Трассировка лучей — это техника освещения, которая придает играм дополнительный уровень реалистичности. Он имитирует то, как свет отражается и преломляется в реальном мире, обеспечивая более правдоподобную среду, чем то, что обычно наблюдается при использовании статического освещения в более традиционных играх. Но что такое трассировка лучей, в точности? И что еще более важно, как это работает?
Хорошая видеокарта может использовать трассировку лучей для улучшения погружения, но не все графические процессоры могут справиться с этой техникой. Читайте дальше, чтобы решить, важна ли трассировка лучей для вашего игрового процесса и оправдывает ли она сотни затрат на обновленный графический процессор.
Виртуальные фотоны
Чтобы понять, как работает революционная система освещения трассировки лучей, нам нужно сделать шаг назад и понять, как игры ранее отображали свет, а также что нужно эмулировать для фотореалистичного опыта.
Игры без трассировки лучей основаны на статическом “встроенном” освещении. Разработчики размещают источники света в среде, которая равномерно излучает свет на любом заданном виде. Более того, виртуальные модели, такие как NPC и объекты, не содержат никакой информации о какой-либо другой модели, требующей, чтобы графический процессор вычислял поведение света во время процесса рендеринга. Текстуры поверхности могут отражать свет, имитируя блеск, но только свет, излучаемый статическим источником. Возьмем в качестве примера сравнение отражений в GTA Vниже.
В целом, эволюция графического процессора помогла этому процессу с годами стать более реалистичным по внешнему виду, но игры все еще не являются фотореалистичными с точки зрения отражения, преломления и общего освещения в реальном мире. Для этого графическому процессору необходима 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 как частица и как волна. Фотоны не имеют реального размера или формы — их можно только создавать или уничтожать.
Тем не менее, свет можно было бы идентифицировать как поток фотонов. Чем больше у вас фотонов, тем ярче воспринимаемый свет. Отражение происходит, когда фотоны отражаются от поверхности. Преломление происходит, когда фотоны, которые движутся по прямой линии, проходят через прозрачное вещество, и линия перенаправляется или “изгибается”. Разрушенные фотоны могут восприниматься как “поглощенные”.
Трассировка лучей в играх пытается имитировать то, как работает свет в реальном мире. Он отслеживает путь имитируемого 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 десятилетиями использовала трассировку лучей, хотя в первые дни для создания полнометражного фильма требовались фермы компьютеров, поскольку для рендеринга одного кадра могли потребоваться часы или даже дни. Теперь домашние ПК могут эмулировать графику с трассировкой лучей в режиме реального времени, используя аппаратное ускорение и хитроумные приемы освещения, чтобы ограничить количество лучей до приемлемого количества.
Вот что действительно открывает глаза: как и в любом фильме или телешоу, сцены в анимации CGI обычно “снимаются” под разными углами. Для каждого кадра вы можете перемещать камеру, чтобы запечатлеть действие, увеличивать, уменьшать или панорамировать всю область. И, как и анимация, вы должны управлять всем на основе кадра за кадром, чтобы имитировать движение. Сложите все кадры вместе, и у вас будет плавная история.
В играх вы управляете одной камерой, которая всегда находится в движении и всегда меняет точку зрения, особенно в быстро развивающихся играх. Как в играх CGI, так и в играх с трассировкой лучей графический процессор должен не только вычислять, как свет отражается и преломляется в любой заданной сцене, но и вычислять, как он отражается объективом-вашей точкой зрения. Для игр это огромный объем вычислительной работы для одного ПК или консоли.
К сожалению, у нас все еще нет ПК потребительского уровня, которые могли бы по-настоящему 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, даже делая блочные игры, такие как Minecraft, почти фотореалистичными в правильных условиях. Есть только одна проблема: это чрезвычайно трудно смоделировать. Воссоздание того, как работает свет в реальном мире, является сложным и ресурсоемким процессом, требующим огромных вычислительных мощностей.
