна лише створити або знищити.

Тим не менш, світло можна ідентифікувати як потік фотонів. Чим більше у вас фотонів, тим яскравіше сприймається світло. Відбиття відбувається, коли фотони відбиваються від поверхні. Заломлення відбувається, коли фотони, які рухаються по прямій лінії, проходять крізь прозору речовину, і лінія перенаправляється або «згинається». Зруйновані фотони можна сприймати як «поглинуті».

Трасування променів в іграх намагається імітувати те, як світло працює в реальному світі. Він відстежує шлях імітованого світла, відстежуючи мільйони віртуальних фотонів. Чим яскравіше світло, тим більше віртуальних фотонів графічний процесор повинен обчислити, і тим більше поверхонь він буде відбивати, заломлювати та розсіювати.

Процес не є чимось новим. CGI використовував трасування променів протягом десятиліть, хоча спочатку цей процес вимагав комп’ютерів, щоб створити повний фільм, враховуючи, що рендеринг одного кадру міг тривати години або навіть дні. Тепер домашні комп’ютери можуть емулювати графіку з трасуванням променів у режимі реального часу, використовуючи апаратне прискорення та розумні трюки освітлення, щоб обмежити кількість променів до контрольованого числа.

Ось справжнє відкриття: як і в будь-якому фільмі чи телешоу, сцени в анімації CGI зазвичай «знімаються» з різних ракурсів. Для кожного кадру ви можете переміщати камеру, щоб зафіксувати дію, збільшувати, зменшувати масштаб або панорамувати всю область. Подібно до анімації, ви повинні маніпулювати всім кадром за кадром, щоб імітувати рух. З’єднайте весь відзнятий матеріал разом, і ви отримаєте повну історію.

В іграх ви керуєте однією камерою, яка постійно рухається та постійно змінює точку огляду, особливо в швидких іграх. І в CGI-іграх, і в іграх із трасуванням променів графічний процесор має не лише обчислювати, як світло відбивається та заломлюється в будь-якій сцені, але також має розраховувати, як воно вловлюється об’єктивом — вашою точкою зору. Для ігор це величезна кількість обчислювальної роботи для одного ПК чи консолі.

На жаль, у нас досі немає комп’ютерів споживчого рівня, які можуть справді відтворювати графіку з трасуванням променів із високою частотою кадрів. Натомість тепер у нас є обладнання, яке може ефективно обманювати.

Давайте по-справжньому

Фундаментальна подібність трасування променів до реального життя робить його надзвичайно реалістичною технікою 3D-візуалізації, навіть створюючи блокові ігри, як Minecraft виглядає майже фотореалістично в правильних умовах. Є лише одна проблема: це надзвичайно важко змоделювати. Відтворення того, як світло працює в реальному світі, є складним і ресурсомістким, що потребує маси обчислювальної потужності.

Ось чому існуючі параметри трасування променів в іграх, як-от трасування променів на основі RTX від Nvidia, не відповідають дійсності. Вони не є справжнім трасуванням променів, за допомогою якого імітується кожна точка світла. Замість цього графічний процесор «обманює», використовуючи кілька розумних наближень, щоб забезпечити щось схоже на той самий візуальний ефект, але без такого оподаткування апаратного забезпечення.

Більшість ігор із трасуванням променів тепер використовують комбінацію традиційних методів освітлення, які зазвичай називають растеризацією, і трасування променів на певних поверхнях, таких як світловідбиваючі калюжі та металоконструкції. Поле битви V є чудовим прикладом цього. Ви бачите відображення військ у воді, відображення місцевості на літаках і відображення вибухів на фарбі автомобіля. У сучасних 3D-движках можна показати відображення, але не на тому рівні деталізації, який показано в таких іграх, як Поле битви V коли трасування променів увімкнено.

Трасування променів також можна використовувати для тіней, щоб зробити їх більш динамічними та реалістичними. Ви побачите, що це дало великий ефект Shadow of the Tomb Raider.

Освітлення з трасуванням променів може створювати набагато реалістичніші тіні в темних і яскравих сценах з м’якшими краями та більшою чіткістю. Досягти такого вигляду без трасування променів надзвичайно важко. Розробники можуть підробити це лише шляхом обережного, контрольованого використання попередньо встановлених статичних джерел світла. Розміщення всіх цих «ліхтарів сцени» вимагає багато часу та зусиль — і навіть тоді результат не зовсім правильний.

У деяких іграх використовують трасування променів для глобального освітлення, фактично відстежуючи всю сцену. Але це найдорожчий з обчислювальної точки зору варіант, і для ефективної роботи потрібна найпотужніша з сучасних графічних карт. Метро Вихід використовує цю техніку, хоча реалізація не ідеальна.

Через це популярні такі напівзаходи, як тільки тіні з трасуванням променів або відбиваючі поверхні. Інші ігри використовують такі технології Nvidia, як шумозаглушення та Супервибірка глибокого навчання щоб підвищити продуктивність і приховати деякі візуальні недоліки, які виникають через рендеринг меншої кількості променів, ніж було б необхідно для створення дійсно трасованої сцени. Вони все ще зарезервовані для попередньо відрендерених скріншотів і фільмів, де високопотужні сервери можуть витрачати дні на рендеринг окремих кадрів.

