Аппаратное ускорение трассировки лучей что это
Трассировка лучей (Ray tracing) в играх — включать или нет?
Трассировка лучей как метод рендеринга оставалась долгое время инструментом только кинопроизводства, но с появлением новых высокопроизводительных графических чипов теперь и игровая индустрия претерпевает значительный скачок в плане реализма, благодаря реализации этой технологии в современных играх.
Что такое Трассировка лучей или Ray tracing?
Трассировка лучей или рейтрейсинг — это метод рендеринга в видеоиграх, позволяющий максимально точно имитировать отражение света от объектов, что в свою очередь создает более реалистичные тени, отражения и световые эффекты.
Впервые об исследованиях трассировки лучей и искусственного интеллекта и их применении в визуализации графики заговорили в 80-х годах прошлого века. Однако проблема заключалась в нехватке вычислительной мощности процессоров тех времен. Потребовалось несколько десятилетий для появления таких видеочипов, как NVIDIA Turing, которые ликвидировали этот пробел и позволили воплотить идеи прошлого в жизнь.
Принципы работы
В реальности все, что находится в поле нашего зрения, по сути, является результатом попадания света на объекты, которые мы наблюдаем. Различная степень поглощения, отражения и преломления света этими объектами формирует картинку для человеческого глаза.
Трассировка лучей представляет собой фактически обратный процесс, о чем свидетельствует само название: это метод создания изображения с помощью компьютера путем «отслеживания» пути света от воображаемого глаза или камеры к объектам на этом изображении.
Алгоритм трассировки лучей учитывает как тип материала, так и источник света. Например, два баскетбольных мяча одинакового оттенка не будут выглядеть одинаково, если один выполнен из кожи, а другой из резины, потому что свет будет взаимодействовать с ними по-разному. Объекты, попадающие на пути любых световых лучей, будут отбрасывать тени. А прозрачное или полупрозрачное вещество, такое как стекло или вода, будет преломлять свет.
Для понимания метода трассировки лучей представим сетку на схеме как монитор компьютера. Чтобы визуализировать сцену из современной видеоигры, компьютер отображает трехмерный виртуальный мир игры на двухмерной плоскости — мониторе. При этом компьютер должен определить цвет для каждого пикселя на экране.
Процесс начинается с проецирования одного или нескольких лучей со стороны наблюдателя и проверки на пересечение лучами треугольников — составных частей виртуальных объектов в компьютерной графике. Если луч действительно попадает в треугольник, алгоритм использует такие данные, как цвет треугольника и его расстояние от наблюдателя, чтобы вычислить финальный результат — цвет пикселя.
Кроме того, лучи могут отражаться от треугольника или проходить через него, создавая все больше и больше лучей, которые также нужно учесть. Чем больше таких лучей, тем выше качество изображения, но вместе с тем требуется больше вычислительных ресурсов.
Как включить трассировку лучей в игре?
Одной из первых игр, поддерживающих трассировку лучей, стала компьютерная инди-игра Minecraft.
На ее примере рассмотрим, как включить или отключить рейтрейсинг в настройках игры.
В зависимости от модели видеокарты, расстояние рендеринга трассировки лучей по умолчанию может быть меньше 24. Измените этот параметр по своему усмотрению, чтобы изменить расстояние трассировки лучей и найти баланс между качеством графики и частотой кадров.
Какие улучшения привносит рейтрейсинг?
Отражения
Методы рендеринга, применяемые раньше, как, например, Screen Space Reflections (SSR), обладали некоторыми изъянами — это в первую очередь невозможность отображать предметы, не находящиеся в определенный момент в кадре. В рейтрейсинге же учитывается весь трехмерный мир, тем самым обеспечиваются максимально точные отражения.
Из-за отсутствия отражающей способности некоторых поверхностей эффект зачастую не столь заметен, но при этом ресурсозатратен. Для осуществления задач рейтрейсинга по отражениям необходим как минимум один луч на отражающий пиксель.
Наряду с прорисовкой отражений есть целый ряд приемов моделирования теней методами рейтрейсинга. Чтобы понять, как формируется изображение, достаточно представить исходящий луч в сторону источника света. Если исходящий луч попадает на поверхность предмета, прежде чем доберется до источника света, такой пиксель должен приобрести более темный оттенок. При вычислениях учитываются как расстояние до источника света, так и яркость, и цветовая температура.
