Co to jest śledzenie promieni? (I co to oznacza w grach na PC)
Opublikowany: 2022-01-29Zauważyłeś, że ostatnio twoje oczy rozszerzyły się znacznie bardziej, gdy grasz? Jeśli tak, może to być spowodowane nową techniką, która powoli rozprzestrzenia się w całej sferze gry. Najnowsze, najbardziej spektakularne ulepszenia wizualne w grach na komputery PC są udostępniane dzięki ray tracingowi, co dopiero niedawno stało się możliwe w czasie rzeczywistym przy użyciu specjalistycznego sprzętu.
Chociaż ray tracing jest powszechnie przywoływany w grach na PC, Xbox Series X firmy Microsoft i PlayStation 5 firmy Sony również mają niezbędny sprzęt i rosnącą bibliotekę gier, które go obsługują. W tym artykule opisano, czym różni się ray tracing od tradycyjnej rasteryzacji, dlaczego jest to ważne dla przyszłości gier i oczywiście, czy ray tracing powinien wpłynąć na zakup następnego komputera do gier (niezależnie od tego, czy jest to komputer stacjonarny do gier, czy laptop do gier) lub konsolę.
Podstawy ray tracingu
Ray tracing to technika, która dobrze sprawdza się przy oświetlaniu sceny generowanej komputerowo. Koncepcja nie jest nowa; Nowością jest posiadanie w zasięgu siły obliczeniowej, która umożliwia jej skuteczne wykonanie.
Wyobraź sobie, że wystrzeliwujesz promień światła w obiekt i śledzisz, jak odbija się on od powierzchni, prawie tak, jakbyś wchodził do ciemnego pokoju i kierował latarką. Następnie wyobraź sobie wystrzeliwanie wielu promieni, używając tych, które powracają (i nie wracają), aby dowiedzieć się, jak powinna wyglądać scena. Na przykład promienie, które nie wróciły, prawdopodobnie zostały zablokowane przez obiekt, tworząc w ten sposób cień. (Myślenie o koncepcji w taki sam sposób, jak o działaniu radaru, nie jest odległe.)
To podstawowe wyjaśnienie podkreśla, w jaki sposób śledzenie promieni przypomina oświetlenie w świecie rzeczywistym: światło, które dociera do twojego oka, mówi mózgowi, co widzisz. Filmy animowane od dziesięcioleci wykorzystują ray tracing; Na przykład Toy Story firmy Pixar umieścił ją w centrum uwagi w 1995 roku i od tego czasu poczyniono ogromne postępy w renderowaniu.
Mniej więcej odkąd przemysł filmowy używał ray tracingu, gry wideo polegały na innej technice, rasteryzacji, do renderowania światów 3D. Ale zanim przejdziemy do przyczyn tego, skontrastujmy ray tracing z rasteryzacją.
Podstawy: ray tracing a rasteryzacja
Rasteryzacja to podejście do renderowania scen oparte na obiektach. Każdy obiekt jest najpierw malowany kolorem, a następnie stosowana jest logika, aby pokazać tylko piksele znajdujące się najbliżej oka. Natomiast śledzenie promieni najpierw koloruje piksele, a później identyfikuje je z obiektami. Proste... to wszystko wyjaśnia, prawda?
Cóż, nie do końca , więc pomyśl o tym w ten sposób. Rasteryzacja wymaga specjalnych technik i poprawek, aby stworzyć realistyczne efekty wizualne. Na przykład potok renderowania gry może być dostosowany i zoptymalizowany w celu zastosowania określonego efektu, w którym piksele na obiekcie mają określony wzór. Oczywiście ten rodzaj logiki będzie się różnić w zależności od obiektu i sceny. Wykorzystanie tego wymaga wysiłku ze strony programisty, ale może się to opłacać wydajnością, ponieważ komputer może być w stanie renderować skomplikowaną scenę bez proporcjonalnych ilości mocy obliczeniowej.
Ray tracing jest zwykle stosowany w bardziej ogólny sposób niż rasteryzacja, ponieważ opiera się na strzelaniu promieniami świetlnymi. W rezultacie techniki uzyskiwania za jego pomocą efektów wizualnych opierają się na sposobie wykorzystania tych promieni. Na przykład łagodniejsze cienie i odbicia wymagają wystrzelenia większej liczby promieni, podczas gdy efekty ruchu i rozmycia mogą wymagać zmiany synchronizacji promieni lub punktu ich pochodzenia.
Podsumowując, rasteryzacja i ray tracing mogą być wykorzystane do osiągnięcia tego samego wyniku (lub przynajmniej zbliżonego do niego). Zbadajmy więc teraz, dlaczego jeden byłby używany zamiast drugiego.
Popularne gry, poznaj ray tracing
Dekady temu rasteryzacja zyskała swoje miejsce w grach wideo, ponieważ wymagany do tego sprzęt był wystarczająco przystępny dla kupujących z głównego nurtu, w przeciwieństwie do tego, który był wymagany do ray tracingu. Jest to nadal w dużej mierze prawdziwe; Karty graficzne do gier są zoptymalizowane pod kątem rasteryzacji i będą działać przez wiele lat.
