Pēc Nvidia Turing ģimenes GPU izlaišanas 2018. gadā spēļu pasaulē diskusijas par funkciju, kas pazīstama kā “Ray Tracing”, strauji pieauga. Nvidia toreiz pavisam jaunā grafisko karšu sērija “RTX” spēles atbalstīja kaut ko, ko sauc par “Reālā laika staru izsekošanu”. Lielākā daļa cilvēku nebija pārliecināti par to, kas ir šī jaunā funkcija, un kāpēc Nvidia to tik ļoti nospieda, bet vienlaikus bija satraukti un ieinteresēti tehnoloģijā. Ray Tracing bija tik liels punkts, pēc Nvidia domām, ka viņi uzskatīja par nepieciešamu to precīzi ievietot to produktu nosaukumos, kurus viņi sāka laist tirgū. Jaunā GeForce “RTX” karšu sērija aizstāja vecāko “GTX” šķirni, kad tā nonāca pie populārākajiem SKU, piemēram, 60,70,80 un -80Ti SKU, kurus parasti izlaiž Nvidia.
Nvidia GeForce RTX 3080 ir viena no ātrākajām grafikas kartēm, kas atbalsta staru izsekošanu - attēls: Nvidia
Nvidia grafikas karšu sērija RTX 2000 izraisīja vairākas aparatūras izmaiņas, kas iespējoja Ray Tracing atbalstu spēlēs. Jaunās Turinga grafikas kartes tajās ievietoja īpašus serdeņus, kas bija veltīti šim procesam un bija pazīstami kā RT kodoli. RT kodolu mērķis bija īpaši apstrādāt visu grafisko aprēķinu, kas bija nepieciešams, lai reāllaika staru izsekošana būtu iespējama spēlēs. Nvidia arī papildināja kartes ar papildu CUDA kodoliem, lai palielinātu karšu neapstrādāto jaudu, vienlaikus pievienojot arī jaunu serdeņu komplektu, kas pazīstams kā Tensor Core. Šie kodoli bija domāti, lai palīdzētu dziļi mācīties un AI lietojumprogrammās, piemēram, jauna veida paaugstināšanas tehnikā, kas pazīstama kā Deep Learning Super Sampling. Mēs jau esam detalizēti apsprieduši Deep Learning Super Sampling jeb DLSS Šis raksts , kur jūs varat uzzināt vairāk par AI darbināmu uzlabošanas tehniku.
Staru izsekošana nav jauna
Lai gan no pirmā acu uzmetiena varētu šķist, ka Ray Tracing ir jauna tehnoloģija, kuras aizsācēju ir Nvidia, patiesība patiesībā ir tālu no tās. Jā, Nvidia bija pirmais uzņēmums, kas ieviesa atbalstu reāllaika staru izsekošanai spēlēs, taču tas nenozīmē, ka Ray Tracing nav bijis pirms RTX sērijas. Jūs, iespējams, jau gadiem ilgi to izbaudījāt, nezinot, ja esat noskatījies kādu nesenu filmu, kurā ir redzami CGI efekti.
Ray Tracing jau tiek izmantots citās jomās, piemēram, filmās - attēls: Nvidia
Īstenošana filmās, protams, ir nedaudz atšķirīga un daudz intensīvāka nekā spēļu versija. Lieliem budžeta veidojumiem ir greznība, jo tie var tērēt lielu naudas summu un laiku šo ainu renderēšanai. Tiek ziņots, ka populāras animācijas filmas viena mēneša laikā izmantoja aptuveni 1000 superdatorus, lai visu filmu padarītu ar staru izsekošanas efektiem. Šādi liela mēroga renderēšanas procesi, protams, nav iespējami vai iespējami vidusmēra spēlētājam, kurš vēlas spēlēt dažas spēles ar dažiem atjauninātiem vizuālajiem materiāliem, tādējādi Ray Tracing versija, kas atrodas mūsdienu spēlēs, ir nedaudz atšķirīga lietojumā. Tomēr staru izsekošana ir funkcija, kas ir sastopama daudzās ražošanas jomās ārpus spēlēm, un filmas ir viena no izcilākajām.