Обладнання за променями

Щоб впоратися навіть із цими відносно скромними реалізаціями трасування променів, відеокарти серії RTX 20 від Nvidia представили апаратне забезпечення, спеціально створене для трасування променів.

Тепер усі карти RTX підтримують трасування променів, а найновіші графічні процесори серії RTX 40 мають ще один спосіб обдурити продуктивність. SER, або Shader Execution Reordering, доступний на RTX 4090 і RTX 4080, і Nvidia каже, що це може підвищити продуктивність на 25% в іграх із трасуванням променів. Він працює шляхом зміни порядку, коли інструкції трасування променів обробляються GPU, оптимізуючи завдання для доступної обчислювальної потужності.

Хоча перші дні трасування променів були важкими, останні карти Nvidia показали набагато кращі результати. З SER у наступному поколінні разом із DLSS 3 ми можемо побачити трасування променів, яке не підтримує вашу частоту кадрів.

Трасування променів Nvidia Однак цей метод не є єдиним доступним варіантом. Існують також ефекти постобробки Reshade «трасування шляху», які забезпечують порівнянний візуальний ефект без жодного схожого зниження продуктивності.

У AMD тепер також є варіанти трасування променів, про які ми поговоримо далі.

Ви все одно захочете a потужна відеокарта для трасування променів незалежно від реалізації, але в міру того, як ця техніка засвоїть розробників ігор, ми можемо побачити ширший спектр допоміжного обладнання за набагато доступнішими цінами.

Що щодо AMD?

Протягом останніх кількох років AMD намагалася забезпечити апаратне прискорення трасування променів, але це змінилося з випуском RX 6800, 6800 XT і 6900 XT. Ці нові карти підтримують трасування променів DirectX 12 і забезпечують чудову продуктивність, навіть якщо AMD не зовсім на рівні Nvidia у відділі трасування променів (читайте наш RX 6800 XT проти RTX 3080 і RX 6900 XT проти RTX 3090 порівняння більше).

Це не є несподіванкою, враховуючи Архітектура Big Navi живлення карт AMD RX 6000 — це перше покоління прискорення трасування променів. Це та сама архітектура, яка забезпечує візуальні ефекти в PlayStation 5 і Xbox Series X, що забезпечує нижчий рівень продуктивності в цілому, ніж флагманські карти Nvidia. Однак, оскільки трасування променів є видатною функцією на консолях наступного покоління, ми очікуємо кращої підтримки та оптимізації. Найближчим часом ми побачимо дебют AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) для ігрових ПК, а також останні версії Microsoft Xbox.

Як можна побачити трасування променів в домашніх умовах?

Вам знадобиться нова — і дорога — відеокарта, щоб побачити трасування променів вдома. Трасування променів з апаратним прискоренням доступне лише на графічних процесорах Nvidia RTX або на графічних процесорах AMD серії RX 6000. Карти GTX 10-ї та 16-ї серії підтримують трасування променів, але не мають ядер RT для зручності грати.

Якщо ви плануєте грати з роздільною здатністю вище 1080p і частотою кадрів 60 кадрів в секунду або більше, найкращим вибором буде витратитися на відеокарту найвищого рівня. У 4K RTX 3080 і RX 6800 XT є найкращими картами, але ви можете обійтися з RTX 3070 або RX 6800 якщо ви бажаєте перейти на 1440p у певних заголовках.

Вибір обмежений ігор із підтримкою трасування променів, але їх кількість зростає. Найкращі приклади трасування променів включають ранні демо-версії RTX, наприклад Поле битви V, Shadow of the Tomb Raider, і Метро Вихід. Більш свіжі ігри, як КОНТРОЛЬ і MechWarrior 5: Найманці також виглядають переконливо. Залишайтеся у Світлі це інді-гра жахів, створена з використанням тіней і відображень із трасуванням променів. Перероблений Quake II з трасуванням променів RTX ще один фантастичний приклад.

На ринку стало менше ігор із трасуванням променів, але індустрія розвивається. як PlayStation 5 і Xbox Series X почати рекламу трасування променів, незабаром підуть конкуренти. Мультиплатформена гра Сторожові собаки 2 відрізняється від нового Watch Dogs: Legion, оскільки нова гра запустила трасування променів для роботи на консолях і комп’ютерах.

Спробуйте використати Трасування променів Port Royal від UL Benchmark щоб визначити, чи ваш ПК працюватиме з трасуванням променів.

Рекомендації редакції

• Навіть партнери Nvidia не вірять у нову RTX 4060 Ti
• Зрештою, RTX 4060 від Nvidia може бути не таким розчаруванням
• Як конвертувати касети VHS на DVD, Blu-ray або цифрові
• AMD може розгромити Nvidia своїми графічними процесорами для ноутбуків, але вона мовчить на настільному комп’ютері
• Nvidia RTX 4060 Ti проти. RTX 4070: порівняння графічних процесорів середнього класу Nvidia