Podróż Ray tracingu do głównego nurtu gier rozpoczęła się w 2018 r. wraz z wprowadzeniem na rynek linii kart Nvidia GeForce RTX do komputerów stacjonarnych w postaci GeForce RTX 2080. Nvidia wprowadziła swoją drugą generację kart z serii GeForce RTX 3000 w 2020 r. (na czele z GeForce RTX 3080) , a rywal AMD szybko poszedł w ich ślady, wprowadzając serię Radeon RX 6000. (Zobacz naszą recenzję flagowego Radeona RX 6800 XT.)
Krótko mówiąc, ray tracing wkroczył na scenę gier tak długo, ponieważ zasoby obliczeniowe do jego wykorzystania były nieosiągalne w cenach, które pozwoliłyby na przyjęcie do głównego nurtu. To prawda, że koszt wejścia jest nadal stosunkowo wysoki — ani AMD, ani Nvidia nie oferują jeszcze niskobudżetowej karty graficznej do komputerów stacjonarnych ze sprzętowym ray tracingiem. W tej chwili „podstawową” kartą graficzną zdolną do sprzętowego ray tracingu jest GeForce RTX 2060, który został wprowadzony na rynek w 2019 roku w niezbyt budżecie 349 USD i sprzedaje się znacznie więcej niż z większości źródeł w dzisiejszych czasach, ze względu na wysoki popyt (i niska podaż) kart graficznych.
Najlepsze karty graficzne do śledzenia promieni, które testowaliśmy...
Jednak w pewnym momencie ceny ustabilizują się. Scena jest przygotowana do dalszego przyjęcia do głównego nurtu, zwłaszcza od czasu, gdy do imprezy dołączyły najnowsze konsole do gier.
Ulepszenia wizualne dzięki ray tracingowi
Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że ray tracing wsadził swoją stopę dopiero w grafikę w grach. Dzieje się tak, ponieważ renderowanie całej gry w ray tracingu w czasie rzeczywistym wciąż znacznie przekracza możliwości dzisiejszego sprzętu. Gry obsługujące ray tracing używają go tylko do pewnych efektów, głównie tych związanych z cieniami i oświetleniem, podczas gdy wszystko inne jest nadal zrasteryzowane.
Najpierw szybki wstęp do terminologii. Karty Nvidii oznaczone marką RTX — na przykład GeForce RTX 2060 lub RTX 3080 — wykorzystują zastrzeżoną implementację renderowania grafiki, którą Nvidia szeroko określa jako „RTX”. Ta implementacja może używać DirectX 12, a dokładniej jego DirectX Raytracing API (DXR) do renderowania ścieżek światła w silniku gry.
Tymczasem DXR to interfejs API do śledzenia promieni, który może działać niezależnie od sprzętu Nvidii lub w połączeniu z nim. Na przykład twórcy gry Crysis kilka lat temu pokazali wersję demonstracyjną własnego silnika Crytek, który uruchamiał odbicia ray tracingu na karcie AMD Radeon RX 5000 (układ GPU bez rdzeni RT na pokładzie), chociaż wydajność była prawdopodobnie niska . Gdybyś miał uruchomić to samo demo na karcie AMD Radeon z serii RX 6000, wyposażonej w rdzenie RT, przetworzyłoby to znacznie szybciej scenę DXR.
Rdzenie RT (które specjalizują się w przetwarzaniu matematyki promieni świetlnych) pomagają każdej karcie graficznej, AMD lub Nvidia, działać szybciej DXR, ale DXR nie potrzebuje rdzeni RT do działania.
Zobaczmy, jak ray tracing może poprawić wizualnie grę. Zrobiłem następujące pary zrzutów ekranu w grze Shadow of the Tomb Raider firmy Square Enix na PC, która obsługuje cienie oparte na ray tracingu na kartach graficznych Nvidia GeForce RTX. W szczególności spójrz na cienie na ziemi.
Oto kolejna para scen z Shadow of the Tomb Raider...
I spójrzmy na ostateczny zestaw...
Cienie ze śledzeniem promienia wodzącego są bardziej miękkie i bardziej realistyczne w porównaniu z ostrzejszymi wersjami rastrowymi. Ich ciemność zmienia się w zależności od tego, ile światła blokuje obiekt, a nawet w samym cieniu, podczas gdy rasteryzacja wydaje się nadać każdemu obiektowi twardą krawędź. Rasteryzowane cienie nadal nie wyglądają źle, ale po rozegraniu gry z cieniami ze śledzeniem promienia ciężko się cofnąć.
Obecnie obsługa ray tracingu w grach jest nieco polaryzująca, ponieważ funkcja ta musi być zaimplementowana osobno dla kart AMD i Nvidia. Więcej gier obsługuje karty Nvidia głównie dlatego, że Nvidia była jedyną firmą produkującą karty graficzne obsługujące ray tracing do 2020 roku, ale coraz więcej gier zaczyna obsługiwać oba smaki. Przykładami tych ostatnich są Cyberpunk 2077, Dirt 5, Godfall i World of Warcraft: Shadowlands.