Ray Tracing funkcijas atbalsta arī produktivitātes programmatūras, kuras profesionāļi izmanto, lai strādātu pie grafiski intensīvām ainām, piemēram, Blender. Šīs datorgrafikas un renderēšanas programmatūra izmanto dažādu līmeņu staru izsekošanas lietojumu, lai izveidotu fotoreālistiskus vizuālos attēlus nekustīgajos attēlos un 3D animācijās.
Kas ir rastrēšana?
Kāpēc Nvidia uzskatīja par nepieciešamu ieviest tik sarežģītu procesu tradicionālajās spēlēs? Vai ir kāda atšķirība staru izsekošanas procesā spēlēs, lai tas būtu vairāk optimizēts darba slodzei? Lai saprastu Ray Tracing mehānismu, vispirms mums jāsaprot mehānisms, ar kuru spēles tiek tradicionāli renderētas. Tas mums palīdzēs saprast, kāpēc staru izsekošana tiek uzskatīta par uzlabojumu un lielu lēcienu uz priekšu grafiskajā uzticībā.
Paņēmiens, kas pašlaik tiek izmantots renderēšanai, ir pazīstams kā “rastrēšana”. Šajā tehnikā spēles kods liek GPU vilkt 3D ainu, izmantojot daudzstūrus. Šīs 2D formas (galvenokārt trīsstūri) veido lielāko daļu vizuālo elementu, kas tiek parādīti ekrānā. Pēc ainas uzzīmēšanas tā tiek tulkota vai “rastrēta” atsevišķos pikseļos, kurus pēc tam apstrādā īpašs ēnotājs. Ēnotājs pievieno krāsas, faktūras un apgaismojuma efektus, pamatojoties uz pikseļiem, lai izveidotu pilnībā renderētu rāmi. Šis paņēmiens jāatkārto aptuveni 30-60 reizes sekundē, lai spēlēs iegūtu 30FPS vai 60FPS vizuālo materiālu.
Sīkāka informācija par rastrēšanas mehānismu - attēls: Medium.com
Rasterizācijas ierobežojumi
Lai gan rasterizācija jau ilgu laiku ir noklusējuma renderēšanas režīms spēlēs, rastrizācijas raksturīgajam procesam ir daži ierobežojumi. Galvenā rastrēšanas problēma ir tā, ka šai tehnikai ir grūti izsekot, kā ainas gaismai vajadzētu ceļot un mijiedarboties ar citiem ainas elementiem. Rastrēta renderēšana nerada tādus pašus rezultātus kā Ray Traced renderēšana attiecībā uz konkrētas ainas apgaismojuma efektiem un vispārēju apgaismojumu. Rastrēta renderēšana dažkārt var radīt arī nedaudz neprecīzus attēlus attiecībā uz apgaismojumu, kas var patiešām sabojāt iegremdēšanu noteiktā spēlē. Tāpēc, ja runa ir par grafisko precizitāti, jo īpaši attiecībā uz apgaismojumu, staru izsekošana tiek uzskatīta par izcilu renderēšanas veidu.
Kas īsti ir staru izsekošana?
Tagad, kad mēs esam apsprieduši tradicionālo rastrētās renderēšanas veidu, apspriedīsim jauno reālā laika staru izsekošanas lietojumu mūsdienu spēlēs. Ray Tracing ir renderēšanas paņēmiens, kas rada attēlu, pamatojoties uz virtuālo gaismu un to, kā šis gaismas avots mijiedarbojas ar visiem virtuālās skatuves objektiem. Staru izsekošana var radīt daudz dabiskāku ainu attēlojumu, kas izmanto gaismas mijiedarbību ar ainas iekšpusē esošajiem objektiem, lai radītu reālisma sajūtu. Vienkārši sakot, Ray Tracing ir paņēmiens, kas liek gaismai videospēlēs izturēties tāpat kā reālajā dzīvē.
