Что такое трассировка лучей? (И что это значит для компьютерных игр)
Опубликовано: 2022-01-29Замечали, что в последнее время ваши глаза расширяются во время игры? Если так, то это может быть из-за новой техники, которая медленно распространяется в игровой сфере. Самые последние, самые впечатляющие визуальные улучшения в компьютерных играх представлены вам благодаря трассировке лучей, которая лишь недавно стала возможной в режиме реального времени на специализированном оборудовании.
Хотя трассировка лучей обычно упоминается в компьютерных играх, Microsoft Xbox Series X и Sony PlayStation 5 также имеют необходимое оборудование и растущую библиотеку игр, которые ее поддерживают. В этой статье рассказывается, чем трассировка лучей отличается от традиционной растеризации, почему она важна для будущего игр и, конечно же, должна ли трассировка лучей повлиять на покупку вашего следующего игрового ПК (будь то игровой компьютер или игровой ноутбук) или консоли.
Основы трассировки лучей
Трассировка лучей — это метод, который хорошо работает для освещения созданной компьютером сцены. Концепция не нова; что нового, так это наличие вычислительной мускулатуры, позволяющей эффективно ее использовать.
Представьте, что вы стреляете лучом света в объект и прослеживаете, как он отражается от поверхности, почти как если бы вы вошли в темную комнату и направили фонарик. Затем представьте, что вы снимаете много лучей, используя те, которые возвращаются (и не возвращаются), чтобы выяснить, как должна выглядеть сцена. Например, лучи, которые не вернулись, скорее всего, были заблокированы объектом, создав тем самым тень. (Размышление об этой концепции так же, как о том, как работает радар, не за горами.)
Это базовое объяснение показывает, как трассировка лучей соответствует реальному освещению: свет, попадающий в ваши глаза, сообщает вашему мозгу, что вы видите. В анимационных фильмах трассировка лучей использовалась на протяжении десятилетий; История игрушек Pixar, например, привлекла к ней внимание в 1995 году, и с тех пор в рендеринге были достигнуты большие успехи.
Однако примерно с тех пор, как киноиндустрия использовала трассировку лучей, видеоигры полагались на другую технику, растеризацию, для рендеринга 3D-миров. Но прежде чем мы перейдем к причинам этого, давайте сравним трассировку лучей с растеризацией.
Основы: трассировка лучей против растеризации
Растеризация — это объектно-ориентированный подход к рендерингу сцены. Каждый объект сначала закрашивается цветом, затем применяется логика для отображения только ближайших к глазу пикселей. Напротив, трассировка лучей сначала окрашивает пиксели, а затем идентифицирует их с объектами. Просто... это все объясняет, верно?
Ну, не совсем , так что подумайте об этом так. Растеризация требует специальных методов и настройки для создания реалистичных изображений. Например, игровой конвейер рендеринга может быть настроен и оптимизирован для применения определенного эффекта, когда пиксели на объекте имеют заданный шаблон. Естественно, этот тип логики будет варьироваться от объекта к объекту и от сцены к сцене. Чтобы воспользоваться этим, требуются усилия со стороны разработчика, но это может окупиться эффективностью, поскольку компьютер может отображать сложную сцену без пропорционального количества вычислительной мощности.
Трассировка лучей, как правило, применяется в более общем виде, чем растеризация, поскольку она основана на съемке световых лучей. В результате методы достижения визуальных результатов с его помощью основаны на том, как используются эти лучи. Например, более мягкие тени и отражения требуют большего количества лучей, в то время как эффекты движения и размытия могут потребовать изменения времени луча или точки происхождения лучей.
В общем, растеризация и трассировка лучей могут использоваться для достижения одного и того же результата (или, по крайней мере, близкого к нему). Итак, теперь давайте рассмотрим, почему один из них используется вместо другого.
Популярные игры, встречайте трассировку лучей
Десятилетия назад растеризация заняла свое место в видеоиграх, потому что аппаратное обеспечение, необходимое для этого, было достаточно доступным для обычных покупателей, в отличие от того, что требовалось для трассировки лучей. Это все еще в значительной степени верно; игровые видеокарты оптимизированы для растеризации, и так будет еще много лет.