Рейтрейсинг способен в том числе реалистично отбрасывать тени сквозь прозрачные поверхности, такие как разного рода ткани. В результате таких вычислений получаются более мягкие и точные тени со сложной неструктурированной полутенью.
Окклюзия окружающей среды
Модель затенения позволяет повторять сероватые тени, наблюдаемые в углах, щелях и небольших местах внутри и вокруг предметов. Алгоритм работает путем наблюдения за рядом коротких лучей в пределах одной области и проверки их на факт пересечения с ближайшими объектами — чем больше таких пересечений, тем более темной будет эта область.
Каустика
Трассировка лучей открывает возможность визуализировать результат отражения и преломления света, отраженного от изогнутых поверхностей. Каустики вычисляются по аналогии с обычными отражениями. Метод сводится к тому, что генерируются лучи, выделяются места их взаимодействия с поверхностью и рисуются отражения и преломления.
Несмотря на то, что 2D-каустика не требует существенных вычислительных мощностей, 3D-каустика может уже значительно нагрузить видеокарту.
Глобальное освещение
Отрисовка освещения — самое важная и при этом наиболее ресурсоемкая часть метода трассировки лучей. В ходе работы алгоритм отбрасывает лучи попиксельно на всю сцену и следит за всеми трансформациями, чтобы учесть даже малейшие изменения освещения.
Рейтрейсинг на видеокартах NVIDIA и AMD
NVIDIA. Для поддержки метода рендеринга видеокарты NVIDIA серии RTX 20 оборудованы специальным аппаратным решением, созданным для трассировки лучей. Архитектура Turing от NVIDIA на графических процессорах серии 20 использует ядра RT наряду с ядрами CUDA и Tensor от NVIDIA. Ядра RT предназначены исключительно для обработки трассировки лучей в реальном времени.
Выделенные ядра RT в графических процессорах серии RTX 20 на первый взгляд больше подходят для обеспечения рейтрейсинга, однако производительность такого решения оказалась недостаточной. Даже карта 2080Ti последнего поколения не справлялся с поддержкой игр с трассировкой лучей при запуске.
Новые графические процессоры RTX 3080 и 3090 имеют усовершенствованные ядра RT, благодаря чему достигается существенный прирост производительности. Эти карты не только быстрее, чем их аналоги последнего поколения — новые ядра RT также превосходят своих предшественников.
AMD. В течение последних нескольких лет AMD в своих продуктах пыталась обеспечить трассировку лучей с аппаратным ускорением, что по итогу вылилось в выпуск видеокарт серий RX 6800, 6800 XT и 6900 XT. Эти новые графические процессоры поддерживают трассировку лучей DirectX 12 и обеспечивают отличную производительность, хотя AMD пока все еще уступает NVIDIA в области трассировки лучей.
Кроме того, архитектура Big Navi, на которой работают карты AMD RX 6000, в значительной степени стала первым решением с поддержкой трассировки лучей. Это та же архитектура, которая обеспечивает визуальные эффекты в PlayStation 5 и Xbox Series X, обеспечивая в целом более низкий уровень производительности, чем флагманские карты NVIDIA.
Однако поскольку трассировка лучей все еще остается функцией консолей следующего поколения, значительное улучшения поддержки и оптимизации ожидается уже в обозримом будущем с появлением AMD FidelityFX Super Resolution (FSR) для игровых ПК, а также последних версий Microsoft Xbox.
Преимущества и недостатки рейтрейсинга
Трассировка лучей быстро становится предпочтительным способом рендеринга. Одним из преимуществ трассировки лучей является то, что это более реалистичный режим рендеринга. Многие физически правильные явления можно легко смоделировать с помощью алгоритма трассировки лучей, поскольку алгоритм имитирует движение света в реальном мире.
Во многом этому способствуют значительные достоинства этого метода:
Поддержка рендеринга гладких объектов напрямую без вспомогательного полигонального приближения;
Возможность параллельной трассировки лучей, что существенно ускоряет вычисления;
Сложность сцены в трехмерном мире менее выраженно коррелируется со сложностью вычислений.