Ray Tracing sola pilnībā pārveidot vizuālo materiālu spēlēs - attēls: Nvidia
Ray Tracing mehānisms
Spēļu staru izsekošanas mehānisms pēc būtības atšķiras no citiem staru izsekošanas veidiem, kas jau ir atrodami citās nozarēs, piemēram, filmās. Tā vietā, lai izsekotu visus miljonus staru, kas nāk no katra gaismas avota, patērētāja līmeņa staru izsekošana samazina skaitļošanas slodzi, tā vietā, lai ar vienu pikseļu izsekotu ceļu no kameras, kas attēlo lietotāja perspektīvu, līdz jebkuram objektam, kas atrodas aiz tā. pikseļu un tad beidzot atgriezieties pie attiecīgās ainas gaismas avota. Šis staru izsekošanas paņēmiens var radīt arī vairākus efektus, piemēram, gaismas absorbciju, atstarošanu, refrakciju un difūziju, ko nosaka objekts, kas mijiedarbojās ar ainas gaismu. Ray Tracing algoritms var ņemt vērā arī iegūtos starus, lai visi atstarošanas efekti vai ēnas tiktu parādīti precīzi.
Spēlē Ray Tracing gaisma spēlē izturas tāpat kā reālajā dzīvē - attēls: Nvidia
Dažādas staru izsekošanas formas
Ne visi Ray Tracing ieviešanas gadījumi ir vienādi. Spēļu daudzveidība, kas atbalsta Ray Tracing, šī funkcija tiek ieviesta nedaudz atšķirīgā veidā. Tas ir spēles izstrādātāja ziņā, lai palielinātu vai samazinātu Ray Tracing sarežģītību spēlē, lai spēle nodrošinātu perfektu veiktspējas un vizuālās kvalitātes līdzsvaru. Sākot ar 2020. gadu, lielākajā daļā spēļu, kas atbalsta staru izsekošanu, staru izsekošana parasti tiek izmantota tikai vienam ainas aspektam, nevis visas ainas renderēšanai, izmantojot pašu staru izsekošanu. Tas ir iespējams, taču pilnas ainas staru izsekošanas aprēķina izmaksas ir astronomiskas, salīdzinot ar citām pieejām, un tādējādi vismaz šobrīd nav vērts pielikt pūles. Rakstīšanas laikā dažādās Ray Tracing versijās, kas pašlaik tiek izmantotas spēlēs, ir:
- Ēnas: Vienkāršākā un vismazāk intensīvā Ray Tracing ieviešana neapšaubāmi ir saistīta ar ēnām. Šeit staru izsekošana tiek izmantota, lai ideāli attēlotu ēnas ainā, pamatojoties uz gaismas avotu no gaismas avota un paša objekta atrašanās vietu. Šis paņēmiens ir īpaši izmantots “Kapu raidera ēnā”, lai izveidotu detalizētāku ēnu karti, kas reaģē uz izmaiņām vidē ap objektiem, kas rada ēnas. Vissvarīgākais ir tas, ka gaismas avota kustība un leņķis tagad var izraisīt tādas pašas izmaiņas radītajās ēnās, kādas mēs novērojam reālajā dzīvē.
- Pārdomas: Pārdomas ir nedaudz intensīvākas skaitļošanas ziņā, lai renderētu, izmantojot Ray Tracing, tomēr Ray Traced atstarojumi mūsdienu spēlēs izskatās fenomenāli un, iespējams, ir visievērojamākie grafiskie uzlabojumi, ko var iegūt, izmantojot Ray Tracing. Refleksijas izmanto ainas gaismas avotu, lai precīzi padarītu atstarojumus no atstarojošiem objektiem, piemēram, stikla un ūdens. Viena no populārākajām spēlēm, kas izmanto Ray Traced atstarojumus, ir “Control”.
- Apkārtējā oklūzija: Tas ir saistīts arī ar ēnām un ir vairāk vai mazāk saistīts ar to pašu pamatprocesu. Apkārtējā oklūzija izmanto staru izsekošanu, lai prognozētu ēnu leņķi un intensitāti, pamatojoties uz objektu atrašanās vietu un izvietojumu ainā. Kad tas ir izdarīts pareizi, Ambient Occlusion var pievienot spēli pārsteidzošu detaļu un reālismu.
- Globālais apgaismojums: Iespējams, ka visspēcīgākais Ray Tracing ieviešanas veids mūsdienu spēlēs ir Global Illumination, izmantojot Ray Tracing, lai precīzi attēlotu pasaules apgaismojumu. Tas nodrošina daudz reālāku apgaismojuma sajūtu, kad tas tiek ieslēgts, taču tam ir arī milzīgs trieciens veiktspējai, pateicoties milzīgajam apstrādājamo datu apjomam. “Metro Exodus” izmanto staru izsekošanu, lai nodrošinātu daudz reālistiskāku globālā apgaismojuma veidu.