Путь трассировки лучей в массовые игры начался в 2018 году с запуска линейки карт Nvidia GeForce RTX для настольных ПК в виде GeForce RTX 2080. В 2020 году Nvidia представила карты серии GeForce RTX 3000 второго поколения (во главе с GeForce RTX 3080). , и конкурент AMD быстро последовал их примеру со своей серией Radeon RX 6000. (См. наш обзор флагмана Radeon RX 6800 XT.)
Короче говоря, потребовалось так много времени, чтобы трассировка лучей вышла на игровую сцену, потому что вычислительные ресурсы для ее реализации были недоступны по ценам, которые позволили бы массовому внедрению. Конечно, начальная стоимость по-прежнему относительно высока — ни AMD, ни Nvidia пока не предлагают дешёвую видеокарту для настольных ПК с аппаратной трассировкой лучей. На данный момент видеокартой «начального уровня», поддерживающей аппаратную трассировку лучей, является GeForce RTX 2060, которая была выпущена в 2019 году по не очень бюджетной цене 349 долларов и в наши дни продается намного дороже, чем в большинстве источников, из-за высокий спрос на видеокарты (и низкое предложение).
Лучшие видеокарты с трассировкой лучей, которые мы тестировали...
Тем не менее, в какой -то момент цены стабилизируются. И все готово для дальнейшего массового внедрения, особенно после того, как к вечеринке присоединились новейшие игровые консоли.
Визуальные улучшения с трассировкой лучей
Важно понимать, что трассировка лучей только открыла двери для игровой графики. Это связано с тем, что рендеринг всей игры с помощью трассировки лучей в реальном времени по-прежнему выходит за рамки возможностей современного оборудования. Игры, поддерживающие трассировку лучей, используют ее только для определенных эффектов, в основном связанных с тенями и освещением, а все остальное по-прежнему растрируется.
Во-первых, краткое введение в терминологию. Карты Nvidia под маркой RTX — например, GeForce RTX 2060 или RTX 3080 — используют проприетарную реализацию графического рендеринга, которую Nvidia широко называет «RTX». Эта реализация может использовать DirectX 12, а точнее его DirectX Raytracing API (DXR) для рендеринга световых путей в игровом движке.
Между тем, DXR — это API трассировки лучей, который может работать независимо от оборудования Nvidia или в сочетании с ним. Например, разработчики игры Crysis несколько лет назад продемонстрировали демонстрацию собственного движка Crytek, который запускал отражения с трассировкой лучей на карте серии AMD Radeon RX 5000 (графический процессор без ядер RT на борту), хотя производительность была ожидаемо низкой. . Если бы вы запустили ту же демонстрацию на карте AMD Radeon серии RX 6000 с встроенными ядрами RT, сцена DXR обрабатывалась бы значительно быстрее.
Ядра RT (которые специализируются на математических расчетах световых лучей) помогают любой видеокарте AMD или Nvidia запускать DXR быстрее, но для работы DXR не нужны ядра RT.
Давайте посмотрим, как трассировка лучей может визуально улучшить игру. Я сделал следующие пары скриншотов в Shadow of the Tomb Raider от Square Enix для ПК, который поддерживает тени с трассировкой лучей на видеокартах Nvidia GeForce RTX. В частности, посмотрите на тени на земле.
Вот еще одна пара сцен из Shadow of the Tomb Raider...
И давайте посмотрим на окончательный набор...
Тени с трассировкой лучей более мягкие и реалистичные по сравнению с более резкими растеризованными версиями. Их темнота варьируется в зависимости от того, сколько света блокирует объект, и даже в пределах самой тени, в то время как растеризация, кажется, придает каждому объекту четкую грань. Растеризованные тени по-прежнему выглядят неплохо, но после игры с тенями с трассировкой лучей трудно вернуться назад.
В настоящее время поддержка трассировки лучей в играх несколько противоречива, поскольку эта функция должна быть реализована отдельно для карт AMD и Nvidia. Все больше игр поддерживают карты Nvidia, главным образом потому, что до 2020 года Nvidia была единственной компанией, производившей видеокарты с поддержкой трассировки лучей, но все больше игр начинают поддерживать обе разновидности. Примеры последних включают Cyberpunk 2077, Dirt 5, Godfall и World of Warcraft: Shadowlands.