Вот почему существующие варианты трассировки лучей в играх, такие как трассировка лучей на основе RTX от Nvidia, не соответствуют действительности. Они не являются истинной трассировкой лучей, при которой имитируется каждая точка света. Вместо этого графический процессор “обманывает”, используя несколько интеллектуальных приближений, чтобы добиться чего-то близкого к тому же визуальному эффекту, но не слишком обременяя аппаратное обеспечение. Это, вероятно, изменится в будущих поколениях GPU, но на данный момент это шаг в правильном направлении.
В большинстве игр для трассировки лучей в настоящее время используется комбинация традиционных методов освещения, обычно называемых растеризацией, и трассировки лучей на определенных поверхностях, таких как отражающие лужи и металлоконструкции. Battlefield V-отличный тому пример. Вы видите отражение войск в воде, отражение местности на самолетах и отражение взрывов на краске автомобиля. Можно показывать отражения в современных 3D-движках, но не на уровне детализации, показанном в таких играх, как Battlefield V, когда включена трассировка лучей.
Трассировку лучей также можно использовать для теней, чтобы сделать их более динамичными и реалистичными. Вы увидите, что это имело большой эффект в Тени Расхитителя 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 взгляда без отслеживания лучей чрезвычайно сложно. Разработчики могут подделать его только с помощью тщательного, контролируемого использования предустановленных статических источников света. Установка всех этих “огней сцены” требует много времени и усилий — и даже тогда результат не совсем правильный.
Некоторые игры идут до конца и используют трассировку лучей для глобального освещения, эффективно отслеживая всю сцену. Но это самый дорогостоящий с точки зрения вычислений вариант, и для эффективной работы ему нужна самая мощная из современных видеокарт. Metro Exodus использует эту технику, хотя реализация не идеальна.
Из-за этого популярны полумеры, такие как только тени для трассировки лучей или отражающие поверхности. В других играх используются технологии Nvidia, такие как шумоподавление и супер-сэмплирование глубокого обучения, для повышения производительности и устранения некоторых визуальных сбоев, возникающих при рендеринге меньшего количества лучей, чем было бы необходимо для создания действительно прослеживаемой по лучам сцены. Они по-прежнему зарезервированы для предварительно отрисованных скриншотов и фильмов, где мощные серверы могут проводить дни, отрисовывая отдельные кадры.
Оборудование, стоящее за лучами
Чтобы справиться даже с этими относительно скромными реализациями трассировки лучей, видеокарты Nvidia серии RTX 20 представили оборудование, специально созданное для трассировки лучей.
Архитектура Nvidia Turing, представленная на графических процессорах 20-й серии, представила ядра RT наряду с ядрами Nvidia CUDA и Tensor. Ядра RT предназначены исключительно для обработки трассировки лучей в реальном времени. В картах Тьюринга ядра RT работали прилично, но только после недавнего запуска Ampere мы увидели, как они сияют.
Nvidia опубликовала разбивку создания одного кадра Metro Exodus, в которой показано, как устроен конвейер рендеринга и как на него влияет трассировка лучей. В то время как RTX 2080 и GTX 1080 Ti могут быть примерно сопоставимы по производительности для игр без трассировки лучей, когда трассировка лучей применяется к сцене, для 1080 Ti может потребоваться гораздо больше времени-без выделенных ядер RT-для создания одного и того же изображения.
Выделенные ядра RT в графических процессорах RTX 20-й серии были большим преимуществом, но они не совсем обеспечивали производительность, предложенную Nvidia. Даже 2080-й Ti прошлого поколения испытывал трудности с поддержкой трассировки лучей при запуске. Однако новые RTX 3080 и 3090 оснащены более новыми ядрами RT, и повышение производительности очевидно. Эти карты не только быстрее, чем их аналоги прошлого поколения, но и новые ядра RT также быстрее. Во многих отношениях карты RTX 30-й серии кажутся графическими процессорами, которые Nvidia обещала с RTX в первую очередь.