- Pilna ceļa izsekošana: Visbeidzot, mēs redzam arī dažas spēles, kas ir pilnībā izsekotas, kas būtībā nozīmē, ka viss ir Ray Traced. Tagad šīs spēles ir nedaudz vienkāršākas un mazākas nekā citas spēles, kuras vairāk vai mazāk bija lielo uzņēmumu AAA nosaukumi, taču tas nenozīmē, ka tās neizskatās iespaidīgi. Patiesībā daži varētu iebilst, ka šīs spēles ar pilnīgu ceļa izsekošanu izskatās labāk nekā visas citas Ray Tracing ieviešanas. “Minecraft RTX” un “Quake RTX” ir divi no nosaukumiem, kas ir pilnībā izsekojami, kas pieejami rakstīšanas laikā.
Ray Traced Reflections var būt vispievilcīgākais Ray Tracing pielietojums spēlēs - attēls: Nvidia
Kas man vajadzīgs staru izsekošanai?
Kā jau minēts iepriekš, staru izsekošana ir ļoti skaitļošanas intensīvs uzdevums, tāpēc, lai tā darbotos, ir nepieciešama kāda noteikti augstas klases aparatūra. Rakstīšanas laikā ir vairākas grafikas kartes gan no AMD, gan no Nvidia, kas atbalsta ar aparatūru paātrinātu staru izsekošanu. Pat Sony un Microsoft konsoles atbalsta šo funkciju. Tas mazliet paplašina atbalstītās aparatūras sarakstu:
- Nvidia GeForce RTX 2000 sērija
- Nvidia GeForce RTX 3000 sērija
- AMD Radeon RX 6000 sērija
- Microsoft Xbox X sērija
- Sony PlayStation 5
Paturiet prātā, ka, ja AMD ar Ray Tracing rīkojas mazliet savādāk nekā Nvidia, tad ir nedaudz lielāks veiktspējas sods, kas tiek ievērots, ja Ray Tracing izmantojat AMD kartes. Turklāt, ja vēlaties izbaudīt uzlaboto veiktspēju, izmantojot Deep Learning Super Sampling, šī funkcija ir pieejama arī tikai Nvidia RTX kartēs. AMD, domājams, strādā pie RL 6000 sērijas kartēm līdzīgas DLSS funkcijas, taču pašlaik tā vēl tiek izstrādāta rakstīšanas laikā.
Nvidia ir izveidojis arī terminu “Giga Rays”, lai lietotājiem sniegtu priekšstatu par RTX grafisko karšu relatīvajām staru izsekošanas iespējām. Nvidia saka, ka 5 Giga stari sekundē ir minimālais virtuālās gaismas daudzums, kas ideāli nepieciešams, lai pilnībā apgaismotu tipisku telpu videospēļu vidē. GeForce RTX 2070 piedāvā 5 Giga Rays / sek, savukārt RTX 2080 8 Giga Rays sekundē. RTX 2080Ti piedāvā milzīgus 10 Giga Rays / sek. Tomēr tā ir nedaudz patvaļīga vienība, tāpēc to parasti vajadzētu izmantot tikai, lai parādītu relatīvās veiktspējas gaidas.
Veiktspējas zudums un DLSS
Kā jau tagad ir redzams, lielākais Ray Tracing trūkums ir veiktspējas sasniegums, pateicoties lielajam veltītās aprēķināšanas apjomam, kas jāveic šajā procesā. Dažās spēlēs veiktspējas trāpījums ir tik liels, ka tas var novirzīt spēli uz kadru ātrumu, kas vairs netiek uzskatīts par spēlējamu. Veiktspējas sasniegums ir vēl lielāks spēlēs, kurās tiek izmantotas sarežģītākas Ray Tracing realizācijas, piemēram, Reflections, Global Illumination vai Full Path Tracing.