С другой стороны, по-прежнему огромным недостатком метода трассировки лучей является его скорость, которая сказывается на производительности в играх. Трассеры лучей и по сей день работают довольно медленно. В этой области проводится большая работа по распараллеливанию и разного рода оптимизации, однако вычислительная мощность оборудования играет гораздо большую роль в скорости рендеринга, чем возможные программные решения этой проблемы. Из соображений повышения производительности большинство 3D-приложений используют гибрид движков рендеринга с трассировкой лучей и сканирования строк.
Будущее игровой графики — за рейтрейсингом?
Трассировка лучей в реальном времени в видеоиграх только зарождается. Видеокарты NVIDIA RTX в настоящее время являются единственными графическими процессорами потребительского уровня, которые предлагают аппаратную поддержку этой технологии, поэтому количество игр, использующих эту функцию, невелико.
Но по мере того, как все больше и больше производителей начнет внедрять технологии рейтрейсинга, реализм в видеоиграх со временем может выйти на совершенно новый уровень. Вполне вероятно, что со временем AMD догонит своего конкурента в области рейтрейсинга, что создаст прочную основу для разработчиков игр и вескую причину для создания игр, поддерживающих функции трассировки лучей. В свою очередь в перспективе даже 5-10 лет это сулит будущим играм достичь беспрецедентного уровня реализма
Трассировка лучей. Современные возможности видеокарт
Содержание
Содержание
Технология построения реалистичных сцен методом трассировки лучей (ray tracing) известна уже несколько десятков лет, но только пару последних лет она полноправно заявляет свои права в сфере компьютерных игр. Тем самым переставая быть инструментом, применяемым сугубо в профессиональной сфере, постепенно становясь ближе простому обывателю.
Виртуальные фотоны
Технологии в сфере графики обычно сложно объяснить и максимально доступно разложить по полочкам, но в случае с трассировкой лучей — все довольно просто. Сама идея построения картинки, можно сказать, взята из реальной жизни, а в ее основе лежат процессы из школьного курса физики. Суть идеи — просчет поведения луча света при преломлении и отражении от моделируемого объекта. При этом в расчет берутся, как интенсивность виртуального луча (его освещенность), так и его взаимодействие с другими объектами, другими виртуальными лучами и источниками света. В результате чего, пользователь на экране монитора наблюдает изображение, максимально приближенное к тому, что он привык видеть в реальной жизни.
По сути, в цифровую среду перенесена работа света из реального мира. Виртуальный фотон движется из исходной точки и по пути взаимодействует с объектом. В точке соприкосновения с моделью его дальнейшее движение определяется свойствами самого объекта. Световой луч может быть полностью поглощен темным объектом, или отражен его зеркальной поверхностью.
Технология трассировки лучей пытается максимально реалистично отобразить объекты и их взаимодействие со светом так же, как это происходит в реальном мире.
Такое сходство рейтрейсинга с процессами, происходящими в реальном мире, делает его довольно успешной техникой 3D-рендеринга. Даже в «кубических» играх наподобие Minecraft, картинка выглядит довольно реалистично, насколько это конечно возможно.
Основная проблема — такая насыщенная среда довольно сложно поддается моделированию. Воссоздание процессов работы света в реальном мире — очень сложный и требовательный к вычислительным ресурсам процесс. Для примера, при расчете одного кадра с разрешением Full HD потребуется одновременно просчитать 2073600 виртуальных лучей, каждый их которых, прежде чем сформирует один пиксель на экране, по пути следования будет взаимодействовать не с одним десятком своих «сородичей». При этом не стоит забывать, что речь идет о динамичной сцене, а не о статичной картинке, поэтому количество вычислений, при комфортном значении FPS, как правило, составляющих 50–60 FPS, возрастает в разы! Понимание этого процесса объясняет наличие огромных серверных ферм для рендеринга на киностудиях и студиях визуализации, профессионально занимающихся созданием контента высокого качества.
Главная идея при продвижении трассировки лучей в массы, заключалась в том, что для качественного скачка необходимо было разработать алгоритм, который по сильно зашумленной картинке, полученной в результате всего нескольких проходов (итераций) определял основные параметры создаваемого изображения. А именно: характеристики освещенности сцены, расположение теней и отражений объектов. И, исходя из имеющихся данных, дорисовывал ее до удобоваримого вида.