Однако метод трассировки лучей Nvidia-не единственный доступный вариант. Существуют также эффекты постобработки “трассировки пути”, которые обеспечивают сопоставимые визуальные эффекты без какого-либо снижения производительности.
У AMD теперь тоже есть возможности для трассировки лучей, к которым мы перейдем далее.
Вам все равно понадобится мощная видеокарта для трассировки лучей, независимо от ее реализации, но по мере того, как эта технология будет пользоваться популярностью у разработчиков игр, мы можем увидеть более широкий спектр вспомогательного оборудования по гораздо более доступным ценам.
А как насчет AMD?
В течение последних нескольких лет AMD изо всех сил пыталась обеспечить аппаратное ускорение трассировки лучей, но это изменилось с запуском RX 6800, 6800 XT и 6900 XT. Эти новые карты поддерживают трассировку лучей DirectX 12 и обеспечивают отличную производительность, даже если AMD не совсем соответствует уровню Nvidia в отделе трассировки лучей (подробнее читайте наши сравнения RX 6800 XT по сравнению с RTX 3080 и RX 6900 XT по сравнению с RTX 3090).
Это вряд ли станет сюрпризом, учитывая, что большая архитектура Navi, обеспечивающая питание карт AMD RX 6000, в значительной степени является ускорением трассировки лучей первого поколения. Это та же архитектура, которая обеспечивает визуальные эффекты в PlayStation 5 и Xbox Series X, обеспечивая более низкий уровень производительности в целом, чем у флагманских карт Nvidia. Однако, поскольку трассировка лучей является выдающейся функцией на консолях следующего поколения, мы ожидаем лучшей поддержки и оптимизации в будущем. В ближайшем будущем мы увидим дебют AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) для игровых ПК, а также последние версии Microsoft Xbox.
Как вы можете видеть трассировку лучей дома?
Вам понадобится новейшая и дорогая видеокарта, чтобы увидеть трассировку лучей дома. Трассировка лучей с аппаратным ускорением доступна только на графических процессорах Nvidia RTX 20-й и 30-й серий или на графических процессорах AMD серии RX 6000. Карты GTX 10-й и 16-й серий поддерживают трассировку лучей, но им не хватает ядер RT, чтобы сделать их удобными для воспроизведения. Представляется вероятным, что карты RX 6000 и RTX 30-й серии будут отсутствовать на складе в течение 2021 года, а срок службы карт RTX 20-й серии подошел к концу, что означает, что запасы у розничных торговцев быстро сокращаются. В конце 2020 года вариантов не так много, но, надеюсь, это изменится в ближайшие несколько месяцев. Как только вы защитите видеокарту, все остальное будет просто.
Если вы ожидаете играть с разрешением выше 1080p и частотой кадров 60 и более кадров в секунду, лучше всего потратить деньги на первоклассную видеокарту. При разрешении 4K RTX 3080 и RX 6800 XT являются выдающимися картами, но вы можете обойтись RTX 3070 или RX 6800, если вы хотите перейти на 1440p в определенных названиях.
Существует ограниченный выбор игр с поддержкой трассировки лучей, но их число растет. Лучшие примеры трассировки лучей включают ранние демо-версии RTX, такие как Battlefield V, Shadow of the Tomb Raiderи Metro Exodus. Более поздние игры, такие как Control и MechWarrior 5: Наемники, также выглядят убедительно. Stay in the Light — это инди-хоррор-игра, построенная с использованием теней и отражений, прорисованных лучами. Ремастированный Quake II с трассировкой лучей RTX — еще один фантастический пример.
На рынке меньше игр для трассировки лучей, но индустрия растет. Поскольку PS5 и Xbox Series X начинают рекламировать трассировку лучей, конкуренты вскоре последуют за ними. Мультиплатформенная игра Watch Dogs 2 отличается от новой Watch Dogs: Legion, так как новая игра инициировала трассировку лучей для работы на консолях и компьютерах.
Попробуйте использовать трассировку лучей Port Royal от UL Benchmark, чтобы определить, будет ли ваш компьютер работать с трассировкой лучей.