Рекомендовано нашими редакторами
Трассировка лучей: влияние на производительность
Когда дело доходит до графики для ПК, все имеет свою цену, и визуальные преимущества трассировки лучей не являются исключением. Его включение обычно приводит к снижению производительности, которое зависит от игры.
Возьмем, к примеру, встроенный бенчмарк в игре Shadow of the Tomb Raider. Я запустил его на готовом к игре настольном компьютере с процессором AMD Ryzen 9 5900X, видеокартой GeForce RTX 3080 и 32 ГБ памяти. Представленные ниже числа, протестированные при двух разрешениях, представляют собой среднее количество кадров в секунду (fps). Для плавного игрового процесса требуется не менее 60 кадров в секунду.
Двузначные показатели производительности от трассировки лучей значительны, и обратите внимание, что это происходит при включенной функции DLSS, повышающей производительность. DLSS — это специфичная для Nvidia функция, поддерживаемая в некоторых играх, которая может помочь уменьшить влияние вычислительной нагрузки трассировки лучей на частоту кадров. (Дополнительную информацию о DLSS см. в нашей статье «Тестирование DLSS 2.0 от Nvidia: более высокая частота кадров бесплатно?») DLSS подает большие надежды, но игра должна его поддерживать. Хотя в наши дни он набирает обороты, его поддержка далеко не универсальна.
Помните, что этот компромисс производительности связан только с применением эффектов тени и освещения, поэтому сегодняшние технологии действительно далеки от использования трассировки лучей для рендеринга всей игры. Тем не менее, снижение производительности в данном случае является наихудшим сценарием, поскольку в этой игре используются настройки теней с трассировкой лучей с меньшим негативным влиянием на производительность.
Отдельного упоминания заслуживает оптимизация игры. Разработчики, несомненно, научатся лучше оптимизировать трассировку лучей так же, как они делали это при растеризации, так что станет возможным получить больше эффектов трассировки лучей на существующем оборудовании. (Опять же, посмотрите, как далеко зашла растеризация.)
Ключевые игры с трассировкой лучей, которые мы рассмотрели
DLSS — это один из подходов, который также поможет, и мы ожидаем усовершенствования и расширения DLSS с течением времени. AMD также работает над собственной альтернативой для экономии производительности в стиле DLSS, получившей название «Super Resolution». Super Resolution разрабатывается совместно с командой Microsoft DirectML («ML» — это сокращение от «машинного обучения»). Тем не менее, AMD говорит, что эта технология все еще находится в стадии разработки, и мы, вероятно, не увидим ни одной игры с ней до 2022 года.
Будущее с трассировкой лучей: медленно набирает обороты
Несмотря на ограниченное применение трассировки лучей в современных играх, она никуда не денется. Письмо было на стене с тех пор, как AMD последовала за Nvidia, представив видеокарты Radeon с поддержкой аппаратной трассировки лучей. Поддержка аппаратной трассировки лучей в Xbox Series X и PlayStation 5 еще больше подтверждает это.
На этой ноте выбор в пользу трассировки лучей был сделан для консольных геймеров. Это также было сделано для геймеров на ПК, покупающих современные видеокарты среднего и высокого класса, поскольку все последние модели поддерживают аппаратную трассировку лучей, но остается вопрос, следует ли обновляться геймерам со старыми или более дешевыми видеокартами или тем, кто на рынке должен понтоваться.
Короче говоря, нет необходимости вкладывать средства в видеокарту, поддерживающую аппаратную трассировку лучей, если только вы не решите, что визуальные различия стоят денег. Трассировка лучей в настоящее время дает мало других преимуществ для игр, поэтому она сводится к простому удовольствию.
Текущая ограниченная доступность и высокие цены на видеокарты делают трассировку лучей еще более крупными инвестициями, чем это должно быть, поэтому, если вам не посчастливилось получить карту GeForce RTX или Radeon RX 6800, возможно, имеет смысл оставить трассировку лучей включенной. список пожеланий и использовать наличные деньги для игр. Эта стратегия может сработать еще лучше в долгосрочной перспективе, поскольку вы сможете заново испытать любую купленную игру с добавленной поддержкой трассировки лучей, пока ждали.