Protams, Nvidia domāja par šo soda soda situāciju un arī izstrādāja jaunu kompensācijas tehniku, kas pazīstama kā Deep Learning Super Sampling. Šī tehnika ar nosaukumu DLSS tika izlaista līdzās Nvidia RTX 2000 sērijai jau 2018. gadā. Mēs jau detalizēti izpētījām DLSS Šis raksts , bet šīs tehnoloģijas būtība ir tāda, ka tā tiek attēlota ar zemāku izšķirtspēju un pēc tam gudri un metodiski palielina attēlu, lai tas atbilstu izejas izšķirtspējai, lai nodrošinātu izcilu sniegumu vietējai renderēšanai. DLSS ir lielisks kompensācijas mehānisms Ray Tracing veiktspējas zudumam, taču to var izmantot arī bez Ray Tracing, lai nodrošinātu vēl lielākus kadru nomaiņas ātrumus un daudz labāku pieredzi.
Ievērojami veiktspējas pieaugumi kontrolē, kad DLSS ir ieslēgts - attēls: Nvidia
Lielākā DLSS priekšrocība ir tā, ka tā izmanto Deep Learning un AI, lai attēlu palielinātu tā, ka starp vietējo un palielināto attēlu vizuālās skaidrības atšķirības ir mazas vai vispār nav. Nvidia savā RTX karšu sērijā izmanto Tensor kodolus, lai paātrinātu DLSS procesu, lai šo paaugstināšanas aprēķinu varētu veikt renderētās spēles tempā. Šī ir patiesi aizraujoša tehnoloģija, kuru mēs vēlētos redzēt tālāk attīstītu un uzlabotu, nekā tas ir tagad.
Staru izsekošanas nākotne
Ray Tracing spēlēs ir tikai sākums, un mēs varam droši teikt, ka tas ir šeit, lai paliktu. AMD ir tikko izlaidusi viņu pirmā karšu sērija, kas atbalsta pilnu reāllaika staru izsekošanu ar RX 6000 sēriju , un PlayStation 5 un Xbox Series X ir arī atbalsts Ray Tracing. Pašreizējie šķēršļi, kas jāpārvar, ir veiktspējas zudums un mazais to atbalstošo spēļu skaits. Pašreizējās spēles, kas rakstīšanas laikā atbalsta Ray Tracing, ietver:
- Amid Evil
- Kaujas lauks V
- Spilgta atmiņa
- Call of Duty: Mūsdienu karš (2019)
- Call of Duty: Black Ops Cold War
- Kontrole
- Krīze pārstrādāta
- Piegādājiet mums Mēnesi
- Fortnite
- Spoku skrējējs
- Taisnīgums
- Mechwarrior V: algotņi
- Metro izceļošana
- Minecraft
- Mēness gaismas asmens
- Ķirbju Džeks
- Quake II RTX
- Tomb Raider ēna
- Palieciet gaismā
- Skatīties Suņu leģions
- Volfenšteins: Jauns asinīs
Tikmēr Nvidia ir apstiprinājusi, ka šādi nosaukumi arī atbalstīs Ray Tracing, tiklīdz tie iznāks:
- Atomu sirds
- Cyberpunk 2077 (palaišana)
- Mirstošā gaisma 2
- Doom Mūžīgais
- Iekļauts (novembra slēgta beta versija)
- JX3
- Mirstīgā čaula (novembris)
- Novērotājs: System Redux
- Gatavs vai nē (agrīnas piekļuves palaišana)
- Elija gredzens (palaišana)
- Sinhronizēts: ārpus planētas
- Ragana III
- Vampīrs: maskarāde - asins līnijas 2
- World of Warcraft: Shadowlands (novembris)
- Xuan-Yuan Sword VII (palaišana)
Gaidāmās spēles, kas atbalsta gan RTX, gan DLSS - attēls: Nvidia
Lai arī šīs spēles, iespējams, nešķiet daudz, tas ir sākums virzienam, kur dominējošā renderēšanas forma ļoti labi varētu būt Ray Tracing. Tagad, ciktāl tas attiecas uz veiktspēju, ir patiešām grūti paredzēt, vai Ray Tracing sniegums tiks nedaudz pazemināts. Tomēr ir saprātīgi sagaidīt, ka DLSS uzlabojas un piedāvā pietiekamu kompensāciju par veiktspējas zudumiem, kas rodas, ieslēdzot Ray Tracing. Rakstīšanas laikā spēļu saraksts, kas atbalsta DLSS, nekādā ziņā nav plašs, taču tas ir labs sākums, paturot prātā, ka Nvidia ir paziņojusi par DLSS atbalstu arī vairākām gaidāmajām spēlēm. Šeit ir visas spēles, kas pašlaik atbalsta Deep Learning Super Sampling:
- Himna
- Kaujas lauks V
- Spilgta atmiņa
- Call of Duty: Black Ops Cold War
- Kontrole
- Nāve klīst
- Piegādājiet mums Mēnesi
- F1 2020
- Final Fantasy XV
- Fortnite
- Spoku skrējējs
- Taisnīgums
- Marvel’s Avengers
- Mechwarrior V: algotņi
- Metro izceļošana
- Minecraft
- Monster Hunter: Pasaule
- Tomb Raider ēna
- Skatīties Suņu leģions
- Volfenšteins Youngblood
Kā jūs, iespējams, pamanījāt, lielākā daļa spēļu, kas atbalsta DLSS, ir nosaukumi, kuriem ir sava veida Ray Tracing atbalsts. Tas dod papildu apstiprinājumu teorijai, ka DLSS ir izstrādāts un izlaists galvenokārt kā kompensācijas tehnoloģija, lai mazinātu milzīgo Ray Tracing veiktspējas zudumu. DLSS tomēr ir nopietni iespaidīga tehnoloģija, jo Nvidia ir paskaidrojis, ka sarežģītu aprēķinu veikšanai izmanto superdatoru, kas apmāca algoritmu, kas seko Tensor kodoliem Nvidia GPU. Gaidāms, ka tāpat kā Ray Tracing, arī DLSS piedalīsies vairāk spēlēs:
- Amid Evil
- Atomu sirds
- Robeža
- Cyberpunk 2077 (palaišana)
- Mūžības mala (novembris)
- JX3
- Mirstīgā čaula (novembris)
- Mount & Blade II Bannerlord (novembris)
- Gatavs vai nē (agrīnas piekļuves palaišana)
- Atkritēji
- Vampīrs: maskarāde - asins līnijas 2
- Xuan-Yuan Sword VII (palaišana)
DLSS apvienojumā ar Ray Tracing, šķiet, ir spēļu industrijas nākotne no 2020. gada.
Spēļu saraksts, kas atbalsta DLSS 2.0, turpina pieaugt - attēls: Nvidia
Secinājums
Rasterizācija ir metode, kas jau ilgu laiku tiek izmantota, lai 2D daudzstūru plakni pārvērstu 3D attēlā uz ekrāna. 2018. gadā Nvidia iepazīstināja ar grafikas karšu sēriju RTX 2000 ar pilnu atbalstu reāllaika staru izsekošanai spēlēs - tehnikā, kas izmanto sarežģītus aprēķinus, lai izsekotu ainas gaismas starus, lai precīzi attēlotu, kā gaisma mijiedarbosies ainas objektus. Tas pārņēma spēļu pasauli ar negaidītu vētru, un visa nozare par galveno uzmanību turpmāk izvirzīja Ray Tracing.
Kopš rakstīšanas laika Nvidia ir izlaidusi vēl vienu grafisko karšu paaudzi, kas vēl vairāk uzlabo to Ray Tracing veiktspēju, savukārt gan AMD, gan konsoles ir paziņojušas arī par pilnīgu šīs funkcijas atbalstu. Nvidia ir arī uzlabojusi savu Deep Learning Super Sampling tehniku, kas izmanto AI un Deep Learning, lai gudri uzlabotu attēlu, kas tika atveidots ar zemāku izšķirtspēju, lai kompensētu Ray Tracing radītos zaudējumus.
Šķiet, ka Ray Tracing ir šeit, lai paliktu, un, lai gan sākotnējais šo funkciju atbalstošo nosaukumu skaits nav plašs, tiek paziņots par vairāk un vairāk nosaukumiem, kuriem ir pilnīgs atbalsts reāllaika Ray Tracing turpināšanai. Tagad izstrādātājiem ir jāpielāgo Ray Tracing funkcijas gaidāmajās spēlēs, kā arī jāpalielina šo funkciju atbalstošo nosaukumu skaits. Nvidia un AMD ir arī atbildīgi par to, lai aparatūra būtu optimizēta šai funkcijai, lai spēlētājiem nevajadzētu piedzīvot postošus veiktspējas zudumus ikreiz, kad viņi vēlas ieslēgt Ray Tracing.