Polecane przez naszych redaktorów
Ray Tracing: wpływ na wydajność
Jeśli chodzi o grafikę na PC, wszystko ma swoją cenę, a wizualne zalety ray tracingu nie są wyjątkiem. Włączenie go zazwyczaj skutkuje spadkiem wydajności, który różni się w zależności od gry.
Weźmy na przykład wbudowany benchmark w grze Shadow of the Tomb Raider. Uruchomiłem go na komputerze stacjonarnym gotowym do gier z procesorem AMD Ryzen 9 5900X, kartą graficzną GeForce RTX 3080 i 32 GB pamięci. Przedstawione poniżej liczby, testowane w dwóch rozdzielczościach, to średnie klatki na sekundę (fps). Do płynnej rozgrywki wymagane jest co najmniej 60 klatek na sekundę.
Dwucyfrowe trafienia wydajnościowe z ray tracingu są znaczące i zauważ, że dzieje się tak z włączoną funkcją DLSS zwiększającą wydajność. DLSS to specyficzna dla Nvidii funkcja obsługiwana w niektórych grach, która może pomóc zmniejszyć wpływ obciążenia obliczeniowego ray tracingu na liczbę klatek na sekundę. (Aby dowiedzieć się więcej na temat DLSS, zobacz naszą funkcję Testowanie DLSS 2.0 firmy Nvidia: wyższa liczba klatek na sekundę za darmo?) DLSS jest bardzo obiecujący, ale gra musi go obsługiwać. Chociaż obecnie nabiera rozpędu, poparcie dla niego jest dalekie od powszechnego.
Pamiętaj, że ten kompromis w wydajności wynika po prostu z zastosowania efektów cienia i oświetlenia, więc dzisiejsza technologia jest rzeczywiście daleka od wykorzystania ray tracingu do renderowania całej gry. To powiedziawszy, spadki wydajności są w tym przypadku najgorszym scenariuszem, ponieważ ta gra ma ustawienia cieni ze śledzeniem promieni, które mają mniejszy negatywny wpływ na wydajność.
Optymalizacja gier zasługuje na wzmiankę. Deweloperzy bez wątpienia nauczą się lepiej optymalizować ray tracing, podobnie jak w przypadku rasteryzacji, więc powinno stać się możliwe uzyskanie większej liczby efektów ray tracingu z obecnego sprzętu. (Ponownie spójrz, jak daleko zaszła rasteryzacja.)
Kluczowe gry wykorzystujące ray tracing, które sprawdziliśmy
DLSS to jedno podejście, które również pomoże i oczekujemy udoskonalenia i rozwoju DLSS w miarę upływu czasu. AMD pracuje również nad własną, oszczędzającą wydajność alternatywą w stylu DLSS, nazwaną „Super Resolution”. Super Resolution jest opracowywane we współpracy z zespołem DirectML firmy Microsoft ("ML" jest skrótem od "uczenia maszynowego"). Jednak AMD twierdzi, że technologia wciąż jest odległa i prawdopodobnie nie zobaczymy żadnych gier działających z nią najwcześniej do 2022 roku.
Przyszłość oparta na ray tracingu: powoli zyskuje na Steam
Pomimo ograniczonych zastosowań ray tracingu w dzisiejszych grach, to się nie zmieni. Pismo było na ścianie, odkąd AMD podążyło za Nvidią, wprowadzając karty graficzne Radeon ze sprzętową obsługą ray tracingu. Sprzętowa obsługa ray tracingu w Xbox Series X i PlayStation 5 to kolejne napędy, które wskazują na to, że jest do domu.
W związku z tym wybór ray tracingu został dokonany dla graczy konsolowych. Został również stworzony dla graczy PC kupujących nowoczesne karty graficzne średniej i wysokiej klasy, ponieważ wszystkie najnowsze modele obsługują sprzętowe ray tracing, ale pozostaje pytanie, czy gracze ze starszymi lub słabszymi kartami graficznymi powinni uaktualnić, czy te dostępne na rynku powinien kucyka.
Krótko mówiąc, nie ma konieczności inwestowania w kartę graficzną obsługującą sprzętowe ray tracing, chyba że stwierdzisz, że różnice wizualne są warte swojej ceny. Ray tracing obecnie zapewnia niewiele innych korzyści w grach, więc sprowadza się do prostej przyjemności.
Obecna ograniczona dostępność i wysokie ceny kart graficznych sprawiają, że ray tracing jest inwestycją jeszcze większą, niż powinna być, więc jeśli nie masz szczęścia, aby wylądować na karcie GeForce RTX lub Radeon RX 6800, sensowne może być włączenie ray tracingu listę życzeń i wykorzystaj gotówkę na gry. Ta strategia może działać jeszcze lepiej na dłuższą metę, ponieważ będziesz mógł ponownie wypróbować każdą kupioną grę, która dodała obsługę ray tracingu podczas oczekiwania.