Это и было ключевым новшеством. Все остальное — уже давно известно визуализаторам. Существует огромнее количество различных программ и плагинов к ним, ориентированных на удаление методом аппроксимации посторонних шумов изображения. Главное в технологии — определение начальных параметров сцены.
Трассировка лучей в игровом контенте
Из-за проблематики, озвученной выше, рядовому геймеру предоставляется урезанная версия технологии, которая не потребует внушительных затрат, но позволит насладиться сочной картинкой, максимально приближенно передающей игру света и теней.
Чтобы сделать рейтрейсинг ближе к народу, производители контента вынуждены идти на определенные компромиссы. Ведь кроме увлекательного сюжета и удобного геймплея, у игры должна быть отменная визуализация, которая полностью погрузит геймера в игровой процесс. Это достигается определенными «уловками» в сфере создания отражений, теней и реалистичного распределения света по игровой сцене.
Отражения
В большинстве игр с трассировкой лучей в настоящее время используется комбинация традиционных методов освещения, обычно называемых растеризацией, и рейтрейсинга на определенных поверхностях, таких как отражения от водной глади и металлоконструкций.
Для создания отражений, помимо стандартных полигонов игровой сцены, определенным ее частям присваивается свойство материала, с необходимым коэффициентом отражения. Встречаясь с такой поверхностью, условный фотон либо отражается под тем же углом (зеркальные поверхности), либо преломляется под заданным углом (другие поверхности). Причем, при использовании рейтрейсинга на матовых поверхностях, отражение сильно зависит от близости объекта к ней. Т. е., чем объект дальше от поверхности, тем более размытым он кажется.
Это важное свойство, которое большинство даже не замечает в реальной жизни, а в игровом процессе такая детализация существенно повышает качество картинки и ее восприятие.
Battlefield V — яркий представитель такого игрового контента. Пользователь во всей красе наблюдает отражения войск и техники на воде, отражение местности на плоскостях пролетающих самолетов, отражение вспышек от взрывов на поверхностях игрового мира.
Создание эффектов тени всегда вызывало у разработчиков кучу сложностей и нестыковок. Есть тени, которые являются просто проекциями объектов. Как правило, они имеют четко очерченные края. Есть более проработанные варианты, так называемые мягкие тени. Они имеют определенную линию перехода, отделяющую тень от полутени, но, к сожалению, в реальной жизни это так не работает.
При создании теней методом рейтрейсинга, виртуальные лучи, исходящие из источника света, при встрече с объектами, сами создадут необходимые области затенения. При этом учитывается не только интенсивность источника света, но и световые излучения, продуцируемые другими объектами. В итоге — наиболее соответствующий реальным условиям результат.
Наиболее интересно реализовать динамику и реализм теней на данный момент удалось разработчикам компьютерной игры Shadow of the Tomb Raider.
Освещенность
Если, что называется «по-честному», просчитывать всю освещенность сцены, то необходимо учитывать абсолютно все световые лучи присутствующие в ней. А это очень и очень ресурсоемкая задача!
Поэтому для трассировки лучей в играх, во-первых, используется определенное количество источников света, а во-вторых, количество итераций рейтрейсинга тоже строго ограничено. Этот трюк позволяет сделать картинку живой и реалистичной, но в то же время не перегружает графическую подсистему ПК.
Пока еще в редких играх используется полная трассировка лучей для просчета глобального освещения всей сцены. Это самый дорогой в вычислительном отношении способ. Для эффективной работы он нуждается в самой мощной из доступных в данный момент видеокарт. А вот результат вполне может разочаровать, поскольку топовая видеокарта справится с такой задачей в разрешении Full HD, хотя ей вполне по силам без использования рейтрейсинга выводить на экраны изображение 4К. Metro Exodus — пожалуй, единственная игрушка, использующая трассировку лучей для построения всей сцены, хотя в некоторых моментах ее реализация оставляет желать лучшего.
Аппаратная часть
Наиболее удачливой в коммерческом использовании технологии оказалась компания NVIDIA. Ее серия графических адаптеров GeForce RTX — безоговорочный лидер в работе с виртуальными фотонами. Ведь она была специально разработана для решения задач по трассировке лучей.
Компания AMD на данном этапе сохраняет завидное олимпийское спокойствие. Однако это затишье не должно расслаблять конкурентов. Скорее всего, в самом ближайшем будущем, игроманам будет презентована специализированная линейка видеоадаптеров на базе архитектуры RDNA 2, презентованной ранее.
Краткие итоги
С появлением трассировки лучей в игровом сегменте, в первую очередь реализация отражений стала значительно правдивей для пользователя и существенно проще для производителя контента. Во-вторых — появились довольно правдоподобные алгоритмы рассеивания отражений. В-третьих, улучшилось освещение сцен. Как бы не ограничивались и аппроксимировались расчеты освещенности сцены, все же созданные по технологии рейтрейсинга они более правдоподобны и наиболее приближены к реалиям. К тому же, тени созданные по этой технологии «умеют» окрашиваться в зависимости от расположенных поблизости источников света.
Трассировка лучей: что, как и почем
С самого первого своего публичного явления на Gamescom 2018 архитектура Nvidia Turing стала предметом всеобщего обсуждения. Этот метод рендеринга уже давно был недостижимой мечтой графических технологий и вот, наконец, видеокарты вроде Nvidia GeForce RTX 2080 научились с ним работать с приемлемой производительностью.
Трассировка лучей, пожалуй, самое значительное улучшение графики в игровом мире за последние годы. Во всяком случае, в ПК-гейминге.
Так что же такое рейтрейсинг (ray tracing)? Это продвинутый и очень реалистичный способ рендеринга света и теней, благодаря которому компьютерная графика в фильмах и сериалах выглядит столь правдоподобно. Но есть одно «но» (на самом деле, конечно же, не одно): поскольку трассировка работает посредством симуляции и отслеживания каждого луча света от источника, технология крайне требовательна к мощности железа. В этом кроется главная причина, по которой мы не видели настоящего рейтрейсинга в играх. До сих пор.
В наши дни трассировка уже доступна на ПК, хотя пока лишь самые крупные тайтлы рискуют пользоваться ей, и то в ограниченном виде, довольствуясь лишь реалистичными отражениями или тенями. Игр, созданных при полной поддержке ray tracing, еще не существует.
Самое время разобраться, что такое трассировка лучей, как она работает и что дает нашим играм. Учитывая тот факт, что технология новая и почти каждый день появляется какая-нибудь новая информация о ней, мы постараемся своевременно обновлять эту статью.
Что такое трассировка лучей?
Это метод рендеринга изображения, позволяющий создавать потрясающе реалистичные световые эффекты. По сути, алгоритм отслеживает путь каждого луча от источника и симулирует способ, с которым свет взаимодействует с каждым виртуальным объектом на своем пути.
В последние годы мы наблюдали, как внутриигровое освещение становится все более и более правдоподобным, но преимущества новой технологии касаются больше не самого света, а того, каким образом он применяется в игровом мире.
Благодаря трассировке мы с вами сможем увидеть гораздо более реалистичные тени и отражения, а также продвинутые эффекты просвечивания и рассеивания света. Алгоритм принимает во внимание то, каким образом лучи падают на объект, просчитывает их взаимодействие и выдает изображение, подобное тому, что увидел бы человеческий глаз в схожих условиях в реальном мире. При этом влияние на результат оказывает множество деталей, включая даже видимые в сцене цвета.
При наличии достаточной вычислительной мощности можно создавать невероятно реалистичные изображения, практически неотличимые от реальности. Проблема заключается лишь в том, что подобной производительностью на сегодняшний день могут похвастать лишь дорогие ПК и консоли нынешнего поколения, причем первые страдают от завышенных цен на видеокарты, а вторые все еще в огромном дефиците.
При создании визуальных эффектов для кинофильмов и сериалов трассировка лучей используется в несравнимо большей степени, и причина у этого все та же: для такой работы студии могут позволить себе целые серверные фермы. И даже в таком случае применение технологии остается длительным и кропотливым процессом, не говоря уже о заоблачной стоимости подобного оборудования.
В видеоиграх же традиционно применяется растеризация (или растрирование, если угодно), как гораздо более быстрый способ рендеринга. Это процесс превращения трехмерной графики в двухмерные пиксели на вашем экране, для отображения реалистичного освещения использующий программы-шейдеры. К счастью, появляется все больше игр с поддержкой специального железа от Nvidia, способного управиться с применением трассировки в реальном времени. Да, растрирование по-прежнему преобладает в игрострое, но это будет продолжаться до тех пор, пока разработчики, следуя за распространением RTX видеокарт, не станут внедрять в свои проекты освещение на основе рейтрейсинга.
И, если прямо сейчас мы с вами не наблюдаем чего-то крышесносящего, фундамент для появления действительно потрясающей картинки уже заложен. С учетом того факта, что в консолях нового поколения уже реализована поддержка трассировки, нас ждет революция в гейминге.
Игры с поддержкой трассировки лучей
Прямо сейчас достаточно много игр поддерживают технологию трассировки лучей, а скоро их станет еще больше: даже в инди-игры теперь добавляют эффекты реалистичного освещения. А пока вот список нынешних игр с поддержкой RTX на ПК:
В списке будущих хитов с поддержкой трассировки лучей в реальном времени находятся:
Видеокарты с поддержкой трассировки лучей
Трассировку лучей в реальном времени качественно поддерживают только видеокарты Nvidia. AMD заявила, что вплотную займется рейтрейсингом в будущем, а пока что эта технология работает на их видеокартах лишь номинально, превращая многие игры в слайдшоу.
Само собой получается, что для получения удовольствия от трассировки лучей вы должны быть обладателем как минимум Nvidia GeForce RTX 2060. Если же у вас найдутся дополнительные деньги на RTX 2080 Ti, то вы не будете разочарованы картинкой. Правда, эта видеокарта пробьет в вашем кошельке огромную дыру.
Ниже вы найдете список всех современных видеокарт, аппаратно поддерживающих рейтрейсинг. Спойлер: все они носят гордое «RTX» в названии.
Кроме того, трассировка лучей в реальном времени программно поддерживается на видеокартах поколения Pascal (GTX 10xx), начиная от GTX 1060 6 GB, но, ввиду отсутствия RT ядер включение RTX в настройках приведет к существенному падению производительности — вплоть до полной неиграбельности.
Консоли с поддержкой трассировки лучей
Платформы предыдущего поколения не были способны воспроизводить актуальные игры с трассировкой лучей в реальном времени. Однако современным консолям — PlayStation 5 и Xbox Series X|S — эта задача вполне по плечу. Но с некоторыми оговорками: эти консоли слабее топовых ПК, поэтому трассировка лучей реализуется частично, жертвуя некоторыми другими эффектами — например, максимальным разрешением изображения или частотой кадров.
В некоторых играх, таких как Metro Exodus Enchansed Edition, страдает дальность прорисовки, а консоль Xbox Series S и вовсе практически не способна выдавать комфортный fps с трассировкой лучей. С другой стороны, это оправдано для бюджетных (а консоли именно таковыми и являются в сравнении с компьютерами) игровых устройств.
Производительность
Даже не вдаваясь в цифры и графики становится видно, как эти завораживающие визуальные эффекты печальнейшим образом сказываются на производительности ПК. Частота смены кадров падает просто катастрофически.
К примеру, Metro Exodus, запущенная в разрешении 3440х1440 с «экстремальными» настройками графики, выдает на RTX 2080 Ti в среднем 41 кадр в секунду. Однако, стоит только включить трассировку лучей, как fps падает до среднего значения в 23 кадра. Разумеется, играть можно, но… вы понимаете.
К счастью, эта игра поддерживает технологию DLSS, использующую интеллектуальный апскейл разрешения. С ней вы сможете выжать из игры больше: к примеру, во время теста Metro Exodus с «экстремальной» графикой и «ультра» рейтрейсингом показала в среднем 44 кадра в секунду. Впрочем, это уже тема для отдельной статьи.
Следовательно, в погоне за трассировкой лучей вам придется быть более консервативным в выборе разрешения, ведь для более или менее комфортной игры в 4K вам определенно не обойтись без RTX 2080 Ti. Для привычного же 1080р с рейтрейсингом вполне будет достаточно RTX 2060.
Геймер со стажем. Люблю читать, спать и Бога-Императора.